化學(xué)固沙材料固沙作用機(jī)理研究的必要性

李美蘭，龔 偉，祝鳳雯，楊 萌，劉白玲

（1.商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000；2.中國科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所，四川 成都 610041）

目前，沙漠化問題已經(jīng)引起了人們較大關(guān)注，尤其自中國實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略以來，人們對(duì)固沙技術(shù)和固沙材料的需求已經(jīng)越來越緊迫[1-2]。固沙技術(shù)主要可分為工程固沙、生物固沙和化學(xué)固沙3類[3-4]。其中，工程固沙技術(shù)[5]與生物固沙[6-7]技術(shù)都費(fèi)時(shí)費(fèi)工，操作極慢，而且固沙效果差、造價(jià)極高，沒有得到普遍的推廣。化學(xué)固沙具有耗時(shí)短、效果佳、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，且施用現(xiàn)有固沙材料后，能實(shí)現(xiàn)保水效果，促進(jìn)沙土植物及微生物的生長(zhǎng)，最終達(dá)到改良沙漠化土地的目的。這些優(yōu)點(diǎn)使其日益受到人們重視，成為最有發(fā)展?jié)摿Φ墓躺撤椒╗8]，但很少有人對(duì)化學(xué)固沙材料的固沙作用機(jī)理進(jìn)行深入與系統(tǒng)的研究。本研究將從化學(xué)固沙原理出發(fā)，深入分析化學(xué)固沙劑與沙粒之間固化過程的作用機(jī)理。

1 化學(xué)固沙原理

化學(xué)固沙就是利用具有一定化學(xué)膠結(jié)性能的物質(zhì)，即固沙材料，噴灑于沙土表面后，經(jīng)滲流進(jìn)入沙土孔隙。在下滲過程中，部分膠結(jié)粒子被沙粒吸附，隨后經(jīng)過水分蒸發(fā)干燥，膠結(jié)粒子間自由空間減小且相互擠壓融合，在沙土的孔隙中相互連結(jié)形成網(wǎng)絡(luò)狀的膠體。膠體將松散的沙顆粒緊密連結(jié)為一體，當(dāng)受到外力作用時(shí)，沙顆粒不再輕易發(fā)生滑動(dòng)，宏觀上表現(xiàn)為整體形成具有穩(wěn)定機(jī)械強(qiáng)度的固結(jié)層[9]，作用過程如圖1所示。

圖1 固沙材料固沙作用過程

固沙材料的使用，促使沙土系統(tǒng)發(fā)生3個(gè)方面的變化，具有穩(wěn)定的機(jī)械強(qiáng)度：（1）沙顆粒之間的連接方式，由無連接或弱連接變?yōu)槟z結(jié)連接，形成接觸式膠結(jié)結(jié)構(gòu)；（2）沙顆粒之間的傳動(dòng)方式，由個(gè)體的滑動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檎w牽扯聯(lián)動(dòng)；（3）沙體系結(jié)構(gòu)，由松散的顆粒堆積結(jié)構(gòu)變?yōu)槟z-沙一體化結(jié)構(gòu)。

2 化學(xué)固沙的固化過程機(jī)理

固化過程是化學(xué)固沙劑在沙面固結(jié)的主要環(huán)節(jié)，表現(xiàn)為分散介質(zhì)隨蒸發(fā)逐漸減少，膠粒之間的自由空間逐漸被壓縮，膠粒互相靠近，直至打破斥力相互融合凝結(jié)。在固化過程中，不同粒徑的化學(xué)固沙分散液，均能不同程度地減小沙地表面孔隙孔徑，粒徑最小的部分可以自由穿過孔隙向下滲透，粒徑中等的部分在通過時(shí)受到阻礙，部分粘結(jié)進(jìn)而減小孔徑，而粒徑大的部分無法進(jìn)入孔隙，在孔隙表面堆積堵塞孔隙。由于接觸角的關(guān)系，在水分減少的過程中會(huì)形成彎月形水膜，水膜兩端聚集大量膠粒，水膜從中間斷開后，膠粒會(huì)隨著殘余水分分散到沙粒界面并失水融合，沙粒與固沙材料之間形成黏附力（見圖2）。

圖2 沙粒與固沙材料之間的固結(jié)情況

膠粒失水干燥過程中發(fā)生體積收縮，將產(chǎn)生向心的收縮力F1，膠-沙界面黏合力為F2，沙粒移動(dòng)阻力為F3，結(jié)果如 圖3所示。

圖3 膠-沙界面受力分析

三者存在如下關(guān)系：

（1）F2＞F3，F(xiàn)1＞F2，膠-沙界面合力為F=F1－F3＞0，沙粒隨著膠粒收縮移動(dòng)；

（2）F2＞F3，F(xiàn)1＜F2，膠-沙界面合力為F=F1－F3＜0，膠粒離心收縮，沙粒不動(dòng)；

（3）F2＜F3，F(xiàn)1＞F2，膠-沙界面合力為F=F1－F2＞0，沙粒不動(dòng)，膠粒向心收縮，產(chǎn)生剝離；

（4）F2＜F3，F(xiàn)1＜F2，膠-沙界面合力為F=F1－F2＜0，膠粒離心收縮，沙粒不動(dòng)。

以上4種情況，在固結(jié)層里是可以同時(shí)存在的，并存在于沙粒膠接處的不同部位。當(dāng)大部分膠粒對(duì)沙粒的黏附力都較大時(shí)，膠粒收縮可以拉動(dòng)沙粒，形成的固結(jié)層可以有效地縮小沙粒間的孔隙；如果大部分膠粒對(duì)沙顆粒都不能產(chǎn)生足夠的黏附力，則在膠粒體積的收縮過程中無法對(duì)沙顆粒進(jìn)行牽引，導(dǎo)致新形成的膠體大面積脫離沙顆粒表面，無法形成緊密連結(jié)的膠-沙體系。

3 結(jié)語

沙子的主要成分是硅酸鹽，不同化學(xué)成為組成的固沙材料與沙粒產(chǎn)生的黏附力，能夠起到較好的固沙效果。首先，需要固沙材料分子鏈與沙粒表面具備能夠相互潤濕、滲透和吸附的基團(tuán)和離子；其次，固化過程是化學(xué)固沙劑在沙面固結(jié)的主要環(huán)節(jié)，通過不同物理及化學(xué)方式，形成連續(xù)片狀的沙面固結(jié)層。因此，化學(xué)固沙作用機(jī)理既包含簡(jiǎn)單的物理、化學(xué)過程，也包含許多物質(zhì)結(jié)構(gòu)、膠體化學(xué)等方面的問題，是一個(gè)比較復(fù)雜的過程。研究化學(xué)固沙劑的固沙作用，可以了解不同化學(xué)固沙劑的性能，不僅對(duì)篩選和應(yīng)用優(yōu)良化學(xué)固沙劑起到一定的技術(shù)參考作用，還有助于為新型固沙劑的研制提供參考。