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土壤固化剂研究进展及在水土流失防治中的应用

发布日期:2018-12-11 15:12:11 作者:中科盛联

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1 土壤固化剂分类及其固化机理


不同类型的土壤固化剂与土壤作用的机理各不相同,但其本质都是通过固化剂的添加改变土体架构,增强土壤颗粒相互作用,进而提升土体强度。


1.1 无机类土壤固化剂


对于无机类土壤固化剂,该类材料一般为固体粉末,以石灰、水泥、矿渣和硅酸盐等为主要成分。


该类材料与水接触后可发生水化反应,产生水化硫酸钙、水化硅酸钙等凝胶产物,该产物部分与土壤中矿物活性成分络合连接土壤颗粒,部分通过自身固化生产骨架结构,进而固化土体,稳定土壤。


此外,无机类土壤固化剂与水作用后会释放钙、镁、铝等高价阳离子,它们会与土壤胶体颗粒吸附层中的低价钠离子或钾离子发生离子交换,减弱土壤胶体颗粒中双电层的厚度,破坏土壤颗粒表面的吸附水膜,进而降低土壤胶体颗粒间的排斥作用,促进土颗粒间的凝结。


无机类土壤固化剂资源较丰富,固土性能较好,成本也比较低,目前在市场上占据主流,但其掺入量较大,运输成本高,在一定程度上限制了其进一步发展。


1.2 有机类土壤固化剂


对于有机类土壤固化剂,其成分多以高分子材料为主,高分子材料的大分子结构使其在提升土壤强度方面具有特有的优势。


按作用机理分类可将有机高分子类土壤固化剂分为离子类和非离子类。离子类高分子土壤固化剂可通过水解、电离等反应产生带电基团,进而利用这些基团与土壤中带电粒子间的静电引力连接土壤颗粒,起到固土作用。


有机类土壤固化剂具有掺入量较少、运输方便、施工简单等优点,但其部分产品易分解、固土效果不稳定,需进一步提升其性能。


1.3 生物酶类土壤固化剂


生物酶类土壤固化剂多呈液态,由有机质发酵而成,多为发酵浓缩液,属蛋白质多酶基混合物,与土壤接触后,在土体表面,其在酶的催化作用下改变土体结构,配合外压实作用会形成硬化层; 在土体内部,生物酶类土壤固化剂多带电荷,与无机类土壤固化剂类似,可与土壤胶体中的低价钠离子与钾离子发生离子交换,破坏胶体颗粒表面双电层与水化层,提升土体内部强度。


生物酶类土壤固化剂对土壤种类具有较强的选择性,在一定程度上限制了其应用。


2 土壤固化剂的研究现状


自20世纪50年代以来,随着材料科技的发展,基于工程建设的需求和环境保护的需要,以美国为代表的一些国家开始大力研究土壤固化材料。


初期他们从石灰水泥等无机固化剂入手,诸如Rawas 等将人造火山灰和石灰水泥用于膨胀土的改良,Bell等将水泥类土壤固化剂应用于黏土加固,Shirazi 等进一步提出将煤灰粉与石灰混合使用可以有效减少固化过程中引起的土体开裂问题,另外Bell还对向石灰水泥中添加PFA与Miller等添加剂展开了研究。


随后,越来越多的有机类以及生物酶类材料进入土壤固化领域,如Attom 等利用橄榄油榨油残渣燃烧产物改良膨胀土膨胀特性; Yönter 等研究了不同类型土壤与聚乙烯醇( PVA) 的相互作用; Khatami 等将植物萃取物等用于提升固化土土体强度。


随着大量的研究,目前已经制造出很多商业化成品,如美国帕尔玛公司生产的固化酶,贝塞尔公司生产的贝塞尔液态有机高分子土壤固化剂(BS-100浓缩型和TS-100加强型) ,德克萨斯土壤控制国际公司生产的TOP-SEA系列液态土壤稳定剂等。


国内在土壤固化材料方面的研究则较晚,大体上于20世纪80年代起步。


近年来,我国学者在借鉴国外研究经验的基础上,结合我国土壤特性与特点,也做了大量研究工作,如: 梁文泉等将改性二氧化硅、活性铝和铁通过配比得到一种灰白粉末状土壤稳定剂;黄晓明等以石灰、水泥、硅酸盐矿渣为主要材料,并添加马来酸、碳酸钠、氢氟酸、三乙醇胺等不同类型的添加剂,得到一种适用于黏土的土壤稳定剂; 尚路等研制出一种可用于膨胀土改性的离子型土壤固化剂,这种固化剂可破坏土壤双电层,使其利于压实等。


目前虽然与国外尚有较大差距,但也有部分产品已得到实际应用,如NCS系列、硫酸盐系列等。


3 土壤固化剂在防治水土流失中的应用


随着我国土壤固化技术的发展,目前土壤固化材料被广泛应用于各个领域,其中在防治水土流失方面取得了明显的社会、经济与生态效益。


3.1 边坡固化


随着生产建设项目的迅速增长,各种建设工程造成的裸露坡面也随之增加,在降雨等条件的作用下,容易造成坡面及周边严重水蚀。


土壤固化剂可利用自身特点实现高效快速固土护坡。汪勇等将STW型高分子固化剂应用于边坡固化,他发现该固化剂能在边坡成膜,对于提高边坡稳定性具有积极作用,且边坡稳定性随固化剂浓度与加固深度增加而增加。项伟等使用ISS型有机类土壤固化剂对提高滑带土的抗剪强度进行了试验探索,他发现ISS可改善滑带土塑性指数、孔隙比、自由膨胀率,且其可改变土壤表层电层结构,提升表层土壤憎水性,有效提高边坡稳定系数。


此外EN-1 系列与SH系列等土壤固化剂也都被应用于边坡固化,并取得了不错的经济效益。


3.2 扬尘防治


生产建设项目造成的裸露地表还会带来严重的粉尘危害。目前,解决开放性尘源污染最有效的方法之一就是采用土壤固化剂进行的化学抑尘技术。


周科平研究了3种不同类型的土壤固化剂,对其抗风性能与抗水性能进行了评价,并探讨了其在尾矿干料堆应用的可能性。王永康等利用羧甲基纤维素与丙烯酸丁酯、甲基丙烯酸甲酯接枝,并与甘油与辛癸基葡糖苷复配,得到DS型高分子材料,并将其应用于降低某建筑施工地粉尘,取得了不错效果。李敏等将SH 系列高分子类土壤固化剂应用于某生产建设项目,并着重评价了其抑尘、抗冲性能。


3.3 荒漠化防治


长期的风蚀水蚀作用使土壤结构松散、营养物质大量流失,造成土壤肥力下降,植物根系裸露,成活率低,并最终导致土地荒漠化和生态环境恶化,土壤固化剂对其治理具有积极作用。


刘军等将白沙蒿种子表皮提取物沙蒿胶应用于荒漠化治理,其喷洒在沙土表面后能迅速形成固结层,经浓度大于0.10% 的沙蒿胶处理后,沙土的抗风蚀性能大大提升,大团聚体质量百分数显著增加,能起到良好的固沙效果,且能促进植物微生物的增长,改善土壤环境,促进植被恢复。李元元等也研究了固化材料对土壤抗风蚀性能的影响,他以罗地亚公司生产的JagC162、HP-120、CMC材料为研究对象,展开了荒漠化防治试验,研究发现这些材料对于裸土均具减蚀效应,施用剂量越大,风蚀率越低,减蚀效应越好。且随着施用剂量增加,土壤结皮硬度、厚度均增大,可有效抵抗风蚀,减少荒漠化面积。


4 有机高分子类土壤固化材料研究进展


有机高分子类土壤固化剂因其掺入量较少、运输方便、施工简单等优点而具有广阔的应用前景,是目前研究的热点。下面将着重介绍应用于防治水土流失研究的热门有机高分子类材料。


4.1 聚丙烯酰胺


聚丙烯酰胺( PAM)是一种以丙烯酰胺单体为主要原料且经过自由基聚合反应制得的功能高分子材料,享有“百业助剂”之称。离子类PAM中,阳离子型聚丙烯酰胺( CPAM)由于价格较贵且对水生生物生长有一定影响而较少应用于防治水土流失,但阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)却是水土流失防治研究中应用最多的高分子土壤固化材料,被广泛应用于减少水蚀、减少风蚀、火灾后土壤治理等。


应用于防治水土流失的APAM多选用线性水溶性PAM,它们能有效吸附于土壤,且吸附后很难解吸。施用APAM后,土壤容重降低,团聚体稳定性增强,水动力学参数得到改善,对水分的蓄渗能力得到提高。


近年来,研究者以APAM为基体得到更多类型的固化剂配方,以进一步提升其性能。如: Wu 等把APAM与氯化钙、硅酸钠等共混,发现通过共混改性形成协同效应,大大提升了APAM 在增强土壤稳定性和改良土壤渗透性方面的能力。苏洋利用磷石膏、硅藻土和APAM复配得到一种固化剂配方,并将其用于矿区土壤的治理,该配方在提升土壤保水性能、减少水土流失的同时,还能吸附土壤中重金属离子,减少矿区土壤中重金属离子的扩散。


NPAM的施用效果主要受其相对分子质量的影响,分子量较低的NPAM易渗透到土壤团聚体内部,分子量较高的NPAM则缠绕在土壤团聚体颗粒表面。分子量较高的NPAM延缓水土流失的效果好于分子量较低的NPAM,但是如果聚合物的分子量过高,又会明显增加其生产成本,且会导致聚合物溶液的黏度增大,造成施工困难。Mamedov和Green等发现,分子量为6×106~1.8×107左右的NPAM 可有效控制沙土的风蚀和水蚀。


基于APAM在防治水土流失方面的效能,研究者利用分子设计的原理以丙烯酸与其酯类共聚,制备出含有类似阴离子与非离子基团的聚丙烯酸类共聚物( PAA) ,通过其高分子链中酰胺和羧酸基电离后与土壤颗粒间的静电引力起到固土作用。Sun等发现丙烯酸及其衍生物的聚合物可有效保持土壤中的水分,防止水分渗漏,减少土壤流失,进而促进植物生长,减小荒漠化。丙烯酸类材料成本一般比聚丙烯酰胺类材料低,但其耐水解能力稍差。


研究者为了解决这个问题也做了很多工作,如Ma 等将黄原胶、丙烯酸与红土接枝得到一种XG-g- PAA/laterite 有机-无机复合高分子材料,该材料大大提升了PAA 耐水解的能力,且耐热、耐紫外线,具有良好的保水性,能用于极端环境下。


4.2 聚乙烯醇


聚乙烯醇( PVA)是一种可生物降解的合成高分子材料,其高分子链中含有大量羟基,可通过氢键作用与土壤颗粒结合,近年来,也被研究应用于防治水土流失


Tadayonfar 等将沙土与不同浓度的PVA 混合并在常温下养护,发现少量PVA 的添加就能大幅提升土壤团聚体水稳定性,且这种提升随着养护时间的延长呈上升趋势; 同时PVA 的添加也大幅降低了风蚀侵害,用量20 g /m2 时在20 m/s 的风速下,5min 内土壤流失质量可减少85%。Tümsavas 等研究发现,经PVA 处理后土壤抗蚀性有所增加,且这种抗蚀性的增加在黏土含量较高的土壤类型中更为明显。此外,由于PVA的成膜性以及可降解性,其也可被用来制作PVA 地膜,以减少雨水和强风造成的水土流失。


4.3 聚氨酯


聚氨酯也是一类非离子高分子土壤固化材料,与前面两种材料通过自身有效基团与土壤的相互作用稳定土壤不同,聚氨酯类材料主要通过其自交联反应在土壤表面形成不溶性交联结构以保护土壤。聚氨酯类高分子土壤固化材料多为聚氨酯预聚体,其高分子链端为与水有很强反应活性的异氰酸根基团,遇水后能迅速自交联生成网状结构,进而将土壤颗粒包裹其中,减少土壤流失。


Wu 等以4,4’- 二苯基甲烷二异氰酸酯( MDI) 和EO-PO-SO 聚醚嵌段共聚物聚合得到一种新型聚氨酯预聚体,并将其应用于荒漠化治理,取得了不错的效果。近年来,针对这类材料的研究越来越多,被广泛应用在荒漠化防治、边坡绿化治理、渠道防渗抗冻等领域。为了取得更好的效果,梁止水等还将国外引进的聚氨酯类材料W-OH与硅胶、乳化沥青、玄武岩短纤维、PVA、乙烯-醋酸乙烯共聚物等混用以进一步提升其与砒砂岩反应后的固结体的力学性能。


此外,木质素磺酸盐、水解聚丙烯腈、聚醋酸乙烯等离子类高分子化合物,以及各种天然非离子高分子化合物,如黄原胶,琼脂胶、植物萃取物等都被用于防治水土流失。


5 结语


生产建设项目常会破坏地表植物,扰动表层土体结构,造成严重的水土流失; 而土壤固化剂能有效稳定土壤,提升土体强度,进而减少这一危害。随着土壤固化技术的发展,在应用上,土壤固化剂已从最初的路基加固逐渐发展到边坡防护、抑制扬尘、荒漠化防治等防治水土流失的各个领域。且随着材料科技的发展,越来越多的材料被研究并应用于土壤固化,尤其是高分子材料因其掺入量较少、运输方便、施工简单等优点必将推动水土保持技术的进一步发展。