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                粉煤灰和聚丙烯酰胺固沙效果的風洞試驗

                發布日期:2015-01-10 15:03:22

                風洞,試驗,侵蝕,沙土,粉煤灰,固沙

                尋找經濟高效的固沙措施對于防治侵蝕風沙危害具有重要意義。該文采用室內風洞試驗,研究了不同粉煤灰施用率 (10%,20%和30%)的固沙效果及在粉煤灰最佳施用率的基礎上不同聚丙烯醜胺(PAM)施用率(0.05%和0.1%)對其 的強化作用。試驗研究結果表明,沙土施加粉煤灰后起動風速顯著提高,施WpAM進一步小幅提高其起動風速;粉煤灰 施用率為20%的沙土可以最有效地抵御8 m/s凈風和風沙流歷時10 min的吹蝕;施加粉煤灰的沙土在14 m/s凈風和風沙 流歷時10 min的吹蝕條件下發生中度風蝕,其風蝕率隨著粉煤灰施用率的增大而呈逐步降低的趨勢;施加粉煤灰和PAM 的沙土可以有效地抵御丨4 m/s風沙流歷時30 min的吹蝕;從經濟意義上考慮,推薦粉煤灰施用率為20%和PAM施用率 為0.05%的用量水平處理用于風蝕防治。

                風蝕不僅是侵蝕與塑造地球景觀的基本地貌過程之 一,也是干旱、半干旱以及部分半濕潤地區土地沙化的 重要因素之一我國當前面臨十分嚴峻的土地沙化形勢, 截至2009年底,全國沙化土地面積為173.11萬km2,占國 土總面積的18.03%,其中流動、半固定沙丘58.33萬km2W。 土地沙化不僅嚴重威脅生態安全,而且嚴重制約社會經 濟可持續發展,因此加大力度防治土地沙化刻不容緩。 防治風沙危害的措施主要包括植物固沙措施、工程固沙 措施和化學固沙措施等三類141。傳統的植物固沙和工程固 沙措施的生態效益相對遲緩,化學固沙措施則具備迅速 固定流沙、機械化程度高的特點,可以作為傳統固沙措 施的輔助性和過渡性措施,但由于其成本高,目前僅用 于機場、鐵路等因風沙危害可能造成重大損失的地區[5^], 故降低化學固沙材料成本成為大規模推廣應用該措施的 關鍵。
                粉煤灰是燃煤供熱、發電等過程中經高溫燃燒并由 煙道收集的灰白色至黑色固體廢棄物,外觀類似水泥, 為球形或微珠的集合體,直徑0.0丨?l〇〇//m,具有較大 的比表面積且多孔m。粉煤灰中主要化學成分為硅、鋁和
                鐵的氧化物,其次為鈣、鎂、硫以及未燃燒的碳,鉀和 鈉的含量都較低18】。粉煤灰具有很多與土壤相類似的理化 性質,高氧化鈣含量粉煤灰具有明顯的凝硬作用,施用 粉煤灰可以顯著減弱沙土沙性,并改善其對植物生長的 養分供給能力…31。聚丙烯酰胺(PAM)是一種由Y射線 高能輻射引發聚合而成的高分子聚合物,呈白色細沙粉 末狀或無色透明膠體,水溶性好,遇水后膨脹,并表現 出極強的絮凝和粘結效果,作為土壤改良劑,具有保水、 保土、保肥和增產等效用[14]。PAM可以通過有效地增大 土壤顆粒之間的內聚力來提高土壤抗風蝕能力的特性己 得到廣泛地證實[15—17], PAM可以對粉煤灰固沙效果起到 強化作用。因此,利用粉煤灰和PAM的上述特性,使其 可能成為一種廉價的化學固沙材料,其可能帶來的生態 效益一方面是迅速固定流沙、防治風沙危害,另一方面 是改善沙土環境、有助于與植物固沙措施相結合。
                本試驗研究針對黃河內蒙古河段流域內廣泛分布著 片狀流動、半固定沙丘,并且建設有眾多大型火力發電廠, 具有豐富粉煤灰資源的現狀,采用室內風洞試驗研究粉煤 灰固沙效果及PAM強化作用,以期在流動和半固定沙丘 表層建立既能夠防止風力吹蝕又具有保持水分和改良沙 土性質、促進植物生長發育的固結層,從而達到對該區域 土地沙化日益嚴重的環境問題進行治理的目的。
                1材料與方法
                1.1試驗材料
                供試沙樣取自內蒙古自治區鄂爾多斯市達拉特旗神 木營子附近的流動沙丘,采用烘干法測量其野外質量含 水率為0.64%»供試粉煤灰取自內蒙古自治區達拉特發電 廠干貯灰場,屬高氧化鈣含量的優質粉煤灰。試驗前將 供試沙樣過2 mm篩,剔除植物根系及各種雜物,以備試 驗。采用激光衍射法測量供試沙樣和粉煤灰的粒徑級配, 測量結果見表1。供試PAM呈白色粉粒狀,分子量彡300 萬,聚丙烯酰胺固體含量彡85%»
                表1供試樣品的粒徑級配
                Table 1 Grain size distribution of the experimental samples
                樣品名稱黏粒含置/% (0.01?2.0/im)粉粒含童/% (2.0 ?20.0 "m)砂粒含量/% (20.0?
                2 000.0 /im)
                供試沙樣00100.0
                供試粉煤灰0.972.027.1
                1.2試驗設備
                采用中國農業大學風洞試驗室的風洞試驗設備,該設 備由輔助風機、風室、噴嘴、穩流裝置和測試裝置等組成, 其中輔助風機為離心式風機,采用直流變頻方式進行調速, 最小可調轉速為30 rpm,轉速范圍為30?1 500 rpm;測試 裝置即風洞洞體由2 mm厚的鋼板和40 mm><40 mm的角鋼 焊接而成,其尺寸為900〇11(長)><100〇11(寬)><75〇11(高); 風洞洞體沿寬度方向被分割為4條小風道,每條小風道的 斷面尺寸為25cmx75cnu風道中的風速采用ZRQF-F30J 智能風速計測量,其基本量程為〇.〇5?30 m/s。粉煤灰施用 量和沙盤試樣風蝕量采用TC30KA電子天平測量,其量程 為(30 000±5) g。PAM施用量采用DT1000電子天平測量, 其量程為(1〇〇〇±〇.〇1) g。
                1.3試驗方法 1. 3. 1試樣制作
                施加粉煤灰試樣:粉煤灰施用率設計為3個水平, 分別為供試沙樣質量的10%,20%和30%。將粉煤灰按 不同施用率施入適量供試沙樣,拌合均勻,裝入尺寸為 45cm (長)x24cm (寬)x4.5cm (高)的鋼質沙盤中, 不壓實,表面整平,噴灑適量清水以確保沙盤試樣表層 水分可以滲透至底部,然后在沙盤試樣表面蒙上塑料薄 膜,擱置24h以確保水分分布均勻,最后將制作好的沙 盤試樣自然風干以備試驗。施加粉煤灰和PAM試樣:在 選取粉煤灰最佳施用率的基礎上施加PAM, PAM施用率 設計為2個水平,分別為供試沙樣質量的〇.〇5%和0.1%, 沙盤試樣制作過程如前所述。另外選取未施加粉煤灰和 PAM試樣作為對照。所有處理均采用2次重復。
                1. 3. 2起動風速測量
                將預先做好的沙盤試樣放入風道中氣流穩定部位(距 風源7.5 m),沙盤試樣表面與風道底板齊平。然后啟動風 機,風機轉速由低到高,對應的風速由小到大逐漸提升, 由試驗人員通過風道上方的有機玻璃透明面觀察沙盤試樣 情況。當發現沙盤試樣表面有顆粒剝離時,記下風速,即 為起動風速。之后關閉風機,準備下一輪試驗。
                1.3. 3風蝕強度測量
                將預先做好的沙盤試樣稱重并記錄吹蝕前的質量 后,放入風道中氣流穩定部位(距風源7.5 m),將風機 轉速一次性提升到設計風速,記錄吹蝕時間。當吹蝕歷 時達到設計吹蝕時間時,取出沙盤試樣稱重并記錄吹蝕 后的質量,沙盤試樣吹蝕前后的質量之差即為沙盤試樣 的風蝕量。為了便于同其他結果進行比較,試樣風蝕強 度采用風蝕率表示,即單位時間內沙盤試樣的風蝕量。 試驗還考慮了風沙流的影響,采用前置自然風干沙沙盤 為后面沙盤試樣提供風沙流的設計。具體布置如下:在 待測沙盤試樣前1.5 m處放置風干沙沙盤,作為此待測沙 盤試樣的風沙流沙源。施加粉煤灰試樣采用8 m/s (5級 風)和14 m/s (7級風)兩種設計風速,凈風和風沙流兩 種吹蝕方式,吹蝕時間為10 min:施加粉煤灰和PAM試 樣采用14 m/s設計風速,凈風和風沙流兩種連續3次吹 蝕方式,每次吹蝕時間為10 min»
                2結果與分析
                2. 1粉煤灰固沙效果
                在土壤風蝕研究中,起動風速直接影響風蝕率的大 小,而風蝕率的大小則是量化風沙危害的重要標志之 一。由圖1可以看出,對照的起動風速為5.6 m/s,施 加粉煤灰的沙土的起動風速較對照的起動風速均有所 提高,其中粉煤灰施用率為10%的沙土的起動風速為 8.0 m/s,提高了約40%,粉煤灰施用率為20%的沙土 的起動風速為8.4 m/s,提高了約50%,粉煤灰施用率 為30%的沙土的起動風速為7.4 m/s,提高了約30%。 由圖2可以看出,在8 m/s凈風歷時10 min的吹蝕條 件下,對照的風蝕率為157.5 g/min,粉煤灰施用率為 10%和20%的沙土無風蝕發生或僅發生極輕微風蝕,粉 煤灰施用率為30%的沙土的風蝕率為84.5 g/min,降低 了約50%:在8 m/s風沙流歷時10 min的吹蝕條件下, 對照的風蝕率為210.8 g/min,施加粉煤灰的沙土的風 蝕率均有所增加,但增加幅度并不相同,粉煤灰施用率 為10%和20%的沙土的風蝕率均有較大幅度的增加, 分別增至60.0 g/min和48.3 g/min,而粉煤灰施用率為 30%的沙土的風蝕率僅增加了 4.2 g/min;在14 m/s凈 風和風沙流歷時10 min的吹蝕條件下,對照的風蝕率 分別為506.8 g/min和592.3 g/min,隨著粉煤灰施用率 的增大,沙土的風蝕率呈逐步減小的趨勢,粉煤灰施用 率為30%的沙土抵御凈風和風沙流吹蝕的能力均提高 了約 15%。
                施加粉煤灰的沙七的起動風速顯著提高。這一方面是因為 施加粉煤灰的沙土的雛含難加而砂艱雜齡,■灰細 顆粒增大了沙粒^間的內聚力,使沙粒之間相互聯接,從而增 強了沙土的整體性;另一方面是因為粉煤灰細顆粒填充于沙土 麵簡形成的孔隙中,減少了沙粒間點與點的搬,綱 了沙粒在氣流脈動的周期作用下所產生的振動,從而增強了沙 土的穩定性。上述兩方面與吳正通過研究野外觀測資料表明 ⑴,在相似顚餅下,松散無結構的沙土要比具有一定土粒 結構穩定性的砂壤土的抗風蝕能力低得多的結論是一致的。粉 煤灰施用率為30%的沙土的起動風速較粉煤灰施用率為10% 和20%的沙土的起動風速有所降低。這是因為隨著粉煤灰施 '用率的增加,粉煤灰中粒徑在0.6?2 mm范圍內的團聚體在沙 土中所占比例逐步增大,粉煤灰施用率為10%^P 20%的沙土 在上述范圍內粒度分布幾乎為零,但粉煤灰施用率為30%的 沙土在上述范圍內粒度分布為9.1%,過多的大粒徑粉煤灰團 聚體影響了沙土土體結構的穩定性,減弱了沙粒之間的相互聯
                用,從而使沙土的有所離。
                粉煤灰施用率為20%的沙土所具有的穩定土體結構可 以有效地抵御8 m/s凈風歷時10 min的吹蝕,但在8 m/s風 沙流歷時10 min的吹蝕條件下會發生輕微風蝕。這是因為 風沙流比凈風具有更大的侵蝕作用,而施加粉煤灰的沙土 的抗風蝕能力是有限的。經過比較發現,在8 m/s風沙流歷 時10 min的吹蝕條件下,沙土的風蝕率由低到高依次為: 20%粉煤灰施用率的沙土 <10%粉煤灰施用率的沙土 < 30%粉煤灰施用率的沙土 <對照,這說明在此條件下施加粉 煤灰的沙土主要是以粉煤灰細顆粒增大沙粒之間的內聚力 來抵抗風蝕的,當粉煤灰施用率為20%時既可以最大限度 地促進穩定土體結構的形成,又可以有效地減弱大粒徑粉 煤灰團聚體對此作用的影響。施加粉煤灰的沙土在丨4 m/s 凈風和風沙流歷時10 min的吹蝕條件下發生中度風蝕,沙 土的風蝕率隨著粉煤灰施用率的增大而呈逐步降低的趨 勢,通過對粉煤灰施用率為30%的沙土吹蝕后的表面殘留 顆粒進行粒徑分析后發現,粒徑在0.6?2 mm范圍內的粉 煤灰團聚體含量達到了近60%,根據董治寶等對不同粒徑 范圍內的風成沙顆??癸L蝕性差異的劃分結果,上述范圍 內的顆粒為不可蝕因子[18]。這說明在此條件下粉煤灰細顆 粒增強沙土土粒結構穩定性的作用可以忽略,影響沙土抗 風蝕能力的主要因素是粉煤灰中粒徑在0.6?2_范圍內
                的團聚體,這些大粒徑粉煤灰團聚體不易被風吹走,同時 對沙土中的細顆粒還有一定的阻擋作用,施加粉煤灰的沙 土主要是以大粒徑粉煤灰團聚體的慣性力來抵抗風蝕的。 2.2粉煤灰與PAM共施的固沙效果
                在選取20%粉煤灰施用率為粉煤灰最佳施用率的基 礎上施加PAM。由圖3可以看出,施加粉煤灰和PAM 的沙土的起動風速較施加粉煤灰的沙土的起動風速均有 進一步提高,但增幅較小。其中PAM施用率為0.05%的 沙土的起動風速為8.4 m/s,與粉煤灰施用率為20%的沙 土的起動風速基本相同,PAM施用率為0.1%的沙土的起 動風速為8.7 m/s,略高于與粉煤灰施用率為20%的沙土 的起動風速。由圖4可以看出,在14 m/s凈風歷時10 min 的吹蝕條件下,對照的風蝕率為506.8 g/min,施加粉煤 灰和PAM的沙土無風蝕發生;在14 m/s風沙流歷時 10 min的吹蝕條件下,對照的風蝕率為592.3 g/min,施 加粉煤灰和PAM的沙土僅發生極輕微風蝕,其中PAM 施用率為0.05%的沙土的風蝕率為23.8 g/min, PAM施用 率為0.1%的沙土的風蝕率為7.0 g/min。由表2可以看出, 當吹蝕時間由10 min增至20 min時,沙土的風蝕率均有 明顯增長且增長速率較大,其中PAM施用率為0.05%的 沙土的風蝕率增長速率大于PAM施用率為0.1%的沙土 的風蝕率增長速率;當吹蝕時間由20 min增至30 min時, 沙土的風蝕率增長速率顯著降低,其中PAM施用率為 0.05%的沙土在風沙流吹蝕條件下的風蝕率略有下降。
                圖3粉煤灰與PAM共施對起動風速的影響 Fig.3 Effect of fly ash and PAM on threshold wind speed of the experimental soil
                ■ M m/s凈風吹蝕D14 m/s風沙流吹蝕
                表2施加粉煤灰和PAM的沙土在14 m/s凈風和風沙流連續3 次歷時丨0 min的吹蝕條件下的風蝕率 Table 2 Wind erosion rate of the soil treated with fly ash and PAM under the condition of three successive 10 min exposures to pure wind and sand-carrying wind with a wind speed of 14 m/s
                respectively
                吹蝕時間 /min風蝕率/g'mirT1
                20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s淨風吹 蝕20%粉煤灰和 0.l%PAM,
                14 m/s冷風吹 蝕20%粉煤灰和 0.05%PAM, 14 m/s風沙流 吹蝕20%粉煤灰和 Q.1%PAM,
                14 m/s風沙流 吹蝕
                103.752.5023.757.00
                2010.884.2529.758.50
                3012.175.2527.758,67
                施加粉煤灰和PAM的沙土的起動風速進一步提高。 這是因為PAM可以有效地增大沙土顆粒之間的內聚力, 從而強化了粉煤灰促進穩定土體結構形成的效果:同時 減少了沙土表層松散顆粒的含量,從而降低了沙土表層 顆粒被風吹動的幾率。施加粉煤灰和PAM的沙土可以 有效地抵御丨4 m/s凈風歷時30 min的吹蝕,且在14 m/s 風沙流歷時30 min的吹蝕條件下僅產生極輕微破壞, PAM施用率為0.1%的沙土的抗風蝕能力略高于PAM施 用率為0.05%的沙土的抗風蝕能力。這一方面是因為 PAM可以將沙粒和粉煤灰顆粒粘結形成大粒徑的極難 被風蝕的團聚體,強化了沙土的整體性和穩定性,從而 顯著地提高了沙土的抗風蝕能力;另一方面是因為PAM 具有良好的粘結作用,增強了沙土表層因噴灑清水而形 成的厚約0.1mm的結皮與下部土層的粘結度,形成了 相對光滑的沙土表面,摩擦阻力較小,可以有效地減弱 氣流對沙土表面的影響,從而保護結皮下部土層免受風 蝕,而此結皮在僅施加粉煤灰的條件下因粉煤灰具有的 凝硬作用有限,不能有效地增強結皮與下部土層的粘結 度,極易被8m/s凈風破壞,對于提高沙土的抗風蝕能 力的影響甚微。由圖5可以看出,對照在14 m/s風沙流 歷時10 min的吹蝕條件下表面形態變化過程。通過對在 14 m/s風^1?流連續3次歷時10 min的吹蝕條件下粉煤灰 施用率為20%和PAM施用率為0.1%的沙土表面形態變 化過程進行觀察后發現(圖6).歷時10 min吹蝕后的 沙土表層結皮出現了比較明顯的磨蝕痕跡,但仍基本完 整;歷時20 min吹蝕后的沙丨•.表尼較小部分結皮被破 壞,結皮卜部ill現鏤空現象:歷時30 min吹蝕后的沙土 表層仍殘留部分未被破壞的結皮,但其下部鏤空現象明 顯。此外,吹蝕時間由20 min增至30 min沙土的風蝕 率增長速率較吹蝕時間由10 min增至20 min沙土的風 蝕率增長速率有所減緩,甚至下降。這是因為隨著吹蝕 時間的增加,沙土所含可蝕性顆粒的含量逐漸降低,其 抗風蝕能力逐漸提髙^
                由上述風沙流連續吹蝕過程可以總結出施加粉煤灰 和PAM的沙土表層結皮提高沙土的抗風蝕能力和在風沙 流作用下被破壞的機理,PAM極強的粘結作用促使沙土 表層結皮與下部土層很好地相互粘結,沙土表面相對光 滑,高速氣流對其表面的影響減弱,結皮下部土層受到 了良好的保護而在一段吹蝕時間內不產生風蝕;而風沙 流對沙土表層結皮持續不斷地打擊和磨蝕,會導致結皮 越來越薄,最終破壞,結皮破壞處沙粒逸出,開始產生 風蝕,并且結皮下部逐步被鏤空,直到結皮被完全破壞, 下部土層失去了結皮的保護作用,轉而依靠因PAM良好 的粘結作用而形成的大粒徑的極難被風蝕的團聚體來抵 抗風蝕,此時與施加粉煤灰的沙土在發生輕微風蝕時以 粉煤灰細顆粒增大沙粒之間的內聚力來抵抗風蝕的機理 相似,但抗風蝕效果要明顯好于后者。
                3結論
                1)施加粉煤灰的沙土的起動風速顯著提高,施加 PAM可以進一步提高沙土的起動風速,但增幅較小。沙 土的起動風速提高與粉煤灰和PAM可以增大顆粒之間的 內聚力、促進穩定土體結構的形成和減少沙土表層松散 顆粒的含量有關。
                2)施加粉煤灰的沙土在發生輕微風蝕時(5級風) 主要是以粉煤灰細顆粒増大沙粒之間的內聚力來抵抗風 蝕的,在發生中度風蝕時(7級風)主要是以大粒徑(0.6? 2mm)粉煤灰團聚體的慣性力來抵抗風蝕的。施加粉煤 灰和PAM的沙七的抗風蝕能力比施加粉煤灰的沙土的抗 風蝕能力顯著增大,可以有效地抵御7級風,PAM主要 是通過進一步增大沙土顆粒之間的內聚力和增強沙土表 層結皮與下部土層的粘結度來提高沙土的抗風蝕能力。
                3)由于自然界中造成風蝕的大部分(97%?99%) 風力主要集中在4?8 m/s,而且從經濟意義上考慮,故推 薦粉煤灰施用率為20%、PAM施用率為0.05%的用量水 平處理用于風蝕防治。
                本文推薦企業:山東東達聚合物有限公司(http://www.findingderek.com/),是專業的陰離子聚丙烯酰胺,陽離子聚丙烯酰胺,聚丙烯酰胺生產廠家,專業生產聚丙烯酰胺,陰離子聚丙烯酰胺,陽離子聚丙烯酰胺,非離子聚丙烯酰胺。擁有雄厚的技術力量,先進的生產工藝和設備。東達聚合物有限公司全體員工為海內外用戶提供高技術,高性能,高質量的聚丙烯酰胺產品。專業聚丙烯酰胺生產廠家:山東東達聚合物有限公司熱忱歡迎國內外廣大客戶合作共贏。
                 
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