仿上水石材料的制备及导水性能研究

丛中卉 刘文超(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京 100083)

0 引言

由于沙漠地区[1,2]降水量少，蒸发量又远远大于降水量，以至于沙漠中没有足够的水分来满足植物正常生长的用水需求。在沙漠的地层结构中[3]，既存在表面干沙层，也存在湿沙层，而且湿沙层位于表面干沙层以下约20～40cm。拜格诺[4]论述了湿沙层现象，他指出沙漠气温的变化对湿沙层温度的影响微乎其微，湿沙层温度的均匀性阻碍了水分蒸发，使得湿沙层的水分得以保存数年。通常情况下，传统浇水、保水措施成本高、效率低，但如果能够把湿沙层的水通过一种导水材料运送至树苗的根部，那么就可以为植物提供其生长所需用水，并提高植物存活率。

自然界中的上水石，又称吸水石，具有“水往高处流”的引水特性，其主要成分为碳酸钙，表面为黄灰白色，质较疏松、多孔、重量较轻[5]。通过对上水石的研究，制备出一种仿上水石材料，并将其作为导水材料应用到沙漠植物的生长中，从而节约大量水资源。

1 实验部分

1.1 实验材料与仪器

材料：沙漠沙子[6]；水泥[7]，北京金隅水泥厂；粉煤灰[8,9]，河南远恒环保工程有限公司；石膏，河南远恒环保工程有限公司；发泡剂[10-12]，国药集团化学试剂厂；蒸馏水。

仪器：电子天平，PL403，梅特勒托利多厂；鼓风干燥箱，DHG-9023A，上海一恒科技；电动搅拌器，DJ1C-200，金坛大地自动化厂；有机玻璃管，Φ20×1mm，华夏塑料厂；透明塑料杯，20ml，鸿运诚兴厂。

1.2 实验步骤

首先称取80g 沙子、10g 水泥、10g 粉煤灰和1g 石膏，放入烧杯中进行混合搅拌，以375r/min 的速度先慢搅30s，再以750r/min的速度快搅120s；然后量取30ml H2O 和0.5ml H2O2于烧杯中混合并搅拌4～5s；将上述两种混合物再次混合搅拌，先慢搅15s，搅拌速度为750r/min，再快搅30s，速度为1500r/min；将搅拌所得浆料注入底端包有纱布的带有刻度的有机玻璃管和塑料杯中，在40℃下充分发泡30min；最后在60℃下干燥3 天，所得即为仿上水石材料。

2 结果与讨论

2.1 仿上水石材料的孔隙特征

如图1 所示，仿上水石材料既有闭孔，也有完全贯通的开孔，也有半开半闭的孔；一般情况下，闭孔孔隙尺寸比开孔大；且在孔壁上形成的孔隙通常是凝胶孔和毛细孔，孔隙较小，均为开孔，在孔隙内形成的孔通常有闭孔和开孔，孔隙较大，开孔通常贯通于闭孔内部，类似于一个镶嵌同心圆。

图1 仿上水石的孔隙形貌和开孔孔径尺寸

仿上水石材料以沙子作为主要基体材料，添加水泥作为凝胶材料，提高了材料的机械强度，利用粉煤灰增加活性，选用30%的H2O2作为发泡剂产生孔隙，同时石膏可以延缓浆料稠化速度使充分发气[13]。上水石的导水性能取决于其孔结构，而孔结构的形成与发泡剂量和水料比有关，发泡剂少会使浆料无法膨胀成孔，过多则会导致断层塌模现象的出现，同时，水料比过高也会影响浆料成型，顶部出现泌水溢流的现象，水料比过低则影响最终试样的力学强度。本实验仿照天然上水石孔隙的形成机理，探索了原料的最佳配比，制备了具有优良导水性能的仿上水石材料。

2.2 仿上水石材料的吸水率

吸水率是指材料试样吸收水的质量与原试样的质量之比，仿上水石材料的吸水率在一定程度上反映了材料的导水能力，利用浸泡介质法测量上水石的吸水率，公式如下：

式中：φ为吸水率；M为完全浸泡介质后的试样在空气中的质量；m为干燥试样在空气中的质量。

经过计算得出仿上水石材料的吸水率为44%，材料的吸水率反映了材料在单位时间内的吸水量，材料的吸水率越大，则水在多孔材料上下区间的浓度差就越，这种浓度差将导致底部水在孔隙内源源不断地向上运动，而且吸水率大，可以保证材料底部有水源的充足。在毛细孔的范围内，所制备出的仿上水石材料的导水性能与吸水率有关且吸水率越大的导水效果越好。

2.3 仿上水石材料的导水性能

固定仿上水石材料并将其底部浸入水中，用秒表计时并记录水的爬升高度，将最终结果绘制成曲线，并与天然上水石和过筛后的沙漠沙子做比对。导水测试的装置示意图和导水性能曲线如图2 所示。导水性能是仿上水石材料最主要的评价指标，只有导水性能好才具有实际应用的意义。

图2 仿上水石材料的导水测试

由图2 可以看出，仿上水石材料的水分爬升效果跟天然上水石几乎无异，且因为仿上水石材料的孔隙更为均匀，其导水效果在前期表现得更为优秀。多孔材料的导水过程是一个动力学过程，既与多孔材料的吸水率有关，也与水在孔隙内的受力有关。水在孔隙内运动时，通常会受到三个力[14]，即毛细力、离子间作用力和自身重力。其中自身重力是阻力，而离子间作用力和毛细力是水向上运动的动力，毛细力和孔径大小有关，而且是与开孔的孔径有关，孔径越小，毛细力越大，即导水性能越好。

3 结语

反重力引水材料对于沙漠地区生态恢复具有重要的应用价值，本文以上水石作为研究对象，开展了仿上水石材料的制备及其导水性能的研究。最终所制备的仿上水石材料具有良好的反重力引水能力，为荒漠化地区植物用水提供一种新的思路和技术，具有一定的参考意义和实际应用价值。