寒旱区有机材料-生物屏障固沙机理与应用研究

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我国是世界上遭遇荒漠化和沙化危害最严重的国家之一,实施确实可行、行之有效的固沙技术阻止沙化的发展,这将对自然生态环境的维护、社会经济的发展都具有非常重要的实际意义。本文结合青藏高原高海拔地区的气候特征及雅鲁藏布江周边沙化地区的环境特征,针对当地的风沙化边坡提出一种有机固化-生物屏障风沙防治新技术。这种新技术即是通过采用有机材料固化原始沙土的基础上,同时再联合灌、草植被种植技术,使得沙化治理从最初的材料固化最终向生态植物固化逐渐过渡的模式,最终达到高效的风沙治理。这种新技术、新技术的开创和运用为青藏高原沙化地区风沙治理奠定了实际性的基础。本文首先通过在室内优选出有机材料特定配合比(有机材料质量百分比为1.745%),再对这种具有特定配比的有机材料掺量(17.5%、19%、20.5%、22%,均为与干土的质量比)、沙土固化密度(1.55g/cm~3、1.60g/cm~3、1.65g/cm~3)进行了施工工艺优化研究,为有机材料的现场运用提供室内理论参数和依据;通过借助微观手段(XRD、SEM)探讨、揭示这种固化新技术的固化作用机理;对有机材料进行了耐久性(抗紫外线性能、抗冻融性能)测试,分析材料对环境的敏感程度,这对有机材料的实际运用具有现实意义;通过现场实地试验分析有机固沙材料野外运用的效果,同时观察固沙植物的萌芽及生长情况,对固沙植物的进一步筛选提供依据。最后与天然沙层(植物固沙)以及其他固沙技术(工程固沙、客土喷播)进行对比,分析有机材料-生物屏障这种新固沙技术的适用性与性价比。针对风积沙,在通过选定4种无毒无害为固沙原材料的基础上,根据4种材料对固沙浆液性能的影响进行了室内配制试验,并对筛选出来的可以用于固沙的浆液进行了抗崩解性试验以及披碱草混合种植植物相容性试验,最终确定了每种材料的最佳用量配合比。结果表明:试验得到有机材料掺量为1.745%(其中A:0.015%,B:0.07%,C:1.5%,D:0.16%,均为与干土的质量比)时,采用有机材料固化后的沙土具有较好的结构稳定性,以及良好的生物相容性。然后在优选出具有特定配比有机材料的基础上,进行施工工艺研究,试验发现:在一定范围内提高有机材料的掺量,能有效提高固化沙样的力学性能,但是当超过一定范围以后,固化沙样的力学性能随掺量的增加出现降低趋势。当有机固化的掺量为20.5%,沙土固化密度为1.6g/cm~3时,沙土固化效果最为显著,固结层不仅具有良好的渗透水性还具有一定的强度,是最佳组合施工施用方式。通过XRD衍射和SEM扫描电镜的结果探讨了有机材料与沙土颗粒之间的物理化学固沙机理。试验结果显示:有机固沙材料几乎不会与沙土矿物组成物质之间发生化学反应生成其他新的物质,而是通过在颗粒之间生成的立体网状胶结物作用在土颗粒之间,让相互独立的颗粒通过分子链衔接起来,松散的沙土成为了整体,使得固化后的沙土水理性质和力学参数都得到了大幅度的改良。同时这种独特的网络构造又可以大幅度减少水分蒸发的速度,透过氧气、水分,滋养了沙生植物的生长,为植物生长提供了有利的环境。因此,利用有机材料和植物共同作用,达到高效治理沙害的目的。有机固化试样随着紫外辐射时间的持续照射,沙样的质量及抗剪强度都会逐渐减少。当连续辐射1080h后,固化沙样的颜色和外形都基本没有发生变化,质量保留率仍有98.98%,粘聚力保留率为68.6%,表层坚硬并具有一定的强度,依然满足工程固沙所需。同时,当有机材料在冻融含水率低于12%时,还表现出了较强的抵御寒冷温度的能力。具体表现为11次循环后的质量损失率不足1%,体积变化不明显,沙样都未出现任何冻胀裂隙,粘聚力损失率不超过26%,显著提高了沙土的整体稳定性。固化沙土还具有良好的持水能力,即随着冻融循环的增加,沙样中的含水率也会逐渐增加,表现出了与非固化沙样不一样的性质。在寒旱区风沙化边坡采用有机材料加固后,使用效果非常明显,证实了这种新技术是可以在寒旱地区进行推广运用的。对比单纯的植物固沙,有机材料能够有效改善原始“微环境”有效促进植物的生长,保证植物存活率,使得植物发芽率以及后期盖度都明显高于植物固沙;再对比工程固沙技术、客土喷播固沙技术,有机固化在后期植物生长情况更优、抗冲刷能力更强、生态友好性更佳、材料更环保、成本更低廉,性价比更高等优势。在高海拔地区现场运用的有机固化-生物屏障新技术试验所取得了有效的成果,这为青藏高原雅鲁藏布江周边沙化地区的风沙治理工程奠定了实质性的基础。
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