專利名稱：硅酸鈉水溶液作為固沙劑的用途及其固沙方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及防沙治沙領(lǐng)域，特別是涉及硅酸鈉水溶液(俗稱水玻璃)作為固沙劑的用途及固沙方法。
背景技術(shù)：
我國是世界上沙漠、沙地、沙化土地分布最多、風(fēng)沙危害最嚴(yán)重的國家之一。目前，我國有沙漠50萬平方公里，戈壁54.3萬平方公里，。這些沙漠沙地當(dāng)中，有流沙面積44.9萬平方公里，另有沙化土地(截止1990年底)32.8萬平方公里。雖經(jīng)幾十年防沙治沙，取得了巨大成就，但至今未能遏制住沙化的發(fā)展。從50年代到70年代每年擴(kuò)展1560平方公里，80年代擴(kuò)展2100平方公里，90年代擴(kuò)展2460平方公里，土地沙化還在迅速蔓延，形勢十分嚴(yán)峻。
目前國內(nèi)外防沙治沙方法可概括為“工程治理”和“植物治理”二大類。工程治理，主要包括沙障固沙、水力治沙、風(fēng)力治沙、化學(xué)固沙四種措施。沙障固沙，顧名思義就是用障礙物固定流沙，它也稱為機(jī)械沙障固沙，它的作用原理就是采用柴、草、樹枝、粘土、卵石、板條等材料，在沙面上設(shè)置各種形式的障礙物，達(dá)到防風(fēng)阻沙，固沙等目的。其優(yōu)點(diǎn)是立即奏效，但成本高、工程量大，不能長期保存。水力治沙主要是引水拉沙，是以水為動力，按照需要使沙子轉(zhuǎn)移，消除沙害。風(fēng)力治沙技術(shù)，是以風(fēng)為動力，人為地干擾控制風(fēng)沙的蝕積搬運(yùn)，變害為利的一種治沙方法。因沙漠地區(qū)嚴(yán)重缺水，風(fēng)力難以控制，故水力和風(fēng)力治沙在現(xiàn)實中難以實現(xiàn)。化學(xué)固沙是一項新技術(shù)，近幾年發(fā)展很快，它通常是利用稀釋了的具有一定膠結(jié)性的化學(xué)物質(zhì)噴灑于流沙表面，水分迅速滲到沙層以下，而化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)則滯留于一定厚度，就是1-5毫米的沙層間隙中，將單粒沙子膠結(jié)成一層保護(hù)殼，以此隔開氣流與沙面的直接接觸。我國主要試驗瀝青乳液和瀝青化合物固沙。但瀝青資源有限且有后期環(huán)境污染問題。南京林業(yè)大學(xué)研制了一種名為“工業(yè)木質(zhì)素制備植被用可降解固沙材料”，該材料是利用造紙紙漿廢液制備的，將其噴灑到流沙表面很快形成0.5-1厘米厚的沙結(jié)皮，從而起到固沙效果，該種固沙材料雖然是用紙漿廢料制成，具有處理造紙污染與固沙治沙效果，但其原料來源有限，也難以滿足大范圍治沙所需。由于化學(xué)固沙成本通常比較昂貴，限制了在固沙治沙上的推廣應(yīng)用。植物治沙主要是封沙育林草、恢復(fù)沙地植被、飛播造林種草治沙，還有人工造林種草治沙等。植物治沙是根本的辦法，但因缺水和流沙侵蝕掩埋以及植物生長緩慢等因素，植物治沙耗時耗資，趕不上沙化速度。
發(fā)明的內(nèi)容本發(fā)明的目的就是克服上述現(xiàn)有治沙方法所存在的技術(shù)缺陷或不足，提出一種原料價格便宜、來源廣泛、污染小、使用方便的固沙劑。
本發(fā)明是采用硅酸鈉水溶液作為固沙劑，將其噴灑在沙子的表面，硅酸鈉水溶液從沙子表面滲入一定深度，待硅酸鈉固化后就可以形成一個固化的沙層，該固化沙層隔離其下面的流動沙與風(fēng)力的接觸，起到固沙的作用。
硅酸鈉水溶液是硅酸鈉在水中以離子、分子和硅酸膠粒并存的分散體系，其在一定的條件下(如加熱烘干、接觸CO2氣體、加入硅鐵粉、β硅酸二鈣、有機(jī)酯)硬化。硅酸鈉水溶液的制備采用公知的方法。
利用硅酸鈉水溶液作為固沙劑來實施固沙的方法包括(1)在硅酸鈉水溶液中加入硬化劑并攪拌均勻；(2)將混有硬化劑的硅酸鈉水溶液噴灑在沙表面，然后固化。
與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的固沙劑硅酸鈉水溶液價格低，原料來源廣泛，污染小，固沙操作方便。此外，本發(fā)明的固沙機(jī)理是用硬化劑使硅酸鈉水溶液固化，從而可以通過調(diào)整硬化劑的種類、硅酸鈉水溶液的濃度來控制固化的時間和固化的程度。
具體實施例方式
本發(fā)明尤其是改變現(xiàn)有的化學(xué)固砂方式——它是利用稀釋了的具有一定膠結(jié)性的化學(xué)物質(zhì)噴灑于流沙表面，水分迅速滲到沙層以下，而化學(xué)膠結(jié)物質(zhì)則滯留于一定厚度，就是1-5毫米的沙層間隙中，將單粒沙子膠結(jié)成一層保護(hù)殼，以此隔開氣流與沙面的直接接觸——而是在稀釋了的具有一定粘結(jié)性的化學(xué)物質(zhì)里加入一定量的相適應(yīng)的硬化劑并使兩者互溶形成一種能自行硬化的混合溶液，將該混合溶液噴灑到流沙表面，它能滲透多深便能固結(jié)多厚。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是對沙層表面固結(jié)層的厚度、強(qiáng)度和耐久性均能人為控制，需要厚實之處只需多噴灑一些固沙劑讓其滲透深一些即達(dá)到增大固結(jié)層的厚度；如需固結(jié)層的強(qiáng)度高些，只需將粘接劑的濃度配制高一些即可達(dá)到；如需固結(jié)層耐久或不耐久只需通過調(diào)整改良固沙劑和硬化劑的性能即可達(dá)到。如果對固結(jié)層還有其他要求如保暖性或含有肥料性等均可通過調(diào)整改善固沙劑的性能來實現(xiàn)。
本發(fā)明的固沙劑體系包括固沙劑和硬化劑，固沙劑為硅酸鈉水溶液(水玻璃)，采用硅沙制備而成，或者直接采用購買來的水玻璃(固體或液體)配制而成，根據(jù)酸堿固化原理，采用酸作為硬化劑，酸可以是有機(jī)酸也可以是無機(jī)酸，可以是無機(jī)酸鹽或有機(jī)酯，凡是能水解生成酸根離子、金屬離子和醇的物質(zhì)均可作為本發(fā)明固沙劑的硬化劑。臨施工時將硅酸鈉水溶液和配好的硬化劑混合均勻即可噴灑施工，其硬化速度可通過調(diào)整固化劑的濃度、加入量以及控制硅酸鈉水溶液的濃度來實現(xiàn)，一般可使其在噴灑后半小時開始固結(jié)，固結(jié)層的厚度與噴灑液體的量相關(guān)，即噴灑量大滲透層厚即固結(jié)層厚，如一般厚度在3-10mm，固結(jié)層的強(qiáng)度也可以通過調(diào)整硅酸鈉水溶液的濃度來實現(xiàn)，濃度高即強(qiáng)度高。
本發(fā)明固沙劑具有價格低廉環(huán)保，施工快速方便，固沙迅速耐久，固結(jié)后滲水性好且保濕性還好，無后期環(huán)境污染等特點(diǎn)，便于人工、機(jī)械或飛機(jī)噴灑，能迅速大面積固住流沙，有利于后期植物防治沙，利于植被生長等特點(diǎn)。因制備硅酸鈉水溶液的原料主要是砂子(硅沙)，不僅來源廣而且是以沙治沙，一舉兩得，因而能迅速推廣。
本發(fā)明固沙劑也可用于城市基建施工和架橋修路施工等產(chǎn)生的浮沙土的固結(jié)，以防止揚(yáng)塵對城市環(huán)境的污染。。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、原料來源廣該固沙劑的主要成分硅酸鈉的原料就是硅沙，由于對固沙無特殊要求，完全可以采用沙漠的沙子作為原料來生產(chǎn)硅酸鈉水溶液以做粘接劑。因此可以就地取材生產(chǎn)，達(dá)到用沙治沙，變廢為寶。
2、滲水由于該固沙劑粘稠度適中，噴灑到沙子表面自然滲透固結(jié)后，沙子間的間隙雖然有所減小，但仍有一定的間隙，故仍有一定的透氣性和滲透性。試驗表明，向固結(jié)好的沙表面澆水仍能產(chǎn)生很好的滲透，下小雨時觀察，其對于水的滲透性也很好，無流淌現(xiàn)象。
3、保濕與吸濕性由于該固沙劑里的含有大量的親水基，使得噴灑該固沙劑固結(jié)后的沙地具有較好的保濕性。
在室外對比試驗人工鋪設(shè)25平方米的沙地，厚約300毫米，一半噴灑該固沙劑，另一半未噴灑固沙劑，而噴灑同樣重量的清水，在攝氏32度晴天陽光下觀察，噴灑過該固沙劑的水份明顯蒸發(fā)得慢，經(jīng)過3周后分別在表層、深20毫米和深30毫米處取樣測試水份，結(jié)果如下表。
噴灑本發(fā)明固沙劑沙地與未噴灑的沙地PH值與含水量測試結(jié)果

從表中數(shù)據(jù)證明其具有較好的保濕性；另外清晨觀察，噴灑過該固沙劑的沙的表面其潮濕度明顯超過未噴灑的沙面，證明其具有一定的吸濕性。
4固化速度、固化層厚度和強(qiáng)度可以人為控制該固沙劑使用時和硬化劑溶液混合后，從開始混合到開始固結(jié)硬化的時間可以根據(jù)施工時限的需要，通過調(diào)整硅酸鈉溶液的濃度和硬化劑的濃度人為任意調(diào)整，如可從5分鐘到3個小時；固化層的厚度可根據(jù)需要通過加入該固沙劑的量的大小來控制，加入量大，滲透深則固化層深。該固沙劑的特點(diǎn)是能滲透多深則固結(jié)多深，一般厚度為3-10毫米；固化層的強(qiáng)度可通過調(diào)整硅酸鈉溶液的濃度和固化劑的種類來實現(xiàn)4、固結(jié)層保持時間長室外試驗已達(dá)90天之久，風(fēng)吹雨淋仍完好。將固結(jié)試塊經(jīng)激冷激熱試驗，反復(fù)30次仍完好(實驗條件為攝氏40度的烘箱，零下20度的冰柜)。理論推斷，硅酸鈉固結(jié)后在空氣中可長時間保持其強(qiáng)度與穩(wěn)定性。
5環(huán)保無色、無味、無毒性，對土壤污染小該固沙劑的化學(xué)成分為硅酸鈉水溶液，無色無味無毒性，顯堿性，PH值一般為13-14，硬化劑水溶液顯酸性，如PH值4-5，兩種溶液混合噴灑到沙地后所固結(jié)的沙層的顏色可以為沙地原色，固結(jié)層呈堿性，但與固沙劑的相比有所降低，PH值一般從13-14降到10-11，如有要求堿性更低，可在后期于固化層表面噴灑如磷酸等之類的酸性水溶液中和其堿性，經(jīng)試驗可將PH值降到7-8，且對固結(jié)強(qiáng)度有增強(qiáng)趨勢。對固結(jié)后經(jīng)受70天時間，經(jīng)受過20多次雨水澆灌后的實驗沙地，在固化層表面取沙樣測試其PH值為10，下10毫米處取砂樣測試其PH值為9，下20毫米處取砂樣測試其PH值為8，30毫米處PH值為6-7，與未噴灑該固沙劑的沙子的PH值6-7相同，證明該固化劑固結(jié)后其堿性遷移很小。
6不妨害植被生長該固沙劑噴灑流沙表面后使流沙表層固結(jié)，從而使得流沙穩(wěn)固，有利于后期種草栽樹，還由于該固沙劑固結(jié)后的沙層具有較好的滲水性和保濕性，使得草籽易于發(fā)芽生長、樹苗易于成活生長，且使得澆水施肥的效能增強(qiáng)。
試驗(1)在沙地表面先播種紅豆和綠豆種，然后噴灑該固沙劑，一周后發(fā)芽，從未澆水，兩種禾苗生長旺盛。
(2)在噴灑過該固沙劑固結(jié)后的沙地，在固結(jié)層上打洞播種紅豆和綠豆，也同樣能夠很好發(fā)芽與生長。
(3)將該固沙劑噴灑到綠化草地的草上和菜地的蘿卜苗上，經(jīng)觀察對綠草和蘿卜苗的生長無影響。
7、便于施工由于該固沙劑在和硬化劑混合后至開始固化時間(即可使用施工時間)可人為控制，從而能夠?qū)崿F(xiàn)人工噴灑、機(jī)械噴灑或飛機(jī)噴灑，并由于其無味無任何毒性，施工時無需任何防護(hù)，對噴灑工具只要求耐堿腐蝕即可。
8、便于保存該固沙劑的粘接劑和硬化劑分別防止時刻長期保存，無需特殊防護(hù)。
9、價格低廉用本固沙劑噴灑一平方米沙地僅需3公斤，平均固結(jié)層厚可達(dá)3-7毫米，其原料費(fèi)用約一元人民幣，一畝沙地僅需667元人民幣的材料費(fèi)用，一平方公里即100萬元，如果以我國約50萬平方公里的流沙面積全部用該固沙劑噴灑一遍來計算其材料費(fèi)約為5千億元人民幣。隨著用量增大，生成的增加，一定也可以使使用成本大大降低。
10、固沙劑的性能可根據(jù)需要調(diào)整如果對固結(jié)層還有其他要求如保暖性或含有肥料性等均可通過調(diào)整改善固沙劑的性能來實現(xiàn)。如在固沙劑里加入適量的發(fā)泡劑，增加固結(jié)后的空隙率，能有效提高固結(jié)層的保溫性；加入磷肥等化肥，可使得固結(jié)層有肥料性。
上述試驗所用粘接劑為從市場購買的水玻璃，其模數(shù)為3.3，加50％的水稀釋成水溶液，硬化劑為有機(jī)酯加50％水稀釋而成，硬化劑加入量為粘接劑水溶液的5％。
上述參照具體實施方式
對發(fā)明的描述只是說明性的，而不構(gòu)成對它的限定。顯然，在本發(fā)明的基礎(chǔ)上可以對發(fā)明進(jìn)行許多改進(jìn)或變型，但并不脫離用硅酸鈉水溶液作為固沙劑的本質(zhì)。
權(quán)利要求
1.硅酸鈉水溶液作為固沙劑的用途。
2.一種固沙方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)在硅酸鈉水溶液中加入硬化劑并攪拌均勻；(2)將上述混有硬化劑的硅酸鈉水溶液噴灑于沙表面，然后固化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的固沙方法，其特征在于，所述的硅酸鈉水溶液中加有發(fā)泡劑。
全文摘要
本發(fā)明涉及硅酸鈉水溶液作為固沙劑的用途以及使用硅酸鈉水溶液作為固沙劑的固沙方法，該方法是在硅酸鈉水溶液中加入硬化劑并攪拌均勻，然后將其噴灑于沙表面，然后固化。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明的固沙劑硅酸鈉水溶液價格低，原料來源廣泛，污染小，固沙操作方便，而且可以通過調(diào)整硬化劑的種類、硅酸鈉水溶液的濃度來控制固化的時間和固化的程度。
文檔編號E02D3/12GK1766237SQ20041008627
公開日2006年5月3日 申請日期2004年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月29日
發(fā)明者秦升益, 張偉民, 胡艷芳 申請人:北京仁創(chuàng)制造技術(shù)研究院