CN102229804A - 一种黏土基复合固沙材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种黏土基复合固沙材料，属于防沙固沙技术领域。该黏土基复合固沙材料以黏土、水玻璃、路易斯酸、有机高分子等为原料，按一定的比例混合，加水配制成一定浓度的溶液后，喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮；或先将黏土和沙子按一定的比例混合均匀，堆放成格子，再在其表面喷洒由水玻璃，路易斯酸、有机高分子和水配成的溶液，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮，制备成防沙固沙黏土格。本发明固沙材料的结皮抗压强度高，渗水性好、耐候性强，固沙效果好；原料易得，固沙过程简单，成本低，适合于在沙模地区大面积推广。

Description

一种黏土基复合固沙材料

技术领域

    本发明属于防沙固沙技术领域，涉及一种固沙材料，尤其涉及一种黏土基复合固沙材料。

背景技术

我国是沙漠化现象十分严重的国家之一，沙漠化对我国经济发展和社会进步造成了十分严重的影响，造成沙漠化的重要因素之一就是沙丘的流动，侵占了大量的良田，因此沙体固定，防止现有沙模面积扩大是一项紧迫的任务。

自20世纪50年代，我国科研工作者已摸索出了100多种沙漠化治理技术和防治模式。采用的方法主要有工程固沙、植物固沙和化学固沙等几类。工程固沙是指机械沙障固沙，主要采用柴、草、树枝、粘土、卵石、板条等材料，在沙面上设置各种形式的障碍物，以此控制风沙流动的方向、速度、结构、改变蚀积状况，达到防风阻沙，改变风的作用力及地貌状况等目的。其劳动强度大、施工进度慢是其主要缺点。植物治沙是根据植物对流沙的不同适应功能，研究在流沙上恢复和建立植被，以达到防沙治沙的目的。用植物治理流沙，根本的问题是如何使植物在流沙上成活和保存。干旱、贫瘠、严寒、酷热、病虫兽害以及流沙本身的活动性引起的风蚀、沙埋、沙割等使植物治沙面临严峻的考验。化学固沙技术因其高效、廉价、快速、方便而日益受到关注。

传统的化学固沙材料可分为：水泥浆类、石油产品类和高分子聚合物高吸水树脂类。新型化学固沙材料及其技术在考虑固沙效果的同时，更为重视材料制备和使用过程中的生态环境协调性，使其具有使用性能优良、资源与能源消耗少、与环境相容性好等优点，是今后防沙固沙材料的主要发展方向。

中国专利ZL00109093.3公开了一种聚丙烯酰胺保水剂和膨润土组成的粉末固沙剂，但是由于制备材料结皮强度较低，难以达到稳定固沙的要求。中国专利CN101665698A公开了一种凹凸棒黏土基复合液态固沙材料，其抗压强度低，耐候性较差，不适合实际应用推广。 中国专利CN1766237A公开了使用硅酸钠水溶液作为固沙剂的固沙方法，水玻璃由于自身胶凝速度缓慢、粘结性不理想、耐酸性差，对土壤pH的破坏等缺陷，会出现沙块成型效果差、力学性能低，耐水效果差等问题。因此需要加入固化剂与水玻璃发生反应促进交联、缩合，提高固沙材料的各种性能。硅酸盐通报2010年第29卷第3期报道了水玻璃、氯化铝溶液作粘结剂和固化剂制备的固沙材料，结果表明随着铝盐浓度增加，固沙材料热稳定性增强，沙粒间的粘结效果增强，但该材料成本高，制备工艺复杂，不适合工业化及大面积推广。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中存在的问题，提供一种结皮抗压强度高，渗水性好，耐候性强，成本低廉的黏土基复合固沙材料。

本发明的黏土基复合固沙材料，是由以下原料和工艺制备而成：

原料：以重量份计

黏土： 2~9份，水玻璃0.01~0.05份，路易斯酸0.02~0.15份，有机高分子材料0.01~0.08份。

制备工艺：将上述原料混合，加水配制成固含量为5~30%的溶液后，喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮；或先将黏土和沙子按1:5~1:10的重量比混合均匀，堆放成格子，再在格子表面喷洒由水玻璃，路易斯酸、有机高分子和水配制成固含量为5~30%的溶液，然后在露天环境让其自然干燥，形成固结皮，制备成防沙固沙黏土格。

所述黏土为黄土、红土、高岭土、蒙脱土、坡缕石中的至少一种。

所述水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃。

所述路易斯酸为氯化铝、聚合氯化铝、氯化硼、氯化硅、氯化铁中的至少一种。

所述有机高分子材料为聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、改性纤维素、改性淀粉、植物秸秆或改性植物秸秆。

所述改性纤维素主要是指天然纤维素经过化学改性得到的纤维素醚类、纤维素接枝共聚物等，如甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素，羧甲基纤维素接枝丙烯酸、丙烯酰胺等。

所述改性淀粉为淀粉与丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、偶联剂的接枝共聚物。

所述植物秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、马铃薯秸秆、水稻秸秆或高粱秸秆。

所述改性植物秸秆为植物秸秆与丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、偶联剂的接枝共聚物。

所述格子为六边形格子或拱形格子。六边形格子应用在较为平坦的沙漠地带，拱形格子用在沙丘的迎风坡。六边形和拱形格子可以提高沙地表面的粗糙度，削减风力，使之无力携走疏松的沙粒。同时有截留降雨雪的作用，尤其是对冬季的降雪，更能够控制在原地而不被风吹走，因此提高了沙层含水量。

下面通过实验对本发明固沙材料的性能进行测试。

1、抗压强度测试

采用堆载法测量固结皮的抗压强度：取制备的固结皮放置在沙堆上，在固结皮的上放置一圆柱体，再在圆柱体的上端面放置砝码，直至固结皮破裂为止。

测试结果：实验测得固结皮的厚度在3~5mm时，抗压强度可以达到0.1~4MPa。在20次融冻循环下，强度损失不超过20%。说明本发明的固沙材料具有较高的抗压强度。

2、透水性测试

采用小型降雨器对固结皮均匀洒水，用秒表记录固结皮的透水时间。

测试结果：实验测得固结皮的厚度在3~5mm时，透水时间可以达到2~8 秒。

上述实验说明，本发明的固沙材料的主要成份为黏土，在形成固结皮时可以和水玻璃、路易斯酸和高分子形成互穿网络结构，对雨水具有渗透性，同时可以减少水分的蒸发。但是，强度越大的固结皮，它的渗透性越差。这是由于强度大的固结皮沙粒的粘结情况较好，薄壳的空隙率小，这也是固结皮强度大的主要原因。结皮再次干燥形成固结皮后其抗压强度降低约为20%。可能是由于部分有机物和无机物随水渗到沙子中的缘故。虽然固结皮的抗压强度降低了，但是沙中有机物和无机物的含量增加，同样增强了防风固沙的能力。

3、耐老化性能测试

采用紫外光老化法测定固沙材料抗老化性能：将固结皮放置紫外老化箱中，在60W 紫外灯连续照射240小时后，测定试样的强度。

测试结果：固结皮强度降低不大于0.5%。说明本发明的固沙材料具有很好的抗老化性能。

4、显微镜表征

图1为本发明固结皮的显微镜照片。从图1可清晰的观察到固化以黏土为主要成分的固沙剂沉积覆盖在沙粒表面，沙粒间空隙全部被其填充，并在沙的表面形成一层膜；固沙剂在沙粒空隙间的渗透的过程中，在重力作用下迫使沙粒间的气体向外排出，从而使结皮在固化的过程中出现气孔。

本发明相对现有技术具有以下优点：

1、本发明固沙材料的结皮抗压强度高（完全满足国际通用标准），渗水性好、耐候性强，固沙效果好。

2、本发明固沙材料的主要成份为黏土，对沙丘中的灌木、苔藓、地衣等提供良好的营养成分；该固沙材料在形成固结皮时可以形成互穿网络结构，对雨水具有渗透性，同时可以减少水分的蒸发，对沙丘中的灌木、苔藓、地衣等提供水分。

3、本固沙材料原料易得，固沙过程简单，成本低（按形成固结皮厚度3~10mm计算，固沙成本仅为0.2~0.6元/m²），适合于在沙模地区大面积推广。

附图说明

图1为本发明固结皮的显微镜照片

 具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明固沙材料的制备作进一步说明。

实施例1

取黄土3份，钠水玻璃0.01份，氯化铝0.02份，聚丙烯酰胺0.01份，混合均匀后用水配成固含量为10%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到0.12MPa；

透水性：2秒内水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例2

取黄土6份，钠水玻璃0.02份，氯化铝0.05份，聚丙烯酰胺0.03份，混合均匀后用水配成固含量为15%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到0.21MPa；

透水性：3秒内水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例3

取红土3份，钾水玻璃0.03份，氯化铝0.8份，甲基纤维素0.03份，混合均匀后用水配成固含量为20%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到1.3MPa；

透水性：4秒内水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例4

取红土9份，钠水玻璃0.04份，聚合氯化铝0.09份，羧甲基纤维素0.07份，混合均匀后用水配成固含量为5%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到3.5MPa；

透水性：5秒内水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例5

取蒙脱土5份，钠水玻璃0.01份，氯化硼0.02份，纤维素0.05份，混合均匀后用水配成固含量为25%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到1.5MPa；

透水性：4秒内水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例6

取蒙脱土7份，钠水玻璃0.03份，氯化硼0.08份，腐植酸0.08份，混合均匀后用水配成固含量为18%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到2.7MPa；

透水性：3秒内，水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例7

取坡缕石5份，钾水玻璃0.04份，氯化硅0.06份，壳聚糖0.05份，混合均匀后用水配成固含量为20%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到3.1MPa；

透水性：5秒内，水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例8

取坡缕石9份，钠水玻璃0.05份，氯化铁0.10份，改性玉米秸秆0.08份，混合均匀后用水配成固含量为30%的溶液，均匀地喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮。 

固结皮的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到3.7MPa；

透水性：5秒内，水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例9

将黏土9份和沙子90份混合均匀，堆放成六边形格子（外边长70cm，底宽15cm， 顶宽10cm，高10cm)；再在其表面喷洒由钠水玻璃0.05份、氯化铝0.05份、改性淀粉0.08份和水20份配成的溶液，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮，制备成防沙固沙黏土格。

黏土格的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到3.7MPa；

透水性：5秒内，水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

实施例10

将坡缕石5份和沙子30份混合均匀，堆放成拱形的格子（外径70cm，底宽15cm，顶宽10cm，高10cm）；再在其表面喷洒由钠水玻璃0.04份、氯化铝0.06份、聚乙烯醇0.05份、水20份配成的溶液，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮，制备成防沙固沙黏土格。

黏土格的抗压强度：厚度在5mm时，抗压强度达到3.7MPa；

透水性：5秒内，水完全浸透固结皮。

耐老化性：在60W 紫外灯连续照射240小时后，固结皮的强度降低不大于0.5%。

Claims (10)

1.一种黏土基复合固沙材料，是由以下原料和工艺制备而成：

原料：以重量份计

黏土： 2~9份，水玻璃0.01~0.05份，路易斯酸0.02~0.15份，有机高分子材料0.01~0.08份；

制备工艺：将上述原料混合，加水配制成固含量为5~30%的溶液后，喷洒到沙的表面，在露天环境让其自然干燥，形成固结皮；或先将黏土和沙子按1:5~1:10的重量比混合均匀，堆放成格子，再在格子表面喷洒由水玻璃、路易斯酸、有机高分子和水配制成固含量为5~30%的溶液，然后在露天环境让其自然干燥，形成固结皮，制备成防沙固沙黏土格。

2.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述黏土为黄土、红土、高岭土、蒙脱土、坡缕石中的至少一种。

3.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述水玻璃为钠水玻璃或钾水玻璃。

4.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述路易斯酸为氯化铝、聚合氯化铝、氯化硼、氯化硅、氯化铁中的至少一种。

5.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述有机高分子材料为壳聚糖、聚乙烯醇、腐植酸、聚乙二醇、聚丙烯酸、聚丙烯酰胺、改性纤维素、淀粉、改性淀粉、植物秸秆或改性植物秸秆。

6.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述改性植物秸秆为植物秸秆与丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、偶联剂的接枝共聚物。

7.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述改性纤维素为甲基纤维素、乙基纤维素、羧甲基纤维素、羧甲基纤维素接枝丙烯酸或丙烯酰胺。

8.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述改性淀粉为淀粉与丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、偶联剂的接枝共聚物。

9.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述植物秸秆为玉米秸秆、小麦秸秆、马铃薯秸秆、水稻秸秆或高粱秸秆。

10.如权利要求1所述黏土基复合固沙材料，其特征在于：所述格子为六边形格子或拱形格子。