[挑错]标题：程中只能完成左右剩余的水玻璃仍然含在第27届北京青少年科技创新大赛
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&&&&&&&&&&&&&&&地球与空间科学
青藏铁路沙丘地貌固沙材料与结构的研究
清华附中高二&李文迪　&&&指导教师　李建保&吴新胜
&&&&青藏高原的青藏铁路，往往高出自然地面许多，阻挡高山峡谷风口的流沙行进，从而形成了许多铁路沙丘地貌，影响路基砾石的稳定性，严重的可能导致整个铁路被埋没，使投巨资新建的世界屋脊的运输线面临瘫痪的危险。本论文研究了一种利用无机液体化学反应形成高强度地质聚合物材料的方法，让其渗入并粘结沙粒，达到固化沙丘并减缓铁路沙害的效果。
&&&&根据西部高原干旱少雨、野生动物多和长江黄河上游拒绝污染等特殊地理环境要求，选择使用与硅沙成分相近的硅酸钠水溶液作为固沙剂液体，加入化学凝固剂使之固化并粘结松散的沙粒。实验研究了化学凝固剂的种类、配方比例和添加方式对其粘结固化效果的影响，发现喷洒热液凝固剂能形成地质聚合物，有效提高固沙层的强度和耐候性能。结果显示，该固沙方法可以使自然沙面的固化强度达到2~3兆帕。设计了三层固沙材料结构模型，使固沙、保水、植被功能一体化，可使荒漠沙丘变绿洲。
&&&&用硅酸盐液体形成地质聚合物粘结固沙的方法，是以沙治沙，不仅可以低成本遏制铁路周边沙丘的发展进程，在防止悬崖峭壁的地质岩石塌方、阻止流沙侵蚀边防哨所和村庄农田以及减弱北京地区的沙尘暴强度方面，也有借鉴作用。
关键词：青藏铁路沙丘地貌固沙材料硅酸盐溶液热液凝固剂地质聚合物
&&&&青藏铁路的顺利通车，是我国的一个重大历史事件，不仅使数百万青藏人民受益，也引起了国际社会的高度关注。
&&&&在海拔四千多米的雪域高原上，修建铁路，是世界工程上的创举，也面临着许多技术性挑战。除终年冻土上铁路的不均匀沉降问题（冰沉）、大规模水泥柱墩因为每天的温差大而容易开裂的问题（温害或应力开裂）之外，流沙在青藏铁路周边的快速聚积，也对青藏铁路带来了新的威胁（沙害）。
&&&&高出地面很多的青藏铁路，横卧在平缓的高原平野上，就像一条钢铁长城，拦截了从昆仑山坡刮来的流沙，并逐渐堆积成金黄色的沙丘。在青藏铁路周边越堆越多的大大小小的新沙丘，正在形成新的地理地貌现象，我们称之为青藏铁路沙丘地貌。
&&&&青藏铁路沙丘地貌的发展，如果不给予高度重视和采取措施及时阻止，大量沙粒渗入路基砾石中会影响路基的稳定性，沙丘爬上铁路就会直接埋没铁轨，使投巨资新建的世界屋脊的运输线，濒临瘫痪。
&&&&本论文研究了一种利用地学聚合物材料阻止铁路沙丘继续发展的方法，减缓铁路周边新沙丘地貌的形成速度，解决青藏铁路的沙害危机。
&&&&本文针对青藏铁路新沙丘的出现和沙丘流沙对青藏铁路大型工程的威胁，提出了一种低成本环保型的无机胶凝剂固沙治沙方案。
&&&&目前固沙有三种方法：机械固沙、生物固沙与化学固沙。前两者受到青藏地区特殊地理环境的影响，效果并不理想。化学固沙近年来日益受到重视，但大多数研究集中于有机化学固沙，对于三江源头这样的生态环境要求严格的地区，环
&&&&境友好的无机固沙技术成为了最好的选择。
&&&&本文通过实验证实了无机硅酸盐水玻璃固沙的可行性，研究了促使硅酸钠渗透到细沙中发挥胶粘作用的胶凝剂的种类、配方比例和添加方式对于固沙效果的影响，发现热液凝固剂喷洒技术能促使硅酸盐凝胶形成类似于天然矿物结构的无机聚合物材料，有效提高固沙层的强度和耐候性、并缩短固沙操作时间。通过配方和工艺的优化选择，可以使自然沙面的固化强度达到2~3兆帕，同时提出了在高强度固沙层的基础上形成保水层和植被生长层的三层结构的设想，使固沙、保水、植被化为一体，达到使荒漠沙丘变绿洲的目的，并且对于青藏高原的环境特殊性设计了针对性的野外施工方案，使可行性大大提高。
&&&&硅酸盐胶凝剂固沙的方法，是以沙治沙，低成本高强度，环境友好且耐久性好，大面积推广使用，不仅可以有效遏制沙漠对于青藏铁路的日益增强的危害和威胁，而且对于道路交通两侧的悬崖峭壁的护坡减灾、阻止流沙侵入边防哨和村庄农田，以及对于减弱北方沙尘暴的侵害，也有参考作用。
1.2项目的起因
&&&&2005年夏天在青海参加一个科学考察游览团，从青海的省会城市西宁出发，到了青海省著名的青海湖、德令哈市、锡铁山镇和格尔木市以及青藏铁路的一期工程、二期工程以及玉树、果洛州等高原深处。
&&&&我们的考察路线，基本上是沿着青藏公路前进。新修的青藏铁路与青藏公路基本上是平行延伸，时有交错。在行进中，我们经常看到铁路沿线有许多新形成的沙丘，我觉得好奇。专家告诉我，青藏铁路路基往往高于周边地面许多，大风携带沙子过来后，会在铁路附近减速，把沙子丢弃在铁路两旁，从而形成新的沙丘。他们最近称之为铁路沙丘。这种铁路沙丘地貌时常可见，而且有越来越旺盛的趋势。我觉得应该把沙子固定下来，尽可能不要让沙子飞扬起来。他们为此带我看了些现在阻止沙丘流动和沙尘飞扬的工程措施，例如秸秆和碎石的方格等，觉得有一些效果，但是似乎不是长远之计，因为刚铺设不久的阻沙方格，有的已经开始被埋没了。有没有更好的方法呢？他们鼓励我想想办法。在专家、老师和家长的鼓励下，我开始收集资料并进行了铁路沙丘现象的观察和流沙治理方法的探索。
1.3 资料的收集和分析
1.3.1 沙丘的形成与沙害的严重性
&&&&在随团考察中，技术人员告诉我，青藏铁路建设，在技术上有很多世界性创举，但是，也还存在一些未知的和现在还没有完全解决的难题，例如，铁路在海拔4000米以上高原终年冻土上的不均匀沉降问题（冰害）、每天大温差造成的混凝土桥墩的开裂问题（温害）和风沙口地段的流动风沙埋没铁路的问题（沙害），将是青藏铁路投入运行后的安全隐患。
&&&&青藏铁路沿线，已经开始在形成一些流沙形成的新沙丘，有的沙丘已经堆积到1-2米高（图1），有的沙丘，已经开沙接近铁路路基（图2）。
以下是一些调查图片。
图1（左）新修建的青藏铁路附近，已经堆积形成了独特的沙丘地貌
图2（右）新堆积的金黄色沙丘埋没了翠绿的草原
图3、4青藏公路和铁路之间的新沙丘埋没了机械沙障（左）和草格（右）
&&&&例如，在我们考察的格尔木市至昆仑山口的一个地段，在铁路四周一共有八个大型沙丘，在西边有五个，东边有三个。大沙丘距铁路只有500米（图3），小沙丘离铁路大约只有50米甚至更近，大有兵临城下-沙临路下的感觉，在铁路周围原来铺设的一些物理固沙措施（如盐巴、干草和石头篱笆格子等），在1-3年的时间里，也大部分被埋没了。
&&&&像青海的这种细沙，一旦进入公路，会使高速行使的车辆打滑发生严重车祸[1～3]，一旦进入铁轨就像润滑剂一样让铁路侧滑，变形，很容易磨损发生故障。这样铁路不得不被迫改道。（如图5、6）
图5 即将被沙漠埋没的青藏铁路部分地段　　图6 沙漠入侵后铁路被迫放弃改道（格尔木松如沟站）
1.3.2 目前治沙的方法及其比较
&&&&沙丘移动的原因，首先是风力，其次是沙源。在青藏高原的一些风口，风力可以达到20-30m/s，但是，如果能够把沙子紧紧粘合在地面上而不扬起来，则沙丘就不会快速移动（图7-8）。我觉得，对于沙丘地貌的控制，沙丘表面的固化，尤其是迎风坡面的固化，将起到关键作用[4～6]。
&&&&固沙的方法，针对不同的治理目的，应该有很多种。对于青藏铁路的沙漠危害问题，阻止沙尘飞扬是十分紧迫的。根据调查，我们知道，现今固沙的技术主要有生物固沙、物理固沙（又称机械固沙）、化学固沙三种[7-9]。
&&&&机械固沙就是根据风沙移动的规律，采用机械工程技术，阻挡沙丘移动，达到阻沙固沙的目的。应用较为普遍的是建立沙障，方法为：用枝条、秸秆、砾石、粘土、塑板等材料在沙面地表设置各种形式障碍物，起到固沙、阻沙、拦沙的作用。机械固沙的防护高度有限，容易被流沙掩埋、防护时间短（如图9）。因此，从它的性能来讲，这种固沙措施只能作为一种临时性的、辅助性的固沙手段。
图7沙丘移动机制的示意图 &&&&&&&图8沙丘表面的流沙
图9 青藏铁路近旁的沙漠已经掩埋了 　　 图10 铁路附近植物与流沙的搏斗
干草篱笆组成的沙障
&&&&生物固沙技术是目前沙漠治理中最普遍的技术，也是一种一劳永逸的最佳固沙方法。生物固沙技术虽然具有经济效益好、持久有效以及能改善生态环境等特点，但是难于在青藏高原铁路周边大规模实施。我们看到，在三千多米以上的高原高寒干旱地区，树木基本难于存活，草类植物生长也非常缓慢（如图10）。青藏铁路沿线恶劣的自然环境难以提供植物赖以生存的基本要素：雨水少、粘土少、10摄氏度以上气温的时间短。生物固沙在青藏铁路周边的治沙，可以说是远水不解近渴。
&&&&我们在青藏铁路沿途，看到了交通设计和施工部门的各种措施，主要是物理沙障或者机械沙障，在道路两侧近距离范围内埋入秸秆或者石块等障碍物，或者水泥土墩等构体，阻止流沙向道路移动。物理固沙方法成本高，且只能在道路50m左右的近距离内发挥作用，并且因为流沙“兵临城下”，数十厘米高的沙障，不到2-5年就会被淹没填平，有效时间短。因而需要每隔几年就重新铺设一次，时间一长，就会导致铁路周边的沙障越来越高，以至于高出铁路路基，影响铁路畅通。这个方法不是长久之计。
&&&&化学物质固沙，应该是一种能够大面积覆盖沙漠地表和阻止沙尘飞扬起来的方法。但是，化学固沙的物质，也有好几种。我们如何选择呢？
&&&&在青藏铁路沿线使用的化学固沙材料，必须符合当地的地理、气候和生态等环境的要求。经调查，由于青藏铁路位于青藏高原，紫外照射强，有机泡沫和沥青等有机高分子类胶凝剂容易化学裂解成碎片。青藏高原上牛羊牲口多，受到保护的珍贵野生动物多，作为奥运会吉祥物的藏羚羊就生活在青藏铁路周边，野生动物在吃草时容易将有机高分子碎片误食到体内，长期积累会导致动物的饥饿致死。青藏铁路的许多地段处于长江和黄河的上游，大量的有机物流入“母亲河”的上流水域，会造成水源污染。所以，用在这里的化学胶凝材料，最好是无机质的材料，必须无毒无害，与地理环境的物质成分接近。
&&&&高中刚刚学过的水玻璃不正好是很符合的无机胶凝剂么？
&&&&水玻璃是一种水溶性的硅酸盐，它具有粘结性，但是也可能再溶解[10]。所以，硅酸盐水玻璃作为流沙粘合剂和沙丘固化剂使用时，其固化强度、施工方法难易程度和是否会在雨水中缓慢溶解失效，就是问题的关键。
我首先调查了青藏铁路附近的气温和雨水情况[11]，发现在风沙严重的地段，年降雨量少，例如格尔木至昆仑山口一带，只有数十毫米（表1），并且气温也很低（表2），年均气温在零度左右，半年时间处于零度以下。气温低、冬季时间长、雨水少，表明这个地区生物生长的时间短，生物治沙的效果缓慢，也表明化学物质的溶解的可能性小，无机化学固沙剂的稳定性的担忧比较少。
表1青藏铁路部分地段平均年降水量（mm）
表2 青藏铁路部分地段年平均气温（℃）
年平均气温
1.4 研究目的
&&&&本项目是针对青藏高原铁路两旁沙丘地貌的形成及其对于铁路安全的威胁问题而提出的课题，是期望通过实验研究出一种环保型的快速有效的无机固沙材料和相关的固沙方法，用于遏制青藏高原的铁路周边的沙丘地貌的发展，保障青藏铁路的的运行安全。
2 固沙材料与工艺实验
2.1 无机硅酸盐的固沙原理
&&&&水玻璃，化学名字是含水硅酸钠，化学分子式为Na2SiO3?nH2O，在工业上是硅沙与强碱水溶液中高温反应形成的粘稠的液态[12]。
SiO2+2NaOH= Na2SiO3+H2O
&&&&Na/Si的比例不同，粘稠程度也不同，从20%～60%的水玻璃，都可以制得。该比例数在工业产品中，有时用模数表示。水玻璃属于强碱弱酸的盐，呈碱性，通过降低胶体带电颗粒稳定性，使颗粒聚集沉淀，即使之凝固。固化剂，根据种植植物的需要，我们选择了CaCl2和MgCl2等弱酸性的盐。
而Na2SiO3水解后可与空气中的CO2 作用生成正硅酸，又逐步形成硅溶胶[13]：
Na2O ? n SiO2 + (n+1) H2O → 2NaOH+ nH4SiO4
Na2O ? n SiO2 + 2nH2O+CO2 → Na2CO3 +n H4SiO4
&&&&硅溶胶中〔SiO4〕4-是基本化学单元，与氢离子结合，形成偏硅酸离子团，使溶液显示弱碱性。在干燥过程中，或者无机盐的作用下，硅溶胶会发生如下脱水反应[13]：
n〔SiO2:2H2O〕→〔n SiO2:(n+1)H2O〕+(n-1)H2O
就像有机物单体发生聚合反应形成大的复杂的高分子反应那样，无机硅酸盐在脱水聚合过程中，〔SiO4〕4-会相互连接形成一维的链状结构（如图11）。
一维链状结构式：
图11 水玻璃溶胶脱水过程中结构变化示意图
&&&&随着聚合程度的增加，〔SiO4〕4-配位四面体不仅可以在一维方向形成链状结构，还可以在二维方向形成网状结构，甚至形成如图12所示的立体空间三维的立体架状结构[14]，达到粘结沙子的效果。在无机材料学中，有时把这种硅酸盐聚合形成的大分子的无机硅酸盐聚合物，称为地质聚合物（geopolymer）[15-16]。
图12 硅氧团逐渐聚合形成大分子的结构示意图
&&&&硅酸钠水溶液为液体溶胶状态，当喷洒到松散的沙子上，它会快速向沙子内部渗透，并逐渐干燥脱水而形成凝胶微细颗粒，充填在沙子的缝隙之中。当加入CaCl2等凝固剂后，凝固剂会与硅氧原子团反应，替代其中的钠离子和氢离子，形成更加稳定的硅酸盐化合物和更加紧密的键合结构，达到促进硅酸加速脱水聚合的效果：
Na2SiO 3+H4SiO4 + CaCl2=CaSiO3 + H2SiO3+ H2O + 2NaCl
&&&&通过上述反应式，凝固剂起到了促进置换钠离子形成更稳定更紧密的硅酸盐化学键（如图13 所示）
&&&&以及促进正硅酸脱水转变成少水的偏硅酸的目的，加速了硅胶硬化的速度和硬化层的强度。这些逐渐网络化的硅酸盐充填在沙子颗粒之间，湿润沙砾表面，紧密包裹沙砾，使松散的沙子粘接得越来越牢固，达到沙子固化效果，在沙丘表面形成高强度多孔质固化层[17]，其主要机理是地学聚合物的粘结性能。
图13 凝固剂作用下水玻璃凝胶的聚合物结构示意图
2.2 实验材料与设施
1.实验材料：选用野外采集的硅沙和粘土，购买水玻璃液体、CaCl2、MgCl2和Fe Cl3等化学试剂，水泥速凝剂等（参见附件照片）。
&&&&试验用的沙子，有本人采自青藏铁路二期工程格尔木市至锡铁山车站路段风力堆积沙丘上的沙子，沙子纯净并呈现桔黄色，没有粘土和有机质的混杂（如图14）。其颗粒大小经过激光粒度分析仪器测试结果，显示沙粒的直径大约在200微米左右（图15），采取的地段不同而有所变化。堆积密度为1.8g/cm3左右。从照片可以看出，沙粒基本菱角清晰，浑圆度不高，表明沙粒的来源在附近，搬运距离不远，这为我们在近距离内铁路沙丘固沙的效果，增加了信心。
2.实验设施：混合与搅拌设备，烧杯，PH试剂和加热烘干设备，激光粒度分析仪器，精确电子天枰等称量设备，材料切割抛磨设备，X光矿物相分析仪器，材料强度测试设备，电子显微镜等微观结构分析设备等（参见附件照片）。
图14 高原铁路周边沙丘上堆积的沙粒的电子显微镜照片（左）
图15 沙子的激光粒度分析大小、分析结果。表明沙粒大小约为200微米（右）
2.3 实验内容与结果：
2.3.1 凝固剂的选择
&&&&将CaCl2、MgCl2、KCl和Fe Cl3配制成30%重量比的溶液，分别与40%的水玻璃透明溶液混合，检查其凝固沉淀效果。发现，混合液体放置4个小时后，加入CaCl2,的混合溶液中，沉淀物质凝固结块，沉淀物质形成凝胶状态，表明CaCl2对于水玻璃的凝固沉淀效果最好。所以，此后的实验中，均选用CaCl2作凝固剂。
2.3.2 凝固剂与水玻璃的配制比例的选择
&&&&在四个透明的塑料水杯中，分别盛装100ml的水玻璃，然后在其中分别加入不同量的CaCl2，检查水玻璃完全凝固形成凝胶时所需要的CaCl2的数量。CaCl2的加入量，分别为1g、2g、3g、4g、5g，6g，7g，8g和9g。沉淀物质经过滤纸过滤后，放入温箱中干燥，干燥温度为125℃，干燥保温时间达到6小时后，将滤纸与凝胶一起称量，所得重量减去实验前滤纸的重量就是凝胶的重量。试验发现，凝固剂加入量超过4g时，透明的水玻璃液体中开始出现白色的乳状胶态，液体变得白色混浊，液体逐渐失去透明性。当凝固剂添加到5g时，白色乳胶状中出现白色絮状沉淀，为硅质凝胶。静止一段时间后，白色硅胶全部沉淀下沉并收缩，硅胶的周围又重新出现透清的水液。加入5g凝固剂所得到的硅胶的重量为51g，基本接近水玻璃中的硅胶的理论值（图15）。进一步加大凝固剂的量，沉淀的凝胶的重量并没有明显增多，基本在52-56g之间。这说明，硅酸盐含量为40%（波美数为2.3）的水玻璃，100ml液体中最多可以凝固沉淀出在56g硅质凝胶，其体积大约为30.6ml。沉淀凝固所需要的CaCl2的重量为4.5g-5.2g之间。经过精确插入补充试验，凝固剂的所需要的重量约为硅胶重量的7.5%。所以，此后的实验中，选用CaCl2的量，必须大于7.5%，才能保证凝固效果。
图15 凝固剂添加量与凝胶的重量关系
2.3.3 混合顺序的影响
&&&&为了检查沙子、水玻璃和凝固剂的混合顺序对于固化效果的影响，进行了对比试验。分别采取五种顺序，将沙子、水玻璃与凝固剂的混合顺序进行变换，观察其固化效果。材料调制时的配方均相同，100g沙子中加入30ml的40%浓度的水玻璃和5ml的浓度为30%CaCl2溶液。结果如表3所示：
表3 不同混合方式对水玻璃凝固效果的影响
将水玻璃倒入沙杯中，渗透后将凝固剂倒入沙杯中。
形成2厘米硬壳，硬化强度由表及里逐渐变弱。
将凝固剂倒入沙杯中再将水玻璃倒入沙杯中。
硬化层薄，形成1毫米硬皮。
将水玻璃与凝固剂混合后倒入沙杯中。
在沙子表面形成白色凝胶粉末，沙子没有硬化层。
将水玻璃与沙子混合后，将凝固剂倒入混合物中。
整个混合体发生硬化层，硬化层的强度由外及里，逐渐减弱，2天后趋于均匀化。
将沙子与凝固剂混合后再倒入水玻璃。
只在混合体的周围形成硬皮。
&&&&从表中实验结果可以看出，比较好的混合顺序有两种，一是在松散的沙子表面直接浇洒渗入水玻璃后，然后浇洒渗入凝固剂的方法（A），特点是表面相对致密并强度高（图16），二是将水玻璃与沙子搅拌混合均匀后，再渗入凝固剂的方法(D)，其特点是内外强度均匀，扫描电子照片显示其内部为均匀的多孔结构，基本上所有沙粒表面都包裹着一层薄薄的粘结物质（图17），使其内外强度度比较高。总的来说，两者工艺都可以得到强度比较高的硬化层，可以根据野外施工现场的实际情况选用。
图16用硅酸盐凝胶粘结的沙子表面 &&图17沙子粘结后的内部多孔结构
2.3.4 硬化温度和硬化时间对于硬化层力学强度的影响
高的温度利于化学反应的进行。我们调查了反应温度对于材料强度的影响。进行的对比试验为：
&&&&1.将水玻璃与沙子搅拌混合后，量取规定量的凝固剂液体，浇洒在其表面并让其渗透后，放置在室温环境中养护，样品编号为A。
&&&&2.将水玻璃与沙子搅拌混合后，将规定量的凝固剂加热到80℃后，再浇洒到试件表面让其渗透，放置在室温下养护。样品编号为B。
&&&&3.将水玻璃浇洒到沙子表面并让其渗透完全后，按水玻璃中硅酸钠重量的7%的份重，浇洒室温凝固剂液体，放在室温环境中反应固化，作为对比样品，编号为C。
&&&&三个样品中的材料配方均相同：为100g的沙子中，加入30ml的水玻璃和5ml的30%重量比的CaCl2溶液。每个样品都配制6个样品，在不同的时间测试其强度变化。材料的强度用快速力学实验机测试，实验结果表示于下表4中。
&&&&实验结果表明，充分搅拌混合和提高反应温度，均能提高材料的硬化强度。尤其是使用加热的凝固剂，效果更好，不仅能缩短反应硬化时间，还可进一步提高硬化层的强度。
&&&&将测试完强度的三种样品，放入冷水和热水中，观察其再溶解性。结果发现，样品A和C，都有一定程度的被溶解而变得有些松散的感觉，只有样品B在浸泡3天后，仍未发现沙粒掉落和凝胶重新溶解的现象（表4）。
&&&&使用加热的高温凝固剂，有益于提高强度和降低重溶性，其原因可能是更高的反应温度有利于形成更大的无机高分子，增加了粘接强度，表明高温凝固剂形成的地质聚合物（geopolymer）是硅酸钠固沙的关键因素[15-16]。
表4 固化工艺对硅酸盐溶胶凝固速度和固化强度的影响
注：hr为反应时间，单位为小时；表中数据为材料强度，单位为兆帕-MPa。
2.3.5 养护工艺及时间的影响
&&&&凝固反应是一个硅酸盐链状结构的聚合过程，反应过程复杂，所需要的时间比较长[17-18]。就像水泥需要养护一样，流沙的表面固化层也需要较长时间的养护措施，才能达到预期强度。实验室的养护是在有托底的容器内进行的，含有凝固剂的养护液一直存在于硅胶周围；而野外操作中，流动的沙丘是没有致密的托盘的，没有反应完的液体，很快就会向沙体深处渗透而流失。所以，在野外施工时，凝固剂不能一次配比到位，要分次分批地喷洒。由此，我们进行了一个补充试验。图18展示了不同的喷洒工艺与固化效果的影响。
&&&&经过三天对一次性喷洒、每隔5个小时喷洒、每隔3个小时喷洒和每隔2个小时喷洒的材料强度实验，得出每隔3个小时喷洒和每隔2个小时喷洒的效果明显好于一次性喷洒的表面强度。每隔3个小时喷洒，其最高强度可到2.6MPa，虽然低于预期的3MPa，但实验是模拟了凝固剂向沙体深处渗透而流失的问题。而根据每隔3个小时喷洒的材料强度和每隔2个小时喷洒的材料强度差别不大，效果都很好。考虑到成本因素，决定施工第一天10小时内，每隔两个小时，向没有托底的沙层喷洒凝固剂液体，可以使固化厚度加深到3-5厘米。10小时后每隔四小时喷洒补充一次凝固剂，到第三天则每隔六个小时补充喷洒一次凝固剂，就可以使大面积的野外沙体表面，形成高强度的固沙层硬壳。
图18 不同施工方式对固化强度的影响
&&&&为检验硬化沙壳的抗风沙侵蚀性能和耐候性能，用吹风机对所制作的沙体硬壳表面进行冷热强风吹蚀，发现养护三天后的硬壳，在相当于30m/s的高速风流的60度侧吹压力下，没有任何变化。即使风流加热到80摄氏度，硬化沙壳也坚固无损。
&&&&用水玻璃（含水硅酸钠）作为沙漠表层硬化粘接材料是可行的。实验研究了可能影响水玻璃固沙的主要因素，包括无机凝固剂的种类与化学配比、混合工艺路线、反应温度与时间等对于固沙强度的影响，得到以下有重要实用价值的结论：
&&&&1. 用CaCl2作为无机凝固剂，比MgCl2有效。
&&&&2. 用CaCl2作为无机凝固剂时，凝固剂的最低需要量为水玻璃中硅胶重量的7.5%。
&&&&3.将水玻璃混合或者渗透到松散的沙粒中后，再按上述化学配比加入CaCl2液体，可以反应生成结实的硬壳。
&&&&4. 如果将CaCl2凝固剂加热到80℃后，再渗入到沙粒之中，可以大大增加硬化层强度，还可以缩短硬化时间，沙层表面的强度最高可达到2-3MPa，固化后的沙层不再会发生水解重溶现象。
&&&&5. 对于凝固剂的浇洒和养护工艺进行了详细研究，优化了固沙操作工艺。这种简易的高强度固沙工艺，被称为“水玻璃热液固沙技术”，正在与指导老师一起申请国家发明专利。
3 环保型固沙结构的设计与模型制作
3.1 模型的设计思想与各层的功能
&&&&化学固沙层的结构，可以根据需要设计成单层结构或者三层结构。
&&&&单层结构主要是形成化学胶凝剂渗透进沙层中，凝固后将沙砾粘结，形成硬化层。适用于在干旱少雨地区的快速固化沙丘和固化表层的沙尘。在铁路沙丘的迎风坡面实施，可以阻止铁路沙丘的移动。
&&&&对于有较多雨水的地区（例如年降雨量大于300毫米），如果小环境适当，也可以在固化的沙丘表层，形成绿化植被，恢复生态环境[19-20]。但是，在固化的沙丘表层，必须还具有蓄水、供肥功能，还需要有植物生长的根系延伸发育的空间。为此，专门设计了一个沙丘表面的三层结构模型，就是建议在硬沙层(S层)上，再铺设保持肥料和水分的植物根系发育层（F层）和最上层的多孔层(T层)，使植物向上生长时可以有空隙，雨水可以向下部渗透。三层固沙结构是长期有效的固沙措施（如图19）。
图19三层匹配的固沙材料结构示意图
（含有三种胶凝物质材料、三种固沙层结构和两种植物栽培方式）
3.2 固沙模型的室内制作
为了模拟野外的施工，我又用前面的材料化学的实验结果做了一个三层结构的固沙模型。其制作顺序是：
&&&&1.一个20cm×8cm×16cm的容器，里面填充2/3的细沙。
&&&&2.取40g CaCl2加入60ml水中，搅拌后配成40%的CaCl2 溶液作为凝固剂（A剂）待用。
&&&&3.取Na2SiO3即工业水玻璃500ml均匀洒入沙中，待其慢慢渗透至3cm厚，形成底层的硬化层（S层）。在野外施工时，也可以直接将水玻璃喷洒渗透到沙子孔隙之中。
&&&&4.把A剂均匀洒入，使其与Na2SiO3边渗透边反应，大约40～60分钟后，S层开始硬化，表层的硬度和强度逐渐提高。
&&&&5.将少量吸水剂与有机营养土以及沙子混合，形成具有保水和提供植物养分的多孔沙层（F层）。吸水剂可选择高吸水树脂，它具有吸收比自身重几百到几千倍水的高吸水功能，并且保水性能优良，一旦吸水膨胀成为水凝胶时，即使加压也很难把水分离出来。其一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。吸水剂与有机营养土按体积比1：1比例称量后放入1L的烧杯均匀混合，适当加入水使混合物保持一定的粘稠度，均匀后滴入几滴水培植物营养液（硝酸钙0.27克，硝酸钾0.13克，磷酸二氢钾0.08克，硫酸镁0.13克与1L水配制而成）。把此作为B剂。
&&&&6.把B试剂与沙子以体积比大约1：4比例混合后，均匀铺在沙子硬化层（S层）上面，铺设厚度约2-3厘米，形成F层。
&&&&7.取1L沙子混入少量秸杆并搅拌均匀后，铺设F层上。铺设厚度为2厘米，形成T层。
&&&&8.用250ml Na2SiO3均匀喷洒在表面，让其均匀地向T层和F层渗透。为渗透充分，需要每隔1小时浇洒一次水玻璃溶液，大约浇洒三次既可以达到要求。然后浇洒凝固剂（A剂），凝固剂与已经渗透进入沙子孔隙的水玻璃，进行反应，生成高粘结度的凝胶，使表层硬化。凝固剂浇洒2小时后，就可以形成比较坚实的表层。这样，三层结构就完成了。
流程如图（19、20、21、22、23、24、25、26）所示：
图19模拟环境
图20 均匀倒入水玻璃
图21 均匀倒入A剂
图22 制作B剂
图23 铺设B剂层
图24 铺设沙子秸杆保护层
图25 三层结构清晰可见
图26 三层结构完整模型
3.3 现场野外的固沙结构设计方案
三层结构固沙的施工的建议方案为：
&&&&1. 将水玻璃与沙子在机械混合设备里按一定比例均匀搅拌（加少量的水保持可流动性）。水玻璃的添加量为每平方米铺设沙子中含有水玻璃2-3公斤为准。
&&&&2. 将混合物均匀喷洒到松散的沙丘表面，根据需要构成特定几何形状。混合物铺设厚度达2～3cm。
&&&&3. 在混合物上喷洒凝固剂热液（80℃左右）。凝固剂的喷洒量为CaCl2多于质量比10%为准。养护24～48小时后，可形成接近最终强度的硬化层（S层）。
&&&&4.，在养护48-72小时后，施工铺设绿化功能层（F层），用于保水与储存植物养分。功能层为粘土、肥料与少量水玻璃混合的混合物，为了增加保水性能，也可以加入少量的高吸水性树脂。这一层具有保水保肥的功能，使植物种子和根系可以在这层中繁衍生长。F层中水玻璃的含量为S层的一半左右。F层的铺设在S层之上，厚度为2-3厘米。
&&&&6. 将大一些的砾石和秸秆短纤维混合到沙子中后，再加入适量水玻璃，用固沙结构的顶层材料物质。T层沙中水玻璃的添加量与S层相当。将混合沙人工或者机械喷浆方法，喷撒到沙丘表面，铺设成厚度为2-3厘米的顶层(T层)。在T层上喷洒加热过的凝固剂，让其渗透到T层和F层的孔隙中，与孔隙中的水玻璃反应，形成凝胶粘接沙子，使沙丘表层形成高硬度的多孔固化层。加入的秸秆起到纤维增强的作用，砾石起到抵挡风力风蚀的作用。
&&&&7. 将植物小苗或种子放入填充有土壤肥料的小桶，隔一定距离埋入多孔沙养分层中。材料选为可降解塑料或者废旧木材等无害材料。小圆桶侧面有小孔，有利于植物小苗与外界进行物质交换和根系外延。
&&&&8. 根据风力、降水量、植被生长速度等环境因素对于固化层的物理化学性能的要求不同，其层中的配方比例和结构厚度，可以因地而异。
&&&&野外施工单层结构，如果利用分批喷洒工艺，强度可以达到2.6MPa以上，需要的固化操作时间为70小时左右，三天以内完成。
&&&&野外施工三层结构，胶结固化层与高强度多孔层根据分批喷洒的工艺，达到理想强度大概需要6天时间，加上保水层铺设时间，在一个星期内可完成三层结构的野外施工。
&&&&施工所用的原料，基本可以就地取材。高纯度的均匀的沙丘硅沙，可以用于制作硅酸盐水玻璃。青海省内有许多盐湖，用作凝固剂的钙盐，可以取自于众多的盐湖中。所以，以沙治沙，用地质聚合物固沙，在青海实施，原料丰富、制造成本低，运输距离短，有得天独厚的优势，大面积推广实用化的可能性很大。以下（图27）是硅沙和盐碱制造固沙剂原料，并根据环境需要实施沙丘固沙和铁路防沙的整个工艺流程图。
大规模固沙剂制造与应用流程图如图27所示：
图27 大规模固沙剂制造与应用流程图
3.4 应用背景的野外施工的特殊性及其对策
上述研究是在实验室进行的。青藏高原的野外施工环境，与实验室是有一定差距的，为此，对于野外施工的特殊性及其对策做了以下研究：
&&&&1.固沙的凝固过程属于化学反应，化学反应的速度，受温度影响很大。青藏高原海拔水平高，气候寒冷，施工必须在夏季进行。例如，青藏铁路经过的沱沱河和五道梁一线，年均气温在零下4-6摄氏度（表2），一年中有半年多时间处于摄氏零度以下，比较合适的季节应该是6月―9月之间。
&&&&2.由于高寒地区植物生长缓慢，在固定的沙壳和保水层上直接播种草种，则很难发芽，成活率低，绿化见效慢。故在方案中建议将纸袋圆筒或者打孔的竹筒等距离地埋入沙壳内，圆筒内装盛有植物幼苗和适当的肥料。所选的草种，最好带刺植物，防止野生动物去沙壳上啃吃。
&&&&3.本研究主要是针对青藏铁路的沙害问题，特别着眼于防止大面积沙丘的移动和大风山口的飞沙扬尘对于铁路沿线的威胁。在施工中，要尽量大面积覆盖流沙的源头，在流沙的发源地带和沙丘的迎风面，采用单层结构固化法，减少流沙量；在铁路附近进行实施三层绿化结构，使植被得以逐渐恢复。用不同地段实施不同结构的建议方案，缓解青藏铁路沿线沙害的威胁和压力。
3.5技术经济分析
&&&&固沙材料成本在化学固沙技术费用中占据绝大部分。按照沙层的固化厚度和渗透深度为2cm、胶结物的体积分数为20%、胶凝剂的比重为1.3等材料参数进行粗略计算，每平方米水玻璃胶凝剂的用量为5.2kg。我们调查了市场上的水玻璃，有数家企业生产，成本价格大约在1000元/吨。
&&&&则根据s=×5.2的简单计算，每平方米的化学材料成本大约为5.2元。按施工成本和其他成本上浮20%，则每平方米的固沙成本在6～8元钱。如果考虑三层结构，既要铺设粘土层和顶层的多孔渗水层，则成本要上扬一倍，大约10～15元左右。这个成本比房屋装修地面的成本（约200元/m2）相比，要小得多。相对于铁路修建的巨大费用相比，要小得多。据调查，现在的机械固沙或者物理固沙的成本，也在5～12元之间，是可以接受的[21]。
4 特色与创新点及应用范围
4.1 实施方案的技术特色
本项目有以下特色
&&&&1.以青藏高原铁路周边新沙丘地貌的固化和铁路防沙保安全为目的，项目目的明确，社会意义大。
&&&&2.针对青藏高原干旱少雨和野生动物多等特点，采取无环境污染的无机硅酸盐液体固沙剂，以沙治沙，技术路线体现很好的环保意识。
&&&&3.通过科学实验发现了硅酸盐溶液在加热的凝固剂的作用下，反应形成高强度的地质聚合物，使沙表层的固化强度达到2-3兆帕。性能优越，工艺特殊并有效，对于今后进一步实用化打下了科学基础。
&&&&4.根据青藏高原的特殊的地质地理和气候环境，提出了沙丘地貌表面固沙层的三层结构设计方案，使固沙-蓄水供肥-植被生长的三大功能为一体，具有营造小环境恢复植被，可使沙丘变绿洲。
&&&&5.所用的材料可取自于沙丘上的硅沙和湖水中的盐碱，可就地取材，资源丰富，价格低廉，基本接近现有的物理沙障的成本，具有大面积推广的可能。
&&&&6.项目若在青藏铁路沙丘迎风坡面实施，可以立即使移动着的沙丘停顿下来，减缓沙丘上铁路的速度，缓解青藏高原铁路沙害危机，有立竿见影的效果，还可能对减少东部城市上空的空中扬尘，有一定作用。
4.2主要创新点
&&&&1.提出了以硅沙溶胶（即水玻璃）为胶凝剂主要成分的以沙治沙的技术路线，使固沙材料与沙子本身的成分相近，环境相容性好，后期环境影响小。
&&&&2.通过实验研究，首次找到了水玻璃溶胶与凝固剂的合理化学配比。
&&&&3.首次提出了热液喷洒凝固剂的方法，并证实了其对于提高固沙强度和缩短工程时间的有效性，因此解决了胶凝剂重新溶解的问题。
&&&&4.设计了具有固沙―保水保肥―植物生长的生态功能的三层固沙材料结构，从上到下依次为高强度多孔顶层―保水供肥层―致密坚硬底层，使其在沙丘上营造出植物生长的小环境。
&&&&5.针对青藏高原环境的特殊性设计了实用的野外施工方案，使研究方案更具可行性。
4.3 研究成果的应用范围
&&&&1.在青藏高原上铁路两旁沙丘的迎风坡面实施，可快速有效地解决铁路沙丘的迁移推进和扬尘问题，直接缓解沙害对于铁路安全的威胁[18-19]
&&&&2.在铁路和公路附近的上风口沙源地带实施，可以高原风沙口的风沙流量，进而减少铁路公路两侧的流沙的沉积量，遏制铁路沙丘的形成
&&&&3.在西部干旱地区沙漠边缘实施，可在一定程度上限制流沙侵蚀农田和村庄，对于保护农牧民的生活，有重要帮助
&&&&4.在悬崖峭壁和隧道内部壁面实施，可以固化岩石和隧道效果，还有防水防渗功能。
&&&&5.如果动员社会力量捐资治沙，在西部大面积实施治沙工程，该项目将成为很好的工业链产业项目，具有很强的可操作性[20～21]。从原料采取、加工，到固沙工程实施与养护，需要一大批从业人员，牵动资金数亿元，不仅具有很好的社会公益性，还对于西部贫困地区农牧民增收致富有所帮助。
&&&&青藏铁路为西部高原的钢铁巨龙，延展两千余里，经过草原、高山、戈壁和沙漠，环境恶劣并脆弱万变，许多地段风沙猖獗，一些风沙山口的强力风沙迁徙，不断向青藏铁路逼近，对路基埋没构成威胁。青藏铁路沿线的沙害，已日益成为青藏铁路安全运行的心头之患。
&&&&针对青藏铁路在干旱地区遇到的飞沙扬尘问题，本文提出了阻止沙丘沙源迁移的大面积低成本化学固沙的技术方案。
&&&&通过实验证实了用硅酸钠水玻璃化学粘结固沙的可能性，并解决了硅酸钠水玻璃凝固成胶结物质时，需要添加的凝固剂的种类、比例和添加方式等技术问题，找到了水玻璃作为固沙剂使用时凝固剂的合理配方，发现热水凝固剂能够非常有效地提高水玻璃的粘结强度。这两个发现具有重要意义，为低成本地制造高强度的沙漠硬层结构创出了新的途径，而且该方法操作可行，为在青藏铁路沿线形成大面积化学硬化沙层提供了科学依据。
&&&&本论文还设计了三层固沙材料结构，使固沙、保水、植被功能一体化，促进荒漠沙丘变绿洲。该以沙治沙新技术低成本并耐久性好，大面积推广使用不仅可有效遏制沙漠对于青藏铁路的威胁，还可用于边防哨所和荒漠边缘的村庄农田保护以及减弱北京地区的沙尘暴强度。为国家的环境建设献出一份力量。
&&&&感谢青海省水利水电研究所科技部主任李润杰博士在野外考察时给予的方便，感谢青海大学新材料应用技术省重点实验室主任铁生年教授对现场治沙试验给予的指导和帮助，感谢清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室主任李建保教授对于化学配方和材料性能测试给予的指导和帮助，感谢博士生何明生对于材料调制试验给予的协助和帮助，感谢清华附中科技活动中心主任吴新胜老师和王旭老师对于调查、试验和论文撰写等方面给予的指导和帮助。
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