铁改性生物炭促进土壤砷形态转化抑制植物砷吸收

通过盆栽试验研究了不同砷污染水平(10、20、40和80 mg/kg)下,添加不同量(10、20和40 g/kg)改性前后的生物炭对土壤砷形态及植物吸收砷规律的影响。该文以棉花秸秆生物炭及改性生物炭(棉花秸秆生物炭与Fe Cl3?6H2O按质量比为20∶1)为试材,小白菜为供试植物。结果表明:生物炭(10~40 g/kg)和改性生物炭(10 g/kg)能促进小白菜的生长,在添加量分别为20和10 g/kg时生物量最大,其最大值分别为8.26和6.68 g/盆,改性生物炭在添加量为10 g/kg时高于对照组和等量未改性生物炭处理组。在砷质量分数为10和20 mg/kg的基础上,添加生物炭(10~40 g/kg)后,土壤中砷主要以残渣态形式存在;水溶态砷分别增加了0.22%~3.36%和0.96%~3.70%;改性生物炭添加对土壤砷质量分数为10 mg/kg时水溶态砷无明显影响,土壤砷质量分数为20 mg/kg时,添加改性生物炭(10~40 g/kg)后水溶态砷减少了0.12%~0.58%。在高浓度(40和80 mg/kg)砷土壤中,水溶态砷含量随着土壤中砷含量的增加而增大;添加生物炭(10~40 g/kg)后,土壤中水溶态砷分别增加了0.21%~1.56%和2.11%~8.94%,但砷主要以铝形砷形式存在,残渣态砷次之。各处理组小白菜可食部分和根部砷质量分数在添加10~40 g/kg生物炭后的变化规律不尽相同,等量的改性生物炭添加后,可食部分由18.28 mg/kg显著降低至2.66 mg/kg(P0.05),根部从133.99 mg/kg显著降低至20.21 mg/kg(P0.05)。改性生物炭与未改性生物炭相比,改性生物炭能降低土壤中水溶态砷的含量及对小白菜吸收砷有显著的抑制作用。因此,该研究可为改性生物炭在含砷土壤的修复应用中提供数据支撑与理论基础。     

铁改性生物炭抑制土壤中As的迁移

砷(As)的毒性极强,为了治理含As土壤,该研究通过室内土柱模拟试验,研究铁改性生物炭对土壤中As迁移能力和形态的影响。结果表明:添加1%~8%生物炭和铁改性生物炭后,能显著降低土柱灌水后渗滤液中As的含量,增加土壤表层(0~20 cm) As的含量,降低土壤深层(>20~50 cm) As的含量,促进土壤中有效态As向稳定态As转化,生物炭的添加量越大,土壤中R-As的含量就越高。对比铁改性生物炭和生物炭发现,生物炭负载Fe3+后,其吸附和固持能力更强,更能促进有效态As向R-As转化,进而降低As污染的风险。因此,在治理含As土壤时,可在表层土壤施加2%的铁改性生物炭,达到吸附和固化As的目的,进而提高土壤的安全性。     

掺合料和水胶比对水泥基材料水化产物和力学性能的影响

掺合料和水胶比是影响混凝土性能发展的重要因素。该研究结合纯硅酸盐水泥和掺合料的水化反应机理,推导出复合水泥基材料的水化产物、理论最大掺量和孔隙率的计算公式,探究粉煤灰、钢渣和锂渣掺量对水化产物、孔隙率以及砂浆力学性能的影响,并推算出3种掺合料在混凝土中的理论最大掺量。结果表明:同掺量的粉煤灰、钢渣和锂渣掺入后,复合胶凝材料水化产物CH、CSH和总孔隙率较纯水泥砂浆要小;相比4种砂浆中水化产物而言,按水化产物CSH含量排序为水泥砂浆水泥-锂渣砂浆水泥-钢渣砂浆水泥-粉煤灰砂浆;按总孔隙率大小排序为水泥-钢渣砂浆水泥-粉煤灰砂浆水泥-锂渣砂浆水泥砂浆;按理论最大掺量值大小排序为粉煤灰锂渣钢渣。经砂浆力学性能测试发现:当掺量为20%时,水泥-锂渣砂浆后期的抗压强度优于纯水泥砂浆,若掺量再增加时,水泥-粉煤灰砂浆、水泥-锂渣砂浆和水泥-钢渣砂浆的力学性能均低于纯水泥砂浆。综合上述研究发现锂渣的活性较钢渣和粉煤灰要好,该研究可为掺合料在砂浆和混凝土中的使用提供参考。     

矿物掺合料对水泥基材料化学收缩与光谱性能的影响

为了研究矿物掺合料对水泥基材料收缩性能的影响规律,对不同矿物掺合料(锂渣、粉煤灰、钢渣)、不同掺量(20%和60%)、不同水胶比(0.30和0.40)下水泥基材料的化学收缩和光谱特性进行研究,同时分析化学收缩与浆体中官能团之间的相关性。结果表明:水泥基材料的化学收缩大致可以分为加速阶段、变缓阶段和平缓阶段且可采用双曲线模型来拟合,相关系数在0.98以上。矿物掺合料等质量替代水泥后,水胶比为0.40且掺量为20%时,水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最大化学收缩分别约为纯水泥浆体的81.2%、97.2%和91.0%,掺量由20%增加至60%时,水泥-锂渣浆体、水泥-粉煤灰浆体和水泥-钢渣浆体的最大化学收缩分别降低了1.9%、1.8%和5.0%。可见水泥-粉煤灰浆体的化学收缩最大,水泥-钢渣浆体的化学收缩次之,水泥-锂渣浆体的化学收缩最小。4种水泥基材料的波谱相似,均以3 647、3 451、2 937、2 361、1 651、1 418、1 124、978和451 cm~(-1)为主要的特征峰,其中水泥基材料的化学收缩受波数1 124、3 451、1 418、978、3 647 cm~(-1)的影响较大。该研究可为矿物掺合料在混凝土中的合理选用提供依据。     

硫酸盐镁盐复合侵蚀后混凝土的微观形貌特征

混凝土结构通常受土壤环境水中硫酸盐和镁盐溶液的侵蚀。为了探究硫酸盐和镁盐复合溶液侵蚀后纯水泥混凝土和掺矿粉微粉高性能混凝土的抗侵蚀性能,该研究设计了3个水胶比和2个矿粉掺量,经加水拌合、成型试件1050个,养护28 d后将其分别浸泡于硫酸盐和镁盐溶液中,侵蚀至规定龄期后测试其抗蚀系数、微观形貌。结果表明:水胶比为0.50时,混凝土界面中的孔隙多、孔径大,最大孔径为372.5μm,即使水胶比降低到0.35时,其孔结构的改善也不明显。当纯水泥混凝土试件在SO42-2 500 mg/L和Mg2+1 400 mg/L的硫酸盐镁盐中侵蚀4个月后,其孔隙中充满了Ca SO4·2H2O、3Ca O·Al2O3·3Ca SO4·32H2O(AFt)、Mg(OH)2和Mg O·Si O2·H2O等侵蚀产物,致使混凝土内部产生裂缝,边角处开始出现剥落,甚至变得酥松,表面浆体脱落严重,粗细集料分离等现象。当侵蚀时间超过2月时,其侵蚀系数随侵蚀龄期的延长呈降低的趋势,且均在0.85以下,说明32.5级普通硅酸盐水泥抗硫酸盐镁盐侵蚀的能力是有限的。矿渣微粉掺入后,混凝土界面的孔隙不仅极少,而且孔径也较小,最大孔径分别约为水胶比为0.50时的1/7和1/8,同时也减少了易被侵蚀的水化产物Ca(OH)2的含量,使混凝土界面结构密实程度增加,水胶比越低越明显。在高浓度的硫酸盐和镁盐(SO42-20 250 mg/L和Mg2+2 800 mg/L)的双重强侵蚀12个月后,试件边缘仍未发现侵蚀产物以及Mg SO4·7H2O、Na2SO4·10H2O和Mg2(OH)3Cl·4H2O等晶体,其抗蚀系数仍在0.85以上,未有降低的趋势,表明矿渣微粉的掺入能显著改善32.5级普通硅酸盐水泥所配制高性能混凝土的抗侵蚀性能。该研究可为混凝土在农业灌溉工程(坝基础、闸基础和渠道等)和大棚混凝土基础工程的使用提供数据支撑与理论基础。     

锂渣吸附酸性Cr6+的温度效应及机理研究

研究了不同吸附温度下锂渣对酸性Cr6+的吸附性能、吸附过程的热力学和动力学行为,结合X荧光表征,阐明其吸附机理。结果表明,适当提高吸附温度有利于锂渣对Cr6+的吸附,随着吸附温度从20℃升至40℃时,Cr6+的吸附率增大,且符合Freundlich吸附等温模型,焓变(△H)和熵变(△S)为正值表明吸附过程为熵增的吸热过程,自由能变(△G)为负值说明该吸附过程为自发进行,吸附动力学符合准二级速率方程和外部液膜扩散方程。成分分析表明,锂渣中FeO的含量下降了0.2%,Cr3+和Cr6+的含量分别提高了0.2022%和0.0309%。说明锂渣对Cr6+的吸附包含了还原与吸附两个作用,锂渣中的FeO充当了还原剂,降低了Cr6+的浓度,随着锂渣的吸附作用,将Cr3+从水中去除。     

锂渣钢渣复合高性能混凝土抗氯离子的渗透性能

为了提高混凝土抗氯离子渗透能力,在混凝土中掺入具有火山灰性的锂渣和会产生自身水化的钢渣.采用正交设计,通过RCM法测试表明,随着锂渣和钢渣掺入总量的增加,混凝土抗氯离子渗透的能力呈现先增大后减小趋势,以锂渣掺量为25％和钢渣掺量为20％时为最优掺量.在水泥水化后,锂渣参与了二次反应,细化了混凝土界面结构,同时促进了钢渣和水泥的相互水化程度,提高了混凝土抗氯离子渗透的能力.     

不同加载量下锂渣钢渣复合混凝土的渗透特性

渗透性能是混凝土耐久性的指标之一，为了研究锂渣钢渣复合混凝土的渗透性能。首先通过安定性实验，发现锂渣和钢渣的总掺量不宜突破75%，在此基础之上，选用总掺量为35%-75%的锂渣和钢渣来配制高性能混凝土。通过抗压强度实验和氯离子渗透实验的研究结果表明：总掺量在35%-55%之间时，其氯离子渗透系数和抗压强度都较空白组要好；应力水平为30%时，各水胶比下28d和84d的氯离子渗透系数均较标养下要小；当应力上升到80%时，混凝土受到一定程度上的损伤，其氯离子渗透系数逐渐增大。     

塑性混凝土的长期渗流溶蚀稳定性试验

为了评定塑性混凝土的长期渗流稳定性和使用年限,结合当地原材料的情况,采用膨润土、黏土、水泥、骨料、水和减水剂等来制备塑性混凝土,试验测定了完整或含孔洞塑性混凝土的长期渗流稳定性和使用年限。经过多次试配试验,选定配合比并制作试件,该试件在标准养护28 d后,其抗压强度为1.25 MPa。分别制备、使用2组共12个试件进行溶蚀试验或冲淋试验。溶蚀试验表明,在溶蚀试验的测试初期,渗透系数是不断变化的,尤其在试验前30~40 d是比较明显的,但均在10-7 cm/s数量级。随溶蚀时间的延长,混凝土试件中被溶蚀Ca O的数量呈线性递减关系,直至降低到自来水所含Ca O的浓度范围,而渗透系数在150~180 d时增至3.0×10-7 cm/s,且逐渐趋于稳定。经180 d的渗流溶蚀作用后,塑性混凝土会产生剪损裂缝和拉断裂缝,甚至有较大的塑性变形,导致试件顶面平均上升位移值高达38.5 mm。通过溶蚀试验计算该塑性混凝土的渗透系数和Ca O含量,然后计算塑性混凝土防渗墙使用年限为37.1~60.7 a。冲淋试验表明:水流会在含孔洞的混凝土中产生集中冲刷且局部混凝土中的Ca O被溶蚀并随水流携带走,经过测定分析,水流从孔中冲蚀出的白色沉淀物为碳酸钙,另有少量的Na+、微量黏土和膨润土颗粒,从而降低了混凝土的质量。在恒压水流作用下,水流对已含孔洞混凝土的冲刷较弱,混凝土中被溶蚀并携带走的Ca O较少,即使冲淋197 d后,其前后的质量的损失较小,相对损失不超过1%,但其强度损失较大,高达25.4%。综合研究表明:采用黏土和膨润土制备的塑性混凝土符合土石坝防渗墙防渗的特点,具有水泥用量小、强度低、高抗渗性和使用年限长的特点。     

含掺合料混凝土水化产物体积分数计算及其影响因素

Powers理论仅提出针对纯水泥水化产物体积的计算方法,为研究掺加矿物掺合料后的胶凝材料的水化产物体积的影响,该文基于水泥水化基本原理及矿物掺合料的反应机制,提出含掺合料胶凝材料的水化产物体积的计算公式,并将其应用于计算掺合料为0时凝胶材料水化产物的体积分数,与基于Powers理论模型的计算结果对比来验证该文提出的方法的可靠性,在此基础上,进一步研究水胶比、掺合料种类及其比例对胶凝材料水化产物体积的影响。结果表明:矿物掺合料掺量的降低和水胶比的增加都能促进复合水泥基材料的水化,相对而言,矿物掺合料增量对胶凝材料水化程度的影响较水胶比要大。复合胶凝材料中CSH、铝酸盐相AF和CH的体积分数均低于水泥浆体,未水化颗粒和毛细孔的体积均高于水泥浆体。分析发现,未水化颗粒、CSH凝胶和毛细孔的体积分数分别受水胶比×掺量×矿物掺合料种类(60.33%)、水胶比×矿物掺合料种类(91.79%)和水胶比(89.23%)的影响最大,CH和铝酸盐相AF的体积分数受掺量的影响最大,分别为6.17%和16.65%。研究可为锂渣、粉煤灰和钢渣在水泥混合材和混凝土掺合料中的应用提供科学依据,同时达到降低能耗和节约资源的目的。