改性黄河砒砂岩复合材料试验研究

砒砂岩是黄河泥沙的主要来源之一,可通过碱激发的方法将其转变为建筑材料,实现其资源化。在矿粉掺量为20%、氢氧化钠为2%、密度为2.2 g/cm3及含水率为6%的条件下,研究了碱激发改性砒砂岩的软化系数随龄期的变化,并详细研究了氢氧化钠掺量、密度、矿粉掺量对碱激发改性砒砂岩抗压强度的影响。试验结果表明,碱激发改性砒砂岩软化系数随龄期的增长而提高,在矿粉掺量为20%、氢氧化钠为2%、密度为2.2 g/cm3、含水率为6%及龄期为28 d的条件下,改性砒砂岩的软化系数达到0.76(满足工程需求)。矿粉能够显著地提高改性砒砂岩的抗压强度,当矿粉含量为40%、密度为2.2 g/cm3和碱激发剂含量为2%时,改性砒砂岩7 d抗压强度能够达到32 MPa,相对于不加矿粉试样抗压强度提高627%。SEM和XRD分析结果表明,改性砒砂岩的水化产物为凝胶态的物质(C-S-H等),并且改性砒砂岩基体的微裂纹大量减少甚至消失。     

黄河砒砂岩中蒙脱石的基本特征

黄河砒砂岩是一种复杂的松散岩石,其含有黏土矿物蒙脱石是砒砂岩遇水膨胀溃散的主因,分析蒙脱石基本特性对于认识砒砂岩易膨胀溃散的机理非常必要。采用湿法提纯,从砒砂岩中分离出蒙脱石,通过XRF、XRD、ICP、Zeta电位、TG/DTG测试,对蒙脱石的类型、吸蓝量、层间离子交换容量及分子结构式等进行了分析。试验结果表明:砒砂岩中的蒙脱石为钙基蒙脱石;白色和红色砒砂岩中蒙脱石的吸蓝量分别为32.72、28.21 g/100 g,膨胀容分别为5.4、5.1 m L/g,离子交换容量(CEC)分别为112.72、104.91 mmol/100 g,Zeta电位分别为-24.5、-22.9 m V;红色、白色砒砂岩中蒙脱石的分子结构差别不大。     

改性砒砂岩复合材料力学性能研究

为了进一步优化砒砂岩改性技术,探讨激发剂及掺合料对砒砂岩的改性激发效果,利用多种碱性激发剂混合激发砒砂岩,通过抗压强度测试及扫描电镜观察,系统研究了粉煤灰、矿粉和激发剂掺量及养护龄期对改性砒砂岩强度的影响。试验结果表明:掺加矿粉对砒砂岩试件抗压强度的增强作用比掺加粉煤灰的更显著;改性砒砂岩试件抗压强度随激发剂掺量的增加而提高,激发剂掺量为3%时改性试件28 d抗压强度较未改性试件提高了477%;在激发剂掺量为3%、用水量为10%、矿粉掺量为40%时,改性试件28 d强度达18.16 MPa;试件抗压强度随龄期延长而增强,龄期对改性砒砂岩试件早期抗压强度影响显著,对28 d后的影响相对较小。     

W-OH与砒砂岩固结体力学性能研究

基于砒砂岩基本组成和侵蚀机理,研究了新型固结促生复合材料——亲水性聚氨酯材料(W-OH)对砒砂岩固结的力学性能,并通过添加硅胶、乳化沥青、玄武岩短纤维、聚丙烯醇纤维(PVA)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等功能材料对提升W-OH砒砂岩固结体的力学性能进行了试验研究。结果表明,W-OH与砒砂岩固结体的抗压强度和变形能力随着W-OH浓度的增大而增大,说明W-OH砒砂岩固结体具有一定的变形能力,可有效缓解冻胀、重力作用引起的变形;加入功能材料复合后,抗压强度和形变率均有变化,但只有PVA和EVA提升效果较为明显,PVA浓度为2%时固结体抗压强度最大(为单独采用W-OH时抗压强度的7倍),PVA浓度为3%时形变率最大(为10%~15%),加入EVA后抗压强度最大为不添加EVA的40倍,说明PVA、EVA与W-OH的复合材料固结砒砂岩效果较好。     

砒砂岩抗剪强度与其结构特征关系

通过直剪试验、X射线衍射、电镜分析的方法,分析了红色砒砂岩和白色砒砂岩力学性能随含水率的变化规律,观测了砒砂岩的颗粒粒径分布、矿物组成及微观形貌,探讨了砒砂岩结构特征对抗剪强度的影响。结果表明,含水率对红色和白色砒砂岩抗剪强度的影响不同,红色砒砂岩抗剪强度随含水率增大先增大后减小,黏聚力起主导主用,白色砒砂岩抗剪强度随含水率增大而减小,摩擦力和咬合力起主导作用;红色和白色砒砂岩的主要矿物是石英、长石、蒙脱石和方解石,长石的易于风化,蒙脱石的遇水膨胀及方解石的易分解,导致砒砂岩力学性能较差;白色砒砂岩以粗砂为主,含少量细砂,颗粒有明显棱角,孔隙较大,导致颗粒间具有较强的摩擦力和咬合力,而红色砒砂岩细砂含量较多,结构连接较致密,导致滑动过程中以黏聚力为主导,咬合摩擦作用较弱。     

浅谈凝灰质砂岩单轴抗压强度与单轴压缩变形之间的联系

通过室内岩石单轴抗压强度与单轴压缩变形试验,主要测定在外力作用下岩石的抗压强度及变形模量和弹性模量的情况,为水工建筑物提供稳定设计参数。     

改性砒砂岩强度和水化产物的试验研究

为解决砒砂岩区修建淤地坝时缺乏工程材料的问题,采用含有大量活性硅、活性铝以及氧化钙的矿粉物质作为改性剂,添加到砒砂岩中进行改性,并通过试验分析了改性砒砂岩的微观结构、水化产物以及耐水性能、抗压强度等。结果表明:1改性砒砂岩材料抗压强度随改性剂掺量的增大而增大,在龄期为90 d时,使用40%的改性剂、1.5%激发剂及4%辅助激发剂,砒砂岩抗压强度可以提高到52 MPa;2改性砒砂岩激发剂的掺量为1%比较合适;3改性砒砂岩的水化产物为水化硅酸钙凝胶、地聚物凝胶和碳酸钙晶体。     

砒砂岩地区土壤侵蚀机理研究

在砒砂岩地区土壤侵蚀特征研究的基础上,首次按产沙部位、方式、时序、动力和流程给出了砒砂岩区完整的土壤侵蚀分类系统图;其次,暴雨径流主要是输移的动力,其搬运输移力和对沟床的冲刷,可用单宽功率表示,并给出了两组判别式;其三,给出了小流域产沙量和输沙量的计算式.     

改性黄河砒砂岩筑坝材料性能试验

为改变砒砂岩遇水溃散的特性,满足砒砂岩区淤地坝建设对建筑材料的需求,研究了砒砂岩改性技术。通过试样固结体积观测、抗剪强度测试、X射线衍射(XRD)、热重(TG-DTG)分析和扫描电子显微镜(SEM)分析,探讨了不同浓度改性剂对砒砂岩固结体积、抗剪强度、矿物组成和微观结构形貌的影响。试验结果表明,改性后砒砂岩的膨胀性得到显著抑制,材料体积稳定性及抗剪强度得到提高,试样的体积减小率及抗剪强度最大值分别为50%和138 kPa;改性后试样中蒙脱石晶层间距和试样质量损失明显减小,试样的水化膨胀特性得到有效控制;改性后试样的孔隙结构得到改善,裂隙数量及尺寸显著减小,试样更加均匀密实。     

砒砂岩区土壤理化性状调查与分析

砒砂岩是中生代陆相碎屑沉积岩的泥岩、砂岩、砂砾岩的俗称,分布于内蒙古东南部的准格尔旗、伊金霍洛旗、达拉特旗、东胜市,陕西北部的神木、府谷县,晋西北的河曲、保德、偏关等     

砒砂岩固结体防水抗蚀及紫外耐久性能研究

采用W-OH对砒砂岩进行固结处理,通过水滴渗透、抗蚀性及紫外加速老化试验研究了固结体的防水性能、抗水蚀性能以及紫外耐久性能。结果表明:1将不同浓度的W-OH溶液喷洒在砒砂岩颗粒表面时,可形成一层具有一定厚度的弹性固结层,防水性能提高83倍左右;2水稳性指数由原岩的0.2提高至固结体的0.8,抗水蚀性能大大提高;3固结层具有良好的抗紫外老化性能,加速老化32 d后,质量损失在0.06 g/m~2以内,在当地的辐射强度下,5 a以内老化和分解可控;4采用W-OH处理后,砒砂岩坡面减沙比为99.78%。     

Study on reforestation with seabuckthorn in the Pisha Sandstone area

In northwest China, an area of more than 11 000 km² is covered by Pisha Sandstone, a kind of loosely bonded sandstone formed during the Tertiary period. Pisha Sandstone is hard when it is dry but becomes loose when it is wet. Due the nature of this sandstone, this area of northwest China is plagued with a high erosion rate (over 20 000 t/km² yr) as well as poor vegetation. In order to reforest gullies and to control erosion in the area, seabuckthorn (Hippophae rhamnoides Linn) was successfully used to reduce the erosion rate and help encourage vegetation growth in this area. Field investigations have been carried out in the Xizhao gully to study the effects of the species on sediment trapping and ecological improvement. Through these investigations, it was discovered that seabuckthorn encouraged the growth of Clinelymus dahurcus Turcz, and consequently, the two species form a dense double-layer of vegetation with well-developed middle and understory plant communities. The forest was planted in the late 1990s (first introduced in 1995), with a measured rate of sediment trapping efficiency of more than 90%. Rainstorm water was also stored in the gully within the trapped sediment. The water content in the reforested gully was approximately twice as high as the non-vegetated gully. Soil organic matter content was higher in the gully planted with seabuckthorn than compared with a non-vegetated gully. The understory community was evaluated by the taxa richness, the thickness-coverage and the Simpson diversity of the sub-layer vegetation. The understory community patterns found in the seabuckthorn vegetation was much better compared with those found in areas forested with poplar or willow vegetation.     

黄河流域主要灌区灌溉需水与干旱的关系研究

为定量研究灌区灌溉需水与气象干旱的关系、合理组织抗旱水源,以黄河流域1956—2010年水文、气象、地下水以及作物参数等资料为基础,选取RDI干旱评估指标系统评估了黄河流域上、中、下游5个主要灌区的历史干旱情况,采用作物水量平衡方程计算了灌区灌溉需水量;采用灰色关联和相关分析方法,研究了主要灌区气象干旱与灌溉需水的关联程度,并建立了灌区灌溉需水量与RDI的定量关系。结果表明:RDI干旱评估指标可用于黄河流域灌区的气象干旱评估;黄河流域上、中、下游主要灌区灌溉需水量与RDI存在显著的关联关系,随着降水量增加(作物可利用的有效降水量增加),灌区灌溉需水量与RDI的灰色关联度和相关系数不断增大;主要灌区灌溉需水量对RDI变化的响应程度不一,干旱程度每增加一个等级(RDI指数减小0.5),上游青铜峡灌区、内蒙古河套灌区灌溉需水量平均增加约1.04亿m~3,中游汾河灌区、渭河灌区需水量增加约2.19亿m~3,下游引黄灌区需水量增加约6.22亿m~3。     

黄河流域异质性环境规制与水资源利用效率的关系

黄河流域存在水资源供需矛盾突出、水资源利用效率有待提高等问题,为探索环境规制对水资源利用效率的影响,基于2008—2017年黄河流域9个省(区)的面板数据,构建SBM-Undesirable模型,对黄河流域的水资源利用效率进行测算,并采用Tobit模型,分析异质性环境规制对水资源利用效率的影响。研究结果表明：黄河流域9个省(区)水资源利用效率差异明显,命令控制型和公众自愿型环境规制抑制了水资源利用效率的提高,市场激励型环境规制尚未对水资源利用效率产生影响。基于此,提出推进水资源节约集约利用、完善命令控制型环境规制政策体系、构建市场型环境规制的引导机制、建立健全公众参与型环境规制的法律法规等建议。     

砒砂岩侵蚀的物理特性试验研究

砒砂岩侵蚀较为强烈,研究其易蚀的岩性物理特性对于认识侵蚀岩性机理具有重要意义。利用现场灌砂法、粒度分析等方法,开展了砒砂岩原状样密度、微观结构和级配等物理特性试验研究。结果表明:砒砂岩干密度为1.36~1.58 g/cm~3,远小于一般砂岩的密度;砒砂岩孔隙率大、透水性强为砒砂岩易发生水蚀提供了结构条件;砒砂岩黏粒含量低,颗粒粒径小于0.500 mm的颗粒含量高,为砒砂岩易发生风蚀且风化速率快提供了几何条件;砒砂岩碱性较强,为砒砂岩在酸性雨水环境下发生水蚀提供了化学条件。因此,砒砂岩的物理特性是砒砂岩易发生强烈侵蚀的重要内因。     

黄河水权与水市场建设研究

在对国外水市场建立和管理经验借鉴的基础上,分析了建立黄河水市场的条件、原则和可行性,提出了黄河三级水市场的构架:流域级水市场、省区级水市场和用户级水市场.为了黄河水权水市场的可持续发展,建议明晰黄河水权,对初始水权进行合理分配;切实保障农业用水,维护农民的水权益;完善配套工程设施,建立水权交易的市场基础;建立和完善水法律体系,规范水市场和水权交易行为;筹建黄河流域“水银行”,提高黄河水市场运行档次.     

砒砂岩地区水土流失研究进展与治理途径

砒砂岩地区是黄土高原生态环境最脆弱、土壤侵蚀最剧烈的区域。从砒砂岩地区生态建设和治理开发的需求出发,回顾砒砂岩地区土壤侵蚀规律研究的主要进展,包括砒砂岩地区土壤侵蚀机理、水土流失动态监测、水土流失模拟评估。同时,对砒砂岩地区水土流失治理措施等方面的最新进展进行了分析,并针对目前存在的问题以及今后砒砂岩地区水土流失的治理途径进行了探讨。     

黄河自净需水量研究

自净需水量是环境水量的重要组成部分，是河流接纳合理污染物量所对应的、河流必须蓄存的满足良好水质要求的最小水量及水量过程。本文通过建立黄河自净需水量模型，分别对黄河花园口以上河段以及利津断面的自净需水量进行计算。计算结果表明，在现状入黄城镇点源超标排放、入黄支流污染严重的情况下，实现黄河水质目标所需的稀释水量较大，黄河现状水资源无法满足要求；在入黄城镇点源达标排放、入黄支流实现入黄水功能区水质目标的前提下，黄河自净需水量随季节年内变化整体不大，枯水低温期所需自净需水量稍高，其中90％保证率最枯月平均流量能够基本满足黄河自净需水量，但青铜峡、石嘴山、潼关等污染严重河段所需自净需水量仍然较大，对应最枯月平均流量保证率介于8.5%～87%之间。