李美兰，龚 伟，祝凤雯，杨 萌，刘白玲

（1.商洛学院，陕西 商洛 726000；2.中国科学院成都有机化学研究所，四川 成都 610041）

目前，沙漠化问题已经引起了人们较大关注，尤其自中国实施西部大开发战略以来，人们对固沙技术和固沙材料的需求已经越来越紧迫[1-2]。固沙技术主要可分为工程固沙、生物固沙和化学固沙3类[3-4]。其中，工程固沙技术[5]与生物固沙[6-7]技术都费时费工，操作极慢，而且固沙效果差、造价极高，没有得到普遍的推广。化学固沙具有耗时短、效果佳、成本低廉的优点，且施用现有固沙材料后，能实现保水效果，促进沙土植物及微生物的生长，最终达到改良沙漠化土地的目的。这些优点使其日益受到人们重视，成为最有发展潜力的固沙方法[8]，但很少有人对化学固沙材料的固沙作用机理进行深入与系统的研究。本研究将从化学固沙原理出发，深入分析化学固沙剂与沙粒之间固化过程的作用机理。

1 化学固沙原理

化学固沙就是利用具有一定化学胶结性能的物质，即固沙材料，喷洒于沙土表面后，经渗流进入沙土孔隙。在下渗过程中，部分胶结粒子被沙粒吸附，随后经过水分蒸发干燥，胶结粒子间自由空间减小且相互挤压融合，在沙土的孔隙中相互连结形成网络状的胶体。胶体将松散的沙颗粒紧密连结为一体，当受到外力作用时，沙颗粒不再轻易发生滑动，宏观上表现为整体形成具有稳定机械强度的固结层[9]，作用过程如图1所示。

图1 固沙材料固沙作用过程

固沙材料的使用，促使沙土系统发生3个方面的变化，具有稳定的机械强度：（1）沙颗粒之间的连接方式，由无连接或弱连接变为胶结连接，形成接触式胶结结构；（2）沙颗粒之间的传动方式，由个体的滑动转动变为整体牵扯联动；（3）沙体系结构，由松散的颗粒堆积结构变为胶-沙一体化结构。

2 化学固沙的固化过程机理

固化过程是化学固沙剂在沙面固结的主要环节，表现为分散介质随蒸发逐渐减少，胶粒之间的自由空间逐渐被压缩，胶粒互相靠近，直至打破斥力相互融合凝结。在固化过程中，不同粒径的化学固沙分散液，均能不同程度地减小沙地表面孔隙孔径，粒径最小的部分可以自由穿过孔隙向下渗透，粒径中等的部分在通过时受到阻碍，部分粘结进而减小孔径，而粒径大的部分无法进入孔隙，在孔隙表面堆积堵塞孔隙。由于接触角的关系，在水分减少的过程中会形成弯月形水膜，水膜两端聚集大量胶粒，水膜从中间断开后，胶粒会随着残余水分分散到沙粒界面并失水融合，沙粒与固沙材料之间形成黏附力（见图2）。

图2 沙粒与固沙材料之间的固结情况

胶粒失水干燥过程中发生体积收缩，将产生向心的收缩力F1，胶-沙界面黏合力为F2，沙粒移动阻力为F3，结果如 图3所示。

图3 胶-沙界面受力分析

三者存在如下关系：

（1）F2＞F3，F1＞F2，胶-沙界面合力为F=F1－F3＞0，沙粒随着胶粒收缩移动；

（2）F2＞F3，F1＜F2，胶-沙界面合力为F=F1－F3＜0，胶粒离心收缩，沙粒不动；

（3）F2＜F3，F1＞F2，胶-沙界面合力为F=F1－F2＞0，沙粒不动，胶粒向心收缩，产生剥离；

（4）F2＜F3，F1＜F2，胶-沙界面合力为F=F1－F2＜0，胶粒离心收缩，沙粒不动。

以上4种情况，在固结层里是可以同时存在的，并存在于沙粒胶接处的不同部位。当大部分胶粒对沙粒的黏附力都较大时，胶粒收缩可以拉动沙粒，形成的固结层可以有效地缩小沙粒间的孔隙；如果大部分胶粒对沙颗粒都不能产生足够的黏附力，则在胶粒体积的收缩过程中无法对沙颗粒进行牵引，导致新形成的胶体大面积脱离沙颗粒表面，无法形成紧密连结的胶-沙体系。

3 结语

沙子的主要成分是硅酸盐，不同化学成为组成的固沙材料与沙粒产生的黏附力，能够起到较好的固沙效果。首先，需要固沙材料分子链与沙粒表面具备能够相互润湿、渗透和吸附的基团和离子；其次，固化过程是化学固沙剂在沙面固结的主要环节，通过不同物理及化学方式，形成连续片状的沙面固结层。因此，化学固沙作用机理既包含简单的物理、化学过程，也包含许多物质结构、胶体化学等方面的问题，是一个比较复杂的过程。研究化学固沙剂的固沙作用，可以了解不同化学固沙剂的性能，不仅对筛选和应用优良化学固沙剂起到一定的技术参考作用，还有助于为新型固沙剂的研制提供参考。