黄河泥沙人工备防石的研究与应用

黄河泥沙人工备防石的研究与应用

1黄河泥沙人工备防石工程,进展之一备防石是黄河和其他河流的用于应急和恢复根系的石头。通常从山脉中采集资金，对自然环境造成重大破坏。近年来由于自然环境的不断恶化和资源的逐步耗竭,有关部门限制开采山体,迫使人们寻找新的解决办法。黄河泥沙人工备防石项目,是在二十年来人们探索黄河泥沙综合利用、进行深入研究并取得一系列成果的基础上,由山东黄河河务局、山东大学、山东交通学院联合提出的创新性研究课题,充分利用黄河泥沙的资源特性,添加部分辅助原料,通过一定工艺过程,将黄河泥沙固化为人工石材以代替天然石料,是兼顾防洪和资源环境保护问题的有效途径。经过一年多的实验研究,获得了许多宝贵的数据,制备出了可与天然石料备防石性能相媲美的黄河泥沙人工备防石样品。2黄河泥沙沙过程黄河安危,事关大局,改善和解决黄河防洪问题,涉及方方面面。近几十年,材料科学工作者与黄河水利科学工作者相结合,为治理黄河、开发黄河、利用黄河进行合作研究。特别是近几年来,结合墙改工作,环保工作和黄河泥沙综合治理,他们对黄河泥沙的资源情况、物理化学性能和工艺性能,以及工业应用等问题进行了较系统的探索,取得了一些可喜的成果和经验,如:黄河泥沙墙地砖、空心砖、内燃烧结砖、蒸养砖、免蒸免烧砖,黄河淤泥黑陶、彩陶制品、多孔材料,黄河泥沙保温隔热材料的研究及黄河沙在日用陶瓷及玻璃工业中的应用。但这些开发工作,除存在一定的局限(如:建材产品的附加值较低、产品经济辐射半径较小,推广难等)之外,主要是开发的意义还不能象人工备防石烧结用于堤防这样巨大。将黄河泥沙烧结为块状材料,用于堤防,代替护堤石、备防石等,既能降低成本,又将得到一种取之有源的堤防材料,对于河堤加固和防汛防灾有重大实际意义。另一方面,本课题是以泥沙开发为明确背景,使这一量大面广的资源得以直接利用,可产生巨大的经济效益。首先,黄河有丰富的泥沙资源,对其进行综合应用,可起到控沙降河的作用。其次,采用泥沙烧结制品代替黄河防汛抢险用石块,可有效降低防洪抢险成本,仅黄河山东段的备防石就需100多万立方米,每年基建和防汛岁用石约10万立方米。石料的成本高达100元/立方米以上,第三,由于减少了对山体的频繁开采,有利于沿黄河下游地区的整体环境建设和土地资源保护。该项目取之黄河,用之黄河,具有可观的经济效益、资源效益、环境效益、生态效益和社会效益,尤其是产品附加值较高,市场竞争力较大,可以调动人们自愿有序用沙治沙的积极性,将黄河泥沙综合利用工作逐渐纳入市场经济轨道,变被动治沙为主动治沙,从而更有效地治理黄河。3黄河泥沙备防石研究的背景从化学组成、矿物组成、颗粒组成、工艺性能等方面分析,黄河泥沙是一种较好的硅酸盐类原料,具备开发为工业产品的基本条件。经过近二十年的努力和深入研究,人们对黄河泥沙的特性有了更加深刻而全面的认识,研究开发成功了黄河泥沙黑陶彩陶、黄河泥沙蒸养砖、黄河泥沙免蒸免烧砖、黄河泥沙烧结砖、黄河泥沙墙地砖、黄河泥沙空心砖、黄河泥沙多孔砖等系列装饰和建材产品,取得了丰富的黄河泥沙综合利用的经验。在促进治河治沙、保护环境、保护生态的同时,也为国家提供了大量基础建筑材料,取得了明显的经济效益和社会效益。但作为量大面广的建筑材料,产品附加值低,在市场竞争中没有很大优势,这从某种程度上影响了人们用沙治沙的积极性。黄河泥沙备防石的研究,即是在此背景下提出来的。该项目是以黄河泥沙为主要原料,经一定工艺过程,生产黄河堤防抛根和护坡用的人工石料,代替天然石材,一方面降低防汛抢险成本,另一方面保护山体,限制滥采山石,保护自然环境和生态环境。3.1(1)云片的制备黄河沙为浅褐色粉状物料,阳光下可见闪光的云母碎片。自然沉淀的白淤沙松散无塑性结合性,红淤泥粘性大、塑性高、收缩大、结合性强且结块后不易粉碎。(2)由矿和化学组成黄河淤泥沙主要矿物为柯绿泥石、长石、石英、黄铁矿、云母等,化学组成中SiO3.2黄河泥沙人工备防石工程的经济效益分析(1)原料丰富,分布范围广。(2)颗粒较细,无需破碎,工艺简单,利于成型。(3)黄河泥沙“冲击—悬浮(胶体、溶解)—迁移—沉积”的形成方式,使其原料纯净、杂质少、无料礓石、植物根茎少,因而可免去原料净化的操作单元,并且有利于成型、干燥和焙烧,减少半成品开裂,避免石灰爆裂等缺陷。从以上分析可以看出,黄河泥沙作为一种硅酸盐类原料,完全具备生产人工备防石的条件,并且在技术上还有近二十年来利用黄河泥沙生产建材类等工业产品的经验作为基础。该项目具有可观的经济效益(详细分析见下)。本项研究的环境生态效益,资源效益,社会效益及对可持续发展的作用也是不言而喻的。3.3烧结结构观察目前已制备出黄河泥沙人工备防石样品,其综合性能指标优于天然青石备防石。典型试制产品的性能见表2。扫描电子显微镜显微结构表征结果见图1。黄河泥沙烧结备防石所用原料与粘土砖(或黄河泥沙砖)所用原料基本相同,但成形用半干压法,较之砖瓦生产的塑性挤出法,其成型压力要大得多,因而坯体比较致密,各项性能良好。图1为在烧成范围内于不同烧成温度下烧制的黄河泥沙人工备防石的扫描电镜照片。图中由(a)到(f)分别为在烧成范围内温度逐渐增加的显微图像,图(a)表示烧结刚刚开始,液相量很少或基本看不到,颗粒或晶粒边缘比较清晰;由于烧结已经开始,故颗粒接触较紧密,呈现致密结构,坯体强度大大增加。图(b)为进一步烧结的情况,可以看出颗粒边界已变得较为圆滑,但仍可看出较清晰的颗粒边缘,颗粒的棱角仍然较分明;由于有了一定的液相,坯体进一步致密,强度更加提高。图(c)为图(b)的局部放大照片,可很清楚地看出颗粒间的传质已经开始,出现了较平滑的颗粒边缘,由于液相的收缩作用,出现少量孔隙。图(d)表示烧结达到致密化的情况,晶粒细小均匀,晶粒间结合良好,坯体达到最大致密,强度很高,其他性能也都较好。图(e)表示随着烧结的进一步进行,液相量明显增多,部分晶粒长大,同时出现了少量空隙,此时出现了晶粒织构现象,对提高产品性能也是有利的。图(f)为大部分晶粒长大的情况,此时出现了较大的空隙,但晶粒尺寸仍不是非常大,未达到异常长大的程度,颗粒间仍然是交织在一起的,此时产品性能仍然较好,但若进一步提高烧成温度,将会导致晶粒异常长大,孔隙率大大增加,产品性能恶化。从开始烧结到晶粒长大,其间经历的温度范围大约是80℃。根据产品显微结构和烧成性能的分析可看出,黄河泥沙人工备防石产品烧成范围还是比较大的,这为生产控制提供了便利条件。烧成时,宜控制在图(d)所示显微结构,这时制品性能最好;若进一步提高温度,虽不至于使产品性能马上恶化,但却增加了燃料消耗,因此从节能和制品性能两方面考虑,宜控制在最佳烧成温度。研究的结论:(1)经过大量实验研究,制备了性能良好的黄河泥沙人工烧结备防石。(2)将人工烧结备防石与天然青石料进行对比,表明人工烧结备防石各项性能符合要求。(3)实验研究了人工烧结备防石制备过程中的工艺参数,为下一步大面积推广奠定了基础。(4)经测算,人工备防石制作成本为60～80元/m(5)利用黄河淤泥沙烧结人工备防石,可变废为宝,消除隐患,具有巨大的资源效益、环境效益、生态效益、经济效益和社会效益,还为黄河的综合治理提供了新思路,有利于国计民生,有利于子孙后代。4青青汁的容重、强度和耐酸碱性指标用于黄河抛根抢险的备防石,一般为青石(石灰岩)其性能指标见表3。将表3与表2对照,可以看出,人工备防石的容重指标符合青石要求,特别是湿容重,在青石容重的上限范围内(优质青石);1#、2#、3#制品吸水率指标在青石范围内,4#制品吸水率较大,不过对青石来讲吸水率不是硬性指标;强度指标位于青石指标的上限;硬度指标优于青石;耐酸碱性指标优于青石(青石耐碱不耐酸)。对黄河泥沙烧结人工备防石进行综合评价,其综合性能指标优于天然石料青石。5每统一交易价格每统一交易费用人工备防石的生产工艺与黄河泥沙烧结砖类似,故其生产成本估算可相互参照。黄河泥沙烧结砖(240mm×120mm×60mm)每块生产成本约为0.06～0.07元/块,按每立方米500块计,则每立方米黄河泥沙烧结砖生产成本为:(0.06～0.07)×500=30～35元/m若从生产厂家购买人工备防石