CN108385648A - 一种利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，主要包括以下步骤：1、选择合适的水葫芦植物，然后研究其生物化学性质与微观结构；2、分离水葫芦并进行预处理，选择合适的水葫芦部位提取纤维；3、将提取出来的纤维分成各种丝状并测试其拉伸强度，选择合适的丝状纤维编织土工织物；4、在水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上镀铝纳米颗粒；5、将土壤与水葫芦纤维进行复合，水葫芦土工织物加筋土。本发明对水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上进行改性，改性后拉伸强度明显增强、延展性增强、增强表面机械强度，还可以降低水葫芦纤维和水葫芦土工织物的水分吸收，提高其做为土壤加固材料的使用寿命，应用于路堤加固中。

Description

一种利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法
技术领域
本发明属于土壤强度增强材料领域，尤其涉及一种利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法。
背景技术
天然纤维与常规的基于石油的合成材料不同，是一种环保材料，所以他们在材料工程和设计中得到广泛应用。天然纤维由能为其机械性能提供保证的生物聚合物(主要是纤维素、半纤维素、和木质素)组成，可以作为填充材料加强聚合物基质，以制备可持续的工程纤维复合材料。它们使复合材料的降解性，碳排放指标符合环保要求并且能改善复合材料的一些机械性能。天然纤维在岩土工程中的应用已经以有限寿命的土工织物和随机分布的纤维加筋土的形式出现在路基和堤防应用中。天然土壤强度增强材料应用被认为是可持续发展的绿色基础设施的一个特征。由于大多数常见的天然纤维，如食品，手摇纺织物，绳索等的农作物，是经济作物或者能够应用于其他工业，因此相对稀缺或昂贵。水葫芦(WH)被列为世界上最具入侵性的杂草之一，在几乎所有热带国家都可以找到并对当地水环境构成威胁因为它会降低生物多样性，增加沉积物的沉积，造成河道和灌溉系统的堵塞。因此，每年为控制其不良影响要花费大量的人力和物力，将水葫芦转化为廉价优质环保材料的方法，是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，以解决现有技术存在的问题。
为解决上述问题，本发明提供了一种利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，主要包括以下步骤：
步骤1：选择合适的水葫芦植物，然后研究其生物化学性质与微观结构，以确定其是否适合用作增强材料；
步骤2：分离水葫芦并进行预处理，选择合适的水葫芦部位提取纤维；
步骤3：将提取出来的纤维分成各种丝状并测试其拉伸强度，基于测试结果，选择合适的丝状纤维编织土工织物；
步骤4：在水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上镀铝纳米颗粒；
步骤5：将土壤与步骤4所得水葫芦纤维进行复合，水葫芦土工织物加筋土，然后进行性能测试。对土壤-水葫芦纤维复合材料进行无侧限抗压强度(UCS)测试和干缩裂缝测试并对水葫芦纤维土工织物加筋土进行了加州承载比(CBR)测试，评估其作为工程材料的适用性。
一般选择形态差异最小化的水葫芦并将其干燥。然后在确定植物根、茎和叶的生物化学成分(如纤维素，半纤维素，木质素和灰分)百分比的基础上从水葫芦的适当部位提取纤维，并利用场发射扫描电子显微镜来观察选定的纤维表面特征。
进一步的，步骤4所述在水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上镀铝纳米颗粒主要包括：将水葫芦纤维和水葫芦土工织物分别静置在0.5mol/L的AlCl3溶液中24h，以确保溶液在纤维表面和孔隙中的吸收，将浸泡的纤维和AlCl3溶液分离并放在滤网中滤干除去多余的AlCl3溶液，继续浸入0.5mol/L的NaOH溶液中，在室温中静置24h；在此过程中，Al(OH)3纳米颗粒很快地沉积在纤维表面及孔隙中，再用去离子清洗，以去除反应中产生的NaCl和NaOH残余，室温中风干。在水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上镀铝纳米颗粒对最终性能的影响很大。如果直接将水葫芦纤维浸泡在Al(OH)3溶液中将会降低目标纳米纤维颗粒的沉降和附着效率。将水葫芦纤维最初浸泡在AlCl3溶液中使纤维空隙和表面上均匀的充满AlCl3溶液，从而确保纳米颗粒和纤维的结合。最初实验结果表明，若水葫芦纤维直接浸泡在Al(OH)3溶液中，附着的纳米颗粒在与水接触的过程中会脱落。将多余的AlCl3溶液除去是为了尽量减小纤维对氯离子的吸附。因为氯离子可能会改变土壤pH或不需要的溶出，因此去除多余的氯离子非常重要。
进一步的，步骤2所述对水葫芦进行预处理主要包括：将水葫芦置于80℃的烘箱中干燥2天。
进一步的，步骤2所述合适的水葫芦部位为水葫芦茎部。
进一步的，步骤5所述土壤与所述水葫芦纤维复合时，所述水葫芦纤维的干重比例应在1％以下。水葫芦纤维的比例应该被限制在1％(干重比例)以下以保证其在土壤中的低密度。
进一步的，步骤5所述土壤与所述水葫芦纤维按照1：0.005的重量比进行复合。
进一步的，步骤4所述水葫芦纤维和水葫芦土工织物表面60％-70％覆盖有纳米颗粒。纤维不同部位的电子扫描都显示了60％-70％的纳米颗粒覆盖率。
一种根据上述的方法得到的土壤与水葫芦纤维复合材料和水葫芦土工织物，应用于路堤加固中。
与现有技术相比，本发明基于水葫芦纤维的生物化学和机械性能，对水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上进行改性，改性后水葫芦纤维和水葫芦土工织物的拉伸强度明显增强、延展性增强、增强表面机械强度，还可以降低水葫芦纤维和水葫芦土工织物的水分吸收，提高其做为土壤加固材料的使用寿命，有效的解决土壤表面的干燥开裂会加剧由降水造成的土壤侵蚀，使得堤防逐渐恶化等问题；对解决农业中为农民解决干燥干旱问题也有一定帮助。将本发明的水葫芦纤维与土壤复合，水葫芦土工织物加筋土后，应用于路堤加固中，可持续且易于获得，可降低路面的厚度，降低经济成本。
附图说明
图1是本发明利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法的流程示意图；
图2是本发明提取水葫芦植物纤维并用纳米粒子对其进行处理的流程示意图；
图3是水葫芦植物纤维用纳米粒子处理前(a-1,a-2)和处理后(b-1,b-2)的对比图；
图4是水葫芦植物单纤维的拉伸强度对比图；
图5是土工织物的拉伸强度对比图；
图6是使用UCS试验下，土壤-改性水葫芦复合材料与裸土的强度对比，其中1是裸土破坏时的样本，2是土壤-改性水葫芦复合材料破坏时的样本，3是纤维沿着剪切面发挥着桥梁作用(防止突然破坏)；
图7是经纬图案和圆形图案两种类型土工织物在加州承载比(CBR)测试下荷载Vs下贯入量的变化对比图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
实施例1
葫芦土壤强度增强材料生产过程中各个步骤如图1所示。
第一步：如图2所示，选择来自相同的水体和相同的高度的植物，以使形态差异最小化。将这些植物置于80℃的烘箱中干燥两天，使得植物中的水分蒸干且不造成生物量的损失。水葫芦样品的根、茎和叶中的的生物化学成分纤维素、半纤维素和木质素的测量结果如表1所示。这些成分的特点各有不同，纤维素为天然纤维提供了结构强度；半纤维素为天然纤维提供二次强度并使其具有吸湿性；木质素能为天然纤维抵抗微生物侵袭，并将其中的纤维素和半纤维素结合在一起。并利用场发射扫描电子显微镜来观察选定的纤维表面特征。研究结果表明水葫芦的茎中的纤维素和木质素的含量通常最高，适用于制作复合材料中的纤维，因此选择水葫芦茎部用于纤维提取。
第二步：剥离水葫芦茎部(含有较多的半纤维素)表层(除去内腔，即中间多孔部分)并将其切割成所需尺寸(如图1中的(d)长度28mm，平均直径0.4mm)的纤维。
第三步：一般来说，水葫芦是细长的植物，纵向生长1米高。因此，通过纵向剥离的方式来提取的纤维也是细长的，可以容易地将其制成绳状的绳子，丝状纤维被制成了四种不同的形态(如图1中的(e))。第一种形态(FP13WH stem，其中13表示纤维的宽度，单位为mm)是用旋转平压器将纵向提取的纤维压平获得的，另外三根编织的纤维成三种不同的宽度(WP 2.5WH filament，WP 6WH filament和WP 11WH filament，其中2.5、6和11表示纤维的宽度，单位为mm)。根据四种形态纤维的拉伸强度(ASTM D4595-11)对比，WP11被选定用于土工织物的编制。WP11纤维表现出与使用其他天然来源(椰子，芦苇和剑麻)编织的纤维一样具有足够的拉伸强度。将WP11纤维编织成圆形图案(C-GT)和经纬图案(WW-GT)(如图1中的(g))并进行测试后发现经纬图案的土工织物的拉伸强度更好；拉伸强度的结果如表2所示。
第四步：将第二步挑选的水葫芦纤维和第三步编织的土工织物WP 11WHfilament、C-GT、WW-GT分别静置在0.5mol/L的AlCl3溶液中24小时以确保溶液在纤维表面和孔隙中的吸收。将浸泡的纤维和AlCl3溶液分离并放在滤网中滤干多余的AlCl3溶液。然后，纤维和土工织物被浸入0.5mol/L的NaOH溶液中，在室温中静置24小时。在此过程中，Al(OH)3纳米颗粒很快地沉积在纤维表面及孔隙中。之后将纤维与NaOH溶液分离并用去离子水清洗以去除反应中产生的NaCl和NaOH残余。处理后的纤维和土工织物在室温中风干。得到被改性的水葫芦纤维、Treated WP 11WH filament、Treated C-GT、Treated WW-GT。Al(OH)3纳米颗粒层附着在水葫芦纤维表面上以增加纤维的机械强度降低其水分吸收从而提高该材料做为土壤加固材料的使用寿命。通过一系列的拉伸强度、水分吸收和扫描电镜测试，这种纳米颗粒层的处理效果显著。图3显示水葫芦植物纤维用纳米粒子处理前(a-1,a-2)和处理后(b-1,b-2)的对比图；从纤维的纳米级电镜扫描照可以看出，纳米颗粒覆盖了65％的纤维表面。纤维不同部位的电子扫描都显示了60％-70％的纳米颗粒覆盖率。场发射扫描电子显微镜
(FE-SEM)显示了纤维的粗糙表面有助于与具有相似粒径的细土壤颗粒结合，本实施例选择的土壤工程特性如表3所示，这将提高复合材料的强度以及纤维的拉伸强度。将纳米改性前和改性后的水葫芦纤维、土工织物WP 11WH filament、C-GT、WW-GT做拉伸强度对比实验，如图4和图5所示，纳米改性后拉伸强度大大提高。与未进行纳米改性处理前相比，纳米改性后水葫芦纤维WP11的水分吸收降低一半且改性后的纤维及其土工织物的拉伸强度比改性前分别增加2倍和1.5倍。
第五步：将土壤和改性水葫芦纤维进行复合，并对土壤-改性水葫芦纤维复合材料进行无侧限抗压强度(UCS)测试和干缩裂缝测试。通过无侧限抗压强度(UCS)测试(ASTMD2166)和干燥状态下的图像分析验证改性水葫芦纤维材料的特性。对两个裸土样品和对于总干土质量的纤维百分比为土壤-0.5％的改性水葫芦纤维复合材料进行无侧限抗压强度(UCS)测试。图6为裸土和土壤-改性水葫芦纤维复合材料的应力应变曲线。从图6可以看出，土壤-改性水葫芦纤维复合材料的最大强度远高于裸土，这是材料在变形时纤维的较高的拉伸强度的作用效果。此外，复合材料达到最大强度后的强度下降速度小于裸土。土壤-改性水葫芦纤维复合材料达到最大强度时其应变较大，之后出现较小的强度下降。裸土达到最大强度时其应变较小，而且之后出现较小的强度下降。因此，复合材料的延展性优于裸土的延展性。土壤表面的干燥开裂会加剧由降水造成的土壤侵蚀问题，使得堤防逐渐恶化。因此，复合材料的抗干燥能力需要观察测试，如果纤维的拉伸强度增强，复合材料的干燥开裂现象会减弱，纳米材料处理后的材料在这方面有明显的优势。从图1(g)可以看出在相同条件下，含有改性水葫芦纤维的复合材料表面开裂比裸土明显减少。因此这种材料在解决农业中为农民解决干燥干旱问题也有一定帮助。测试后得到的应力应变图表明纤维的加入能够提高裸土的强度。
第六步，将改性水葫芦土工织物加筋土，并进行了加州承载比(CBR)测试。为了测试改性水葫芦土工织物作为土壤强度增强材料应用在路基中的可行性，对四种水葫芦纤维土工织物(FP13，WP 2.5，WP 6和WP 11)用常规的设计参数进行了加州承载比(CBR)测试。经纬图案和圆形图案两种类型土工织物在荷载Vs下贯入量的变化如图7所示。结果显示，经纬图案的土工织物更能有效的增加土壤强度，裸土的CBR值在添加了经纬图案后从6增加到8.49。附着纳米颗粒层的土工织物有更大的抗拉强度并显示出更高的CBR值(最高值达到12.34)。对于任何特定车辆载荷和设计规范，路面厚度的设计与CBR值具有函数关系。根据标准应用守则(AASHTO,1990)，将CBR值从6增加到8会使标准轴载为500万(msa)的路面厚度减少60mm。这样的厚度减小即使采用未附着纳米层的水葫芦纤维对经济有显着的影响。从加州承载比(CBR)测试结果可以看出这种水葫芦纤维土工织物适合作为路堤材料来使用。
因此，本发明开发了廉价，可持续且易于获得的两种土壤强度增强材料。该材料能够在路堤建设中有可应用性。
表1水葫芦纤维各部分的纤维素、木质素和半纤维素含量
表2水葫芦丝状物的规格
表3土壤工程特性

Claims (9)

1.一种利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤1：选择合适的水葫芦植物，然后研究其生物化学性质与微观结构；
步骤2：分离水葫芦并进行预处理，选择合适的水葫芦部位提取纤维；
步骤3：将提取出来的纤维分成各种丝状并测试其拉伸强度，选择合适的丝状纤维编织土工织物；
步骤4：在水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上镀铝纳米颗粒；
步骤5：将土壤与步骤4所得水葫芦纤维进行复合，水葫芦土工织物加筋土，然后进行性能测试。
2.根据权利要求1所述利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，其特征在于，步骤4所述在水葫芦纤维和水葫芦土工织物的表面上镀铝纳米颗粒主要包括：将水葫芦纤维和水葫芦土工织物分别静置在0.5mol/L的AlCl3溶液中24h，除去多余的AlCl3溶液，继续浸入0.5mol/L的NaOH溶液中，在室温中静置24h；再用去离子清洗，室温中风干。
3.根据权利要求1所述利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，其特征在于，步骤2所述对水葫芦进行预处理主要包括：将水葫芦置于80℃的烘箱中干燥2天。
4.根据权利要求1所述利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，其特征在于，步骤2所述合适的水葫芦部位为水葫芦茎部。
5.根据权利要求1所述利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，其特征在于，步骤5所述土壤与所述水葫芦纤维复合时，所述水葫芦纤维的干重比例应在1％以下。
6.根据权利要求1所述利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，其特征在于，步骤5所述土壤与所述水葫芦纤维按照1：0.005的重量比进行复合。
7.根据权利要求1所述利用有害水生植物水葫芦制做土壤强度增强材料的方法，其特征在于，步骤4所述水葫芦纤维和水葫芦土工织物表面60％-70％覆盖有纳米颗粒。
8.一种根据权利要求1所述的方法得到的土壤与水葫芦纤维复合材料和水葫芦土工织物。
9.根据权利要求8所述的方法得到的土壤与水葫芦纤维复合材料和水葫芦土工织物的应用，其特征在于，应用于路堤加固中。
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