蔡東廷 周詳朋 郭弘東 樊恒輝

摘 要：仿巖溶碳酸氫鈣（ＣＦＰＫ）溶液是一種環(huán)境友好型固沙材料，碳酸鈣鈣源對ＣＦＰＫ 溶液的制備及其特性有重要影響。為了給ＣＦＰＫ 在固沙方面的推廣應(yīng)用提供參考，選擇分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣４ 種材料作為制備ＣＦＰＫ 溶液的碳酸鈣鈣源，通過化學(xué)試驗、力學(xué)試驗、Ｘ 射線衍射試驗和掃描電鏡試驗等，分析了不同碳酸鈣鈣源制備的ＣＦＰＫ 溶液的固沙效果。結(jié)果表明：１）４ 種碳酸鈣鈣源制備的ＣＦＰＫ 溶液在反應(yīng)達到平衡時，電導(dǎo)率和鈣離子濃度基本相同，即鈣源對碳酸氫鈣溶解度影響很小，但是反應(yīng)速度差別明顯，其中重質(zhì)碳酸鈣的反應(yīng)速率最快、生物碳酸鈣的反應(yīng)速率最慢；２）不同碳酸鈣固化沙的表面強度、抗風(fēng)蝕能力差異明顯，重質(zhì)碳酸鈣固化沙表面強度和抗風(fēng)蝕能力大于其他３ 種碳酸鈣的，生物碳酸鈣固化沙表面強度和抗風(fēng)蝕能力最??；３）４ 種碳酸鈣鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體礦物成分基本相同，主要為方解石，但不同碳酸鈣鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體的含量和形態(tài)有所不同，分析純碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體主要為六面體方解石，其他３ 種碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體以薄片狀為主，其中重質(zhì)碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體尺寸大、高度聚集、致密性高，因此重質(zhì)碳酸鈣作為鈣源的固沙效果最好，建議選用重質(zhì)碳酸鈣作為制備ＣＦＰＫ 溶液的鈣源。

關(guān)鍵詞：風(fēng)積沙；仿巖溶碳酸氫鈣；碳酸鈣鈣源；重質(zhì)碳酸鈣；固沙；抗風(fēng)蝕能力

中圖分類號：Ｓ１５７．２ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０３．０１９

引用格式：蔡東廷，周詳朋，郭弘東，等．不同碳酸鈣鈣源對ＣＦＰＫ 加固風(fēng)積沙的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（３）：１０３－１０８．

０ 引言

荒漠化是威脅人類生存的十大環(huán)境問題之一?；哪饕酗L(fēng)蝕、水蝕、凍融、鹽漬４ 種類型，其中風(fēng)蝕荒漠化是我國土地荒漠化最主要的類型，其面積約占荒漠化土地總面積的７０％［１］ 。我國北方地區(qū)沙化土地在大風(fēng)的作用下容易形成沙塵暴、浮塵、揚塵等惡劣天氣，不僅給人們的健康造成巨大威脅，而且嚴重阻礙經(jīng)濟和社會的發(fā)展［２－４］ 。

固沙技術(shù)分為工程固沙技術(shù)、生物固沙技術(shù)和化學(xué)固沙技術(shù)３ 類［５－９］ ，其中工程固沙技術(shù)和生物固沙技術(shù)費時費力、造價較高、適用條件有限，而化學(xué)固沙技術(shù)具有操作簡單快捷、效果好等特點?；瘜W(xué)固沙劑可分為無機類固沙劑、有機類固沙劑和有機－無機復(fù)合類固沙劑。無機類固沙劑主要有水泥、石灰、水玻璃等，冉武平等［１０］ 對石灰、水泥石灰、二灰的固沙效果進行試驗，發(fā)現(xiàn)這３ 種無機固沙劑均能增大風(fēng)積沙的強度；楊柳［１１］ 采用山梨醇、四硼酸鈉和聚丙烯酰胺等對水玻璃進行化學(xué)改性，再與有機高分子材料進行復(fù)配，制成一種黏結(jié)性能強、價格低廉、有較好抗老化性能的固沙材料。有機類固沙劑主要有石油類、改性木質(zhì)素類、有機高分子類，袁進科等［１２］ 研發(fā)了一種吸附能力強、持水性好的改性纖維素固沙劑，其具有良好的固沙效果；榮馳等［１３］ 發(fā)現(xiàn)水玻璃－酯類漿液能夠提高沙子黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗壓強度，固沙效果較好。有機－無機復(fù)合類固沙劑是通過向無機固沙劑中加入有機材料來提高無機固沙劑的力學(xué)性能和水穩(wěn)定性，冉飛天［１４］ 在天然高分子礦物黏土的基礎(chǔ)上開發(fā)了有機－無機復(fù)合保水固沙劑，其固化沙具有較高的強度和良好的耐水性、耐熱性、抗紫外老化性。

仿巖溶碳酸氫鈣（ＣＦＰＫ）溶液是一種環(huán)境友好型固沙材料，將其噴灑在沙土表面，在常壓下會分解生成新的碳酸鈣，一方面連接相鄰的沙粒、促進沙土顆粒間的膠結(jié)，另一方面填充沙土顆粒間孔隙，其膠結(jié)作用與填充作用可提高沙土的強度、水穩(wěn)性、耐久性等。高策等［１５］ 、邱維釗等［１６］ 利用分析純碳酸鈣粉末制備ＣＦＰＫ溶液并進行試驗，發(fā)現(xiàn)其可改性分散土、膨脹土并提高土體強度，但是需要使用大量的ＣＦＰＫ 溶液方可取得較好的效果。碳酸鈣鈣源對ＣＦＰＫ 溶液的制備及其特性有重要的影響，本研究選用分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣作為鈣源，分析不同碳酸鈣鈣源對制備的ＣＦＰＫ 溶液鈣離子濃度及其固化沙的力學(xué)性能、抗風(fēng)蝕性的影響，并從微觀角度明晰不同碳酸鈣鈣源的ＣＦＰＫ 溶液在固化沙中生成碳酸鈣的礦物成分和晶體形態(tài)，以期為ＣＦＰＫ 在固沙方面的推廣應(yīng)用提供參考。

１ 試驗材料與方法

１．１ 試驗材料

試驗所用４ 種碳酸鈣鈣源的制作方法、性質(zhì)及生產(chǎn)廠家見表１。

試驗用沙取自陜西省榆林市境內(nèi)毛烏素沙地，粒徑主要為０．１０～０．２５ ｍｍ、不均勻系數(shù)為２．２５、曲率系數(shù)為０．９３，屬于級配不良細沙，最大干密度為１．７１ ｇ／ｃｍ３、最小干密度為１．５０ ｇ／ ｃｍ３，Ｘ 射線衍射結(jié)果表明其主要成分為石英。

１．２ 試驗方法

１．２．１ 不同碳酸鈣鈣源對碳酸氫鈣濃度影響試驗

將不同類型碳酸鈣粉末分別放入高壓反應(yīng)釜中，加入去離子水，打開二氧化碳高壓氣源閥門、進氣閥門與排氣閥門，待反應(yīng)釜內(nèi)空氣排盡后關(guān)閉排氣閥門；然后進行攪拌，一邊向反應(yīng)釜內(nèi)充入二氧化碳，一邊攪拌使反應(yīng)物混合均勻，１０ ｍｉｎ 后停止攪拌，待反應(yīng)釜內(nèi)壓強達到０．５ ＭＰａ 時，關(guān)閉高壓氣源閥門與進氣閥門；靜置０．５ ｈ 后每隔１ ｈ 從高壓反應(yīng)釜內(nèi)放出少許溶液，使用電導(dǎo)率儀測定溶液的電導(dǎo)率，并按照《水質(zhì)鈣含量的測定ＥＤＴＡ 滴定法》（ＩＳＯ６０５８—１９８４）進行溶液中鈣離子（Ｃａ２＋）濃度的滴定，據(jù)此結(jié)果分析碳酸鈣鈣源及反應(yīng)時間對ＣＦＰＫ 溶液鈣離子濃度的影響。

１．２．２ 碳酸鈣鈣源對固化沙性質(zhì)影響試驗

從高壓反應(yīng)釜中取出制備好的ＣＦＰＫ 溶液，按照０、５、１０、１５、２０ Ｌ／ ｍ２ 的使用量將ＣＦＰＫ 溶液均勻噴灑在風(fēng)積沙表面，放入５０ ℃烘箱內(nèi)烘干（每隔６ ｈ 稱重一次，試樣質(zhì)量不再變化時即可認為試樣已被烘干），然后對試樣進行測試分析。

１）表面強度試驗。采用尺寸為１８ ｃｍ×１０ ｃｍ×５ ｃｍ的金屬盤，將細沙鋪滿金屬盤后噴灑ＣＦＰＫ 溶液并烘干，待試樣冷卻至室溫后，在沙盤表面選取５ 個點，使用圓形截面平頭探頭（探頭截面面積為１７６．７１ｍｍ２）的數(shù)顯式推拉力計測量固化沙的表面強度，?。祩€點的均值作為最終值。

２）鈣離子濃度測定。取表面強度試驗后的表層（０～１．５ ｃｍ）固化沙，混勻后取２０ ｇ，加入１００ ｍＬ 濃度為１ ｍｏｌ／ Ｌ 的鹽酸，待反應(yīng)結(jié)束后取上清液２ ｍＬ，加入ＮａＯＨ 溶液調(diào)節(jié)ｐＨ 值至１２ 左右，采用ＥＤＴＡ 滴定法對溶液中鈣離子濃度進行滴定。每個試樣進行３ 次平行滴定，?。?次滴定的平均值換算固化沙表層碳酸鈣含量。

３）風(fēng)蝕試驗。采用尺寸為４０ ｃｍ×３０ ｃｍ×５ ｃｍ 的金屬盤，將細沙鋪滿金屬盤后噴灑ＣＦＰＫ 溶液并烘干，待試樣冷卻至室溫后，采用多翼式離心風(fēng)機對試樣表面進行吹蝕試驗，采用ＤＬ３３３２０３ 型高精度風(fēng)速儀觀測風(fēng)速，把風(fēng)速調(diào)節(jié)在１０ ｍ／ ｓ（風(fēng)力等級為５ 級），風(fēng)向與固化沙表面平行，吹蝕時間為１ ｈ。根據(jù)固化沙吹蝕率（質(zhì)量損失率）和表層破損情況來判斷固化沙的抗風(fēng)蝕性能。

１．２．３ 物相分析與微觀結(jié)構(gòu)觀測

為分析不同碳酸鈣鈣源對ＣＦＰＫ 溶液加固風(fēng)積沙影響的機理，固化沙充分研磨后過２００ 目篩子，通過Ｘ射線衍射試驗（ＸＲＤ）對其物質(zhì)成分進行檢測（測試設(shè)備型號為Ｄ８ Ａｄｖａｎｃｅ，德國產(chǎn)），掃描范圍為５°～８０°，掃描速度為２°／ ｍｉｎ。采用Ｊａｄｅ 軟件對衍射數(shù)據(jù)進行分析，結(jié)合標準卡片對各衍射峰對應(yīng)的礦物成分進行標識。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本產(chǎn)，型號為Ｓ－４８００）觀察試樣中碳酸鈣晶體的微觀形態(tài)，掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)為１０ ０００ 倍。

２ 試驗結(jié)果分析

２．１ 鈣離子濃度與碳酸鈣含量

圖１ 為不同鈣源試樣鈣離子濃度隨時間變化情況，圖２ 為不同鈣源試樣電導(dǎo)率隨時間變化情況。

圖１、圖２ 表明，不同鈣源試樣電導(dǎo)率和鈣離子濃度均隨反應(yīng)時間的延長先增大后穩(wěn)定。在反應(yīng)時間為０．５ ｈ 時，鈣源為分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣試樣的鈣離子濃度分別為１４． ２５、１５．５０、１３． ５０、１５． ５０ ｍｍｏｌ／ Ｌ， 電導(dǎo)率分別為１ ７１２、１ ９７２、１ ５７１、１ ９５２ μＳ／ ｃｍ，說明重質(zhì)碳酸鈣和生物碳酸鈣在反應(yīng)初期較多地被溶解，分析純碳酸鈣被溶解量次之，輕質(zhì)碳酸鈣被溶解量最?。簧鲜觯?種碳酸鈣反應(yīng)達到平衡所需的時間分別為８．５、１０．５、９．５、７．５ ｈ，說明重質(zhì)碳酸鈣反應(yīng)能夠較早達到平衡，４ 種碳酸鈣反應(yīng)達到平衡時鈣離子濃度相差不大（均在１９．００ ～２０．００ ｍｍｏｌ／ Ｌ 之間）、最大電導(dǎo)率相差也不大（均在２ ３００～２ ４００ μＳ／ ｃｍ 范圍內(nèi)）。

不同碳酸鈣鈣源反應(yīng)速度不同的原因，可能是受鈣源純度不同、加工工藝不同等的影響，其中：重質(zhì)碳酸鈣純度較低，含有較多的雜質(zhì)，更容易溶解；輕質(zhì)碳酸鈣和分析純碳酸鈣經(jīng)過人工加工，純度達到９９．０％，尤其是輕質(zhì)碳酸鈣經(jīng)過二次加工，使得溶解速度減緩；生物碳酸鈣具有獨特的生物基結(jié)構(gòu)，對其溶解速度有一定的影響。

ＣＦＰＫ 溶液平均用量為２０ Ｌ／ ｍ２時，鈣源為分析純碳酸鈣、生物碳酸鈣、輕質(zhì)碳酸鈣、重質(zhì)碳酸鈣的固化沙表層碳酸鈣含量分別為０． ３６％、０． ３０％、０． ４５％、０．４８％，表明重質(zhì)碳酸鈣作為鈣源制備的ＣＦＰＫ 溶液在沙子中分解得最充分，生成的碳酸鈣最多，而且較多地分布在表層。

２．２ 固化沙表面強度

由圖３ 可看出：固化沙表面強度隨４ 種鈣源ＣＦＰＫ溶液用量的增加均呈增大趨勢，以重質(zhì)碳酸鈣鈣源為例，當ＣＦＰＫ 溶液用量由０ Ｌ／ ｍ２增加到２０ Ｌ／ ｍ２時，固化沙表面強度由３０．４ ｋＰａ 增大至３１５．８ ｋＰａ，提高了９．４倍，其原因是ＣＦＰＫ 溶液用量的增加使沙子中產(chǎn)生更多的碳酸鈣，其膠結(jié)作用和填充作用更加顯著；不同鈣源的ＣＦＰＫ 溶液固化沙表面強度差異較大，在ＣＦＰＫ溶液用量相同的情況下，重質(zhì)碳酸鈣鈣源的最大，分析純碳酸鈣鈣源的略小于重質(zhì)碳酸鈣鈣源的，生物碳酸鈣鈣源的最小。

２．３ 固化沙吹蝕率

由圖４ 可以看出：４ 種碳酸鈣鈣源的固化沙吹蝕率均隨ＣＦＰＫ 溶液用量的增加而降低，以重質(zhì)碳酸鈣為例，ＣＦＰＫ 溶液用量由０ Ｌ／ ｍ２增加到１０ Ｌ／ ｍ２時固化沙的吹蝕率由９１．４７％降至７．０８％，ＣＦＰＫ 溶液用量為２０ Ｌ／ ｍ２ 時固化沙的吹蝕率僅為１．３７％，說明增加ＣＦＰＫ 用量可提高固化沙的抗風(fēng)蝕能力；在ＣＦＰＫ 溶液用量相同的情況下，不同碳酸鈣鈣源的固化沙吹蝕率差異明顯，重質(zhì)碳酸鈣固化沙吹蝕率最小、生物碳酸鈣固化沙吹蝕率最大，在ＣＦＰＫ 溶液用量為２０ Ｌ／ ｍ２時生物碳酸鈣固化沙的吹蝕率達１１．７６％。由圖５ 可以看出：４ 種碳酸鈣固化沙表面固結(jié)層遭吹蝕破壞情況明顯不同，生物碳酸鈣固化沙表面固結(jié)層風(fēng)蝕破壞最為嚴重，分析純碳酸鈣固化沙表面固結(jié)層也發(fā)生較為明顯的破壞，重質(zhì)碳酸鈣固化沙表面固結(jié)層較為完好、基本沒有發(fā)生吹蝕破壞。圖４、圖５ 表明重質(zhì)碳酸鈣固化沙抵抗風(fēng)蝕的能力最強，原因是把重質(zhì)碳酸鈣作為鈣源生成的碳酸鈣最多，起到的膠結(jié)作用和填充作用最大。

２．４ Ｘ 射線衍射試驗與電子顯微鏡掃描結(jié)果

通過Ｘ 射線衍射試驗所得固化沙ＸＲＤ 衍射曲線表明，４ 種碳酸鈣固化沙中均含有方解石、球霰石、文石這３ 種礦物成分， 并且以方解石為主。有關(guān)研究［１７－１８］ 表明，方解石、球霰石、文石是碳酸鈣的同質(zhì)異象體，其中方解石熱力學(xué)最穩(wěn)定，而球霰石和文石不穩(wěn)定且在一定條件下可轉(zhuǎn)化為方解石。因此，ＣＦＰＫ 溶液可在沙子中分解并形成以方解石為主的混合晶體。

掃描電子顯微鏡對４ 種碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體進行掃描，所得晶形圖片見圖６。由圖６（ａ）可以看出，分析純碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體主要為六面體方解石，其黏結(jié)在沙粒表面，但晶體與晶體之間存在較大空隙；由圖６（ｂ）可以看出，生物碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體主要為薄片狀堆疊的方解石，薄片大小、形狀較為均勻，但數(shù)量較少和尺寸較小，堆疊形成的晶體較小且分布較為散亂，晶體與晶體之間也存在較大空隙；由圖６（ｃ）可以看出，輕質(zhì)碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體雖然也為薄片狀，但是其大小不均勻、形狀不一且相互交錯堆積，晶體與晶體之間有大小不一的空隙，致密性不高；由圖６（ｄ）可以看出，重質(zhì)碳酸鈣固化沙中的碳酸鈣晶體也是薄片狀堆疊的方解石，其大小較為均勻、形狀一致，晶體與晶體緊密連接，形成尺寸較大的團聚體，團聚體之間只存在微小縫隙，致密性較高，因此具有較好的宏觀力學(xué)性質(zhì)［１９－２０］ 。４ 種碳酸鈣固化沙中碳酸鈣晶體晶形不同的原因可能是各種碳酸鈣鈣源的本質(zhì)不同。

３ 結(jié)論

１）４ 種碳酸鈣鈣源制備的ＣＦＰＫ 溶液在反應(yīng)達到平衡時，電導(dǎo)率和鈣離子濃度基本相同，即鈣源對碳酸鈣溶解度影響很小，但是反應(yīng)速度差別明顯，其中重質(zhì)碳酸鈣的反應(yīng)速率最快、生物碳酸鈣的反應(yīng)速率最慢，其反應(yīng)速度不同的原因可能是各種鈣源的純度及加工工藝不同。

２）不同碳酸鈣固化沙的表面強度、抗風(fēng)蝕能力差異明顯，重質(zhì)碳酸鈣固化沙表面強度和抗風(fēng)蝕能力大于其他３ 種碳酸鈣的，生物碳酸鈣固化沙表面強度和抗風(fēng)蝕能力最小。

３）４ 種鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體礦物成分基本相同，主要為方解石，但不同碳酸鈣鈣源在固化沙中生成的碳酸鈣晶體的含量和形態(tài)有所不同，分析純碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體主要為六面體方解石，其他３ 種鈣源生成的碳酸鈣晶體以薄片狀為主，其中輕質(zhì)碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體大小和形狀不一、相互交錯堆積、致密性較低，生物碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體數(shù)量和尺寸都很小，而重質(zhì)碳酸鈣生成的碳酸鈣晶體尺寸大、高度聚集、致密性高、固化沙的效果最好，因此建議選用重質(zhì)碳酸鈣作為制備ＣＦＰＫ 溶液的鈣源。

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【責(zé)任編輯 張智民】