沙土基凝露材料制备

安昭 张增志 董姗姗

摘 要：本文利用沙漠沙土资源，通过对沙土进行球磨、煅烧的预处理，与CaO、H2O实现波索来反应，进而制备多孔性沙土基凝露材料。并模拟沙漠化环境，进行凝露材料的吸湿性能实验，结合沙土的预处理工艺，分析吸湿性能的差异性原因。本课题意义在于不引入外来水的条件下，利用昼夜温差凝露实现对植物生长及发芽所需水分的供应。

关键词：沙土；波索来反应；凝露

1 绪论

治理土地荒漠化的过程中，非常有效地一项措施是发展林沙产业，通过在沙地上种植绿色植被，既推动了林业的发展，改善了当地人们的生活，又对沙化的土地有修复作用。荒漠化地区的气候特点[1]和沙土环境[2]决定了该举措的重难点是提高沙区植物的存活比例，而提高沙区植物存活率这一问题，水分供应是必要条件。[3]基于这些条件，我们致力于寻找需水量较少的植物以及研究在缺水环境下种植植物的方法。

1.1 波索来反应

波索来反应又被叫做火山灰反应。火山灰（Pozzolan）最初指由剧烈火山喷发活动产生的玻璃质火成碎屑材料，现在则通指所有遇水能与石灰反应并发生凝结、硬化及强度增长的活性材料，可以用作混凝土的辅助胶凝材料。

一些含有火山灰成分的混合料也包含了一些分量的活性二氧化硅、活性氧化铝等该种特性的成分。而火山灰反应的化学机理实际上就是其中的活性组分与氢氧化钙发生的化学反应，反应后会产生水化硅酸钙、水化硫铝酸钙等新的物质成分。其中，氢氧化钙既可能由外掺的石灰产生，又可能源于由水泥水化反应中产生的氢氧化钙。[4]

1.2 凝露材料意义

以沙漠沙土为原料，以波索来反应为反应原理，以沙土-CaO-H2O为反应体系实现凝露材料的制备。将该材料用于沙漠植物地表以下，吸收潮沙层的水分，为植物的发芽和生长提供必要的水分。该材料对于提高荒漠地区植物的存活率具有重大的意义。

2 实验部分

通过对原料沙土进行预处理，改变原料反应活性，研究不同活性原料对沙土基凝露材料制备的影响。

（1）实验原料：沙土，氧化钙，去离子水等。

（2）实验仪器与设备：电子天平，球磨机，磁力搅拌机，真空干燥箱，马弗炉，人工气候箱。

（3）沙土预处理。①第一组：煅烧。煅烧之前将沙土置于恒温箱中110℃恒温烘干1h备用。烘干后，称取2份沙土，每份100g，分别置于马弗炉中煅烧，煅烧温度分别为700℃、800℃，升温速率设置为10℃ /min。达到预定温度后，保温时长1小时。其中700℃煅烧，记为T1，800℃煅烧，记为T2。

②第二组：球磨。称取两组沙土，每组各100g。分别进行球磨，球磨30min记为T3，球磨60min记为T4。

（4）凝露材料制备。将CaO与预处理过的沙土以质量比1：1，水灰比9：1的掺量配比混合均匀放入烧杯中，用以发生反应。将配制好的沙土-CaO-H2O试样置于磁力搅拌仪上搅拌10min后置于恒温干燥箱中50℃养护7天。第一组以煅烧温度为变量，以探究煅烧温度對波索来反应产物活性的影响；第二组以球磨时间为变量，以探究沙土粒度对波索来反应产物活性的影响。

3 凝露材料性能研究

3.1 煅烧处理

从图1中可以看出，XRD图谱中的主要衍射峰为SiO2、Ca（OH）2、以及CaCO3。波索来反应的主要产物是C-S-H，但水化硅酸钙的晶体结构松散，因此在XRD中未出现明显的特征峰，只是在靠近Ca（OH）2处有较弱的馒头峰。随着煅烧温度的增加，SiO2的衍射峰强度有所减弱，这说明煅烧沙土与CaO-H2O更容易发生波索来反应，活性SiO2可与Ca2+在碱性条件下生成C-S-H凝胶。且T2（红色）反应产物比T1（黑色）反应产物中SiO2的衍射峰减弱的更加明显，C-S-H的馒头峰逐渐长大，这也说明，煅烧800℃沙土与CaO、H2O的反应活性更强。随着煅烧温度的逐渐增加，沙土中SiO2晶体结构发生转变，由α-石英向磷石英转变，结晶度降低，趋于无定性，使得煅烧沙土-CaO-H2O参与反应的活性SiO2越来越多，即反应活性越来越大。

从图2中可以看出新生成的大量的云朵状的C-S-H凝胶以及少量未发生反应的沙土颗粒堆积在一起。C-S-H 最先包覆在沙土颗粒表面，随着反应程度逐渐增大，新生成的C-S-H凝胶逐渐增多，并交织、连结在一起，不断向复合体系空隙处生长，生成更加明显、疏松、发达的片层状的孔结构。C-S-H表面之间有一定的距离，片状结构之间相互交错形成一些小孔隙。

3.2 球磨处理

采用BT-9300H型激光粒度仪检测沙土原土球磨30min/60min后的粉体粒径分布，球磨30min试样粒度小于160μm之间，D50、D90分别为49.67μm、158.71μm；球磨60min试样粒度分布小于40μm之间，D50、D90分别为7.29μm、35.55μm。

球磨后反应产物中SiO2的衍射峰强度有所降低，即沙土中的SiO2结晶度变低，结晶度低的SiO2更容易发生Si-OH键的断裂，Si4+更易于Ca2+在有水的情况下结合，发生波索来反应，生成了C-S-H凝胶。且T4（红色）反应产物中较T3（黑色）反应产物中SiO2衍射峰降低的更明显，且C-S-H的弥散峰的峰值和宽度都有所增强，这也说明了T4的沙土的波索来反应活性明显高于T3的沙土。对沙土进行球磨不同时间，一方面，随着球磨时间的增加，沙土的颗粒粒度逐渐细化，这一点由球磨不同时间的沙土颗粒的粒径分布图证实，沙土颗粒的比表面积逐渐增大，与CaO、H2O的接触面积越大，反应活性越来越高；另一方面，机械力使沙土颗粒晶体结构改变，产生结晶效应，使得SiO2的结晶度降低，增加了沙土中SiO2表面活性点，从而提高了沙土反应活性。然而，球磨时间延长的过长也不合理，虽然此举会使沙土的比表面积增加，但也会使沙土的活性损失过快，再者，细小颗粒的团聚效应也将大大影响粉磨效果。因此，需合理设置球磨时间提高反应活性。

从图4中可以看出新生成的团絮状的C-S-H凝胶和未发生反应的小沙土颗粒堆积在一起，连接相对紧密，成板状，且有孔隙均匀分布。球磨60min的沙土体系中生成的C-S-H数量更多，且孔洞更明显，均匀分成，呈放射状向空隙生长。这也说明了球磨60min的沙土SiO2-CaO-H2O的反应活性更高。随着球磨时间的延长，沙土SiO2颗粒的粒度逐渐减小，活性位点逐渐增多，与CaO、H2O 的反应程度更大，生成的C-S-H更多，并交织、连结在一起，形成疏松的孔洞分布，孔结构越发明显，孔洞增大且多。

4 吸湿性能测试

4.1 测试

利用多段人工气候箱对凝露材料进行吸湿性能测试，采取不同的温度、湿度变化，重复多次试验。进行吸湿性能检测之前，将所有试样置于恒温干燥箱中100℃烘干，保证试样干燥。

（1）不同温度，相同湿度。设定湿度为60%RH，温度分别为10℃、20℃、30℃、40℃、50℃，恒温时长24H。分别称取100克不同预处理沙土基凝露材料置于设置好的人工气候箱内，24小时后再次称重。每一种凝露材料重复试验三次取平均值记为Mh。试样吸湿率为：Qt=Mh-100100。

（2）不同湿度，相同温度。设定温度为25℃，湿度分别为20%RH、30%RH、40%RH、50%RH、60%RH，70%RH，恒温24H。分别称取100克不同的预处理沙土基凝露材料置于设置好的人工气候箱内，24小时后再次称重。每一种凝露材料重复试验三次取平均值记为Mt。试样吸湿率为：Qt=Mt-100100。

4.2 结论

不同环境下的吸湿能力由大到小为：T2體系> T1体系> T4体系> T3体系。在同一湿度下，随着温度增加，凝露材料的吸湿率逐渐降低，吸湿时放热过程，根据Le Chatelier 原理和 Vant Hoff 定律，升温会抑制材料吸湿，使其平衡含湿量减少。在同一温度下，随着湿度增加，凝露材料的吸湿率逐渐增加。

在模拟的沙漠气候条件下，夜间至清晨，温度较低，湿度大，凝露材料利用硅酸钙凝胶的吸湿性和自身结构的孔洞结露，实现吸湿功能。随着白天气温升高，湿度降低，凝露材料又将储存的水分缓慢释放。联合开尔文公式，凹面的饱和蒸气压要小于平面的饱和蒸气压，即孔洞结构更容易凝露。结合沙土-CaO-H2O反应后试样的扫描电镜可以看出，各不同预处理体系的反应产物均形成为疏松的多孔结构，C-S-H内部具有很多的毛细孔，具有极大的比表面，可以自动吸附空气中的水蒸气，并在内部的毛细孔内实现结露效应。

参考文献：

[1]杨志飞.沙漠气候特点的分析[J].环境条件与试验，1991（06）：1-3.

[2]姚正毅，陈广庭，张伟民.沙丘表面沙土密度分布特征及其成因[J].水文地质工程地质，2003（03）：15-18.

[3]王涛.中国沙漠与沙漠化[M].河北：河北科学技术出版社，2003：209-214.

[4]朱蓓蓉，杨全兵.几种火山灰质掺合料的火山灰活性研究[J].粉煤灰综合利用，2005（02）：3-5.

作者简介：安昭（1994-），女，汉族，河北石家庄人，中国矿业大学（北京）硕士，专业：材料物理与化学。