叢中卉 劉文超(中國礦業(yè)大學(北京)機電與信息工程學院，北京 100083)

0 引言

由于沙漠地區(qū)[1,2]降水量少，蒸發(fā)量又遠遠大于降水量，以至于沙漠中沒有足夠的水分來滿足植物正常生長的用水需求。在沙漠的地層結構中[3]，既存在表面干沙層，也存在濕沙層，而且濕沙層位于表面干沙層以下約20～40cm。拜格諾[4]論述了濕沙層現(xiàn)象，他指出沙漠氣溫的變化對濕沙層溫度的影響微乎其微，濕沙層溫度的均勻性阻礙了水分蒸發(fā)，使得濕沙層的水分得以保存數(shù)年。通常情況下，傳統(tǒng)澆水、保水措施成本高、效率低，但如果能夠把濕沙層的水通過一種導水材料運送至樹苗的根部，那么就可以為植物提供其生長所需用水，并提高植物存活率。

自然界中的上水石，又稱吸水石，具有“水往高處流”的引水特性，其主要成分為碳酸鈣，表面為黃灰白色，質較疏松、多孔、重量較輕[5]。通過對上水石的研究，制備出一種仿上水石材料，并將其作為導水材料應用到沙漠植物的生長中，從而節(jié)約大量水資源。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：沙漠沙子[6]；水泥[7]，北京金隅水泥廠；粉煤灰[8,9]，河南遠恒環(huán)保工程有限公司；石膏，河南遠恒環(huán)保工程有限公司；發(fā)泡劑[10-12]，國藥集團化學試劑廠；蒸餾水。

儀器：電子天平，PL403，梅特勒托利多廠；鼓風干燥箱，DHG-9023A，上海一恒科技；電動攪拌器，DJ1C-200，金壇大地自動化廠；有機玻璃管，Φ20×1mm，華夏塑料廠；透明塑料杯，20ml，鴻運誠興廠。

1.2 實驗步驟

首先稱取80g 沙子、10g 水泥、10g 粉煤灰和1g 石膏，放入燒杯中進行混合攪拌，以375r/min 的速度先慢攪30s，再以750r/min的速度快攪120s；然后量取30ml H2O 和0.5ml H2O2于燒杯中混合并攪拌4～5s；將上述兩種混合物再次混合攪拌，先慢攪15s，攪拌速度為750r/min，再快攪30s，速度為1500r/min；將攪拌所得漿料注入底端包有紗布的帶有刻度的有機玻璃管和塑料杯中，在40℃下充分發(fā)泡30min；最后在60℃下干燥3 天，所得即為仿上水石材料。

2 結果與討論

2.1 仿上水石材料的孔隙特征

如圖1 所示，仿上水石材料既有閉孔，也有完全貫通的開孔，也有半開半閉的孔；一般情況下，閉孔孔隙尺寸比開孔大；且在孔壁上形成的孔隙通常是凝膠孔和毛細孔，孔隙較小，均為開孔，在孔隙內形成的孔通常有閉孔和開孔，孔隙較大，開孔通常貫通于閉孔內部，類似于一個鑲嵌同心圓。

圖1 仿上水石的孔隙形貌和開孔孔徑尺寸

仿上水石材料以沙子作為主要基體材料，添加水泥作為凝膠材料，提高了材料的機械強度，利用粉煤灰增加活性，選用30%的H2O2作為發(fā)泡劑產(chǎn)生孔隙，同時石膏可以延緩漿料稠化速度使充分發(fā)氣[13]。上水石的導水性能取決于其孔結構，而孔結構的形成與發(fā)泡劑量和水料比有關，發(fā)泡劑少會使?jié){料無法膨脹成孔，過多則會導致斷層塌模現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時，水料比過高也會影響漿料成型，頂部出現(xiàn)泌水溢流的現(xiàn)象，水料比過低則影響最終試樣的力學強度。本實驗仿照天然上水石孔隙的形成機理，探索了原料的最佳配比，制備了具有優(yōu)良導水性能的仿上水石材料。

2.2 仿上水石材料的吸水率

吸水率是指材料試樣吸收水的質量與原試樣的質量之比，仿上水石材料的吸水率在一定程度上反映了材料的導水能力，利用浸泡介質法測量上水石的吸水率，公式如下：

式中：φ為吸水率；M為完全浸泡介質后的試樣在空氣中的質量；m為干燥試樣在空氣中的質量。

經(jīng)過計算得出仿上水石材料的吸水率為44%，材料的吸水率反映了材料在單位時間內的吸水量，材料的吸水率越大，則水在多孔材料上下區(qū)間的濃度差就越，這種濃度差將導致底部水在孔隙內源源不斷地向上運動，而且吸水率大，可以保證材料底部有水源的充足。在毛細孔的范圍內，所制備出的仿上水石材料的導水性能與吸水率有關且吸水率越大的導水效果越好。

2.3 仿上水石材料的導水性能

固定仿上水石材料并將其底部浸入水中，用秒表計時并記錄水的爬升高度，將最終結果繪制成曲線，并與天然上水石和過篩后的沙漠沙子做比對。導水測試的裝置示意圖和導水性能曲線如圖2 所示。導水性能是仿上水石材料最主要的評價指標，只有導水性能好才具有實際應用的意義。

圖2 仿上水石材料的導水測試

由圖2 可以看出，仿上水石材料的水分爬升效果跟天然上水石幾乎無異，且因為仿上水石材料的孔隙更為均勻，其導水效果在前期表現(xiàn)得更為優(yōu)秀。多孔材料的導水過程是一個動力學過程，既與多孔材料的吸水率有關，也與水在孔隙內的受力有關。水在孔隙內運動時，通常會受到三個力[14]，即毛細力、離子間作用力和自身重力。其中自身重力是阻力，而離子間作用力和毛細力是水向上運動的動力，毛細力和孔徑大小有關，而且是與開孔的孔徑有關，孔徑越小，毛細力越大，即導水性能越好。

3 結語

反重力引水材料對于沙漠地區(qū)生態(tài)恢復具有重要的應用價值，本文以上水石作為研究對象，開展了仿上水石材料的制備及其導水性能的研究。最終所制備的仿上水石材料具有良好的反重力引水能力，為荒漠化地區(qū)植物用水提供一種新的思路和技術，具有一定的參考意義和實際應用價值。