土壤凝结剂及其制备方法并在固沙中的应用 【技术领域】
本发明涉及一种土壤凝结剂，其制备方法以及它在固沙中的应用。
技术背景
固定流沙的方法有三种，即植物固沙、机械沙障固沙和化学固沙。目前，前两种固沙的方法已在我国沙漠地区的铁路，公路沿线及农田沙害防治中得到广泛的应用。但是这两种方法也存在固有的局限性。所谓的化学固沙法，就是在流沙表面喷洒胶结物质以固定流沙的方法，隔断沙粒与风的联系，在一段时间内，使流沙固定在原地种植各种沙生植物，亦是防沙治沙最有效的途径之一。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种土壤凝结剂。其主要成份含脲及PVA化工材料及水组成而形成的一种胶体。
本发明的另一目的在于提供土壤凝结剂的制备方法
本发明的进一步目的在于土壤凝结剂在固沙中的应用，即利用沙漠的自身资源，将流沙堆积成格状沙障，然后喷洒土壤凝结剂，在沙障的表面，使单颗粒的沙子胶结形成光滑而稳定的固结凹面，这种沙障不但可以起到隔离作用，而且还可以增加地表的粗糙度，稳定下垫面，为沙生植物的萌发、生长创造有利的环境条件。
本发明的技术方案可以通过以下措施来完成
一种土壤凝结剂是由6％PVA、0.6％(NH2)2CO、0.12％(NH4)2SO4 0.08％丙三醇、余量为水组成。该土壤凝结剂可由下述方法制备：将反应釜加热，当釜内水温达到50℃时，缓慢连续加入PVA，同时开动搅拌机，釜内水温达到80℃时，直到PVA全部溶解；然后缓慢在加入(NH2)2CO，搅拌均匀；再加入(NH4)2SO4，搅拌一段时间后，冷却至常温状态，加入丙三醇搅拌均匀后静置，即可得无色透明的土壤凝结剂。
a.土壤凝结剂理化性质
物理状态 胶体
外观 无色透明
溶解度 水溶性
PH值 6.02
b.其物化特性如下：
(1)浓度6％地原胶可当作胶水使用，无毒、无燃烧性；
(2)胶体呈网状结构，凝结后不溶于水，遇水有软化现象，干结后功能恢复；
(3)常温状态下可用矿化度的水任意稀释调配；
(4)喷洒到沙土表面后胶结成层，具有抗风蚀、水蚀能力，其抗压强度随固化剂浓度的提高而提高；
(5)抗老化能力在3年以上，分解后具有一定的肥效。
本发明与现有技术相比，具有的优点和有益效果是：
1、充分利用沙漠地区的沙资源，最大程度的体现“就地取材，以沙治沙”的思路。在沙面垄起格状沙障，土壤凝结剂是一种强力聚合物，具有独特的渗透、填塞效果，内含网状交叉的聚合物链，能在颗粒物质之间形成网格结构、增加颗粒之间的凝聚力，形成表面结皮，从而具有固沙，防尘与防水土流失的作用。
2、土壤凝结剂无毒、无可燃性，不污染地下水，不扰乱植物的正常生长，也不会影响土壤的酸碱度。
原料可从商业渠道获得，制备简单。本发明与其它治沙措施相比，不受材料限制、因地制宜、垄起隔障，耗费人工少，喷洒操作方便，覆盖面大，是一种行之有效的改变格障下垫面性质的防沙固沙措施。
3、土壤凝结剂喷洒到格状沙障，渗入沙层间隙，固化后在沙面形成一层保护壳，隔开气流对松散沙面的直接作用，达到防止地表风蚀、避免流沙移动的目的。
4、表1土壤凝结剂格状沙障与全面喷洒固沙效益比较
从表1可以看出，喷洒在堆积起沙垄上的粗糙度为全面喷洒的9.12倍，在流沙上设置沙障，将流沙隔断，沙垄从而到改变风沙流的运动条件，起到防沙治沙的目的。
5、表2同规格、不同工程固沙措施防固沙能力比较
从表2还可以看出，从风蚀沙埋的程度来比较，以1×1m的草方格和2×2m的土方格效果最佳，其次为土壤凝结剂格状沙障和1.5×1.5m的土工方格；从对风速及地表粗糙的影响程度分析，以土工方格沙障效果最明显，其次为草方格沙障和土壤凝结剂格状沙障，综合上所述，在各种工程治沙措施中，土壤凝结剂格状沙障不乏有它的应用价值。
下面结合实施例对本发明再做进一步的说明
将反应釜2500ml的水加热50℃时，缓慢连续加150gPVA，同时开动搅拌机，釜内温度达到80℃时，直到PVA全部溶解。然后缓慢加入15g的脲，均匀搅拌，与PVA发生醇胺缩合反应，再加入3g的硫酸胺，搅拌一段时间后，冷却至常温态，加入2g的甘油搅拌均匀后静置。便可得到无色透明的土壤凝结剂。
本发明的实验是在中国科学院寒区旱区环境与工程研究所风洞试验室进行的，风洞土壤凝结剂模型与野外观测土工沙障比例为1∶10。
实验前，用尺寸为99×44×4cm的模型沙盘，盘内分装腾格里沙漠沙丘沙，并在沙盘作成规格为10×10、15×15、20×20cm的格状沙障，沙障低宽4cm、高5cm，直接将稀释后浓度分别为20％、30％、40％的土壤凝结剂均匀喷洒在格状沙障的模型沙盘上，待形成固结层干燥后，在距风洞入口10.0-11.0m处沿风洞中线放置好模型沙盘，在气流速度分别为10、15、20、24m/s情况下进行观测，并用仪器自动读取数据；用电子天平称重并记录防风固沙数据。
表3是土壤凝结剂固沙层抗风沙侵蚀的试验情况土壤凝结剂浓度固结沙层平均厚度(mm)气流速度(m/s)风沙流持续时间(min) 积沙量(g)侵蚀情况10×10(am2)15×15(am2)20×20(cm2) 20％ 2 20 10 14 3 3.5局部有风蚀洞 20％ 2 24 13 13 4 2风蚀严重，一半以上面积被破坏 30％ 2 24 13 46 10 4表面无风蚀痕迹 40％ 2 24 13 23 7 5表面无风蚀痕迹
由表3可以看出，在气流速度为24m/s的情况下，浓度为30％的土壤凝结剂喷洒在10×10cm的格障，固结沙层抗风沙侵蚀效果最佳。
实施例2，土壤凝结剂制备方法同实施例1。将浓度分别为30％、40％的土壤凝结剂均匀喷洒在10×10cm、15×15cm的格状沙障的模型沙盘上，放置在30-40度的坡面上，观测积沙量的试验情况
表4 30-40度坡面积沙量试验情况土壤凝结剂浓度气流速度(m/s)风沙流持续时间(min) 积沙量(g) 10×10(cm) 15×15(cm) 30％ 24 13 12 23 40％ 24 13 9 45
从表4可以看出，在30-40度的坡面上，土壤凝结剂在固结沙层抗风沙侵蚀，采用15×15cm的格障，能起到很好的作用。
实施例3，本发明采用自然浸透或固结压实来测定土壤凝结剂抗压强度和剪切力
土壤凝结剂制备方法同实施例1。
①自然渗透
在三个直径6.18cm、高2cm的环刀及直径3.91cm、高8cm制样器内盛满沙，试验采用的流沙比重位2.69-2.70，颗粒分布0.05-0.5mm，内摩擦角30-400，凝聚力0-9.4kpa。用喷壶分别喷洒浓度为20％、30％、40％土壤凝结剂于沙面，自然浸透沙样，直至环刀底部有土壤凝结剂渗出，然后再填好沙子，使沙子高于环刀面，再喷洒少许土壤凝结剂，凝固后，铲平试样表面，从环刀内取出样品，放如烘箱内烘干。
②固结压实
分别将浓度为20％、30％、40％的土壤凝结剂267g与161.3g×6的沙搅和，使沙样潮湿，将搅拌好的沙放入环刀及制样器内，用击实器击打，使之达到最大密度状态。待凝结后，铲平试样表面，从环刀内取出样品，在烘箱内烘干。
采用DW-1应变式无侧限压缩仪和DSJ-2型电动四联应变直剪仪测定土壤凝结剂沙障抗压强度及剪切力如下表5所示：
表5土壤凝结剂自然渗透与固结压实抗压强度、剪切力比较制样方法 实验 方法 土壤疑 结剂 含量 (％) 正压力(Mpa)凝聚力(kpa)内摩擦角 (°)50 100 200 300自然浸透 快 剪 0.8 mm/ min 20密度(g/cm3)1.668 1.701 1.659 1.707 185.65 41.07抗剪力(kpa)206.6 318.0 327.2 458.0 30密度(g/cm3)1.711 1.703 1.725 1.785 219.48 43.93抗剪力(kpa)268.9 302.1 436.3 496.6 40密度(g/cm3)1.674 1.626 1.715 1.621 281.31 43.44抗剪力(kpa)309.5 385.4 499.9 545.9土壤凝结剂与沙拌和同结压实 20密度(g/cm3)1.582 1.564 1.585 1.583 87.07 39.07抗剪力(kpa)122.5 159.2 280.5 313.8密度(g/cm3)1.606 1.618 1.616 1.615 99.51 32.30抗剪力(kpa)115.2 174.7 241.7 277.3 30密度(g/cm3)1.699 1.635 1.627 1.643 204.0 45.71抗剪力(kpa)266.5 307.7 379.0 529.5密度(g/cm3)1.571 1.593 1.605 1.599 147.11 43.96抗剪力(kpa)175.4 277.2 323.5 440.0 40密度(g/cm3)1.633 1.620 1.630 1.643 264.33 43.09抗剪力(kpa)328.7 336.9 449.4 550.4密度(g/cm3)1.680 1.671 1.650 1.659 204.73 39.85抗剪力(kpa)221.1 321.9 367.7 450.8
从表5可以看出，用自然浸透方法，浓度为30％的土壤凝结剂的密度、抗剪力、内摩擦角综合效益要好于其它，并有商业价值。
土壤凝结剂在固沙中应注意的事项：
1、喷洒土壤凝结剂最好在晴天，沙面温度达50-70°，效果最佳，因高温能促进聚合物的交链和固化。
2、土壤凝结剂为水基固化剂，喷洒后不可在沙面上行走，也不能在上面喷水，切忌雨天喷洒。
3、喷洒机是当天完工或连续作业时，用清水冲洗，以免胶液干涸后发生凝结，损坏机具。