化学固沙

利用化学材料与工艺，对易产生沙害的沙丘建造一层能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层

化学固沙是指在风沙危害地区，利用化学材料与工艺，对易产生沙害的沙丘或沙质地表建造一层能够防止风力吹扬又具有保持水分和改良沙地性质的固结层，以达到控制和改善沙害环境，提高沙地生产力的技术措施。

概念

化学固沙可以看作是机械固沙的一种特例。此种措施收效快，便于机械化作业，但成本高，多用于严重风沙危害地区的开发建设项目的防护，如铁路、公路、机场、国防设施、油田等，选择化学胶结物时应考虑沙地的透气性，尽可能与植物措施相结合。

化学固沙始于20世纪30年代，迄今已有近70年的历史。1934年，前苏联首先开展了沥青乳液固沙试验，当时由于受原材料和技术的影响，发展很慢。60年代以后，随着人工合成高分子聚合物工业的迅速发展，化学固沙才有了较快的发展和较多的应用。采用化学固沙的国家越来越多，治理规模越来越大；治沙材料日益丰富，产品种类不断更新；化学固沙与植物固沙的结合，不仅固定了流沙，而且促进了植物的生长，改善了生态环境，化学固沙已逐步发展成为干旱地区或有风沙危害地区防止沙害，开发利用沙区资源的重要工程技术手段之一。特别是具有丰富石油资源的一些沙漠地区国家更为突出。在我国由于化学固沙相对于其他治沙措施成本较高，常在铁路、公路、工矿等重点建设中采用。

中科院天然资源与地舆环境研究所研究员申元村说：“化学固沙收效快，多用于风沙危害能造成重大经济损失的地区，如机场、铁路、公路等，往往作为植物固沙的辅助性和过渡性措施。 ”

原理

利用被稀释的具有一定胶结性的化学物质，喷洒于松散的流动沙地表面，水分迅速渗入到沙层以下，而化学胶结物质则滞留于一定厚度（1～5cm）的沙层间隙中，将单粒的沙子胶结成一层保护层。以此来隔开气流（风）与松散沙面的直接接触，从而起到防止风蚀的作用。一般应具有较好的渗透性和胶结性，喷洒后能够迅速渗入沙丘表层并粘结沙子颗粒，形成较牢固的结皮层，可有效固结沙丘表面，防止沙丘流动。

固沙剂还应有明显的集水和保墒增温、改善土壤结构、促进植物生长、抑制盐渍土表层积盐等作用，同时应提高沙土中的有机物含量，改良土壤并可以生物降解。这种作用是属于固沙型的，只能将沙地就地固定不动，而对过境风沙流中所携带的沙粒却没有防治效能。

常见技术

沥青乳液

①组成：沥青乳液又叫乳化沥青，由石油沥青、乳化剂（用硫酸处理过的造纸废液或油酸钠）、水组成。沥青乳液一号配方：乳化液的组成由亚硫酸盐造纸废液（pH值＜7，比重1.28）12%，硫酸（工业用，比重1.83）1.2%，水86.8%；沥青材料则为30#石油沥青：200#石油沥青=3:2；乳化液：沥青材料=1:1（体积比）。

沥青乳液二号配方：乳化液组成由硫化钠蒸煮废液(pH值＞7，比重1.04)50%，硫酸（工业用，比重1.83）1.5%，水48.5%；沥青材料由30#石油沥青:200#石油沥青=2:1组成；乳液则由乳化液：沥青材料=1:1（体积比）组成。

②制备：沥青乳液生产工艺的主要生产设备为狭缝式胶体磨，蒸气锅炉，沥青加热锅，乳化液调配池，乳液贮存池。其生产过程为：按照配方将沥青加热至120～160℃，以降低沥青的粘度。在另一容器内将配好的乳化液加热到65～70℃，两种材料经过滤后按体积比1:1的关系同时放入胶体磨的进料漏斗中，沥青和乳化液的混合料经搅拌后。经过0.1～0.5mm的狭缝后被乳化。乳液经出口流入贮存池。

沥青乳液的质量的好坏依赖于沥青乳液的颜色、分散度、稀释稳定性等指标，因此在质量检查时应分别检验这些指标。沥青乳液的颜色以棕色为最好，棕黑次之，黑棕色最差，不易使用。分散度的检验可用玻璃棒插入沥青乳液中，取出时待乳液不再下滴时，观察玻璃棒上的漆膜，如果漆膜细腻不见颗粒，则分散度高，沥青乳液质量为佳；反之，漆膜粗糙，分散度低，沥青颗粒不够均匀，不成膜，则沥青乳化不好，或未乳化，不能使用。此时应检查配方比例是否正确或胶体磨转速是否正常，如没有差错应继续研磨。稀释稳定性的检验一般在喷洒前按比例稀释时，通过搅拌，如稀释均匀，则稳定性好，质量高；如果不易稀释或极不均匀，则不易使用。经过质量检查后符合标准的乳液就是配制好的沥青乳液，可以使用。

③喷洒：沥青乳液用量各地不一，以每平方米几克到每平方米几百克都有，主要取决于当地的水文条件和风速，如果水文条件好，风较小，用量可小，否则应大。喷洒时，喷头不要距地表过低或过高，一般lm左右为宜，否则会彩响喷洒质觉。不宜迎风和顺风喷洒，迎风喷洒不易控制，并易溅得满身沥青，顺风喷洒易使背风坡出现小蜂窝，造成质量不良，以侧向略迎风喷洒为好。喷洒方式可采用全面喷洒法和带状喷洒法。如果喷洒沥青与植物固沙同时进行时，应在栽上植株后立即喷洒在降水或喷水后喷洒沥青效果更好。

④性能特点：沥青乳液是当前各国应用化学固沙最广泛?材料，它其有以下特点：A、用途广泛：不仅作表层覆盖，还可作沙地隔水层、系防渗漏层、沙地改良剂和沙地增温剂等。B、作业简便：在常温下不凝固，可直接用机械施工。C、没有毒害：对植物生长无影响。D、节约用量：与沥青比较，一般可节省用量50～70%。E、价格较低：比一般化学治沙材料低1～2倍。但是沥青乳液在使用中，因沥青中的物质和树脂易被大气中氧、光、热、水分和微生物等破坏，导致沥青性能变坏，如软化点升高，针入度下降，延伸度减少，使固结层逐渐变脆、发硬、失塑性、发生老化。以至最后开裂被风掏蚀、为了克服这些缺点，常加入改性剂如胶乳、高强度树脂、硅藻土等，以提高它的抗性。

沥青化合物

①组成：沥青化合物是一种含有沥青或粘油、水和矿物粉末（黄土、壤土、水泥或石灰）的暗棕色粘性混合物质。前苏联道路研究所哈萨克分所研制的一种固定流沙的化合物，其组成为沥青MG～70/30或粘油30～50%；矿物粉30～40%，水30～35%。

②制备：将MG～70/30沥青或枯油、矿物粉和水按规定的比例配好（一般30%～50%的沥青或粘油，30%～50%的矿石粉，30%～35%的水，装入灰浆搅拌机中进行强力搅拌即可制成）。

③喷洒：将制成的化合物进行稀释，其稀释比根据当地情况采用1:1～1:10，用泥浆泵喷洒在沙面上即可。喷洒量一般为6～81/m2渗入沙层厚度为10～30mm。一次用量不易太大，可分多次喷洒，间隔半月到两月再喷。否则容易造成渗透不及或淌到低注处积聚，形成沙面沥青沉淀不均匀。

油～胶乳固沙

①组成：油、水、乳化剂油酸、稳定剂三乙醇胺。

②油～胶乳溶液制备：将油100份，水15～30份，油酸2～4份，三乙醇胺1～2份（其中油酸和三乙醇胺分别起到乳化剂和稳定剂的作用）混合在一起装入搅拌机中，然后以50转/分的速度，转动15～20分钟。即可制成良好稳定性的油一胶乳液，这种乳液可以贮存一年半而不分离。

③喷洒：油～胶乳（OLE）固沙，目的在于以简单的方法使少量的橡胶乳液分布在大面积的沙面上，同时还能得到强性较高的膜。另外将胶乳加入油乳液中，还能改善胶乳的工艺特性，提高喷洒时抗硬水稀释性质和防止通过细小喷嘴时发生凝聚作用。可以直接用配制好的油～胶乳溶液向沙面上喷洒，要使流沙在6m/s风速下不发生移动现象，胶乳用量为17.5g/m2，风速较高时(10～12m/s)，胶乳用量应增加到26.0～28.5g/m2。

泥炭胶固沙

①组成：生泥炭、土碱或石灰、水。

②泥炭胶液制备：制取泥炭胶液可用抽出法。取生泥炭10份，土碱或石灰1份，水100份用铁锅煮2～3h，去掉残渣得胶液。

③喷洒：每平方厘米喷洒0.2～0.35m1（每亩用量1～2吨）的泥炭胶晒干后，在沙面上既形成1～2mm厚的暗褐色胶结层，不带泥炭残渣的胶液晒干后胶结层很硬，每平方厘米抗压力可达1300～1600g，能抵抗12.16m/s风速。

④泥炭胶固沙的特点：沙区低湿沼泽有较为丰富的泥浆资源，可把泥炭经过处理得到的有机胶液用于固沙。把这种胶液喷洒在沙丘上能获得较好的固沙效果。由于制造泥浆胶液操作方法简单，在有泥炭资源的地区可用于固沙。

高分子聚合物

①组成：高分子聚合物材料属于水溶性或油溶性化学胶结物质，通常使用的有聚丙烯酞胺、聚乙烯醇，聚酷酸乙烯乳液等多种。

②制备：根据所采用的治沙液的特征，确定是否需要加工处理。如聚丙烯酸胺通常有粉状和粘稠状水溶液两种，可按1：5或1：10的比例稀释后直接喷洒。

③喷酒：在水源条件好的地区，可先用水或乳化剂的稀榕液湿润沙面，以增加喷洒液的渗透深度；喷洒速度不宜太快，也不宜太慢，使喷出的溶液能均匀渗入沙层；一般在较热季节进行喷洒，使化学药液有较好的渗透速度和渗透深度。喷后注意保持沙面稳定，严禁人畜践踏破坏。

④特点：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。聚乙烯醉和聚和酸乙烯乳液溶解稀释后即可直接用于固沙。

常见化学胶结物有沥青乳剂、油叶岩矿液、合成树脂、合成橡胶等，也可使用一些天然有机物，如褐煤、泥炭、城市垃圾废物、树脂等。

相关研究合作

从材料学研究生态固沙

中国科学院成都有机化学研究所(以下简称成都化学所)博士生导师刘白玲研究员及其团队致力于从材料学入手研究生态固沙，已经开发出多个结构新、效率高、成本低的绿色高分子固沙材料，能有效解决土地的沙漠化问题。在内蒙古库布齐沙漠，成都化学所正与中石化四川维尼纶厂(以下简称川维)、内蒙亿利资源集团联手实施2000亩生态固沙示范工程。他们播种了多种沙漠植物种子，并在小块试验田里种植了蓖麻。

生态固沙对材料要求高

2010年，刘白玲团队首次提出将阳离子型高分子用于防沙固沙，并与中科院其他院所及地方相关院所就化学防沙固沙问题进行了深入交流，明确了研究方向、确定了固沙的实施方式。次年，团队在前期探索基础上正式与川维合作开展防沙固沙研究。

“固沙对材料要求很高，但大多数人对此缺乏认识。”刘白玲认为，用材料进行固沙的首要任务，就是要通过系统性的研究，建立起固沙材料的结构与其固沙性能之间的内在关系，否则在固沙材料的选择上就会出现盲目性。“迄今化学固沙没有得以规模化实施的原因之一，就是缺乏对固沙材料系统的了解和认识。”固沙对材料很多性能的要求又是相互矛盾的。如对使用的长期性、抗风蚀性与生物降解性的要求;对固沙的牢固性与促进植物生长的要求;对吸水性与防止水分蒸发的要求等等。“在一种材料中，是很难同时兼具上述性能的。”刘白玲指出，固沙的地方是人类要利用的区域，完全的沙丘固定、硬化是不可取的。必须要在喷洒固沙材料后继续保持沙粒的通透性，让植物生长出来。“最关键就是要有适应生态固沙要求的新型固沙材料。”

近些年来，刘白玲团队基于新的思路，已经开发出多个结构新、效率高、成本低的绿色高分子固沙材料，系统研究并阐明了这些材料的结构与防沙固沙及促进植物生长的相互关系。“我们的主要工作就是通过分子设计和采用新的合成技术，制备出适合不同气候、不同水文地质条件的固沙材料，改变我国目前在防沙固沙材料使用上的盲目性。”

院企合作降低固沙成本

另一重要原因是其高昂的成本。因而，必须在对防沙固沙使用材料进行系统、综合研究的基础上，降低材料的生产与推广成本。与企业结合，形成“材料研发—性能评价—规模化的生产—推广应用”的大协作模式，是减少中间环节，较大幅度地降低材料成本的必由之路。

2012年7月以来，刘白玲团队首先对川维现有的水溶性高分子和乳液产品进行了全面的理化性能与固沙性能分析，对产品抗盐碱性、吸水性、对植物与沙土微生物生长的影响等也作了系统研究。同年10月，在中科院寒区旱区环境与工程研究所的支持下，刘白玲团队在位于宁夏中卫沙坡头的中科院荒漠化实验站，对自主研发的新材料和川维的现有产品等40多个样品进行了风洞试验，对其抗风蚀性能进行了测试，初步获得了样品的筛选方案，并在宁夏界内的腾格里沙漠进行了小范围的野外固沙试验。之后，成都化学所、川维与阿拉善SEE公益治沙组织配合，在位于内蒙古阿拉善左旗巴彦浩特镇，进行了多种水溶性高分子和乳液的固沙试验，经过多次沙尘暴洗礼，其中多种产品都在野外试验中表现出了优良的固沙性能。这次野外固沙试验，还配合南京农业大学进行了梭梭植物的种植研究。

2013年5～6月，亿利资源集团动用了200台推沙机，在库布齐沙漠推平了2万亩沙地，其中2000亩专门用于与川维和刘白玲研究团队合作，建立生态固沙示范基地。在喷洒固沙剂一周后，田中沙生植物及小块试验田中的蓖麻均长势良好，其效果明显好于空白对照地。刘白玲说，其主要原因是沙粒被喷洒的材料固定，强风下不再被吹起，避免了长出的植物嫩芽被风沙打死。该试验结果还引起了正在库布齐沙漠推广滴灌技术的以色列专家的重视，并表示了合作意向。亿利资源集团则提出与川维、刘白玲团队共同成立“沙漠治理与生态修复工程公司”，专门从事荒漠化治理技术的推广工作，而且库布齐的万亩沙漠也在等待着来年的生态化治理。

终极目标是改良沙土

“防沙固沙是一项长期而艰巨的任务，需要材料学、工程学、生物学、植物学等多学科共同努力，只有生态固沙才能真正在我国的荒漠化治理与工程建设中发挥其应有的作用。”刘白玲指出，生态固沙的最终目标是改良沙土结构，使其逐渐具有土壤特征和自我修复能力，从根本上解决土地的沙漠化问题。

未来，刘白玲希望，一是在成都化学所成立专门的生态固沙研究中心，逐步提升为中科院级乃至国家级中心，进一步加强对固沙材料的系统性研究并建立使用标准;二是对合作企业相关固沙产品性能作全面评价，与新开发的材料共同构建可用于我国荒漠化治理的材料库;三是形成材料选择与实地实施的成套固沙技术，适应我国不同地区、不同目的的防沙固沙要求;四是培养生态固沙的专门人才，有效推进我国荒漠化治理的实施步伐。

生态固沙剂

2014年4月22日，在住房和城乡建设部主办的荒漠化治理技术研讨会上，中国石化展示荒漠化治理最新成果——生态固沙剂。据了解，中国石化四川维尼纶厂与相关机构合作，在国内率先开展了醋酸乙烯衍生产品用于生态固沙的研究与应用示范，研制出无毒、无害、无污染的生态固沙剂。川维厂代表介绍说，该产品在沙漠表面形成固化膜，帮助沙漠植被抵抗风沙侵蚀，并锁住沙土中的水分，相当于给沙漠敷上了一层保湿“面膜”。该技术成功应用于内蒙古库布其沙漠2000亩生态示范工程，固沙效果良好。

生态固沙剂的成功研制，将推动“沙变土技术”“生物固沙技术”和“防渗技术”三大关键技术的集成应用和成果转化，能以较快速度营造沙漠生态绿洲，并可开发生态农业和新兴产业。“这项技术的应用与推广，将为我国荒漠化治理及其相关产业提供一条崭新道路，实现生态效益、经济效益和社会效益有机统一。”原建设部副部长杨慎说。

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