化学固沙材料概述

韩章勇

摘 要：土地荒漠化、沙化，是当前较为严重的生态问题，化学固沙是一种治理措施。随着科学技术的高速发展，新领域和新技术出现，固沙材料随之得到发展。拟对现阶段化学固沙材料的研究进行介绍，以期加强对化学治沙的认知，促进化学治沙方法及固沙材料的应用与推广。

关键词：荒漠化防治；沙害；化学固沙；固沙材料

荒漠化是一个全球问题，影响着世界生态和社会经济发展的方方面面。据相关报道，全球荒漠化土地已达4 000万km2，占整个地球陆地面积的1/4，全世界受荒漠化影响的国家有100多个，全球现有12亿多人受荒漠化的直接威胁[1]。我国是世界上荒漠化、沙化面积最大的国家，第五次全国荒漠化和沙化土地监测结果显示，截至2014年，我国荒漠化土地面积为261.16万km2，沙化土地面积为172.12万km2，分别占国土总面积的27.20%和17.93%[2]。土地荒漠化、沙化绝不仅是生态问题，加强、加速防沙、治沙，改善生态环境，促进区域经济协调可持续发展，更是民生问题。

传统的沙害防治技术措施分为工程、化学和生物3方面。其中，化学固沙是指用化学材料固结沙层表面，防止风力吹蚀，同时，保持沙层的水分，改良沙地土壤性质，从而达到控制和改善沙害产生环境，提高沙地生产力的方法措施[3]。化学固沙作为一种治标措施，主要用于干旱少雨、植物治沙与地下水开发困难的地区，特别是沙害严重的交通、工矿与军事要地等[4]。其施工便于机械化操作，简单快速，固沙效果立竿见影，亦可作为其他治沙措施的辅助、过渡和补充。

化学固沙是一种极有前途的方法[4]，随着科学技术的高速发展，新领域和新技术出现，固沙材料也随之得到发展。本研究拟对现阶段化学固沙材料的研究进行介绍，以期加强对化学治沙的认知，促进化学治沙方法的应用与推广。

1 化学固沙基本原理

化学固沙将稀释的、具有一定胶结性能的化学物质喷洒于松散的流沙地表，水分迅速渗入到沙层以下，滞留于沙层、具有一定厚度（1～5 mm）的化学胶结物质将沙颗粒胶结形成一层保护壳，以此阻断气流与松散沙面的直接接触，从而将流沙就地固定，达到控制流沙和改善沙害环境的目的。固结层一般分为刚性壳层、柔性软结层和弹性粘结层，均系光滑表面，既可防止风沙流对原地表沙粒的吹蚀，又可形成输沙面，使过境沙粒不易堆积[5]。

沙面固结层的形成包括将化学固沙材料（固沙剂）施加在被固结沙面和使其形成固态的、连续的固结层两个过程。化学材料的固化作用过程主要有两种，即物理固化和化学固化。物理固化主要是随溶劑水的挥发，固沙剂高分子的分子链或聚合物乳胶粒自身之间或与喷洒面沙物质之间依靠分子间作用力或氢键连接胶结而固化，固结层是将离散沙粒包裹而形成的、有一定强度和韧性的连续体。化学固化则是指将固沙剂喷洒于沙面后，固沙剂自身组分之间发生化学反应而交联或与沙面沙物质、空气中的氧气发生化学反应形成三维网状结构而固结。化学固化机理的固沙剂在使用时，往往伴随着物理固化过程[6]。

2 化学固沙材料研究概况

化学固沙的应用始于生产实践，随着干旱、半干旱地区工业、农业、牧业、交通、居民点以及军事基地的发展与建设和石油工业、化学工业的发展而产生、发展起来[7]。20世纪30年代，前苏联开始采用化学方法进行固沙试验，并先后进行沥青乳化剂、聚丙烯酰胺、涅罗森（页岩炼油副产物）等材料的实验；美国在20世纪40年代末开始用化学方法固沙，首次使用一种称作科赫雷克斯的石油副产品乳化剂，后来又研制出了尿素-甲醛、尿素-双氰胺和聚丙烯酰胺等进行固沙；英国于20世纪60年代在澳大利亚使用沥青乳化剂固沙以配合植树造林，后来又成功使用石油和橡胶乳进行海岸沙丘的防治。20世纪60年代以后，印度、东德、法国、伊朗、阿尔及利亚、伊拉克等国都曾使用石油及石油副产品进行固沙试验，并取得了一定成果。1956年，我国开始进行化学固沙试验研究工作，从20世纪60年代起对沥青乳化液固沙进行了综合性研究，取得了一定成效。目前，世界上已有40多个国家研制出100多种化学制剂，用于不同目的的沙害防治，都取得了良好效果。

化学固沙材料种类繁多，分类方法也有差异，不同学者根据材料的原料、性能等方面对化学固沙材料进行分类。陈广庭[3]按原料来源将其分为天然材料、人工配制材料和合成材料这3类；按原料性质分为无机胶凝材料（水硬性胶凝材料与气硬性胶凝材料）与有机胶凝材料两大类；按成分分为硅酸盐类、硅铝酸盐类、木质素类、石油馏分类、树脂类、橡胶乳类及植物油类7类；按形成保护层性质分为刚性结构、塑性结构和弹性结构3类；按与水作用性能分为亲水性和疏水性两类。严亮等[8]从化学材料制备及使用过程与生态环境的协调性能出发，将固沙材料分为对工农林业副产品进行改性处理的生态环境材料、利用微生物技术的微生物固沙材料和有机-无机合成的复合固沙材料等几大类。

以下从几个方面对常用的化学固沙材料作概述。

2.1 水泥浆类

水泥因具备成本低廉、水化后强度较高等特点，很早就被作为化学固沙材料应用到沙漠治理中。这种直接将水泥浆喷洒在沙面的固沙方法，由于沙漠气候的特殊性，水泥浆的水化作用往往不充分，形成的固结层强度低，易龟裂、干缩，进而失去固沙作用。为此，研究者通过在固沙材料中加入具有良好吸水保水、保温作用的有机聚合物对水泥基材料进行改性，开发出具有高强吸水保水性能、抗老化性、耐水性、抗冻融稳定性和耐风蚀能力的新型聚合物水泥基固沙材料[9]。

2.2 水玻璃类

水玻璃作为价廉无毒的固沙材料，已有较长的使用历史。但由于水玻璃固化反应不完全、固结层强度不高、抗水性差、耐久性低等问题，研究者多致力于各种改性水玻璃的研究。例如在水玻璃中添加一种或数种改性剂，起到阻缓老化、提高抗粘结强度、提高水玻璃抗水性、改善水玻璃溃散性等作用。主要的化学改性方法有以下几种：按一定比例混合两种或两种以上的钠水玻璃、钾水玻璃、锂水玻璃和季铵水玻璃；加入一定量的无机化合物，如磷酸盐、铝酸盐、硼酸盐和锆酸盐等；加入一定量的多元醇，如山梨醇、丁四醇、戊五醇等；加入少量的水溶性高分子，如聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、聚乙二醇等[10]。

2.3 石膏类

青海大学教授铁生年等[11]通过长期调研，借助化学治沙方法，利用近自然的石膏材料，提出一种固沙植生方法。他认为石膏材料可以促进沙漠植物的生长，显著提高沙漠植物的存活率，使用此材料不仅能固定流动沙漠，而且其中添加的养分可被植物吸收利用，形成的固结层具有一定强度，吸水保水性能好，耐久性好，抗冻融稳定性、耐风蚀性和耐候性良好，不污染环境，作用持久，无毒性，有利于提高沙漠固沙植生的效率。该类材料在固沙植生机理研究和结构设计及大规模喷洒设备研发的基础上具有推广价值。

2.4 石油产品类

石油产品类用于固沙是将适量的石油产品喷洒在沙地表面，借助其与沙粒的粘结作用使沙面固结，主要产品包括原油、重油、渣油、沥青等。其中，乳化沥青作为应用较为广泛的化学固沙材料，是在沥青乳化剂作用下由乳化设备制成的有机化合物。20世纪80年代初期，宁夏中卫沙坡头流动沙丘上曾进行的OT沥青乳液和ABS沥青的固沙试验，表明两者均可有效固定流沙2～3年，弱风地区在4～5年；同期，铁道部铁道科学研究院西北所在包兰线实施了喷洒渣油乳液配合植物固沙，也取得了良好成效[12]。但是，石油产品在使用中存在诸多问题，如抗老化性能差、渗透深度有限、固结强度不高、稳定性有限。同时，原油和沥青作为宝贵的资源，用于固沙用量大，对环境也会产生一定影响[13]。研究者在配制石油固沙液时通过加入有机、无机材料（胶乳、高强度树脂、硫胺、唾吩、亚硫酸废液、烧碱粉末、水泥、石灰、黄土、硅藻土、膨润土、泥炭土等）来提高其固结强度，改善其抗老化性、韧性、不龟裂性、储存稳定性、高温稳定性等各方面的性能，加强使用效果[14]。

2.5 高分子聚合物类

高分子聚合物材料属于水溶性或油溶性化学胶结物质，作为黏合固沙剂主要在20世纪60年代以后发展起来，品种很多。使用高分子聚合物固定流沙，处理手续和施工简便，可改善劳动条件和缩短工期，固沙效果显著且稳定[15]。20世纪80年代初，中科院兰州沙漠研究所在沙坡头开展的聚乙烯醇（PVA）、聚丙烯酰胺（PAA）、聚醋酸乙烯（PVAC）及聚丙烯腈（PAN）等多种化学固沙液的流沙固定试验，证明聚乙烯醇、聚醋酸乙烯是优良的化学固沙材料。铁道部铁道科学研究院西北所在包兰铁路沿线进行的喷洒木质素磺酸盐试验也取得了一定成效。兰州大学开发研制的LD系列土工合成材料，其中LD-4在固定流沙方面表现出良好性能，在腾格里沙漠风成沙、金川公司尾矿沙及敦煌鸣沙山流动沙丘等工程加固中取得一定进展[16]。对于开发出的LZU（Lanzhou University）系列固沙材料，室内及沙坡头野外固沙综合试验表明其固结性能优良、水渗透性好、抗冻融、抗风蚀能力强、植物生长适宜性良好[17]。另有SH高分子固沙材料，为新型高分子材料，具有较高的强度、良好的耐水性、耐老化性能和抗冻融性等特点，成本低、喷洒工艺方便简单[16]，其在莫高窟崖顶及鸣沙山的现场试验，也表现出明显的固沙效果。其他常见的高分子材料如脲醛树脂、聚酯树脂、聚氨酯树脂、丙烯酸钙树脂、棉籽酚树脂、合成丁二烯-苯乙烯橡胶乳等均可用作固沙材料[7]。

2.6 木质素类

木质素是仅次于纤维素的第二大生物质资源，木质素固沙材料是制浆废液经化学改性制备而成的一种新型固沙材料。制浆废液木质素主要分为木质素磺酸盐（LS）和碱木质素[包括烧碱木质素（AL）和硫酸盐木质素（KL）]等两大类，若直接将其作为固沙剂使用，固沙效果并不理想，研究者通常对其进行一定的改性后再使用[18]。常用的改性方法包括接枝改性[19]、缩聚改性和复配改性，其中，接枝改性方法最常用[20]。改性后的木质素材料，可提高沙子或土壤的抗压强度、抗风蚀强度、聚集体含量等，作为固沙剂使用具有见效快、可降解、成本低等优点，既可使木质素资源得到充分利用，又有利于防沙治沙工作[21]。

2.7 其他类型化学固沙材料

高吸水保水材料是一种含强亲水性基团并经过适度交联的功能高分子材料，可在短时间内吸收其自身质量几百倍甚至几千倍的水，并具有良好的保水性能，是干旱地区发展节水农业和治沙造林的理想材料。研究者通过一定程序的制作工艺，制备出能固沙保水保肥的复合材料，用于荒漠化土地的土壤储水及施肥、保肥和防风固沙[22]。另外，有研究者认为可利用简单工艺将白色污染废料改性为固沙胶结材料用于治理沙化，可有效起到固沙防沙和防止沙中水分蒸发的作用[23]。也有学者提出利用环境矿物、SAP、化学固沙浆材，制备复合富水营养包，实现综合治理荒漠的设想，并在室内进行了一些基本的试验，获得了一些初步认知，仍有众多问题有待深入研究[24-25]。

3 结语

近年来，国际社会日益重视土地荒漠化问题，加强荒漠化防治的呼声日益强烈，防治沙漠化成为我国新形势下经济与环境协调发展中亟待解决的问题。加大力度、加强沙化土地治理，是沙区社会走上生产发展、生活富裕、生态良好的文明发展道路的保障。化学固沙作为一种治标措施，在沙化土地治理中发挥着重要作用。只有采取综合措施标本兼治，才能有效解决土地沙化问题。进行化学-生物固沙一體化研究，研制长效、成本低且在其表面可长出植物的固沙材料，实现生态固沙，才能最终改良沙土结构，使其逐渐具备土壤特征和自我修复能力，真正在我国的荒漠化治理与工程建设中发挥应有的作用。理想的化学固沙材料应具备一定的耐风蚀强度、耐水性、韧性、渗透性、环境协调性、抗冻融性、抗老化性、植物生长的适宜性、可控自然降解性、施工便利性等特性。

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