生物礦化技術在沙漠現場的大規模應用研究

趙旭東 李偉群 尹文華 張易辰 繆林昌

(1.寧夏公路勘察設計院有限公司,寧夏 銀川 750001；2.東南大學,江蘇 南京 211189 ）

沙漠地表有大量的風積沙，因其顆粒細小、沒有凝聚力，所以很容易被風卷起，形成沙塵暴[1-2]。沙塵暴是干旱和半干旱地區較為常見的天氣現象[3]。在全球范圍內，土地退化和荒漠化覆蓋了近41%的土地，影響了約38%的人口[4]。荒漠化會破壞生態系統，影響了干旱半干旱區的經濟發展和穩定[5-6]。荒漠化的后果之一是沙塵暴的頻繁發生。防治荒漠化和控制土地退化仍然是全球面臨的生態挑戰。防沙治沙常用的方法有工程法、植被法和化學法，這些方法都有其自身的局限性，不能適應流動沙區不同地形條件的變化。

生物礦化技術（microbial induced calcite precipitation，MICP）是一種環境友好的新型土壤固化技術。該技術是利用脲酶將尿素分解成銨根和碳酸根，其中碳酸根與環境中金屬陽離子結合，最終生成難溶于水的碳酸鹽。由于這類晶體具有膠結性，能將松散顆粒膠結在一起，形成具有一定強度的整體[7]。近年來，該技術在材料工程、土木工程、地質工程等領域已得到廣泛關注[8-10]。

MICP具有重大的應用價值，如防風沙[11-12]、提高土壤強度[13]、地基加固[14]、降低土壤滲透性[15]。目前，對MICP加固土的研究主要局限于室內試驗，大型工程應用較少[16-17]。本研究將采用MICP技術對沙漠風積沙進行固化，分析其在大規模防風固沙方面的應用潛力。

1 現場概況

現場試驗地點位于寧夏回族自治區騰格里沙漠烏瑪高速公路旁的防風沙地帶[18-19]，坐落標段為K166+200 到K167+000，如圖1所示。試驗場地總面積約為50 000 m2。在烏瑪高速公路兩側，為減輕流沙對高速公路的影響，設置了草方格屏障、低立式防沙帶、高立式防沙帶等防沙設施，但由于在公路建設過程中被流沙覆蓋，這些裝置已經失去了防沙功能（如圖2所示）。基于此種情況，研究組應用MICP技術在沙漠表層形成生物礦化固化層，以起到控制沙塵暴的效果。

圖1 現場試驗地理位置

圖2 防沙帶被流沙覆蓋

2 試驗方法

根據當地的地表特征，試驗現場分為4個區域：區域1為消退的草方格；區域2為新草方格；區域3為方格網；區域4為風積沙邊坡。寬度分別是20 m、20 m、50 m和10 m，如圖3所示。

圖3 現場試驗區域劃分

騰格里沙漠風積沙顆粒級配如圖4所示。風積沙顆粒細小均勻，磨圓度高，顆粒間沒有黏結力。

圖4 風積沙顆粒級配

試驗采用的固化配方為脲酶溶液和膠凝液。膠凝液中含有0.25 M尿素、0.25 M醋酸鈣和40 g/L聚合物A。其中脲酶用量為1.2 L/m2,膠凝液用量為1.5 L/m2。為操作簡便，在現場利用水泵和噴頭將溶液噴灑在風積沙表面，如圖5所示。現場試驗進行時間為2020年8月18日—2020年8月21日。

圖5 現場試驗工藝

3 試驗結果

3.1 表面觀察

現場沙土地下水位較淺，含水量較大，阻礙了噴灑溶液的下滲，大量的溶液積于表面，如圖6所示。與未固化的區域相比，噴灑了固化溶液的區域顏色較白，這是因為噴灑的膠凝液呈乳白色，同時，生成的碳酸鈣也是白色的。而相比于晴天施工，降雨后噴灑的部分明顯更白。這是由于降雨后施工溶液不容易下滲，水分烘干后表面出現起皮的現象，如圖7所示。表皮剝落后，下面顯現未固化的散沙。

圖6 區域1不同工況噴灑砂土表面對比情況

圖7 表面起皮現象

3.2 表面強度，固化層厚度和碳酸鈣含量

使用表面硬度計在不同的實驗區域隨機選擇10個測點獲得不同區域在不同工況條件下的表面強度。四個試驗區的平均表面強度如表1所示。不同測試區域的表面強度差異很大。試驗區2和試驗區3的表面強度較高，原因是草方格屏障和低立式防沙帶的邊界條件降低了反應溶液的損失。這兩個試驗區較厚的固化層使得表面強度比其他試驗區更高。此外，地貌特征也影響了所產生的CaCO3含量。受邊界效應影響，測試區2和測試區3的CaCO3含量大于試驗區1和試驗區4，這與表面強度和固化層厚度的結果一致。此外，CaCO3含量越高，表面強度越大。

表1 降雨的影響

固化后的風積沙表面強度越高，固化層越厚，如圖8所示。表面強度隨固化層厚度的增加呈指數增長。由于施工干擾，試驗區1的樣本建立的相關性較差。但是，從處理區樣品，特別是處理區1，表面強度與CaCO3含量之間并沒有明顯的相關性，如圖9所示。當考慮到所有數據時，擬合曲線離散度較高，仍然可以觀察到表面強度隨著CaCO3含量的增加而增加。因此，對于風沙表面固化而言，與CaCO3含量相比，固化層厚度對表面強度的影響更大。

圖8 表面強度和固化層厚度的關系

圖9 表面強度和碳酸鈣含量的關系

3.3 抗雨水沖刷能力

騰格里沙漠年降水量較少，但降水主要集中在8月份，集中性的降雨仍舊會對固化效果造成影響。為此，在2020年8月18日至31日進行了現場試驗，研究了固化后的風積沙的抗雨水沖刷能力。

降雨對固化效果的影響如表1所示。降雨使表面強度下降，其中試驗區1和試驗區4地表強度下降幅度最大，分別為26.27%和22.33%，原因是雨水溶解了少量的沉淀，碳酸鈣含量的下降幅度說明了這一點。

后4次降雨后地表強度下降幅度較小，原因是CaCO3沉淀很少被水流沖走，CaCO3含量的下降主要是溶解造成的。降雨對固化層厚度影響不大。處理后砂土的地表強度降低率較低，說明降雨對處理后砂土的影響較小。表面強度降低率較低，可能與試驗區2和試驗三區固化層較厚有關，如表1所示。此外，固化層能增強保水效果，使植物快速生長。因此，MICP處理與植被保護相結合，將產生雙重的荒漠化緩解效果。

3.4 防風沙能力

以往關于防風沙的研究主要利用室內風洞試驗研究處理沙土的抗風蝕性能。但現場由于缺乏試驗裝置，對風蝕效應的試驗比較困難。為此，研究組創造性地使用無人機對現場試驗場地進行拍攝。

在進行沙漠沙粒固化實驗前，于2018年3月17日獲得初始圖像，并提取地形數據。同樣，使用無人機再次獲取2019年6月11日的地形數據，提取高程數據，確定試驗現場風對高程的影響，如圖10所示。由于抗風蝕能力差，高程隨風變化較大，上風口高程減小，下風口高程增大。

圖10 固化前沙漠高程變化

現場試驗現場溫度變化較大，風速很大，在處理后的100天內，現場出現了多次降雨。然而，生物礦化處理顯著提高了抗風蝕能力。100天內地貌特征基本沒有變化，如圖11所示。與處理前的高程變化不同，處理區域的沙土在100天內沒有被風揚起。因此，處理區域的高程沒有發生變化，特別是試驗區2和試驗區3。未處理區域標高減小，這是試驗區1和試驗區4標高略有增加的原因。雖然處理區域的時間較短，但處理區確實獲得了較好的抗風性能。

圖11 生物礦化處理后固化區高程變化

4 結論

為了驗證生物礦化技術防治沙塵暴的可行性，研究組進行了大型沙漠風積沙固化試驗。研究了不同試驗區的處理效果。試驗區2和試驗區3的表面強度較大，固化層層較厚，CaCO3含量較大。對于沙漠風積沙的表面固化，固化層厚度對表面強度的影響較大。

降雨侵蝕降低了土壤表面強度和CaCO3含量。然而，降雨對處理區域的影響較小。在騰格里沙漠降雨稀少，本研究提出的生物礦化技術處理可以保證長期抗雨水侵蝕能力。此外，生物礦化技術理顯著提高了抗風蝕能力，處理后60 天內，溫度變化較大，風速較大，現場出現降雨，但防沙治沙效果仍然顯著。因此，本研究提出的生物礦化技術方法具有長期防沙治沙的潛力。