利用改性砒砂岩修筑淤地坝研究

为解决砒砂岩区缺乏修建淤地坝等水土保持工程建筑材料的问题,基于砒砂岩遇水易溃散、力学性能差的岩性机理,成功开发了砒砂岩改性材料,并修建了淤地坝示范工程。结果表明,砒砂岩遇水膨胀溃散的主要原因是其岩石成分中含有大量的易膨胀溃散的亲水性蒙脱石,通过在砒砂岩中添加抑制蒙脱石膨胀的改性剂、胶凝抑制剂以后,能明显降低其膨胀性,同时其力学强度可得到显著改善;在内蒙古鄂尔多斯砒砂岩地区开展了利用砒砂岩改性材料修筑淤地坝的示范工程建设,根据现场检测和实验室测试,改性材料的力学性能得到了大幅提高,可以满足修建淤地坝的要求。同时,提出了砒砂岩改性及淤地坝施工的技术要求与方式。     

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。     

砒砂岩分布及岩性特征

砒砂岩是一种发育不完全,矿物成分主要为石英、钙蒙脱石及方解石的泥岩、泥沙岩,主要分布在晋陕蒙交界地区。通过对现有砒砂岩文献资料进行分析,归纳总结了砒砂岩的分布类型及分布面积、主要矿物组成及含量、化学成分、力学性能以及胶结、侵蚀机理。结果表明:砒砂岩分布区面积在1.2万²万km2之间,分布区内不同地点的砒砂岩主要矿物及化学成分相同,含量相近;砒砂岩力学强度较低,研究者得出的力学性能数据较为离散。结合砒砂岩研究现状,提出了几点关于砒砂岩未来研究方向的建议。     

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。     

黄河砒砂岩单轴抗压性能与含水率关系研究

为研发砒砂岩改性材料、提高砒砂岩抗蚀能力,对黄河砒砂岩单轴抗压性能与含水率的关系进行了研究,研究对象为红白混杂、红色两种砒砂岩。结果表明:红白混杂砒砂岩、红色砒砂岩单轴抗压强度均随着含水率的增大而快速减小;在含水率基本相同的条件下,红色砒砂岩抗压强度的降幅比红白混杂砒砂岩的更为明显;在相同应力时,干燥状态下的红白混杂砒砂岩和红色砒砂岩的应变基本一致,在吸收一定水分后,红白混杂砒砂岩和红色砒砂岩应变的变化规律基本相同,但红色砒砂岩的应变明显大于红白混杂砒砂岩的;红白混杂砒砂岩的透水性较差,遇水时相对不易发生溃散,而红色砒砂岩的透水性较强,稳定透水率大于红白混杂砒砂岩的,遇水时更易发生溃散;当含水率达到9%时,红色砒砂岩单轴抗压强度接近0 MPa,随着含水率的继续增大,单轴抗压强度的变化已不明显。     

高温粉磨处理对砒砂岩物化性质的影响

砒砂岩是由砂岩、砂页岩、泥质砂岩构成的特殊互层岩体,具有干燥坚固如石、遇水溃散成砂的特点。为了弄清高温及高温粉磨对砒砂岩物化特性的影响,进而对其进行改性利用,通过对砒砂岩进行高温和机械粉磨处理,借助激光粒度仪、X射线荧光光谱分析仪、X射线衍射光谱分析仪、热重/差热和傅里叶红外光谱分析仪等,研究了高温和机械粉磨处理对砒砂岩物化性质的影响。结果表明:高温处理使砒砂岩的矿物组成发生变化,黏土矿物中的自由水和结合水数量显著减少,对砒砂岩矿物的颗粒粒径分布影响不大;机械粉磨处理后砒砂岩中的小颗粒数量显著增加,颗粒的粒径整体上减小;高温煅烧和机械粉磨可提升砒砂岩的矿物活性。     

砒砂岩的三轴强度特性及微观结构研究

为深入认识黄土高原地区砒砂岩干燥时坚如磐石、遇水后溃散泥化的微观机理,对不同粒度砒砂岩原状试样进行三轴剪切试验和CT扫描,获取不同粒度砒砂岩的强度特征和微结构特征,并分析了砒砂岩孔径的分布特点。结果表明:砒砂岩试样的抗剪强度随粒度增大而降低,试样的峰值强度与固结围压存在良好的线性关系;由CT扫描得到的砒砂岩二维图像显示不同粒度试样的孔隙形态非常复杂;从三维重构模型的统计结果发现砒砂岩平均孔隙半径随砒砂岩粒径的增大而升高;砒砂岩的强度存在明显的粒度效应,砒砂岩粒度大小决定了内部孔隙的分布情况,进而引起强度的改变。     

基于W-OH的砒砂岩抗蚀促生机理研究

砒砂岩区是黄河中游粗沙的主要来源区之一,而化学—植物措施对保护砒砂岩免受降雨和风力侵蚀具有较为明显的效果。从砒砂岩侵蚀机理、表面浸润性、抗蚀性、微观结构、红外光谱、保水性和植生等方面研究了一种新型亲水性聚氨酯复合材料(W-OH)对砒砂岩的抗侵蚀和促生机理。结果表明,砒砂岩易受侵蚀主要是组成和内部结构造成的,而W-OH溶液能够包裹在砒砂岩表面,形成一层具有保护作用的固结层,且可以很好地渗透入砒砂岩颗粒内部,增加颗粒间的黏结性,从而可以防止砒砂岩的进一步侵蚀。另外,W-OH为高分子材料,与水迅速反应可以形成网状的弹性凝胶体。该凝胶体具有保水保肥的作用,可以反复缓慢吸收和释放水分为植物生长所需,延长植物的生长期,起到促生的效果,从而为砒砂岩区综合治理提供理论依据。     

暖水乡砒砂岩地球化学分类类型与物源区特征

探究砒砂岩的地球化学分类类型与物源区特征是揭示砒砂岩成因的重要途径。基于暖水乡附近中三叠统二马营组砒砂岩的全岩地球化学分析数据,确定了该砒砂岩的地球化学分类类型、物源区母岩类型和风化强度,初步揭示了白色砒砂岩的成因。研究表明:研究区砒砂岩的地球化学分类类型主要为杂砂岩和长石砂岩,其次为石质砂屑砂岩;物源区母岩类型包括中基性和酸性火成岩以及沉积岩,物源区风化弱,并遭受了渐进风化作用;白色砒砂岩遭受了一定程度的还原性流体的影响,还原性流体可能为煤层气。     

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。     

砒砂岩侵蚀机理研究与展望

砒砂岩侵蚀机理是我国北方脆弱生态区治理实践中迫切需要解决的应用基础问题中的难点。为深化理解砒砂岩复合侵蚀发生发展过程、揭示多动力侵蚀交替/耦合关系、辨识复合侵蚀与植被退化的耦合机理,系统总结了国内外对砒砂岩侵蚀研究的主要成果,包括砒砂岩侵蚀类型及其发生动因、砒砂岩侵蚀分布特征、砒砂岩侵蚀岩性机理等,并对现有研究进展进行讨论,指出砒砂岩侵蚀规律研究中面临的关键科学问题,提出未来研究的重点课题,包括砒砂岩区多动力复合侵蚀时空分异规律、复合侵蚀与植被退化的互馈关系、水岩作用下砒砂岩三元结构破坏机理、复合侵蚀试验观测方法等,可为今后开展相关研究工作提供参考。     

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。     

砒砂岩特征及其资源利用

砒砂岩集中分布在黄土高原北部晋、陕、内蒙古接壤地区的鄂尔多斯高原,该区域是黄河粗泥沙主要来源区。砒砂岩遇水即膨胀特性破坏岩石结构,极易产生水土流失。国家为此启动科技支撑计划"黄河中游砒砂岩区抗蚀促生技术集成与示范"项目研究并取得成果。结合该项目初步研究成果,分析了砒砂岩岩性特征及物质成分,以"砒砂岩资源"新思路找出了其资源利用途径,开展了抗蚀促生治理途径的探索,对于变砒砂岩之"毒"为利、实现根治砒砂岩区粗泥沙之源,保障黄河安澜具有十分重要的意义。     

砒砂岩区侵蚀治理技术研究进展

黄河流域砒砂岩区是我国北方生态严重退化的地区,其土壤侵蚀治理长期以来是我国水土保持学界所面临的难题之一,其难点在于砒砂岩区水力、风力、冻融、重力等多动力复合侵蚀交替发生且时空分异性强、侵蚀岩性机理及侵蚀动力过程复杂、干旱缺水而暴雨集中,以及人们对于砒砂岩区土壤侵蚀规律性认知水平的局限性。本文从砒砂岩区土壤侵蚀特征、治理措施及其作用与效益,以及砒砂岩治理技术研究新成果等方面综述了砒砂岩区土壤侵蚀治理技术的研究与实践进展,并提出了存在的问题。阻控侵蚀与植被恢复一体化、砒砂岩资源利用与生态衍生产业发展相结合,以及实现生态综合治理将成为砒砂岩区土壤侵蚀治理技术研究的未来主要发展方向。     

黄河流域砒砂岩区地貌-植被-侵蚀耦合研究进展

砒砂岩地区是黄河中游粗泥沙来源的核心区,是黄河流域生态保护的重点。揭示黄河中游砒砂岩地区地貌植被侵蚀耦合规律,对于砒砂岩区生态综合治理具有重要的理论指导价值。本文评述了砒砂岩区侵蚀地貌特征、植被生境空间分异规律、侵蚀空间分异规律,以及砒砂岩区地貌-植被-侵蚀空间耦合关系研究进展,并展望了其研究发展趋势。同时,提出了今后应加强研究的方向:应着重从机理层面对砒砂岩区的地形地貌空间结构分异特征、植被生境和群落分异特征及侵蚀时空分异特征进行深入研究,特别是将三者作为一个耦合系统的因素进行研究,解决制约砒砂岩区水土流失综合治理理论水平提升与实践的瓶颈问题;研究不同地貌单元的土壤侵蚀年内时空分异性特征及其成因,揭示坡沟系统水蚀年内时空分异性特征与自然植被时空分异性特征的耦合机理;揭示砒砂岩区地貌-植被-水蚀空间耦合机理。本综述可为黄河流域砒砂岩区生态保护、侵蚀规律研究及高质量发展提供一定参考。     

砒砂岩物质组成及其对养分含量的影响

对不同颜色(紫色、白色、粉色和灰色)的35个砒砂岩样品的矿物成分、化学成分及养分含量进行了分析,并在此基础上对砒砂岩物化特性对其肥力的影响进行了探讨。结果表明:1砒砂岩矿物成分主要为石英、长石、蒙脱石、方解石,含量分别为13%~55%、23%~56%、5%~28%、1%~25%,石英含量相对较低,说明岩石发育不够成熟,长石易风化,蒙脱石遇水膨胀,方解石易分解,导致砒砂岩抗蚀能力较弱,养分易流失;2砒砂岩化学成分中不稳定组分Na_2O、K_2O、CaO性质活泼但含量低,三组分含量总和为3.4%~15.0%,组分流失严重,砒砂岩持水保肥能力低;3受砒砂岩矿物组成、化学成分及当地降雨条件影响,砒砂岩总体养分含量非常低,按全国统一划分的六级制土壤养分含量分级表,砒砂岩pH值、有机质、全氮、全磷、全钾和速效磷含量为六级,速效氮含量为五级,速效钾含量为四级。     

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。     

酸对云冈石窟砂岩的劣化作用试验研究

云冈石窟所处的山西省大同市是我国重要的产煤区和煤化工基地,空气污染导致窟区内SO₂浓度超标。云冈石窟砂岩主要成分中的长石及钙质胶结物,对酸的作用极其敏感。为模拟硫酸对云冈石窟洞窟岩石的劣化作用,设计了硫酸浸泡劣化试验。通过测量不同pH值硫酸溶液浸泡的砂岩岩样的质量、波速以及溶液的pH值,并对比腐蚀前后岩样的抗压强度、物质结构,来研究硫酸对石窟岩石的破坏机理及其规律。结果表明:酸对此类钙质胶结砂岩的破坏非常迅速,且主要破坏岩石的钙质胶结物;随着反应次数的增加,波速明显降低;酸对岩样表层的作用特别严重;随着胶结物的丧失,岩石强度降低明显。     

原状砒砂岩坡面产流产沙规律试验研究

为深入了解砒砂岩坡面的侵蚀产沙特征,在野外建立了人工原状砒砂岩坡面,通过放水冲刷试验对比研究了白色和红色原状砒砂岩坡面的产流、产沙过程。结果表明:白色砒砂岩坡面水分入渗率为18.9 mm/h,小于红色砒砂岩坡面的47.0 mm/h;白色和红色原状砒砂岩坡面水流平均流速与流量呈幂函数关系,相同冲刷流量条件下红色砒砂岩较白色砒砂岩产沙量及坡面水流含沙量大、抗侵蚀性弱;受水分入渗率和砒砂岩颗粒分离速度的控制,两种坡面土壤剥蚀率与单宽流量之间呈向下弯曲的二次曲线关系;两种砒砂岩坡面土壤剥蚀率与水力学参数的相关关系相似,说明其侵蚀产沙的水力学机制是一致的。     

黄河流域砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应研究

识别砒砂岩区多动力侵蚀的叠加效应,对于深化认识砒砂岩区土壤侵蚀与产沙机理,为黄河粗泥沙来源区水土流失治理及砒砂岩区生态恢复等实践提供科学依据具有重要意义.通过室内人工降雨-风洞-冻融循环实体模型试验研究了砒砂岩区多动力侵蚀交互叠加效应.试验结果表明:单一的冻融、风蚀作用不会导致坡面产沙量的明显增加,而是增加了水力侵蚀的...