CN1028179C - 石化固沙防尘、筑路及建屋的方法 - Google Patents

Abstract

把沙漠及戈壁滩的松散沉积物表面做人工石化处理，使其变成坚硬的砂质岩石，以防治风沙危害。同时利用此技术修筑沙质公路和修筑沙丘屋等，为开发利用沙漠的砂资源、其它矿产资源和旅游资源提供了有利条件。本项技术与传统的治沙工程相比，具有成本低、物源广、施工简便、见效快、效果好及经济效益显著等优点。

Description

本发明涉及使沙漠迅速石化变成坚硬的砂质石，成为固沙防尘，在沙漠中筑沙质公路和建沙丘屋的石化固沙方法。

干旱、半干旱地区的一个突出问题是沙漠化，沙漠化主要是通过沙漠边缘沙丘和沙子的迁移造成的。沙漠正以每年1-10米甚至更快的速度蔓延扩大。许多古代绿州及古城堡被流沙埋没了。沙漠地区的大片可耕地、草场、城镇和村庄正在被沙漠年复一年地蚕食，因而固定沙丘、锁住沙龙是人类所面临的紧迫而严峻的任务。

现有的治沙方法主要包括工程治沙和植物治沙两大类。所谓工程治沙是用柴、草、粘土、板条、席笆、卵石或沥青乳剂和高分子聚合物等设置障碍或辅压遮蔽的方法阻沙固沙。这种方法受资源和条件的限制只在少数地区可用，但费用较高，而植物治沙法生产周期长、见效慢，治沙效果在一些地区也不够理想。

本发明的目的在于提出一种利用化学胶结作用，使沙漠迅速石化的固沙方法，并把治沙和用沙结合在一起，既除弊又兴利，为解决目前面临的严重沙患，提出一种简便易行的解决方案。

本发明人从地质厉史上砂转变成砂岩的机理中受到启发，提出一种利用化学胶结作用使沙漠迅速石化的方法，借以固定流沙及防止风沙危害。化学胶结物是碳酸盐和石英。寻找一种富含这些组分，又在常温、常压下能迅速沉淀出胶结物的溶液是实现沙漠迅速石化的关键。本发明人经过多次实验和比较，确认水玻璃是较理想实用的材料。水玻璃是一种既有胶体的特征，又有溶液特性的胶体溶液。在该体系中，二氧化硅的聚集体是硅酸钠溶液（水玻璃）中胶粒的胶核，具有很强的吸附性。在此溶液中胶核周围吸附有SiO^2- ₃离子和Na⁺离子，形成吸附层，成为带负电荷的胶粒。在该胶粒的周围还松 弛地吸附了一部分带相反荷的Na⁺离子，形成扩散层。在溶液中硅酸钠胶体的结构一般可表示如下：

硅酸钠胶体质点表面带电是使胶体得以长时间保持稳定的主要原因之一。当这种胶体溶液遇到电解质的相反电荷时，胶粒表面的电荷被中和、分散的胶体就会相互凝聚沉淀。

能使水玻璃发生聚沉作用的物质称之为胶凝剂，例如氯化钙，当其水溶液与水玻璃相遇时，于接触界面立即发生如下所示的反应：

硅酸凝胶

反应中生成的硅酸凝胶在常温下脱水形成一种非晶质的SiO₂-蛋白石，在显微镜视域中可以看到这种蛋白石胶结物的颗粒之间呈桥形，新月形及班块状胶结。从而起到固定沙粒的作用。

本发明方法包括：

1.于-2℃以下的自然气候下，选用合适浓度的石化固结剂和胶凝剂溶液，先后喷洒到流沙表面或戈壁滩上，或者按照筑路、建屋墙、屋顶的要求，喷洒和灌注到沙质路基或沙丘面上和它们的内部，使沙固结成坚硬的石化层或石化的屋墙、屋顶形。石化固结剂与胶凝剂的体积比为（4-10）∶（2-6）。

2.所述的石化固结剂为25-50℃Be′（波美度）硅酸钠溶液即水玻璃。

3.可用的胶凝剂包括：20-40%（重量）的氯化钙水溶液、盐酸合剂水溶液，其组成和各组分的重量比为：FeCl₃∶AlCl₃∶MgCl₂∶ CaCl₂∶HCl＝（2-8）∶（1-6）∶（0-5）∶（3-16）∶（3-20）、水灰体积比为0.5∶2.0的水泥浆、5-30%（重量）的氟硅酸或其钠盐的水溶液、浓度为100-190克/升（以含铝量计）的铝酸钠水溶液。

本发明使用的胶凝剂主要特点是：

1.氯化钙水溶液

氯化钙与水玻璃的反应极为迅速，胶凝时间较难控制，所以现在已很少有人使用它为胶凝剂。但是本发明正是要利用氯化钙的这种性质，因为它胶凝迅速，加上它与水玻璃反应后的石化产物抗压强度甚高（30-60千克/厘米²），价格又低廉，所以是本发明首选的胶凝剂之一。它的使用浓度范围为20%-40%（重量）。

2.盐酸合剂水溶液

这是本发明首创的一种胶凝剂。它的组成如表1所示。

表1.盐酸合剂的化学组成

物质 FeCl₃AlCl₃MgCl₂CaCl₂HCl

重量%    2-8    1-6    0-5    3-16    3-20

实验证明，这种盐酸合剂比氯化钙溶液的胶凝剂效果更好。因为不仅其中的每种组分都有胶凝作用。而且盐酸还可以与沙子中的碳酸盐岩屑起反应，生成二氧化碳气体。二氧化碳本身也是一种使水玻璃产生高固结强度（10-30千克/厘米²）的胶凝剂，而且当它向上逃逸时，还有促使水玻璃溶液与盐酸合剂充分混合的作用，增强固结效果。这种盐酸合剂可以从工业副产品中获得，它的成本仅相当于30%氯化钙水溶液的四分之一。

3.氟硅酸水溶液

使用浓度5-30%，它的优点是溶液粘度比较低（3-5厘泊），胶凝时间可以在几秒至几十分钟范围内调节，抗压强度仅次于氯化钙（20-40千克/厘米²）。

4.铝酸钠水溶液

使用浓度（以含铝量计）为100-190克/升，胶凝时间可在几十秒至几十分钟内调节，抗压强度较低（5-15千克/厘米²）。

另外，根据各使用地区的材料来源，还可以选用氟硅酸钠、磷酸、重碳酸钠、氯化铵、草酸、硫酸铝、有机酸盐类的水溶液。

本发明方法在沙漠地区或壁戈滩用于固定流沙、防尘危害、建沙屋、修沙质公路等，效果突出，具体方法和操作如下：

1.沙漠地区固定流沙

这一固定流沙的方法是将配好的水玻璃溶液先喷洒的流动沙体的表面上，而后再于该表面上喷洒氯化钙溶液，使沙体表层1-2公分厚的松散沙粒固结成石化层，便可有效地防止沙粒的飞扬和沙体流动迁移。

固定沙丘是需把施工面局部弄平，然后如上所述先喷洒水玻璃溶液，后喷洒氯化钙水溶液。水玻璃溶液的浓度需根据沙子的粒径分布和施工温度来确定。对于粗粒（大于0.5m）以上的沙子可将水玻璃与水泥合并便用。水泥浆的浓度（水灰比）可在0.5-2.0之间选择。水玻璃溶液的浓度范围为25-45°Be′，水溶液与水泥浆的用量体积比为0.4-1∶1。将配好的两种浆液同时或先混合喷洒于平整的沙体表面上，数分钟内即可使沙表层固结。

施工所用的设备比较简单，只需将带用控制溶液流量装置的容器分别盛水玻璃和氯化钙即可。按上述方法，石化1-2厘米厚的表层即可经得住人畜的踩压。

2.戈壁滩防尘沙危害

戈壁滩由大小石块和沙土混杂堆积而成。由于水资源有限，戈壁滩上的城镇、村庄绿化面积很小，许多居民区（特别是新区）不得不直接暴露于不毛之地上。每遇刮风天气，尘沙随风流动飘扬，无孔不入，给生活在这些地区的人们的健康及各种机械、仪表等都造成了严重威胁。例如象敦煌那样的旅游城市、防止尘沙危害是一个十分紧迫的任务。在城市内部和周边，把非绿化的滩地都施行 表层石化处理，将会有效地减轻流沙尘沙的危害。

戈壁滩的施工方法非常简便。用两辆洒水卫生车分别装满调配好的30-40°Be′的水玻璃和25-35%（重量）的氯化钙溶液。一辆车先喷洒水玻璃溶液，第二辆车在第一辆车喷洒过水玻璃溶液的面积上立即喷洒氯化钙溶液，便可达到固滩防尘的目的。

3.修建沙丘屋

新月型沙丘的天然形态很适合于建造独具一格的沙丘屋。这种沙丘屋对于沙漠地区的居民点、旅游点或临时工程营地都有实用价值。

修建沙丘屋的方法如下：

1）建屋墙

选择大小和高度合适的沙丘，首先建屋墙。屋墙施工采用钻孔灌浆方法。钻孔的布置如图1所示，a号孔灌水玻璃溶液，b号孔灌氯化钙溶液。钻孔的间距应根据沙粒的大小、溶液粘度等因素决定。一般可在0.3-0.8米之间选择。钻孔灌浆管的设备如图2所示。注浆管由管尖（1）、有孔管（2）、无孔接长管（3）、带阀门的上管（4）组成。管尖为25°-30°的圆锥体，尾部有丝扣（5）。有孔部分的长度可在0.2-0.6米之间选择。孔眼直径为1-3mm，孔眼间距为20-60mm，孔眼应加工成内大外小的喇叭口形，分四排交叉排列。无孔接管长0.8-1.2m，两端有丝扣，管头有阀门（7）控制注浆量。管头上端可视施工条件用软管或钢管与储浆筒或送浆泵相接，也可直接用漏斗向管内倾倒浆液。注浆时接图1的孔眼位置先后将充满水玻璃和氯化钙水溶液的注浆管逐渐向下插入沙体中，靠管内液的压力使溶液进入周围沙层。插入的速度应通过实验确定，以两个水玻璃管中的溶液扩散能相互接触为宜。灌注到预定深度后提出钻杆。钻杆提出表面以后，围绕每个水玻璃灌浆管形成一个石化柱，各柱相互接触便形成石化墙壁。三个墙壁灌注好以后，便可以做屋项的施工了。

2）建屋顶

屋顶采用多层石化法施工。即用前述的固定流沙的方法， 每次约可以石化2-5cm。第一层浇灌好后，在上面再铺上一层沙子，然后再分别浇灌水玻璃和氯化钙，使第二层沙也发生石化。如此继续石化第三层、第四层……，直至达到预定的厚度为止。约石化10-30厘米就足够了。

3）室内施工

在墙壁和屋顶注好至少两天以后，掏出它们所形成的屋子内的沙子，装上门窗即成为所述的沙丘屋。扫去内壁和屋顶上的未固结沙以后，就可象普通房屋那样做内墙皮和顶棚的装修。

4）修筑沙质公路

我国沙区公路仅限于沙漠边缘和无沙丘的间隙地带。这些公路都是有各种土类为路基的，它的施工方法与一般道路没有不同。本发明所述的沙质公路特指以松散流沙层为路基的施工方法，它的路基、路面基层都是以沙漠沙为基本材料筑成。这种公路就地取材、施工简便、成本也较低。它可使过去只能以骆驼队为交通工具的荒漠地带可以任汽车纵横弛骋。这对于开采沙漠区的石油、地下水及其它隐伏矿床提供了条件，也为开发沙漠的旅游提供了可能。

修筑沙质公路的主要技术措施是：

1.路基的施工

根据沙的堆积紧密程度和流沙层的厚度，来设计路基的厚度和宽度。路基的宽度比普通道路大得多，大约至少需要是路面的两倍宽。

路基的施工可采用任何可行的方法进行压实，使松散支撑的沙粒互相紧密堆积起来。在有条件的地方可考虑掺合一些粘土和其它渣土一起压实，路基会更稳固。在经过压实的路基上，选择路面和路肩的两侧边界线间隔地布置钻孔（如图1），施行钻孔灌浆（如上述建沙丘屋墙壁）。一组钻孔由两个水玻璃灌注孔，中间夹一个氯化钙灌注孔组成。每组孔钻之间的距离和钻孔深度可根据公路等级和路基性质来确定，一般可考虑每隔3-10米布置一组钻孔。钻孔的深度要超过压实层的深度。石化桩的作用有三种：①加固路基，② 防止道路侧向滑动，③固定路面、并提高路面的承重能力。

2.路面的施工

路面的施工采用多层石化法进行（如前述沙丘屋屋顶）。石化层的厚度可在15-60cm之间选择。一般临时性工程路面，只要在石化层表面做一些补强处理即可。如果是较长期使用的中高级公路。石化层可作为路面的下层，面层可考虑用水泥混凝土或沥青混凝土来铺筑。

荒漠被人称为死亡之海，另人生畏。但象敦煌月牙泉、沙鸣山一类奇观和沙漠中的著名古迹令人向往。因此选择有奇异景观和著名古迹的地方，建设沙漠公园或旅游路线显然是很有价值的。

修建沙漠公园，除可使用上述修沙质公路、建沙丘屋的技术以外，还可用本发明方法制造出各种沙雕塑、沙质亭台楼阁。

本发明方法的优点：

1.本发明把治沙和用沙相结合，把改造和利用相结合，从而可以达到兴利与除弊一举两得的目的。对于制止沙漠和沙地边缘的沙漠化。对于保护耕地、草场、居民区、文明古迹及沙漠地区的重要建筑（铁路、公路、水利工程等）都有重要意义。

2.本发明所用的材料价格低廉、来源广泛、施工方法简便、省工时、见效快、固沙效果好、经济效益显著。

3.本发明提供了修沙质公路的方案。这种公路硬化快，能随修随通车。这样各种石化工程的原材料和设备可随着公路的铺修而不断运到施工现场。因此，它的施工不象传统的机械治沙工程和植物治沙工程那样受施工地点和资源条件的限制。修一平方米沙质公路，以30厘米厚的石化层计算。其原料成本约18元，而平原地区修一平方米柏油公路成本为60元（据90年工程概算价格估算）。

4.从长远和大局考虑，如果动用国家有关部门的力量。把对华北地区的环境有严重影响的河套地区的几个沙漠（乌兰布和沙漠、库布齐沙漠和毛乌素沙地）全部或部分施行石化固沙处理，将从根本上改变这些地区的生态环境。

为了更清楚地说明本发明，列举了以下实施例，但这些对本发明的范围无任何限制。

实例1    表层石化实验

1.将一个直径9cm，高6cm的透明塑料圆圈置于一个砾石层上，圈内放入沙漠沙样，其粒径公分为：1-0.5mm，57.5%;0.5-0.25mm，21.5%;0.25-0.125mm，16.46%;＜0.125mm，5.5%。水玻璃溶液浓度45°Be′，氯化钙溶液浓度40%（重量），先浇入水玻璃，后浇入氯化钙水溶液，石化层厚度1.5cm，颗粒间可见白色胶结物。

2.按上述方法采用细沙样，其粒径分布为：1-0.5mm，0.16%;0.5-0.25mm，6.18%;0.25-0.125mm，63.90%;＜0.125mm，29.76%。水玻璃溶液浓度35°Be′，用黄河水稀释。胶凝剂为盐酸合剂，其各种组分的重量百分比为：FeCl₃∶AlCl₃∶MgCl₂∶CaCl₂∶HCl＝3∶2∶1∶8∶10。先浇入水玻璃溶液，后浇入盐酸合剂。石化层厚度1.2cm，石化物坚硬如石。

实例2    多层石化法室内实验

在圆形容器内先铺上2cm厚的细沙，然后分别浇入35°Be′的水玻璃溶液和氯化钙水溶液（30%重量），待两溶液渗透完以后，再铺上第二层细沙，重复以上的步骤。厚仅4.5厘米的石化盘，已能经得住重达40Kg的天然砂岩的重压。

实例3    薄层石化法野外实验

实验地点：内蒙古自治区，巴彦高勒县种子站以西1公理处沙漠。沙漠沙粒径为细沙（与实例2相同），使用36°Be′的水玻璃溶液，用量1000ml，22%（重量）的氯化钙溶液，用量900ml;用两把喷壶先将水玻璃洒于沙丘表面上，再于喷过水玻璃的表面上喷洒氯化钙水溶液，喷洒面积0.5m²，固结厚度1.5-2cm，30分钟后已能经得住人踩。

实例4    钻孔灌浆法室内实验

实验设备：三支移液管（相当于前述的钻孔灌浆管），用胶管将它们各与一干燥管连接。

实验步骤：①向两个干燥管内倒入33°Be′的水玻璃溶液，一个干燥管装入氯化钙水溶液（28%重量），用橡皮塞塞住干燥管的上管口。不使溶液流出。②在纸盒内装放细沙。将三个移液管的尖端按一定位置插入沙面。管的排列方式是水玻璃-氯化钙-水玻璃。每管之间的距离为3公分。③打开干燥管上端的橡皮塞，让溶液靠重力自然下渗。根据干燥管中液面下降的幅度控制移液下插的速度。当移液管插入3公分，管孔周围被均匀浸透以后，取出移液管，实验结束。

实验结果：过5分钟后，从沙中取出石化体，为两个不相连的柱状体，柱体高4-6厘米，直径约4厘米。过两天以后，在柱体底面垫上棉花，赤脚上去踩压，石柱体不破碎（人体体重为75公斤）。

实例5    使用氟硅酸水溶液作胶凝剂

设备和沙样与实例2的相同，将40°Be′的水玻璃溶液先灌入细沙中，待灌到预定深度以后，用滴管吸足20%（重量）的氟硅酸水溶液，插入到水玻璃灌注层的下部，轻轻挤压吸管顶端的橡皮球，使液体与沙中的水玻璃溶液混合。如此反复多次，直至将相当于水玻璃灌注量的氟硅酸水溶液全部注完为止。约10分钟后，沙开始硬结。氟硅酸水溶液适于作钻孔灌浆的胶凝剂。

实例6    使用水泥与水玻璃混合浆液

设备与实例1的相同，沙样改为粗沙，用0.5mm孔径的筛子将＜0.5mm的沙子筛出，只保留沙径大于0.5mm的粗沙。

按照水∶灰＝1.5∶1（体积）的比例配制水泥浆液，再配制45°Be′的水玻璃溶液。于浇入前将两液混合，迅速搅拌均匀，然后立即浇入沙面上。浆液渗透缓慢，表层有水泥积聚，石化体厚度0.5cm，强度高，表层水泥经20分钟后硬结。此方法适用于粗-极粗沙砾的表面石化处理。

实例7    铝酸钠水溶液作胶凝剂

设备用实例1，沙样为细沙。

配制30°Be′的水玻璃溶液，铝酸钠水溶液含量为100-130克 /升。水玻璃溶液与铝酸钠溶液的用量体积比为1∶1。

将水玻璃溶液与铝酸钠溶液先后浇入沙子中，经8分钟后开始硬结。

附图说明：

图1    钻孔灌注屋墙的孔眼布置图

a    水玻璃灌注孔

b    氯化钙水溶液灌注孔

图2    钻孔灌浆管示意图

1    管尖，便于将管子插入沙中。

2    带孔眼的下管，使液体由该管各孔眼流入沙中。

3    不带孔眼的接管，使灌浆管内保持一定液柱。

4    带阀门的上管，用输液泵时接此管。

5    丝扣，使1和2连接在一起。

6    孔眼，即溶液流出孔。

7    阀门，在有输液泵时，控制液体流入，也可以无此阀门人工灌注。

Claims (7)

1、一种石化固沙方法，其特征在于，所述的方法包括：

①于-2℃以上的自然气候下，选用合适浓度的石化固结剂和胶凝剂溶液，先后喷洒到流沙表面或戈壁滩上，或者按照筑路、建屋墙、屋顶的要求，喷洒和灌注到沙质路基或沙丘面上和它们的内部，使沙固结成坚硬的石化层和石化的屋墙、屋顶形，石化固结剂与胶凝剂的体积比为(4-10)∶(2-6)；

②所述的石化固结剂为25-50°Be′(波美度)的硅酸钠溶液即水玻璃；

③可用的胶凝剂包括：20-40%(重量)的氯化钙水溶液、盐酸合剂水溶液，其组成和各组分的重量比为FeCl₃∶AlCl₃∶MgCl₂∶CaCl₂∶HCl=(2-8)∶(1-6)∶(0-5)∶(3-16)∶(3-20)、水灰体积比为0.5∶2.0的水泥浆、5-30%(重量)的氟硅酸或其钠盐的水溶液、浓度为100-190克/升(以含铝量计)的铝酸钠水溶液。

2、按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的方法是：于5-50℃气温下，将石化固结剂35-45°Be′的水玻璃和25-35%（重量）的氯化钙水溶液或铝含量为100-130克/升的铝酸钠水溶液先后分别喷洒在沙漠沙上或沙径小于0.5mm的沙丘表面沙上，石化固结剂和胶凝剂的体积比为（4-10）∶（2-6）。

3、按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的方法是将石化固结剂45°Be′的水玻璃和水灰体积比为1.5∶1水泥浆分别或混合在一起喷洒在沙径大于0.5mm沙丘表面上，石化固化剂和胶凝剂的体积比为（9-10）∶（2-6）。

4、按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的方法是将石化固结剂30-40°Be′的水玻璃和25-35%（重量）的氯化钙水溶液分别喷洒在戈壁滩松散的沙表面上。

5、按照权利要求1或2的方法，其特征在于，所述的方法是：

①将石化固结剂水玻璃和胶凝剂氯化钙水溶液分别喷洒在压实平整的沙质路基面上，使之石化固结;

②在上述石化固结了的沙质路基上铺一层2-5公分厚的沙，而后如①在路基上分别喷洒石化固结剂和胶凝剂，如此反复重复数次，直到达到所要求的固结层厚度，成为沙质路面;

③沿两侧路基肩钻孔，依次于相邻的孔中一个灌注石化固结剂，另一个灌注胶凝剂，形成路基护柱。

6、按照权利要求1或2的方法，其特征在于，所述的方法是：

①将石化固结剂水玻璃和所选用的胶凝剂5-30%氟硅酸或其钠盐水溶液、或水灰体积比为0.5∶2的水泥浆，分别喷洒在压实平整的沙质路基面上，使之石化固结;

②在上述石化固结了的沙质路基上铺一层2-5公分厚的沙，而后如①在路基上分别喷洒石化固结剂和胶凝剂，如此反复重复数次，直到达到所要求的固结层厚度，成为沙质路面;

③沿两侧路基肩钻孔，依次于相邻的孔中一个灌注石化固结剂，另一个灌注胶凝剂，形成路基护柱。

7、按照权利要求1或2的方法，其特征在于，所述的方法是：

①将钻孔灌浆管按一定间隔在沙丘上依照屋墙的形式排列，即相邻近的两根灌浆管，其中一根为灌石化固结剂的，则另一根为灌胶凝剂的，相反的也一样，以此类推;

②于一根灌浆管中注入石化固结剂溶剂，于另一与之相邻的灌浆管中注入胶凝剂溶液，如此重复灌注，两种溶液扩散相遇，使沙石化固结成屋墙形式;

③在上述形成的石化固结墙包围的沙丘上分别喷洒石化固结剂和胶凝剂溶液，形成沙石化固结层，在其上铺2-4公分厚的沙，再如上分别喷洒上述溶液，如此重复多次，达到所需的石化固结层厚度，成为屋顶，挖出它与屋墙所包围的空间内未固结的沙子，则成为由沙丘建成的沙丘屋。