黃河泥沙人工備防石的研究與應(yīng)用

1黃河泥沙人工備防石工程,進(jìn)展之一備防石是黃河和其他河流的用于應(yīng)急和恢復(fù)根系的石頭。通常從山脈中采集資金，對(duì)自然環(huán)境造成重大破壞。近年來(lái)由于自然環(huán)境的不斷惡化和資源的逐步耗竭,有關(guān)部門限制開采山體,迫使人們尋找新的解決辦法。黃河泥沙人工備防石項(xiàng)目,是在二十年來(lái)人們探索黃河泥沙綜合利用、進(jìn)行深入研究并取得一系列成果的基礎(chǔ)上,由山東黃河河務(wù)局、山東大學(xué)、山東交通學(xué)院聯(lián)合提出的創(chuàng)新性研究課題,充分利用黃河泥沙的資源特性,添加部分輔助原料,通過(guò)一定工藝過(guò)程,將黃河泥沙固化為人工石材以代替天然石料,是兼顧防洪和資源環(huán)境保護(hù)問(wèn)題的有效途徑。經(jīng)過(guò)一年多的實(shí)驗(yàn)研究,獲得了許多寶貴的數(shù)據(jù),制備出了可與天然石料備防石性能相媲美的黃河泥沙人工備防石樣品。2黃河泥沙沙過(guò)程黃河安危,事關(guān)大局,改善和解決黃河防洪問(wèn)題,涉及方方面面。近幾十年,材料科學(xué)工作者與黃河水利科學(xué)工作者相結(jié)合,為治理黃河、開發(fā)黃河、利用黃河進(jìn)行合作研究。特別是近幾年來(lái),結(jié)合墻改工作,環(huán)保工作和黃河泥沙綜合治理,他們對(duì)黃河泥沙的資源情況、物理化學(xué)性能和工藝性能,以及工業(yè)應(yīng)用等問(wèn)題進(jìn)行了較系統(tǒng)的探索,取得了一些可喜的成果和經(jīng)驗(yàn),如:黃河泥沙墻地磚、空心磚、內(nèi)燃燒結(jié)磚、蒸養(yǎng)磚、免蒸免燒磚,黃河淤泥黑陶、彩陶制品、多孔材料,黃河泥沙保溫隔熱材料的研究及黃河沙在日用陶瓷及玻璃工業(yè)中的應(yīng)用。但這些開發(fā)工作,除存在一定的局限(如:建材產(chǎn)品的附加值較低、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)輻射半徑較小,推廣難等)之外,主要是開發(fā)的意義還不能象人工備防石燒結(jié)用于堤防這樣巨大。將黃河泥沙燒結(jié)為塊狀材料,用于堤防,代替護(hù)堤石、備防石等,既能降低成本,又將得到一種取之有源的堤防材料,對(duì)于河堤加固和防汛防災(zāi)有重大實(shí)際意義。另一方面,本課題是以泥沙開發(fā)為明確背景,使這一量大面廣的資源得以直接利用,可產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。首先,黃河有豐富的泥沙資源,對(duì)其進(jìn)行綜合應(yīng)用,可起到控沙降河的作用。其次,采用泥沙燒結(jié)制品代替黃河防汛搶險(xiǎn)用石塊,可有效降低防洪搶險(xiǎn)成本,僅黃河山東段的備防石就需100多萬(wàn)立方米,每年基建和防汛歲用石約10萬(wàn)立方米。石料的成本高達(dá)100元/立方米以上,第三,由于減少了對(duì)山體的頻繁開采,有利于沿黃河下游地區(qū)的整體環(huán)境建設(shè)和土地資源保護(hù)。該項(xiàng)目取之黃河,用之黃河,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益、資源效益、環(huán)境效益、生態(tài)效益和社會(huì)效益,尤其是產(chǎn)品附加值較高,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力較大,可以調(diào)動(dòng)人們自愿有序用沙治沙的積極性,將黃河泥沙綜合利用工作逐漸納入市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)軌道,變被動(dòng)治沙為主動(dòng)治沙,從而更有效地治理黃河。3黃河泥沙備防石研究的背景從化學(xué)組成、礦物組成、顆粒組成、工藝性能等方面分析,黃河泥沙是一種較好的硅酸鹽類原料,具備開發(fā)為工業(yè)產(chǎn)品的基本條件。經(jīng)過(guò)近二十年的努力和深入研究,人們對(duì)黃河泥沙的特性有了更加深刻而全面的認(rèn)識(shí),研究開發(fā)成功了黃河泥沙黑陶彩陶、黃河泥沙蒸養(yǎng)磚、黃河泥沙免蒸免燒磚、黃河泥沙燒結(jié)磚、黃河泥沙墻地磚、黃河泥沙空心磚、黃河泥沙多孔磚等系列裝飾和建材產(chǎn)品,取得了豐富的黃河泥沙綜合利用的經(jīng)驗(yàn)。在促進(jìn)治河治沙、保護(hù)環(huán)境、保護(hù)生態(tài)的同時(shí),也為國(guó)家提供了大量基礎(chǔ)建筑材料,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但作為量大面廣的建筑材料,產(chǎn)品附加值低,在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中沒(méi)有很大優(yōu)勢(shì),這從某種程度上影響了人們用沙治沙的積極性。黃河泥沙備防石的研究,即是在此背景下提出來(lái)的。該項(xiàng)目是以黃河泥沙為主要原料,經(jīng)一定工藝過(guò)程,生產(chǎn)黃河堤防拋根和護(hù)坡用的人工石料,代替天然石材,一方面降低防汛搶險(xiǎn)成本,另一方面保護(hù)山體,限制濫采山石,保護(hù)自然環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。3.1(1)云片的制備黃河沙為淺褐色粉狀物料,陽(yáng)光下可見閃光的云母碎片。自然沉淀的白淤沙松散無(wú)塑性結(jié)合性,紅淤泥粘性大、塑性高、收縮大、結(jié)合性強(qiáng)且結(jié)塊后不易粉碎。(2)由礦和化學(xué)組成黃河淤泥沙主要礦物為柯綠泥石、長(zhǎng)石、石英、黃鐵礦、云母等,化學(xué)組成中SiO3.2黃河泥沙人工備防石工程的經(jīng)濟(jì)效益分析(1)原料豐富,分布范圍廣。(2)顆粒較細(xì),無(wú)需破碎,工藝簡(jiǎn)單,利于成型。(3)黃河泥沙“沖擊—懸浮(膠體、溶解)—遷移—沉積”的形成方式,使其原料純凈、雜質(zhì)少、無(wú)料礓石、植物根莖少,因而可免去原料凈化的操作單元,并且有利于成型、干燥和焙燒,減少半成品開裂,避免石灰爆裂等缺陷。從以上分析可以看出,黃河泥沙作為一種硅酸鹽類原料,完全具備生產(chǎn)人工備防石的條件,并且在技術(shù)上還有近二十年來(lái)利用黃河泥沙生產(chǎn)建材類等工業(yè)產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)作為基礎(chǔ)。該項(xiàng)目具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益(詳細(xì)分析見下)。本項(xiàng)研究的環(huán)境生態(tài)效益,資源效益,社會(huì)效益及對(duì)可持續(xù)發(fā)展的作用也是不言而喻的。3.3燒結(jié)結(jié)構(gòu)觀察目前已制備出黃河泥沙人工備防石樣品,其綜合性能指標(biāo)優(yōu)于天然青石備防石。典型試制產(chǎn)品的性能見表2。掃描電子顯微鏡顯微結(jié)構(gòu)表征結(jié)果見圖1。黃河泥沙燒結(jié)備防石所用原料與粘土磚(或黃河泥沙磚)所用原料基本相同,但成形用半干壓法,較之磚瓦生產(chǎn)的塑性擠出法,其成型壓力要大得多,因而坯體比較致密,各項(xiàng)性能良好。圖1為在燒成范圍內(nèi)于不同燒成溫度下燒制的黃河泥沙人工備防石的掃描電鏡照片。圖中由(a)到(f)分別為在燒成范圍內(nèi)溫度逐漸增加的顯微圖像,圖(a)表示燒結(jié)剛剛開始,液相量很少或基本看不到,顆粒或晶粒邊緣比較清晰;由于燒結(jié)已經(jīng)開始,故顆粒接觸較緊密,呈現(xiàn)致密結(jié)構(gòu),坯體強(qiáng)度大大增加。圖(b)為進(jìn)一步燒結(jié)的情況,可以看出顆粒邊界已變得較為圓滑,但仍可看出較清晰的顆粒邊緣,顆粒的棱角仍然較分明;由于有了一定的液相,坯體進(jìn)一步致密,強(qiáng)度更加提高。圖(c)為圖(b)的局部放大照片,可很清楚地看出顆粒間的傳質(zhì)已經(jīng)開始,出現(xiàn)了較平滑的顆粒邊緣,由于液相的收縮作用,出現(xiàn)少量孔隙。圖(d)表示燒結(jié)達(dá)到致密化的情況,晶粒細(xì)小均勻,晶粒間結(jié)合良好,坯體達(dá)到最大致密,強(qiáng)度很高,其他性能也都較好。圖(e)表示隨著燒結(jié)的進(jìn)一步進(jìn)行,液相量明顯增多,部分晶粒長(zhǎng)大,同時(shí)出現(xiàn)了少量空隙,此時(shí)出現(xiàn)了晶?？棙?gòu)現(xiàn)象,對(duì)提高產(chǎn)品性能也是有利的。圖(f)為大部分晶粒長(zhǎng)大的情況,此時(shí)出現(xiàn)了較大的空隙,但晶粒尺寸仍不是非常大,未達(dá)到異常長(zhǎng)大的程度,顆粒間仍然是交織在一起的,此時(shí)產(chǎn)品性能仍然較好,但若進(jìn)一步提高燒成溫度,將會(huì)導(dǎo)致晶粒異常長(zhǎng)大,孔隙率大大增加,產(chǎn)品性能惡化。從開始燒結(jié)到晶粒長(zhǎng)大,其間經(jīng)歷的溫度范圍大約是80℃。根據(jù)產(chǎn)品顯微結(jié)構(gòu)和燒成性能的分析可看出,黃河泥沙人工備防石產(chǎn)品燒成范圍還是比較大的,這為生產(chǎn)控制提供了便利條件。燒成時(shí),宜控制在圖(d)所示顯微結(jié)構(gòu),這時(shí)制品性能最好;若進(jìn)一步提高溫度,雖不至于使產(chǎn)品性能馬上惡化,但卻增加了燃料消耗,因此從節(jié)能和制品性能兩方面考慮,宜控制在最佳燒成溫度。研究的結(jié)論:(1)經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)研究,制備了性能良好的黃河泥沙人工燒結(jié)備防石。(2)將人工燒結(jié)備防石與天然青石料進(jìn)行對(duì)比,表明人工燒結(jié)備防石各項(xiàng)性能符合要求。(3)實(shí)驗(yàn)研究了人工燒結(jié)備防石制備過(guò)程中的工藝參數(shù),為下一步大面積推廣奠定了基礎(chǔ)。(4)經(jīng)測(cè)算,人工備防石制作成本為60～80元/m(5)利用黃河淤泥沙燒結(jié)人工備防石,可變廢為寶,消除隱患,具有巨大的資源效益、環(huán)境效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,還為黃河的綜合治理提供了新思路,有利于國(guó)計(jì)民生,有利于子孫后代。4青青汁的容重、強(qiáng)度和耐酸堿性指標(biāo)用于黃河拋根搶險(xiǎn)的備防石,一般為青石(石灰?guī)r)其性能指標(biāo)見表3。將表3與表2對(duì)照,可以看出,人工備防石的容重指標(biāo)符合青石要求,特別是濕容重,在青石容重的上限范圍內(nèi)(優(yōu)質(zhì)青石);1#、2#、3#制品吸水率指標(biāo)在青石范圍內(nèi),4#制品吸水率較大,不過(guò)對(duì)青石來(lái)講吸水率不是硬性指標(biāo);強(qiáng)度指標(biāo)位于青石指標(biāo)的上限;硬度指標(biāo)優(yōu)于青石;耐酸堿性指標(biāo)優(yōu)于青石(青石耐堿不耐酸)。對(duì)黃河泥沙燒結(jié)人工備防石進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),其綜合性能指標(biāo)優(yōu)于天然石料青石。5每統(tǒng)一交易價(jià)格每統(tǒng)一交易費(fèi)用人工備防石的生產(chǎn)工藝與黃河泥沙燒結(jié)磚類似,故其生產(chǎn)成本估算可相互參照。黃河泥沙燒結(jié)磚(240mm×120mm×60mm)每塊生產(chǎn)成本約為0.06～0.07元/塊,按每立方米500塊計(jì),則每立方米黃河泥沙燒結(jié)磚生產(chǎn)成本為:(0.06～0.07)×500=30～35元/m若從生產(chǎn)廠家購(gòu)買人工備防石