廢舊輪胎在我國防風(fēng)固沙工程中的應(yīng)用

陳 靜，劉 鶴，羅忠瑞，蔚 珍，羅志琳，呂蘇文，黃 浩

（甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

土地荒漠化已嚴(yán)重威脅人類的生存和發(fā)展，主要是由于自然因素（大風(fēng)吹蝕、流水侵蝕、土壤鹽漬化等）和人為因素（過度放牧、亂砍濫伐、濫用肥料等）造成的土地退化，包括風(fēng)蝕荒漠化、水蝕荒漠化、凍融荒漠化和土壤鹽漬化四種類型。研究表明，全球荒漠化土地面積已達(dá)到4 000萬km2，約占地球陸地總面積的四分之一。我國荒漠化土地面積已超過國土總面積的四分之一，達(dá)到261.16萬km2。其中，又以風(fēng)蝕荒漠化的影響最為嚴(yán)重，侵蝕面積182.63萬km2，已近我國荒漠化土地總面積的70%。當(dāng)前，如何通過工程治沙措施改善土地荒漠化的問題已成為眾多學(xué)者的研究熱點。

防風(fēng)固沙工程是降低風(fēng)蝕荒漠化危害的一種生態(tài)建設(shè)活動。目前，防風(fēng)固沙技術(shù)可分為物理、化學(xué)和生物三種 。研究顯示，三種防風(fēng)固沙技術(shù)的應(yīng)用與環(huán)境特性密切相關(guān)，一般生態(tài)環(huán)境較好的地區(qū)，比如該地區(qū)的生物多樣性豐富、植被覆蓋度高、土壤肥沃，則該地區(qū)生物防風(fēng)固沙措施的治理效果顯著。反之，生態(tài)環(huán)境相對惡劣的地區(qū)，比如該地區(qū)的生物多樣性匱乏、植被覆蓋度低、土壤貧瘠，則該地區(qū)物理和化學(xué)的防風(fēng)固沙措施治理效果更佳。但是，這三種防風(fēng)固沙技術(shù)都是利用不同技術(shù)制造機(jī)械沙障，通過機(jī)械沙障抑制地表風(fēng)沙運動以達(dá)到防風(fēng)固沙的作用，因此制造機(jī)械沙障是防風(fēng)固沙工程中的核心措施。

目前，我國關(guān)于機(jī)械沙障的研究大多數(shù)圍繞草方格沙障、尼龍網(wǎng)方格沙障和聚乳酸纖維（PLA）網(wǎng)格沙障進(jìn)行，但各有優(yōu)缺點。

已有學(xué)者研究將廢舊輪胎制成沙障用于沙漠環(huán)境治理。研究表明，這種沙障可以阻擋風(fēng)沙運動，提高土壤保水率，與生物固沙措施相結(jié)合，固沙效果明顯。同時，當(dāng)治沙區(qū)域的現(xiàn)狀改善以后，可將廢舊輪胎沙障重復(fù)利用于其他待治理區(qū)域，節(jié)約素材，降低治沙成本，減少治沙過程中對環(huán)境造成的二次污染。該方法已應(yīng)用于沙漠治沙固沙工作中，但目前由于這種方法和技術(shù)尚不成熟，人們對如何揚長避短正確使用該方法尚不了解，以及對該方法的應(yīng)用前景認(rèn)識不足，因此嚴(yán)重阻礙了該方法在沙漠環(huán)境治理中的應(yīng)用。因此，分析我國沙漠治理工作的緊迫性、比較分析廢舊輪胎沙障與目前常用的機(jī)械沙障的固沙效果、揭示廢舊輪胎再利用方法中存在的問題，來探究廢舊輪胎沙障未來在防風(fēng)固沙工程中應(yīng)用的可行性，為我國廢舊輪胎再利用和荒漠化治理提供一種新的方案和指導(dǎo)。

1 廢舊輪胎沙障的作用和固沙機(jī)理

早在2016年，中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所就曾公開了一種使用廢舊輪胎構(gòu)建的防風(fēng)固沙系統(tǒng)，該系統(tǒng)將廢舊輪胎下部連接長桿螺栓，可將該裝置固定在沙質(zhì)土壤中；圓柱面上鉆有螺絲孔，上部開有卡槽，卡槽內(nèi)設(shè)有漏斗狀結(jié)構(gòu)的集水斗，可以有效收集水分。與大部分沙障的固沙機(jī)理一致，廢舊輪胎沙障也是通過改變土壤的理化性質(zhì)，增加地表粗糙度，進(jìn)而降低風(fēng)沙流動速度，減弱風(fēng)蝕荒漠化的進(jìn)程，最終達(dá)到防風(fēng)固沙的目的。其固沙機(jī)理具體如下：

（1）有效提高地表粗糙度，削弱近地面層的風(fēng)速。在設(shè)置廢舊輪胎沙障的沙丘上，當(dāng)風(fēng)沙流經(jīng)時，會產(chǎn)生漩渦，造成積沙現(xiàn)象。經(jīng)過充分的侵蝕和沉積作用，廢舊輪胎沙障之間會形成比較穩(wěn)定的凹曲面，最終組成有規(guī)則的紋狀下墊面。由于凹曲面中回流的作用，其頂部的氣流會被升力抬升，通常稱這種作用為小型淺槽的“升力效應(yīng)”。這種效應(yīng)既能保證廢舊輪胎沙障在遇到強(qiáng)風(fēng)時自身不起沙， 又能使氣流中攜帶的少量沙土被抬升氣流搬運過境，不產(chǎn)生流沙的堆積。此外，除了面對風(fēng)向一側(cè)的沙障，其他部分的沙障可以避免被風(fēng)侵蝕，在很大程度上改變了風(fēng)沙運動條件，從而削弱了近地面層的風(fēng)速，也在一定程度上減少了氣流帶動的沙土總量。

（2）留水保水。廢舊輪胎沙障的漏斗狀結(jié)構(gòu)可以有效保留雨水，從而減緩沙土中水分蒸發(fā)的速率，提高沙土中的含水量，有利于廢舊輪胎沙障中固沙植物的成活。

總之，廢舊輪胎沙障既可以防沙，又可以保水，結(jié)合生物固沙技術(shù)，能有效改善沙質(zhì)土壤的微環(huán)境，從而起到防風(fēng)固沙的作用。

2 廢舊輪胎沙障較傳統(tǒng)機(jī)械沙障在防風(fēng)固沙工程中的優(yōu)劣性分析

目前，在防風(fēng)固沙工程中應(yīng)用的傳統(tǒng)機(jī)械沙障主要以草方格沙障、尼龍網(wǎng)方格沙障和聚乳酸纖維（PLA）網(wǎng)格沙障為主。其中，草方格沙障防沙效果顯著，對環(huán)境污染比較小，但是耗費人力、物力、財力較高，耐久性不強(qiáng)、易腐化，它的應(yīng)用范圍比較廣，尤其適用于極端干旱的沙漠地區(qū)；尼龍網(wǎng)方格沙障是一種新型的固沙材料，其抵抗風(fēng)蝕、老化的作用更強(qiáng)，較草方格沙障的耐久性更好，施工便捷，使用成本較低，但是其固沙效果不如草方格沙障理想，只能適用于地勢相對平坦的地區(qū)；聚乳酸纖維（PLA）網(wǎng)格沙障耐輻射、抗老化，防風(fēng)固沙性能良好，其耐久性、耐腐蝕性優(yōu)于草方格沙障和尼龍網(wǎng)方格沙障，但是其材料成本也高于二者成本，可成為極端氣候條件下的新型治沙措施。

與之相比，作為新型沙障，廢舊輪胎沙障因材料屬性與傳統(tǒng)機(jī)械沙障不同，在防風(fēng)固沙工程中表現(xiàn)出其特有的優(yōu)劣性。

首先，由于廢舊輪胎自重大，與土壤連接牢固，解決了尼龍網(wǎng)方格和聚乳酸纖維（PLA）網(wǎng)格與土壤連接空襲的問題。有學(xué)者在對尼龍網(wǎng)方格沙障的防護(hù)效益研究時發(fā)現(xiàn)，由于尼龍網(wǎng)材料柔軟，在風(fēng)沙流作用下，尼龍網(wǎng)方格沙障易變形，穩(wěn)固性相對較差。聚乳酸（PLA）網(wǎng)格沙障耐老化性能時發(fā)現(xiàn)其存在同樣的問題。相比較而言，在同等規(guī)格下，廢舊輪胎的自重更大，可與土壤穩(wěn)固鏈接，在一定程度上解決了尼龍網(wǎng)方格沙障和聚乳酸纖維（PLA）網(wǎng)格沙障與土壤連接空襲的問題，提高了沙障系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

其二，廢舊輪胎耐高溫、難降解，可重復(fù)滾動利用。曾有研究指出，廢舊輪胎的主要成分是人工合成的高分子聚合物，具有很強(qiáng)的抗熱性、抗機(jī)械性和抗腐蝕性，將其棄于地表或埋在土壤里幾十年都不會被降解。利用這一特性，可以將廢舊輪胎制成沙障，抵抗較強(qiáng)的風(fēng)沙運動，并且經(jīng)過一段時間的使用達(dá)到理想的治沙效果后，可將廢舊輪胎移動至下一片治沙區(qū)域，重復(fù)滾動利用，節(jié)省資源的同時降低了使用成本。

其三，廢舊輪胎具有良好的抗滑性、抗凍性、抗裂性、抗老化和抗輻射性能。已有研究學(xué)者利用廢舊輪胎的這一特性，將其用于路基防護(hù)、邊坡防護(hù)和擋墻防護(hù)等道路工程中，并取得了理想的防護(hù)效果。如果將廢舊輪胎制成沙障，用于防風(fēng)固沙工程中，其制作簡便，使用成本低廉，并且能取得良好的固沙效果良好。

但是，廢舊輪胎難降解的這一特性，在某種程度上也會影響土壤的透氣性。同時，很小一部分被分解的橡膠顆粒會向土壤中釋放化學(xué)物質(zhì)，使土壤環(huán)境逐步惡化。若將廢舊輪胎制成沙障，需要優(yōu)化其環(huán)保性能，降低對土壤的污染。

3 我國廢舊輪胎再利用的主要方法

目前，我國廢舊輪胎的產(chǎn)量已達(dá)到2 000萬噸，居世界首位。對廢舊輪胎的再利用技術(shù)已比較成熟，主要有翻新利用、原形改制利用、熱能利用、熱分解再利用、生產(chǎn)膠粉、生產(chǎn)再生膠六種方式。其中，翻新利用法就是對廢舊輪胎的翻新利用，它是一種污染性小、利用率高的處理方式。熱能利用法是利用廢舊輪胎的燃燒熱值高于煤炭，與天然氣接近的性能，經(jīng)過處理后將其作為燃燒材料的方法，它可以解決大量的廢舊輪胎處理問題。熱分解利用法是利用廢舊輪胎中有機(jī)物的不穩(wěn)定性，將其經(jīng)過一定的工藝處理后分解為熱解氣、熱解油、炭黑和鋼絲，這些產(chǎn)物具有一定的經(jīng)濟(jì)價值，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，這種方法也可以作為大量處理廢舊輪胎的方法。生產(chǎn)再生膠法是在將膠粉通過一定生產(chǎn)工藝制成新的再生膠的方法，新的產(chǎn)品可制成輪胎、膠帶、膠管等橡膠制品，具有良好的經(jīng)濟(jì)價值和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。原形改制利用是通過沖切、捆綁、裁剪等方式將廢舊輪胎的胎圈與胎身分離，再將分離下來的各部分零構(gòu)件制成各種新的產(chǎn)品。生產(chǎn)膠粉法是將廢舊輪胎經(jīng)過切割、粉碎、研磨等工藝制成膠粉，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的各個領(lǐng)域。

4 我國廢舊輪胎再利用方法中存在的問題

研究顯示，目前我國采用的廢舊輪胎再利用方法中存在一些問題。

（1）在幾種主要的廢舊輪胎再利用方法中，翻新利用法、熱能利用法、熱分解利用法和生產(chǎn)再生膠法四種處理方法，在生產(chǎn)過程中涉及大量的化學(xué)工藝，易產(chǎn)生大量的毒害物質(zhì)，對環(huán)境污染極大。另外，原形改制利用法和生產(chǎn)膠粉法對環(huán)境造成的二次污染雖然較其他四種方法更低，但這兩種方法能解決的廢舊輪胎量不大，不能作為大規(guī)模的處理方式。

（2）截至目前，我國尚未在該領(lǐng)域建立起完整的法律規(guī)范體系，缺乏有力的制度保障和政策支撐，仍有一些中小型企業(yè)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)設(shè)施達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)境被污染、產(chǎn)品質(zhì)量不合格、安全事故等問題屢有發(fā)生，嚴(yán)重影響了我國廢舊輪胎再利用行業(yè)的健康發(fā)展。

因此，當(dāng)下找到一種環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、需求量大等綜合效益好的廢舊輪胎再利用方法，對我國乃至世界廢舊輪胎再利用領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要。

5 廢舊輪胎沙障在防風(fēng)固沙工程中應(yīng)用的可行性分析及前景展望

研究表明，廢舊輪胎沙障在我國防風(fēng)固沙工程中的應(yīng)用具有較強(qiáng)的可行性和較好的前景，原因如下：

（1）我國沙漠化治理工作緊迫，任務(wù)繁重。截至2014年底，我國有30多個省受到了風(fēng)蝕荒漠化的迫害，其中以西北五?。ㄐ陆?、內(nèi)蒙古、西藏、青海、甘肅）的影響最為嚴(yán)重，這五個省沙化土地的總面積占全國沙漠化土地總面積的94%，達(dá)到我國國土總面積的16.92%，目前我國對荒漠化的治理已經(jīng)刻不容緩。荒漠化不僅破壞生態(tài)環(huán)境，而且嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會的進(jìn)步。

（2）廢舊輪胎再利用成本低。研究表明，我國廢舊輪胎的翻新率低，僅為6.5%～7%，廢舊輪胎經(jīng)翻新后的價格也僅為新胎的20%～50%。若將廢舊輪胎回收后不經(jīng)翻新，而直接制成沙障，其使用價格會更低廉，可以在很大程度上降低治沙的成本，為防風(fēng)固沙工作提供有利的條件。

（3）廢舊輪胎再利用方法技術(shù)在不斷改進(jìn)和完善。目前，廢舊輪胎再利用的方法已經(jīng)趨于成熟，在不斷解決廢舊輪胎對土壤的污染問題。例如，德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)關(guān)于“可生物降解輪胎”的研究，利用石油煉制過程中一種名為環(huán)戊烯的物質(zhì)，將其和某種聚合物結(jié)合后生成一種類似于天然橡膠的新物質(zhì)，這種新的合成橡膠可以制成輪胎，具有更強(qiáng)的抗熱、抗腐蝕和抗機(jī)械性，并且可以被土壤中的微生物降解，不會污染土壤環(huán)境?？梢灶A(yù)見，將這種新型材料輪胎回收后再利用，就可以規(guī)避傳統(tǒng)廢舊輪胎在防風(fēng)固沙過程中造成的土壤污染問題。

（4）我國廢舊輪胎再利用法律體系在不斷規(guī)范化。已有學(xué)者建議完善我國廢舊輪胎回收利用的政策和制度，依照《再生資源回收管理辦法》中的規(guī)定盡快建立健全相關(guān)的法律體系，通過依法管理來規(guī)范廢舊輪胎再利用行業(yè)的健康發(fā)展。同時，可以借鑒國外的成功經(jīng)驗，比如日本政府曾對廢舊輪胎再利用實行特殊制度，他們對輪胎生產(chǎn)者和輪胎消費者收取一定的費用，將這些費用用于補(bǔ)貼廢舊輪胎再利用企業(yè)，以此為廢舊輪胎的再利用創(chuàng)造有利條件，促進(jìn)這個產(chǎn)業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展。

總之，我國荒漠化治理的緊迫現(xiàn)狀，為廢舊輪胎在防風(fēng)固沙工程中的應(yīng)用提供一定的發(fā)展空間，而廢舊輪胎再利用政策制度的不斷完善和廢舊輪胎再利用方法的不斷改進(jìn)，將為廢舊輪胎在防風(fēng)固沙工程中的應(yīng)用提供可行性和強(qiáng)有力的保障。將廢舊輪胎制成沙障用于我國的荒漠化治理工程也是一種經(jīng)濟(jì)實用的有效措施。這既解決了我國現(xiàn)有廢舊輪胎再利用方法中的環(huán)境污染問題，又解決了荒漠化治理過程中材料成本高、耐久性低和適用范圍受限的問題，可以為我國廢舊輪胎再利用和荒漠化治理提供一條新的途徑。