生石灰改性膨润土有机覆盖垫制备工艺1)

王羿凯 司慧 张建中

(北京林业大学，北京，100083) (轻工业环境保护研究所)

城市裸露的土地是造成土壤水土流失、扬尘扬沙的主要原因之一，减少裸露土地面积能有效控制扬尘污染[1-2]。在城市绿化过程中产生的乔灌木修剪物、枯枝、落叶等可统称为园林绿色废弃物[3-4]。目前其主要处置方式有焚烧、填埋、发酵或堆肥等，将生物质资源合理化利用当前仍处于探索阶段[5]。有机覆盖物作为一种铺设在园艺植物或树木绿植周围土壤表面的各种有机生物体，它对减少裸土、土壤肥力养护、抑制杂草生长、美化环境都有着很大作用[6-8]。当前生态覆盖垫，普遍以有机生物质为原料，并通过胶黏剂使其粘接成型，但目前市场上的有机覆盖物价格普遍高于国外价格30%～60%[9]。目前普遍用作有机覆盖垫胶黏剂的，有聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、脲醛树脂等有机胶黏剂[10]；有机胶黏剂具有着粘接强度高、性能好，可针对性改良且可批量化生产等优良特质，但其价格成本较高，制造生产过程会不可避免地排放有害副产物。

膨润土资源丰富、环境友好，且具有较好的持水性能，同时可增强土壤保水保肥能力，尤其是减少土壤中氮素的损失[11]。其加水润湿后具有可塑性、黏接性，在加热烘干后会硬结并具有一定的干强度，广泛用于防渗防水材料、路基材料、铸造砂等领域[12-15]。近年来，许多研究者探索了膨润土的使用[16-20]。生石灰是一种凝胶材料，膨润土矿物中的活性铝、活性硅可与其发生火山灰反应，生成一系列含水的胶结物，如碳酸钙、铝酸钙等。这些胶结物具有水硬性，在有水环境下逐渐硬化，能提高土体强度、水稳性。

本研究以园林绿色废弃物为原料，生石灰改性膨润土为黏结剂，选取施加压力、园林废弃物含水率、改性膨润土质量分数3个工艺参数，每个工艺参数设置3个梯度，按照3因素3水平设计正交试验，制备裸土覆盖用的有机覆盖垫；测定样品的抗压强度、保水性、渗水性，遴选生石灰改性膨润土有机覆盖垫的制备工艺。旨在为生产黏接性能好、成本低、环境友好的有机覆盖垫提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

试验材料：①钙基膨润土，由浙江建材化工市场提供，其检测报告及基本成分为蒙脱石质量分数85%、膨胀容50 mL/g、胶质价7 mL/g、吸水率300%、湿态抗压强度0.28 MPa、干态抗压强度0.18 MPa、SiO2质量分数62.12%、Al2O3质量分数15.19%、CaO质量分数5.01%、Na2O质量分数0.22%。②生石灰，取自北京，CaO质量分数75.4%、MgO质量分数7.4%。③粉碎园林废弃物，由北京林业大学边坡绿化研究所提供。

主要试验仪器与设备：应变控制式无侧限压缩仪(型号YYW-2，河北中仪伟创试验仪器有限公司)、万能试验压机(型号CMT-01L，济南联工测试技术有限公司)、烘箱。

1.2 生石灰改性膨润土的制备

采用轻型击实方法，将试验土样风干碾碎过0.5 mm筛，按照质量比例(质量分数)分别为0、5%、10%、15%掺加生石灰，拌和均匀。按GB/T 50123—1999土工试验标准，每组制备5个不同含水率的试样，并确定最大干密度及其对应最优含水率(见图1、图2)。由图1可见，随着生石灰掺量的增多，试样的最优含水率依次变大、最大干密度依次变小。纯膨润土的干密度最大(1.61 g/cm3)、最优含水率最小(22.4%)。由图2可见，当生石灰掺量依次为5%、10%、15%时，试样的最大干密度依次为1.51、1.37、1.28 g/cm3，最优含水率依次为24.1%、25.8%、26.5%。

图1 不同生石灰质量分数时试样最大干密度与含水率的关系

由于生石灰与膨润土混合后有一定的反应时间，因此所有试样静置养护3 d。经过养护期后，参照土工试验标准，取各组干密度最大试样做无侧限抗压强度测试。使用应变控制式无侧限压缩仪，控制其轴向应变速率为每分钟应变1%～3%。轴向应变小于3%时，每隔0.5%应变记录1次；轴向应变大于等于3%时，每隔1%应变记录1次。当测力计读数出现峰值时，继续进行3%～5%的应变后停止试验，记录所得数据(见图3)。由图3可见，纯膨润土的最大抗压强度值最低(170 kPa)；生石灰掺入膨润土中可增强土体(试样)的强度，随生石灰掺量的增加，土体(试样)最大抗压强度依次增大，当生石灰掺量为15%时，生石灰改性膨润土最大抗压强度达到了281 kPa。

图2 不同生石灰质量分数时试样最大干密度与最优含水率变化趋势

图3 不同生石灰质量分数时试样轴向抗压强度与轴向应变的关系

生石灰的加入使得生成了一系列的理化反应，黏土颗粒与生石灰发生团聚导致黏土颗粒减少，团聚物内部空隙变大导致最大干密度变小；而团聚物内部的空隙会吸收更多的水分。此外，在生石灰与水分发生反应时需要从膨润土组分间吸收大量水，膨润土需要额外吸收足够水分以满足反应进行，从而使最优含水率依次上升[21]。又因生石灰属于无机性凝胶材料，在碱性的条件下，膨润土内部存在的大量活性硅、活性铝可与其发生胶结作用，生成氢氧化钙硅、氢氧化钙铝，提高了土体强度。

为满足有机覆盖垫强度需求，在改性膨润土与园林废弃物混合料冲压试验中，选取生石灰质量分数为15%的生石灰改性膨润土样本(含水率26.5%，干密度1.28 g/cm3)。

1.3 有机覆盖垫的样品制备

选取施加压力、园林废弃物含水率、改性膨润土质量分数3个工艺参数，每个工艺参数设置3个梯度，按照3因素3水平设计正交试验(见表1)。按照试验设计，秤取本研究制备的生石灰改性膨润土与园林废弃物，将混合料铺设成200 mm×200 mm的板柸，将板柸在0.4 MPa的压力下冲压，保压5 min后取出放置烘箱中100 ℃烘焙10 min，使用厚度规控制其厚度为20 mm，获得有机覆盖垫的样品。

表1 遴选制备有机覆盖垫工艺参数的正交试验设计

为了检验样品性能，重点测定样品的抗压强度、保水性、渗水性；为减小测量误差，每组测试均测量3次，计算结果取平均值。

抗压强度测试：参考GB/T 25993—2010《透水路面砖和透水路面板》，测试有机覆盖垫抗压强度。将有机覆盖垫放置在万能试验压机压板的中心位置，垫压板放在试样的上表面中心对称位置，以保证载荷均匀。启动机器，在试样发生破损后停机，记录此时载荷。抗压强度(σ)计算公式为σ=P/A(1)，式中的P为破坏荷载(单位为N)、A为试样的受压面积(单位为mm2)。

保水性测试：借鉴文献[22]的方法测试有机覆盖垫保水性。将100 g左右接近绝干状态的育苗土置入尺寸为200 mm×200 mm的塑料保鲜盒中，记录干燥前育苗土和保鲜盒总质量(k1)；每个保鲜盒内注水50 g，将不同条件时制备的有机覆盖垫铺装在保鲜盒表面，静置后称质量，然后放入烘箱中(温度设置为60 ℃)，每3 h称质量1次，直至质量恒定，取下保鲜盒表面覆盖的有机覆盖垫，记录此时总质量(k2)。通过质量变化的百分比确定保水性，保水率(B)计算公式为B=[(k2-k1)/m]×100%，式中的m为注水质量(单位为g)。

渗水性测试：借鉴文献[23]的方法测试有机覆盖垫渗透率。在尺寸为200 mm×200 mm的塑料保鲜盒中，加入100 g左右接近绝干状态的育苗土，记录干燥前育苗土和保鲜盒总质量(m1)；将不同条件时制备的有机覆盖垫铺装在保鲜盒表面，并使用增压泵、喷头模拟降水过程对其均匀喷洒。使用雨量筒控制雨强在0.5～1.0 mm/min的范围内，持续喷洒20 min，记录降水质量(m2)。取下保鲜盒表面覆盖的有机覆盖垫，并称量降水后育苗土和保鲜盒总质量(m3)。通过质量变化的百分比确定渗水性，渗水率(Q)计算公式为Q=[n·(m3-m1)/m2]×100%，式中的n为经验误差系数。

2 结果与分析

2.1 制备有机覆盖垫的正交试验结果

按照正交试验设计共9组试验(见表2)，由表2可见：有机覆盖垫的抗压强度最大值为1.27 MPa、最小值为0.73 MPa；保水率最大值为49.5%、最小值为44.2%；渗水率最大值为50.1%、最小值为40.0%。

表2 3个工艺参数不同梯度组合制备有机覆盖垫的正交试验结果

2.2 各工艺参数对有机覆盖垫抗压强度的影响

由表3可见：①随着施加压力的提高，覆盖垫的抗压强度逐渐增大。主要原因是施加压力的逐渐提高使有机覆盖垫的密度依次增大，相同体积内各个原料数量均增多，物料之间间距更为紧实，从而增大了抗压强度。②随着园林废弃物含水率的提高，覆盖垫的抗压强度逐渐增大。主要原因是园林废弃物含水率的提高使黏土胶团与水化阳离子之间形成的桥键增多，从而使其结合力变大，增大了抗压强度[24]。③随着改性膨润土质量分数的提高，覆盖垫的抗压强度先增大后减小。主要原因是膨润土的增多使材料组分间桥接键增多，但随着改性膨润土质量分数继续变大，膨润土内部低强度的黏土矿物遇水膨胀，减弱了覆盖垫强度；又因钙基膨润土亲水力较弱，吸水速率慢，在同一养护期时，含膨润土更多的试样会出现尚未完全水化就进行烘焙处理，内部桥键联结未完全形成，导致其强度减弱。

表3 各工艺参数不同梯度时有机覆盖垫的性能

此外，由于改性膨润土中含有一定量的生石灰，在含水的状态下生成的氢氧化钙可与空气中的二氧化碳反应生成碳酸钙，可提高有机覆盖垫强度。但由于空气中二氧化碳占比仅在0.03%～0.04%，导致该反应过程较慢且会持续进行，因此改性膨润土中生石灰质量分数对有机覆盖垫强度的影响会随着试样养护期的增长而逐渐显著。

2.3 各工艺参数对有机覆盖垫保水性的影响

由表3可见：①随着施加压力的提高，覆盖垫的保水性能逐渐变强。主要原因是施加压力的提高使原料之间接触面积变大、密度增大，内部片材更紧密，水气难以通过，导致透水性能降低。②随着园林废弃物含水率的提高，覆盖垫的保水性能逐渐变弱。主要原因是随着含水率的继续增大，水分与其内部中的膨润土以及生石灰水化充分，内部捕捉水分的能力变弱，从而导致保水性变弱；随着烘干时间增长，覆盖垫内部自由水分也随之蒸发，占据空间减少，使土壤内蒸发水分更容易从中穿过。③随着改性膨润土质量分数的提高，覆盖垫的保水性逐渐变强。主要原因是蒙脱石矿物晶体晶层表面吸附势能大于晶层之间的吸引能，水分进入覆盖垫内部后随即进入膨润土内部晶层之间，导致层间阳离子与水分子结合并有序排列在晶层表面上，使得晶层间距扩大，产生晶层膨胀；由于膨润土具备一定的吸水率及膨胀倍数，因此对于相同干密度的压实膨润土，恒体积条件时吸收水分越多，其水化越充分，导致黏土胶团膨胀变大，覆盖垫内部空隙变小，从而形成了致密的层状结构，保水性变强；在恒体积条件时，改性膨润土的组分细粒度更小，其占比越大，则吸水能力愈强，水分难以从其内部穿过。

2.4 各工艺参数对有机覆盖垫渗水性的影响

由表3可见：①随着施加压力的提高，覆盖垫的渗水性逐渐变弱。主要原因是施加压力的提高导致覆盖垫内部组分结合更加紧密，水分不易从外界穿透有机覆盖垫。②随着园林废弃物含水率的提高，覆盖垫的渗水性逐渐变弱。主要原因是晶层间距对膨胀力的大小有重要影响，对相同干密度压实膨润土，恒体积条件时吸收水分越多，水化越充分，膨胀力随着层间距离的增大而越大，从而使渗透率降低；由于内部结合水占据更多孔隙空间，可供自由水流动的孔隙体积减小，流动的路径更小、更曲折，导致渗透系数降低。③随着改性膨润土质量分数的提高，覆盖垫的渗水性逐渐变弱。主要原因是随着改性膨润土质量分数的提高，覆盖垫内形成的团聚物变多，吸水膨胀能力变强，水分不易从其内部经过，渗透率降低；此外，由于改性膨润土中含有生石灰成分，在大量降水条件时，会与渗透其中的水分发生反应生成氢氧化钙，进一步地会与二氧化碳成分生成碳酸钙，占据着有机覆盖垫内部空隙；其次，水分在其中会被化学反应消耗，因此导致渗透率降低。而陈永贵等[25]研究认为，高压实膨润土的膨胀过程包括晶层膨胀和扩散层膨胀，钙基膨润土的膨胀力较弱，因此与钠基膨润土相比，使用钙基膨润土制备的有机覆盖垫有着更好的渗透性。

有机覆盖垫内部膨润土的膨胀力以及水化程度会同时影响着其渗透性能与保水性能，且渗透性能强会导致其保水性变弱、渗透性能降低会使其保水性能提高，二者互成反比关系；因此，如何选择最佳制造方案，需要根据使用需求具体设定。本研究以保证二者的均衡作为最佳。此外，在淋水模拟降雨测试中，有机覆盖垫能始终保持着原有形态，说明它具有一定的水稳性，即耐水能力。

2.5 制备生石灰改性膨润土有机覆盖垫最佳工艺参数的遴选

综合各项制备工艺参数对有机覆盖垫各项性能指标的影响，以抗压强度、保水性为基准，确定制备生石灰改性膨润土有机覆盖垫的最佳工艺为A3B2C2，制备的生石灰改性膨润土有机覆盖垫的抗压强度为1.23 MPa、保水性为46.5%、渗水性为44.2%。强度满足体质量100 kg试验者行走时的承受强度(最大压力为1 300 N、受力面积约25 cm2、最大压强约0.52 MPa)[26-28]。

3 结论

采用生石灰改性膨润土作为有机覆盖垫黏接剂，研发了黏接性能好、成本低、环境友好的有机覆盖垫。该有机覆盖垫的最佳制备工艺条件为施加压力0.8 MPa、绿色园林废弃物含水率30%、改性膨润土质量分数40%，其中改性膨润土的含水率26.5%、干密度1.28 g/cm3、生石灰质量分数15%。按最佳制备工艺制备的有机覆盖垫抗压强度达到1.23 MPa(满足体质量100 kg试验者行走时的承受强度)、保水率达到46.5%、渗水率达到44.2%，即同时保持了二者的均衡性且在较好的水平。