專利名稱：一種固沙劑在沙質(zhì)沙障中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種水質(zhì)固沙劑在固沙、沙害治理上的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
在流沙的表面噴灑一層化學(xué)物質(zhì)，使流沙的表面形成層具有一定強(qiáng)度的剛性盔殼，防止流沙的平移，從而達(dá)到治理沙害的目的。二十世紀(jì)八十年代初，科技人員利用乳化瀝青在沙漠中進(jìn)行了13000平方米的流沙固定和公路路面鋪設(shè)試驗(yàn)。由于乳化瀝青的要求高，乳化瀝青粒徑應(yīng)小5微米，其次陽離子乳化瀝青與砂粒負(fù)電場的吸引力給滲透帶來不利影響，再考慮環(huán)保問題，此項(xiàng)試驗(yàn)自此再末做下去。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過研究和大量的試驗(yàn)，其目的旨在提供一種固沙劑。
本發(fā)明的另一目的是上述固沙劑在治理沙害中的應(yīng)用。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)一種固沙劑，是由88-94％聚醋酸乙稀酯、1-2％硼酸和4-10％的鋸末構(gòu)成。聚醋酸乙稀酯和硼酸溶液是一種無色透明微濁液體，無異味，粘度12Pa.s-15Pa.s，10-70℃溫度下無下沉，10-20℃低溫下重量損失率0-1.8％。加入鋸末后，實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度1Mpa-12.1Mpa，10-20℃低溫下重量損失率0-1.8％，紫外光照300h強(qiáng)度損失率0-42％，在u∞＝5.0-25.0m/s實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下，風(fēng)蝕量0.05g.h-1.100cm2，現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，固沙劑有良好的滲透性，形成0.2cm-0.5cm厚的固結(jié)層。在野外風(fēng)沙危害治理中，有效年限達(dá)5-10年。另外，它耐水、環(huán)保、機(jī)械性能好，不產(chǎn)生二次污染，因此是比較理想的固沙材料。
本發(fā)明是應(yīng)用在青藏鐵路的沙化治理上。青藏鐵路是實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略的四大重點(diǎn)工程之一。從青海省格爾木到西藏拉薩，全長1118Km，是世界唯一的一條穿越高寒干旱高原凍土沙漠的鐵路線，其中沙害150多處，累計(jì)里程達(dá)250Km，沙害嚴(yán)重地段約170Km。沙化地段，風(fēng)蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，地表細(xì)沙隨風(fēng)而定，沙粒順風(fēng)向在一定地區(qū)堆積，這種現(xiàn)象危害鐵路的安全運(yùn)行，為了確保青藏鐵路建成試行，減弱風(fēng)力的搬運(yùn)能力，控制風(fēng)沙活動，防止流沙埋壓鐵路，本發(fā)明基于以沙治沙、就地取材的思路，壘筑與主風(fēng)向垂直的1×1m或1×2m方格沙障，埂高為15-20m，沙障間距為1-2m。從長期的野外試驗(yàn)中得知，障間距離與沙障高度和沙面坡度有一定的關(guān)系，如沙障高度大，障間距應(yīng)大，反之亦然。沙面坡度大，障間距應(yīng)小，反之，沙面坡度小，障間距應(yīng)大。風(fēng)力弱處障間距可大，風(fēng)力強(qiáng)時(shí)障間距就要縮小。一般在坡度小于4°的平緩沙地上，障間距應(yīng)為障高的15-20倍。一般在地勢不平坦的沙丘坡面上障間距的確定要根據(jù)障高和坡度進(jìn)行計(jì)算。公式為D＝H×tgα式中D-障間距離，H-障高，α-沙面坡度當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)過格狀固沙障時(shí)，可降低多向近地表層氣流速度，在格障均有渦旋產(chǎn)生，并有積沙現(xiàn)象。風(fēng)沙流經(jīng)過充分蝕積作用，最后在格狀固沙障形成較為光滑而穩(wěn)定的凹曲面，改變了格狀固沙障下墊面的性質(zhì)，增加地表粗糙度來穩(wěn)定流沙的活動。
固沙劑作了以下實(shí)驗(yàn)(1)固結(jié)層抗老化性固結(jié)層抗老化性是預(yù)測固沙劑使用壽命的依據(jù)，本發(fā)明采用紫外光老化法測定，試樣經(jīng)紫外光照射300小時(shí)，固化劑強(qiáng)度損失率僅為0-42％。
(2)固沙劑的力學(xué)性質(zhì)固沙劑的物理力學(xué)參數(shù)也反映固結(jié)沙層的穩(wěn)定性和質(zhì)量的高低，從固結(jié)層正壓力與抗剪強(qiáng)度的曲線圖(見圖1)可知，正壓力和剪切強(qiáng)度近似呈直線的正相關(guān)系。即固沙劑用量的增加，固沙層內(nèi)部的粘聚力呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律的增加，其表面抗剪強(qiáng)度也在增加。因此，固沙劑是一種性能穩(wěn)定，抗老化、耐水性強(qiáng)，環(huán)保性強(qiáng)的一種新型高分子化學(xué)固沙材料。
隨著固沙劑用量的增加，固沙劑固結(jié)層內(nèi)部的粘聚力呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律增加。由庫侖定律τ1＝σ·tgф+c知，土的抗剪強(qiáng)度τ1值是由剪切面的正壓力σ、土的內(nèi)摩擦角ф和土的內(nèi)聚力c所決定的。但固沙劑固結(jié)層表面的內(nèi)摩擦角隨著固沙劑用量的增加，在一定的范圍內(nèi)雖然也呈增長的趨勢。不過。當(dāng)固沙劑施用量達(dá)到300gm-2左右，內(nèi)摩擦角大約為30°，其后，隨著固沙劑用量的進(jìn)一步增加，內(nèi)摩擦角反而減小(見圖3)。這是由于內(nèi)摩擦角ф主要取決于土粒表面的粗糙程度和土粒交錯(cuò)排列的情況，而當(dāng)固沙劑的量到一定程度時(shí)，它會對交錯(cuò)排列的粗糙土粒起到潤滑的作用，從而在固沙劑的量逐漸增加時(shí)，其ф值有一個(gè)極大值。而粘土的內(nèi)聚力c取決于土粒間的黏結(jié)程度，如圖2所示，在固沙劑的用量增加時(shí)(150-350gm-2)，其沙粒間的粘聚力呈指數(shù)規(guī)律增強(qiáng)，表達(dá)式為y＝1.9948e0.7416x，，相關(guān)系數(shù)R2達(dá)到0.9742。而在野外情況下，風(fēng)的靜壓力變化不是很大，可以看作是定值。從而由庫侖定律τ1＝σ·tgф+c知，σ·tgф必有一個(gè)最大值，而在野外施工時(shí)又不得不從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行考慮，而c值也不可能無限量的大。因此，在野外噴施固沙劑時(shí)，從力學(xué)經(jīng)濟(jì)這兩個(gè)方面來進(jìn)行綜合考慮，固沙劑的噴施必有一個(gè)最佳用量。
(3)風(fēng)洞固沙劑固結(jié)層風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)表1固沙劑室內(nèi)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

表1所示，在流沙表面，自然滲透75-150gm-2的固沙劑試劑時(shí)，其抗壓強(qiáng)度尚且就已經(jīng)達(dá)到165.62-320.46Pa，在20m/s風(fēng)速下，連續(xù)吹蝕8個(gè)小時(shí)后，除固沙劑用量為75和100gm-2的沙表面有輕微損傷外，用量125gm-2和150gm-2的沙表面完好無損，這與固沙劑除了簡單的粘結(jié)沙粒作用外，還與固沙劑的電性或功能團(tuán)與沙粒之間產(chǎn)生電荷作用、引子內(nèi)力作用等復(fù)雜過程有關(guān)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和產(chǎn)生的積極效果是1.由于風(fēng)成沙顆粒細(xì)小，在干燥狀態(tài)時(shí)無粘聚力、性質(zhì)不穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)性差、整體性差，因而造成抗剪強(qiáng)度不高、風(fēng)沙易風(fēng)蝕和水蝕。沙質(zhì)沙障采用固沙劑后，它能使松散的沙粒表面相互連接，使之形成連續(xù)或非連續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將沙粒粘結(jié)在一起，使流沙表面形成一定厚度的結(jié)皮。野外現(xiàn)場觀測結(jié)果表明，固沙劑有良好的滲透性，形成0.2-0.5cm厚的固結(jié)層，隔絕氣流與松散底層的直接作用，可以加固風(fēng)沙土，可大大提高風(fēng)沙土的抗壓力、抗剪力和抗風(fēng)蝕力，在野外風(fēng)沙危害防治中，抵擋風(fēng)沙流的侵蝕，達(dá)到防治沙害的目的。
2.沙面噴灑固沙治沙液后，形成固結(jié)封閉層。該層切斷了毛管水的蒸發(fā)，對下下部水分上升有明顯的阻礙作用。使得蒸發(fā)量大大減少，沙層水分含量有所增加，保水性能得到加強(qiáng)，可提高荒漠區(qū)植被生存率和覆蓋度。
3.固沙劑便于運(yùn)輸，水質(zhì)固沙劑使用方便，便于機(jī)械化操作，有效期長，在沙漠治理中具有很高的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。不僅如此，該固沙劑還將會在治理荒漠化中發(fā)揮重要作用。


圖1是固沙劑固結(jié)層正壓力與抗剪強(qiáng)度的關(guān)系圖2是固沙劑用量與固沙劑固結(jié)層內(nèi)聚力的關(guān)系圖3是固沙劑用量與內(nèi)摩擦角的關(guān)系圖4是固沙劑固結(jié)層水分含量隨深度增加的變化具體實(shí)施方式
1、實(shí)施例使用時(shí)，取90％聚醋酸乙稀酯，加2％硼酸，攪拌，再加8％的鋸末，用5倍的溫水(25-55℃)進(jìn)行稀釋，并攪拌均勻，然后進(jìn)行均勻噴灑即可。每平方米水質(zhì)固沙劑用量1千克，形成0.3cm厚的固結(jié)層。在野外稀釋固沙劑時(shí)須有一個(gè)循環(huán)泵不停的工作，以保持水質(zhì)固沙劑混合均勻。
噴灑水質(zhì)固沙劑，常采用的方法為人工噴灑。面積大時(shí)，一般使用大型機(jī)械噴灑。
2、野外固沙試驗(yàn)荒漠區(qū)一般深處內(nèi)陸，形成氣候干燥炎熱的沙漠環(huán)境，溫差大，風(fēng)力強(qiáng)勁、干旱少雨，沙物質(zhì)松散深厚，沙丘裸露，形態(tài)復(fù)雜，類型多樣，沙害治理難度大。從而使得實(shí)驗(yàn)邊界條件與野外差異很大，因此許多室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論還需從野外現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證。鑒于此，我們在野外對這種新型的固沙材料進(jìn)行固沙和風(fēng)蝕實(shí)驗(yàn)中，取得了較為理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
實(shí)驗(yàn)區(qū)設(shè)置在包蘭鐵路沙坡頭段鐵路以北的騰格里沙漠邊緣，自然環(huán)境條件差。本發(fā)明除單獨(dú)進(jìn)行固沙劑封閉式實(shí)驗(yàn)外，還分別與植物結(jié)合和與草方格沙障結(jié)合來研究固沙劑的固沙效果。固沙小區(qū)面積為126m2，而與植物結(jié)合和與草方格沙障結(jié)合的小區(qū)面積為564m2。當(dāng)固沙劑的滲透深度均達(dá)到10-50mm。其中除單獨(dú)使用固沙劑全封閉固沙的用量為100gm-2的小區(qū)固定2年還基本完好外，其余固沙劑用量大于或等于125gm-2的全封閉固沙及其與植物結(jié)合和與草方格沙障結(jié)合的流沙表面固定后，3年后其固結(jié)面仍然完好。
3、野外風(fēng)蝕試驗(yàn)風(fēng)蝕可以分為吹蝕和磨蝕兩種形式，而其強(qiáng)度與風(fēng)力和風(fēng)沙流的含沙量及其風(fēng)沙流的空間分布有著密切的關(guān)系。針對沙漠與沙漠化地區(qū)風(fēng)沙流場特征，我們單就固沙劑用量為125gm-2的流沙固定表面，對同一地區(qū)不同高度流沙固沙劑固結(jié)層面所受風(fēng)蝕的情況進(jìn)行了研究(見表2)。
表2固沙劑野外風(fēng)蝕試驗(yàn)

研究結(jié)果表明，固沙劑固沙效果顯著，半年后其風(fēng)蝕量在距地面60cm以內(nèi)固沙劑固結(jié)沙面風(fēng)蝕量不超過0.50％。
4、固沙劑的節(jié)水效應(yīng)沙漠地區(qū)，水是植物生長的主要限制因子。因此，沙漠區(qū)的植被除了零星的一些本土耐旱植物外，其植物種類少且蓋度低。通過野外觀察，在野外固沙劑固沙實(shí)驗(yàn)地上，植物種類和覆蓋度明顯多于周圍地區(qū)，這除了與固沙劑固沙劑能夠固定沙面，降低風(fēng)蝕吹走植物種子、壓倒幼苗外，還與其保水作用有關(guān)。研究表明，沙面噴灑水質(zhì)固沙劑后，形成固結(jié)封閉層。該層切斷了毛管水的蒸發(fā)，對下下部水分上升有明顯的阻滯作用，使得蒸發(fā)量大大減少，沙層水分含量有所增加，保水性能得到加強(qiáng)。如圖4所示，固沙劑固結(jié)層以下各個(gè)深度，其含水量均比對照沙區(qū)相同深度的含水量要高出2-74個(gè)百分點(diǎn)。固沙劑這種保水性能對缺水的干旱半干旱的荒漠化地區(qū)能大大提高沙粒的啟動風(fēng)速，并能促進(jìn)植物的生長，增加地表的植被蓋度，從而能減輕地表的風(fēng)蝕，大大提高治理沙害的成果。
權(quán)利要求
1.一種固沙劑，是由88-94％聚醋酸乙稀酯、1-2％硼酸和4-10％的鋸末構(gòu)成。
2.權(quán)利要求1在固沙、治理沙害沙質(zhì)沙障中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種固沙劑在固沙、治理沙害中的應(yīng)用。固沙劑是由88－94％聚醋酸乙烯酯、1－2％硼酸和4－10％的鋸末構(gòu)成。使用時(shí)加水稀釋，并攪拌均勻，然后進(jìn)行均勻噴灑即可。固沙劑是一種無色透明微濁液體，無異味，粘度12Pa.s－15Pa.s，10－70℃溫度下無下沉，實(shí)驗(yàn)抗壓強(qiáng)度1.0MPa－12.1MPa，10－20℃低溫下重量損失率0－1.8％，紫外光照300h強(qiáng)度損失率0－42％，在u∞＝5.0－25.0m/s實(shí)驗(yàn)風(fēng)速下，風(fēng)蝕量0.05g.h/1.100cm
文檔編號E02D3/12GK1737082SQ20051004296
公開日2006年2月22日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月29日
發(fā)明者屈建軍, 王濤, 董治寶, 肖洪浪, 張克存 申請人:中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所