王羿凱 司慧 張建中

(北京林業(yè)大學(xué)，北京，100083) (輕工業(yè)環(huán)境保護(hù)研究所)

城市裸露的土地是造成土壤水土流失、揚(yáng)塵揚(yáng)沙的主要原因之一，減少裸露土地面積能有效控制揚(yáng)塵污染[1-2]。在城市綠化過程中產(chǎn)生的喬灌木修剪物、枯枝、落葉等可統(tǒng)稱為園林綠色廢棄物[3-4]。目前其主要處置方式有焚燒、填埋、發(fā)酵或堆肥等，將生物質(zhì)資源合理化利用當(dāng)前仍處于探索階段[5]。有機(jī)覆蓋物作為一種鋪設(shè)在園藝植物或樹木綠植周圍土壤表面的各種有機(jī)生物體，它對減少裸土、土壤肥力養(yǎng)護(hù)、抑制雜草生長、美化環(huán)境都有著很大作用[6-8]。當(dāng)前生態(tài)覆蓋墊，普遍以有機(jī)生物質(zhì)為原料，并通過膠黏劑使其粘接成型，但目前市場上的有機(jī)覆蓋物價格普遍高于國外價格30%～60%[9]。目前普遍用作有機(jī)覆蓋墊膠黏劑的，有聚氨酯、聚醋酸乙烯酯、脲醛樹脂等有機(jī)膠黏劑[10]；有機(jī)膠黏劑具有著粘接強(qiáng)度高、性能好，可針對性改良且可批量化生產(chǎn)等優(yōu)良特質(zhì)，但其價格成本較高，制造生產(chǎn)過程會不可避免地排放有害副產(chǎn)物。

膨潤土資源豐富、環(huán)境友好，且具有較好的持水性能，同時可增強(qiáng)土壤保水保肥能力，尤其是減少土壤中氮素的損失[11]。其加水潤濕后具有可塑性、黏接性，在加熱烘干后會硬結(jié)并具有一定的干強(qiáng)度，廣泛用于防滲防水材料、路基材料、鑄造砂等領(lǐng)域[12-15]。近年來，許多研究者探索了膨潤土的使用[16-20]。生石灰是一種凝膠材料，膨潤土礦物中的活性鋁、活性硅可與其發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成一系列含水的膠結(jié)物，如碳酸鈣、鋁酸鈣等。這些膠結(jié)物具有水硬性，在有水環(huán)境下逐漸硬化，能提高土體強(qiáng)度、水穩(wěn)性。

本研究以園林綠色廢棄物為原料，生石灰改性膨潤土為黏結(jié)劑，選取施加壓力、園林廢棄物含水率、改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個工藝參數(shù)，每個工藝參數(shù)設(shè)置3個梯度，按照3因素3水平設(shè)計正交試驗，制備裸土覆蓋用的有機(jī)覆蓋墊；測定樣品的抗壓強(qiáng)度、保水性、滲水性，遴選生石灰改性膨潤土有機(jī)覆蓋墊的制備工藝。旨在為生產(chǎn)黏接性能好、成本低、環(huán)境友好的有機(jī)覆蓋墊提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

試驗材料：①鈣基膨潤土，由浙江建材化工市場提供，其檢測報告及基本成分為蒙脫石質(zhì)量分?jǐn)?shù)85%、膨脹容50 mL/g、膠質(zhì)價7 mL/g、吸水率300%、濕態(tài)抗壓強(qiáng)度0.28 MPa、干態(tài)抗壓強(qiáng)度0.18 MPa、SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)62.12%、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)15.19%、CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.01%、Na2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.22%。②生石灰，取自北京，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)75.4%、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.4%。③粉碎園林廢棄物，由北京林業(yè)大學(xué)邊坡綠化研究所提供。

主要試驗儀器與設(shè)備：應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀(型號YYW-2，河北中儀偉創(chuàng)試驗儀器有限公司)、萬能試驗壓機(jī)(型號CMT-01L，濟(jì)南聯(lián)工測試技術(shù)有限公司)、烘箱。

1.2 生石灰改性膨潤土的制備

采用輕型擊實方法，將試驗土樣風(fēng)干碾碎過0.5 mm篩，按照質(zhì)量比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù))分別為0、5%、10%、15%摻加生石灰，拌和均勻。按GB/T 50123—1999土工試驗標(biāo)準(zhǔn)，每組制備5個不同含水率的試樣，并確定最大干密度及其對應(yīng)最優(yōu)含水率(見圖1、圖2)。由圖1可見，隨著生石灰摻量的增多，試樣的最優(yōu)含水率依次變大、最大干密度依次變小。純膨潤土的干密度最大(1.61 g/cm3)、最優(yōu)含水率最小(22.4%)。由圖2可見，當(dāng)生石灰摻量依次為5%、10%、15%時，試樣的最大干密度依次為1.51、1.37、1.28 g/cm3，最優(yōu)含水率依次為24.1%、25.8%、26.5%。

圖1 不同生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)時試樣最大干密度與含水率的關(guān)系

由于生石灰與膨潤土混合后有一定的反應(yīng)時間，因此所有試樣靜置養(yǎng)護(hù)3 d。經(jīng)過養(yǎng)護(hù)期后，參照土工試驗標(biāo)準(zhǔn)，取各組干密度最大試樣做無側(cè)限抗壓強(qiáng)度測試。使用應(yīng)變控制式無側(cè)限壓縮儀，控制其軸向應(yīng)變速率為每分鐘應(yīng)變1%～3%。軸向應(yīng)變小于3%時，每隔0.5%應(yīng)變記錄1次；軸向應(yīng)變大于等于3%時，每隔1%應(yīng)變記錄1次。當(dāng)測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值時，繼續(xù)進(jìn)行3%～5%的應(yīng)變后停止試驗，記錄所得數(shù)據(jù)(見圖3)。由圖3可見，純膨潤土的最大抗壓強(qiáng)度值最低(170 kPa)；生石灰摻入膨潤土中可增強(qiáng)土體(試樣)的強(qiáng)度，隨生石灰摻量的增加，土體(試樣)最大抗壓強(qiáng)度依次增大，當(dāng)生石灰摻量為15%時，生石灰改性膨潤土最大抗壓強(qiáng)度達(dá)到了281 kPa。

圖2 不同生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)時試樣最大干密度與最優(yōu)含水率變化趨勢

圖3 不同生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)時試樣軸向抗壓強(qiáng)度與軸向應(yīng)變的關(guān)系

生石灰的加入使得生成了一系列的理化反應(yīng)，黏土顆粒與生石灰發(fā)生團(tuán)聚導(dǎo)致黏土顆粒減少，團(tuán)聚物內(nèi)部空隙變大導(dǎo)致最大干密度變??；而團(tuán)聚物內(nèi)部的空隙會吸收更多的水分。此外，在生石灰與水分發(fā)生反應(yīng)時需要從膨潤土組分間吸收大量水，膨潤土需要額外吸收足夠水分以滿足反應(yīng)進(jìn)行，從而使最優(yōu)含水率依次上升[21]。又因生石灰屬于無機(jī)性凝膠材料，在堿性的條件下，膨潤土內(nèi)部存在的大量活性硅、活性鋁可與其發(fā)生膠結(jié)作用，生成氫氧化鈣硅、氫氧化鈣鋁，提高了土體強(qiáng)度。

為滿足有機(jī)覆蓋墊強(qiáng)度需求，在改性膨潤土與園林廢棄物混合料沖壓試驗中，選取生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的生石灰改性膨潤土樣本(含水率26.5%，干密度1.28 g/cm3)。

1.3 有機(jī)覆蓋墊的樣品制備

選取施加壓力、園林廢棄物含水率、改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)3個工藝參數(shù)，每個工藝參數(shù)設(shè)置3個梯度，按照3因素3水平設(shè)計正交試驗(見表1)。按照試驗設(shè)計，秤取本研究制備的生石灰改性膨潤土與園林廢棄物，將混合料鋪設(shè)成200 mm×200 mm的板柸，將板柸在0.4 MPa的壓力下沖壓，保壓5 min后取出放置烘箱中100 ℃烘焙10 min，使用厚度規(guī)控制其厚度為20 mm，獲得有機(jī)覆蓋墊的樣品。

表1 遴選制備有機(jī)覆蓋墊工藝參數(shù)的正交試驗設(shè)計

為了檢驗樣品性能，重點測定樣品的抗壓強(qiáng)度、保水性、滲水性；為減小測量誤差，每組測試均測量3次，計算結(jié)果取平均值。

抗壓強(qiáng)度測試：參考GB/T 25993—2010《透水路面磚和透水路面板》，測試有機(jī)覆蓋墊抗壓強(qiáng)度。將有機(jī)覆蓋墊放置在萬能試驗壓機(jī)壓板的中心位置，墊壓板放在試樣的上表面中心對稱位置，以保證載荷均勻。啟動機(jī)器，在試樣發(fā)生破損后停機(jī)，記錄此時載荷?？箟簭?qiáng)度(σ)計算公式為σ=P/A(1)，式中的P為破壞荷載(單位為N)、A為試樣的受壓面積(單位為mm2)。

保水性測試：借鑒文獻(xiàn)[22]的方法測試有機(jī)覆蓋墊保水性。將100 g左右接近絕干狀態(tài)的育苗土置入尺寸為200 mm×200 mm的塑料保鮮盒中，記錄干燥前育苗土和保鮮盒總質(zhì)量(k1)；每個保鮮盒內(nèi)注水50 g，將不同條件時制備的有機(jī)覆蓋墊鋪裝在保鮮盒表面，靜置后稱質(zhì)量，然后放入烘箱中(溫度設(shè)置為60 ℃)，每3 h稱質(zhì)量1次，直至質(zhì)量恒定，取下保鮮盒表面覆蓋的有機(jī)覆蓋墊，記錄此時總質(zhì)量(k2)。通過質(zhì)量變化的百分比確定保水性，保水率(B)計算公式為B=[(k2-k1)/m]×100%，式中的m為注水質(zhì)量(單位為g)。

滲水性測試：借鑒文獻(xiàn)[23]的方法測試有機(jī)覆蓋墊滲透率。在尺寸為200 mm×200 mm的塑料保鮮盒中，加入100 g左右接近絕干狀態(tài)的育苗土，記錄干燥前育苗土和保鮮盒總質(zhì)量(m1)；將不同條件時制備的有機(jī)覆蓋墊鋪裝在保鮮盒表面，并使用增壓泵、噴頭模擬降水過程對其均勻噴灑。使用雨量筒控制雨強(qiáng)在0.5～1.0 mm/min的范圍內(nèi)，持續(xù)噴灑20 min，記錄降水質(zhì)量(m2)。取下保鮮盒表面覆蓋的有機(jī)覆蓋墊，并稱量降水后育苗土和保鮮盒總質(zhì)量(m3)。通過質(zhì)量變化的百分比確定滲水性，滲水率(Q)計算公式為Q=[n·(m3-m1)/m2]×100%，式中的n為經(jīng)驗誤差系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 制備有機(jī)覆蓋墊的正交試驗結(jié)果

按照正交試驗設(shè)計共9組試驗(見表2)，由表2可見：有機(jī)覆蓋墊的抗壓強(qiáng)度最大值為1.27 MPa、最小值為0.73 MPa；保水率最大值為49.5%、最小值為44.2%；滲水率最大值為50.1%、最小值為40.0%。

表2 3個工藝參數(shù)不同梯度組合制備有機(jī)覆蓋墊的正交試驗結(jié)果

2.2 各工藝參數(shù)對有機(jī)覆蓋墊抗壓強(qiáng)度的影響

由表3可見：①隨著施加壓力的提高，覆蓋墊的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。主要原因是施加壓力的逐漸提高使有機(jī)覆蓋墊的密度依次增大，相同體積內(nèi)各個原料數(shù)量均增多，物料之間間距更為緊實，從而增大了抗壓強(qiáng)度。②隨著園林廢棄物含水率的提高，覆蓋墊的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。主要原因是園林廢棄物含水率的提高使黏土膠團(tuán)與水化陽離子之間形成的橋鍵增多，從而使其結(jié)合力變大，增大了抗壓強(qiáng)度[24]。③隨著改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，覆蓋墊的抗壓強(qiáng)度先增大后減小。主要原因是膨潤土的增多使材料組分間橋接鍵增多，但隨著改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)變大，膨潤土內(nèi)部低強(qiáng)度的黏土礦物遇水膨脹，減弱了覆蓋墊強(qiáng)度；又因鈣基膨潤土親水力較弱，吸水速率慢，在同一養(yǎng)護(hù)期時，含膨潤土更多的試樣會出現(xiàn)尚未完全水化就進(jìn)行烘焙處理，內(nèi)部橋鍵聯(lián)結(jié)未完全形成，導(dǎo)致其強(qiáng)度減弱。

表3 各工藝參數(shù)不同梯度時有機(jī)覆蓋墊的性能

此外，由于改性膨潤土中含有一定量的生石灰，在含水的狀態(tài)下生成的氫氧化鈣可與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣，可提高有機(jī)覆蓋墊強(qiáng)度。但由于空氣中二氧化碳占比僅在0.03%～0.04%，導(dǎo)致該反應(yīng)過程較慢且會持續(xù)進(jìn)行，因此改性膨潤土中生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)對有機(jī)覆蓋墊強(qiáng)度的影響會隨著試樣養(yǎng)護(hù)期的增長而逐漸顯著。

2.3 各工藝參數(shù)對有機(jī)覆蓋墊保水性的影響

由表3可見：①隨著施加壓力的提高，覆蓋墊的保水性能逐漸變強(qiáng)。主要原因是施加壓力的提高使原料之間接觸面積變大、密度增大，內(nèi)部片材更緊密，水氣難以通過，導(dǎo)致透水性能降低。②隨著園林廢棄物含水率的提高，覆蓋墊的保水性能逐漸變?nèi)?。主要原因是隨著含水率的繼續(xù)增大，水分與其內(nèi)部中的膨潤土以及生石灰水化充分，內(nèi)部捕捉水分的能力變?nèi)?，從而?dǎo)致保水性變?nèi)?；隨著烘干時間增長，覆蓋墊內(nèi)部自由水分也隨之蒸發(fā)，占據(jù)空間減少，使土壤內(nèi)蒸發(fā)水分更容易從中穿過。③隨著改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，覆蓋墊的保水性逐漸變強(qiáng)。主要原因是蒙脫石礦物晶體晶層表面吸附勢能大于晶層之間的吸引能，水分進(jìn)入覆蓋墊內(nèi)部后隨即進(jìn)入膨潤土內(nèi)部晶層之間，導(dǎo)致層間陽離子與水分子結(jié)合并有序排列在晶層表面上，使得晶層間距擴(kuò)大，產(chǎn)生晶層膨脹；由于膨潤土具備一定的吸水率及膨脹倍數(shù)，因此對于相同干密度的壓實膨潤土，恒體積條件時吸收水分越多，其水化越充分，導(dǎo)致黏土膠團(tuán)膨脹變大，覆蓋墊內(nèi)部空隙變小，從而形成了致密的層狀結(jié)構(gòu)，保水性變強(qiáng)；在恒體積條件時，改性膨潤土的組分細(xì)粒度更小，其占比越大，則吸水能力愈強(qiáng)，水分難以從其內(nèi)部穿過。

2.4 各工藝參數(shù)對有機(jī)覆蓋墊滲水性的影響

由表3可見：①隨著施加壓力的提高，覆蓋墊的滲水性逐漸變?nèi)?。主要原因是施加壓力的提高?dǎo)致覆蓋墊內(nèi)部組分結(jié)合更加緊密，水分不易從外界穿透有機(jī)覆蓋墊。②隨著園林廢棄物含水率的提高，覆蓋墊的滲水性逐漸變?nèi)酢Ｖ饕蚴蔷娱g距對膨脹力的大小有重要影響，對相同干密度壓實膨潤土，恒體積條件時吸收水分越多，水化越充分，膨脹力隨著層間距離的增大而越大，從而使?jié)B透率降低；由于內(nèi)部結(jié)合水占據(jù)更多孔隙空間，可供自由水流動的孔隙體積減小，流動的路徑更小、更曲折，導(dǎo)致滲透系數(shù)降低。③隨著改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，覆蓋墊的滲水性逐漸變?nèi)?。主要原因是隨著改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，覆蓋墊內(nèi)形成的團(tuán)聚物變多，吸水膨脹能力變強(qiáng)，水分不易從其內(nèi)部經(jīng)過，滲透率降低；此外，由于改性膨潤土中含有生石灰成分，在大量降水條件時，會與滲透其中的水分發(fā)生反應(yīng)生成氫氧化鈣，進(jìn)一步地會與二氧化碳成分生成碳酸鈣，占據(jù)著有機(jī)覆蓋墊內(nèi)部空隙；其次，水分在其中會被化學(xué)反應(yīng)消耗，因此導(dǎo)致滲透率降低。而陳永貴等[25]研究認(rèn)為，高壓實膨潤土的膨脹過程包括晶層膨脹和擴(kuò)散層膨脹，鈣基膨潤土的膨脹力較弱，因此與鈉基膨潤土相比，使用鈣基膨潤土制備的有機(jī)覆蓋墊有著更好的滲透性。

有機(jī)覆蓋墊內(nèi)部膨潤土的膨脹力以及水化程度會同時影響著其滲透性能與保水性能，且滲透性能強(qiáng)會導(dǎo)致其保水性變?nèi)酢B透性能降低會使其保水性能提高，二者互成反比關(guān)系；因此，如何選擇最佳制造方案，需要根據(jù)使用需求具體設(shè)定。本研究以保證二者的均衡作為最佳。此外，在淋水模擬降雨測試中，有機(jī)覆蓋墊能始終保持著原有形態(tài)，說明它具有一定的水穩(wěn)性，即耐水能力。

2.5 制備生石灰改性膨潤土有機(jī)覆蓋墊最佳工藝參數(shù)的遴選

綜合各項制備工藝參數(shù)對有機(jī)覆蓋墊各項性能指標(biāo)的影響，以抗壓強(qiáng)度、保水性為基準(zhǔn)，確定制備生石灰改性膨潤土有機(jī)覆蓋墊的最佳工藝為A3B2C2，制備的生石灰改性膨潤土有機(jī)覆蓋墊的抗壓強(qiáng)度為1.23 MPa、保水性為46.5%、滲水性為44.2%。強(qiáng)度滿足體質(zhì)量100 kg試驗者行走時的承受強(qiáng)度(最大壓力為1 300 N、受力面積約25 cm2、最大壓強(qiáng)約0.52 MPa)[26-28]。

3 結(jié)論

采用生石灰改性膨潤土作為有機(jī)覆蓋墊黏接劑，研發(fā)了黏接性能好、成本低、環(huán)境友好的有機(jī)覆蓋墊。該有機(jī)覆蓋墊的最佳制備工藝條件為施加壓力0.8 MPa、綠色園林廢棄物含水率30%、改性膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，其中改性膨潤土的含水率26.5%、干密度1.28 g/cm3、生石灰質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%。按最佳制備工藝制備的有機(jī)覆蓋墊抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.23 MPa(滿足體質(zhì)量100 kg試驗者行走時的承受強(qiáng)度)、保水率達(dá)到46.5%、滲水率達(dá)到44.2%，即同時保持了二者的均衡性且在較好的水平。