小麦秸秆在可降解排水板生产中的应用研究

小麦秸秆在可降解排水板生产中的应用研究冯旭松;翁佳兴;宗珊;晏伟;李辉;姚达;吉锋【摘要】为了验证小麦秸秆应用于可降解排水板生产中的可行性,对可降解排水板的物理力学性能以及降解性能进行研究.结果表明,可降解排水板的物理力学性能指标符合A型排水板的性能要求.其降解性能较好地满足了真空预压加固工程的要求,既可以满足施工期的强度要求,又可以在施工结束约1年完全崩解.可降解排水板的推广应用不仅可以解决真空预压加固工程中的白色污染问题,而且拓展了秸秆环境友好型的利用途径.【期刊名称】《南京工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(016)001【总页数】4页(P1-4)【关键词】小麦秸秆;资源化利用;可降解排水板;降解性能【作者】冯旭松;翁佳兴;宗珊;晏伟;李辉;姚达;吉锋【作者单位】南水北调东线江苏水源有限责任公司,江苏南京210029;江苏省泵站工程技术研究中心,江苏南京210096;东南大学交通学院岩土研究所,江苏南京210096;江苏鸿基水利建设工程有限公司,江苏扬州225000;扬州市水利局,江苏扬州225000;江苏锦禾高新科技股份有限公司,江苏扬州225000;东南大学交通学院岩土研究所,江苏南京210096;东南大学交通学院岩土研究所,江苏南京210096;南水北调东线江苏水源有限责任公司,江苏南京210029【正文语种】中文【中图分类】X712;TU472我国是一个农业大国,每年产生大量的农作物秸秆．我国农作物秸秆数量大、种类多、分布广,根据《全国农作物秸秆资源调查与评价报告》,我国农作物秸秆理论资源量为8.2亿吨[1],其中经济发达的华北及长江中下游地区的秸秆资源最为丰富．作为一种传统的生物质能,秸秆长期以来一直是我国广大农村地区基本生产、生活资料,常被用作肥料、生活燃料等,是农村生活和农业发展生生不息的宝贵资源．然而,随着农村经济条件和生活水平的提高,农村能源结构改善,煤、液化气等商品能源在农村地区的应用越来越广,取代秸秆成为主要燃料；化肥的普遍使用也使秸秆作为肥源的用量大幅减少．秸秆出现了地区性、季节性、结构性过剩,大量秸秆被抛弃于田头和露天焚烧.我国每年废弃焚烧的秸秆总量高达约2.15亿吨[1]．秸秆焚烧引起的环境污染和社会安全问题日益突出,长江三角洲地区是近年我国的雾霾多发区域[2-3],其中很大一部分是秸秆焚烧引起的,具有季节高发性．推进秸秆的综合利用,实现秸秆资源化、商品化,缓解秸秆焚烧引起的系列问题,已成为资源节约以及环境保护的重中之重．近年来,真空预压技术广泛应用于港口、公路、机场跑道、疏浚等软基加固工程[4-7]．塑料排水板是真空预压加固工程中最常用的竖向排水材料,单位工程所用塑料排水板往往几十万米到几百万米不等．施工结束后,巨量的塑料排水板往往被遗留在加固地基内.由于目前常用的塑料排水板的芯板多为难以降解的高压聚乙烯,不仅会引起白色污染,不利于加固地基的二次利用,还可能污染地下水．基于工程中可降解排水板的需求以及秸秆焚烧引起的问题日益突出的现状,考虑将农业废弃物小麦秸秆应用于可降解排水板的生产之中．秸秆在岩土工程中的应用研究主要集中于作为秸秆编织物、秸秆棒(条、辊)等用于边坡临时加固和边坡侵蚀防护[8-10]，或者将其作为加筋材料用于砂土、黏性土以及滨海盐渍土的加固改良[11-13],秸秆应用于可降解排水板中的研究报道较少．为了验证小麦秸秆应用于可降解排水板生产中的可行性,本文通过一系列室内外试验对可降解排水板的物理力学性能以及降解性能进行研究．1 材料与方法1.1 秸秆预处理及排水板生产试验用的小麦秸秆回收自江苏扬州郊区农田．秸秆使用前需经过预处理,主要预处理措施包括物理改性、化学改性以及偶联改性．首先采用气流涡旋微粉机粉碎秸秆,打断长纤维结构,增加比表面积,为进一步的改性和融合提供条件；然后采用双螺杆挤出机的剪切、捏合、挤出工艺处理秸秆粉末,在高温高压和巨大剪切力作用下的热挤出过程中,秸秆木质素的结构发生变化,纤维素中的氢键被破坏、水分分离出去,从而改变其性质；最后引入有针对性的偶联剂进行偶联改性,提高木质素与基础树脂的相容性,提高材料的抗冲击强度．根据《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1—2009)[14],塑料排水板可以分为A、B、C、D型．本研究按照规范工艺流程和行业标准生产A型可降解排水板(见图1),与传统不可降解的排水板呈乳白色不同,生产出的可降解排水板产品呈淡黄色,这与小麦秸秆的掺入有关．1.2 试验方案为了测试可降解排水板的各项性能指标是否满足A型排水板的要求,将产品送至水利部基本建设工程质量检测中心进行检测．同时,为了测试可降解排水板的降解性能,将一批可降解排水板掩埋于土中让其自然降解,在不同掩埋周期分批取出制成标准件(见图2),测试不同掩埋周期可降解排水板的拉伸强度和冲击强度．图1 生产可降解排水板图2 可降解排水板产品2 结果与讨论表1 可降解排水板物理力学性能项目A型排水板可降解排水板宽度/mm—99.6厚度/mm≥3.55.5单位长度质量/(g·m-1)—154纵向通水量/(cm3·s-1)≥1552.6滤膜渗透系数/(cm·s-1)≥5×10-41.5×10-2滤膜等效孔径O95/mm<0.0750.074塑料排水板抗拉强度/(kN·10-1)≥1.03.95滤膜抗拉强度/(N·cm-1)干态≥1522.5湿态≥1010.5可降解排水板物理力学性能指标的检测结果如表1所示．从表1中可以看到,可降解排水板的物理力学性能指标完全符合《水运工程塑料排水板应用技术规程》(JTS 206-1—2009)中规定的A型排水板的性能要求．可降解排水板的降解性能既需要满足真空预压加固工程施工期间的强度要求,又要在施工结束后一定时间内快速崩解．可降解排水板在不同掩埋周期下的平均拉伸强度以及平均冲击强度变化规律分别如图3和图4所示．从中可以看到，可降解排水板的拉伸强度和冲击强度都随掩埋时间逐渐降低．拉伸强度和冲击强度与掩埋时间之间存在显著的二次多项式相关性,这表明强度降低率随掩埋时间近似呈线性增长．图3 不同掩埋周期下的平均拉伸强度图4 不同掩埋周期下的平均冲击强度真空预压加固工程的施工期一般为6～8个月．根据图3、图4中拟合公式计算,拉伸强度在第6个月时的强度保有率约为92 %,第8个月时的强度保有率约为86 %;冲击强度在第6个月时的强度保有率约为90 %,第8个月时的强度保有率约为82 %．可降解排水板在施工期内的强度保有率可达80 %以上,这表明可降解排水板在真空预压加固工程的施工期内能够基本保持结构完整,满足施工期强度要求．此外,还可以估算出拉伸强度在约第20个月时降低为0,冲击强度在约第18个月时降低为0,据此推测可降解排水板可以在施工结束后1年左右完全崩解．可降解排水板的降解性能较好地满足了真空预压加固工程的要求．分析可降解排水板的降解性能,可以推断其排水性能的劣化情况．可降解排水板在真空预压加固工程的施工期内能够基本保持结构完整,其排水性能在预压期内将缓慢下降,但可以基本满足施工要求;施工结束后1年,可降解排水板完全崩解并将被周围土层挤压闭合,失去排水作用,不会在加固地基中留下空隙,避免了施工结束后引起进一步的工后沉降．3 结论为了推进小麦秸秆资源化利用,同时解决真空预压加固工程中的白色污染问题,探索将小麦秸秆应用于可降解排水板的生产中．为了验证其可行性,通过一系列室内外试验对可降解排水板的物理力学性能以及降解性能进行研究,得到主要结论：1) 可降解排水板的物理力学性能指标符合A型排水板的性能要求；2) 可降解排水板的降解性能较好地满足了真空预压加固工程的要求，其降解性能既可以满足施工期的强度要求,又可以在施工结束约1年完全崩解；3) 可降解排水板的应用不仅可以解决真空预压加固工程中的环境污染问题,而且拓展了秸秆综合利用新途径,缓解了秸秆焚烧引起的系列问题．参考文献:[1] 农业部新闻办公室. 全国农作物秸秆资源调查与评价报告[J]. 农业工程技术(新能源产业), 2011(2):2-5.[2] 童尧青,银燕，钱凌,等. 南京地区霾天气特征分析[J]. 中国环境科学, 2007,27(5):584-588.[3] 朱彬, 苏继锋, 韩志伟，等. 秸秆焚烧导致南京及周边地区一次严重空气污染过程的分析[J]. 中国环境科学, 2010, 30(5):585-592.[4] SHANG J Q, TANG M, MIAO Z. Vacuum preloading consolidation of reclaimed land: A case study[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1998,35(5):740-749.[5] SHANG J Q, TANG M. Vacuum preloading consolidation of Yaoqiang Airport runway[J]. Géotechnique, 2000, 50(6): 613-623.[6] CHU J, YAN S W, YANG H. Soil improvement by the vacuum preloading method for an oil storage station[J]. Géotechnique, 2000, 50(6): 625-632.[7] YAN S W, CHU J. Soil improvement for a storage yard using the combined vacuum and fill preloading method[J]. Canadian Geotechnical Journal, 2005, 42(4): 1094-1104.[8] LI M, CHAI S X, ZHANG H Y, et al. Feasibility of saline soil reinforced with treated wheat straw and lime[J]. Soils & Foundations, 2012, 52(2):228-238.[9] BOUHICHA M, AOUISSI F, KENAI S. Performance of composite soil reinforced with barley straw[J]. Cement & Concrete Composites, 2005,27(5):617-621.[10] ASHOUR T, BAHNASAWEY A, WEI W. Compressive strength of fibre reinforced earth plasters for straw bale buildings[J]. Australian Journal of Agricultural Engineering, 2010, 1(3):86-92.[11] YANG Y, YANG J, ZHAO T, et al. Ecological restoration of highway slope by covering with straw-mat and seeding with grass-legume mixture[J]. Ecological Engineering, 2016, 90:68-76.[12] LUO H, ZHANG T, DONG M, et al. Field studies on the effects of three geotextiles on runoff and erosion of road slope in Beijing, China[J]. Catena, 2013, 109:150-156.[13] WON C H, YONG H C, MIN H S, et al. Effects of rice straw mats on runoff and sediment discharge in a laboratory rainfall simulation[J].Geoderma, 2012, 189-190:164-169.[14] 中华人民共和国交通运输部.JTS 206-1—2009水支工程塑料排水板应用技术规程[S].北京：人民交通出版社,2009.。