生物矿化技术在沙漠现场的大规模应用研究

赵旭东 李伟群 尹文华 张易辰 繆林昌

(1.宁夏公路勘察设计院有限公司,宁夏 银川 750001；2.东南大学,江苏 南京 211189 ）

沙漠地表有大量的风积沙，因其颗粒细小、没有凝聚力，所以很容易被风卷起，形成沙尘暴[1-2]。沙尘暴是干旱和半干旱地区较为常见的天气现象[3]。在全球范围内，土地退化和荒漠化覆盖了近41%的土地，影响了约38%的人口[4]。荒漠化会破坏生态系统，影响了干旱半干旱区的经济发展和稳定[5-6]。荒漠化的后果之一是沙尘暴的频繁发生。防治荒漠化和控制土地退化仍然是全球面临的生态挑战。防沙治沙常用的方法有工程法、植被法和化学法，这些方法都有其自身的局限性，不能适应流动沙区不同地形条件的变化。

生物矿化技术（microbial induced calcite precipitation，MICP）是一种环境友好的新型土壤固化技术。该技术是利用脲酶将尿素分解成铵根和碳酸根，其中碳酸根与环境中金属阳离子结合，最终生成难溶于水的碳酸盐。由于这类晶体具有胶结性，能将松散颗粒胶结在一起，形成具有一定强度的整体[7]。近年来，该技术在材料工程、土木工程、地质工程等领域已得到广泛关注[8-10]。

MICP具有重大的应用价值，如防风沙[11-12]、提高土壤强度[13]、地基加固[14]、降低土壤渗透性[15]。目前，对MICP加固土的研究主要局限于室内试验，大型工程应用较少[16-17]。本研究将采用MICP技术对沙漠风积沙进行固化，分析其在大规模防风固沙方面的应用潜力。

1 现场概况

现场试验地点位于宁夏回族自治区腾格里沙漠乌玛高速公路旁的防风沙地带[18-19]，坐落标段为K166+200 到K167+000，如图1所示。试验场地总面积约为50 000 m2。在乌玛高速公路两侧，为减轻流沙对高速公路的影响，设置了草方格屏障、低立式防沙带、高立式防沙带等防沙设施，但由于在公路建设过程中被流沙覆盖，这些装置已经失去了防沙功能（如图2所示）。基于此种情况，研究组应用MICP技术在沙漠表层形成生物矿化固化层，以起到控制沙尘暴的效果。

图1 现场试验地理位置

图2 防沙带被流沙覆盖

2 试验方法

根据当地的地表特征，试验现场分为4个区域：区域1为消退的草方格；区域2为新草方格；区域3为方格网；区域4为风积沙边坡。宽度分别是20 m、20 m、50 m和10 m，如图3所示。

图3 现场试验区域划分

腾格里沙漠风积沙颗粒级配如图4所示。风积沙颗粒细小均匀，磨圆度高，颗粒间没有黏结力。

图4 风积沙颗粒级配

试验采用的固化配方为脲酶溶液和胶凝液。胶凝液中含有0.25 M尿素、0.25 M醋酸钙和40 g/L聚合物A。其中脲酶用量为1.2 L/m2,胶凝液用量为1.5 L/m2。为操作简便，在现场利用水泵和喷头将溶液喷洒在风积沙表面，如图5所示。现场试验进行时间为2020年8月18日—2020年8月21日。

图5 现场试验工艺

3 试验结果

3.1 表面观察

现场沙土地下水位较浅，含水量较大，阻碍了喷洒溶液的下渗，大量的溶液积于表面，如图6所示。与未固化的区域相比，喷洒了固化溶液的区域颜色较白，这是因为喷洒的胶凝液呈乳白色，同时，生成的碳酸钙也是白色的。而相比于晴天施工，降雨后喷洒的部分明显更白。这是由于降雨后施工溶液不容易下渗，水分烘干后表面出现起皮的现象，如图7所示。表皮剥落后，下面显现未固化的散沙。

图6 区域1不同工况喷洒砂土表面对比情况

图7 表面起皮现象

3.2 表面强度，固化层厚度和碳酸钙含量

使用表面硬度计在不同的实验区域随机选择10个测点获得不同区域在不同工况条件下的表面强度。四个试验区的平均表面强度如表1所示。不同测试区域的表面强度差异很大。试验区2和试验区3的表面强度较高，原因是草方格屏障和低立式防沙带的边界条件降低了反应溶液的损失。这两个试验区较厚的固化层使得表面强度比其他试验区更高。此外，地貌特征也影响了所产生的CaCO3含量。受边界效应影响，测试区2和测试区3的CaCO3含量大于试验区1和试验区4，这与表面强度和固化层厚度的结果一致。此外，CaCO3含量越高，表面强度越大。

表1 降雨的影响

固化后的风积沙表面强度越高，固化层越厚，如图8所示。表面强度随固化层厚度的增加呈指数增长。由于施工干扰，试验区1的样本建立的相关性较差。但是，从处理区样品，特别是处理区1，表面强度与CaCO3含量之间并没有明显的相关性，如图9所示。当考虑到所有数据时，拟合曲线离散度较高，仍然可以观察到表面强度随着CaCO3含量的增加而增加。因此，对于风沙表面固化而言，与CaCO3含量相比，固化层厚度对表面强度的影响更大。

图8 表面强度和固化层厚度的关系

图9 表面强度和碳酸钙含量的关系

3.3 抗雨水冲刷能力

腾格里沙漠年降水量较少，但降水主要集中在8月份，集中性的降雨仍旧会对固化效果造成影响。为此，在2020年8月18日至31日进行了现场试验，研究了固化后的风积沙的抗雨水冲刷能力。

降雨对固化效果的影响如表1所示。降雨使表面强度下降，其中试验区1和试验区4地表强度下降幅度最大，分别为26.27%和22.33%，原因是雨水溶解了少量的沉淀，碳酸钙含量的下降幅度说明了这一点。

后4次降雨后地表强度下降幅度较小，原因是CaCO3沉淀很少被水流冲走，CaCO3含量的下降主要是溶解造成的。降雨对固化层厚度影响不大。处理后砂土的地表强度降低率较低，说明降雨对处理后砂土的影响较小。表面强度降低率较低，可能与试验区2和试验三区固化层较厚有关，如表1所示。此外，固化层能增强保水效果，使植物快速生长。因此，MICP处理与植被保护相结合，将产生双重的荒漠化缓解效果。

3.4 防风沙能力

以往关于防风沙的研究主要利用室内风洞试验研究处理沙土的抗风蚀性能。但现场由于缺乏试验装置，对风蚀效应的试验比较困难。为此，研究组创造性地使用无人机对现场试验场地进行拍摄。

在进行沙漠沙粒固化实验前，于2018年3月17日获得初始图像，并提取地形数据。同样，使用无人机再次获取2019年6月11日的地形数据，提取高程数据，确定试验现场风对高程的影响，如图10所示。由于抗风蚀能力差，高程随风变化较大，上风口高程减小，下风口高程增大。

图10 固化前沙漠高程变化

现场试验现场温度变化较大，风速很大，在处理后的100天内，现场出现了多次降雨。然而，生物矿化处理显著提高了抗风蚀能力。100天内地貌特征基本没有变化，如图11所示。与处理前的高程变化不同，处理区域的沙土在100天内没有被风扬起。因此，处理区域的高程没有发生变化，特别是试验区2和试验区3。未处理区域标高减小，这是试验区1和试验区4标高略有增加的原因。虽然处理区域的时间较短，但处理区确实获得了较好的抗风性能。

图11 生物矿化处理后固化区高程变化

4 结论

为了验证生物矿化技术防治沙尘暴的可行性，研究组进行了大型沙漠风积沙固化试验。研究了不同试验区的处理效果。试验区2和试验区3的表面强度较大，固化层层较厚，CaCO3含量较大。对于沙漠风积沙的表面固化，固化层厚度对表面强度的影响较大。

降雨侵蚀降低了土壤表面强度和CaCO3含量。然而，降雨对处理区域的影响较小。在腾格里沙漠降雨稀少，本研究提出的生物矿化技术处理可以保证长期抗雨水侵蚀能力。此外，生物矿化技术理显著提高了抗风蚀能力，处理后60 天内，温度变化较大，风速较大，现场出现降雨，但防沙治沙效果仍然显著。因此，本研究提出的生物矿化技术方法具有长期防沙治沙的潜力。