水利工程中新型超疏水材料應用前景展望

賈致通 戚高晟 金銘 高亞威 鄭軍威 袁一航

摘要：指出了滲漏是水閘、混凝土壩、泵站等水工建筑物目前面臨的最大問題，也是影響水工建筑物工程安全的最主要因素。據水利、水文等相關部門調查統計，我國每年在水利工程防滲維護工作方面的開支金額龐大、數以億計。因此，十分有必要尋找一種高效可靠、持久耐用的防滲方法或防滲材料，來為新時代水利工程的防滲工作提供解決的新思路和新方案。通過分析傳統水利工程施工過程中常見的滲漏現象和滲漏成因，詳細介紹并探討了新型超疏水材料的發(fā)展，進一步為新型超疏水材料與水工建筑物的結合應用提出了新的展望。

關鍵詞：水利工程;超疏水材料;水工建筑物;防滲;高效;仿生材料;混凝土

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0182-02

1 引言

2017年10月，中共中央總書記、國家主席習近平同志在黨的“十九大”報告中提出：要把人與自然和諧共生納入新時代堅持和發(fā)展中國特色社會主義的基本方略，要把水利擺在九大基礎設施網絡建設之首。

“十九火”報告中關于水利建設方面的論述，不僅為我國基層水利事業(yè)的發(fā)展進一步深化了工作內涵，明確了工作方向，也為水利工作者們指明了水利行業(yè)未來的發(fā)展趨勢和著力根基，同時也積極要求人們繼續(xù)合理開發(fā)研制尖端技術、新型材料等，服務并應用于傳統水利行業(yè)。

水利工程的大力發(fā)展離不開牢固可靠的水工建筑物，然而，當下我國水工建筑物的滲漏病害現象非常的普遍，僅以我國水利工程中常見的面板堆石壩為例：據不完全統計，我國在建和已經建成的面板堆石壩數量約為300座，占世界面板堆石壩數量的一半以上。我國自20世紀80年代開始陸續(xù)引進現代面板堆石壩技術以來，建設至今已有30余年的技術應用歷史。經過引進消化、自主創(chuàng)新和不斷的突破發(fā)展，我國的壩工事業(yè)已經積累了大量的工程經驗，進入了頂峰狀態(tài)，逐步形成了具有鮮明中國特色的面板堆石壩筑壩技術，蒙江雙河口電站等工程為世界壩工界所驚嘆?？稍谶@風光背后，我國的大壩卻普遍遭受著滲漏問題的威脅侵擾，成為亟待解決的一個重要工程問題。

“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”語出宋朝名儒周敦頤的《愛蓮說》一文，其大致意思為：“蓮花從淤泥中生長出來卻不受淤泥的污染，在清水里濯洗過但并不會因此而顯得妖媚?！毙纬蛇@種現象的主要原因就在于蓮花表面有一層超疏水材料，正是這種超疏水材料，才使得水流聚股流下，污泥不會黏附在蓮花的表面（圖1）。利用這一原理，與此類似的仿生材料結構特征的形成機制和機理研究，在我國的相關研究機構和科研院所自20世紀90年代就已相繼開展。超疏水材料因其具有防水、防污、可有效減少流體阻力粘滯性等優(yōu)良特性，使得其相關技術開發(fā)研究引起了學界的廣泛關注，并在近年來逐步取得了較大的進展。當下，不同方法提煉制備的超疏水材料也被廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、國防、冶金等相關領域，其應用面已經覆蓋了我們生活的方方而而。2014年9月，國務院總理李克強同志在夏季達沃斯論壇上首次提出了“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的時代關鍵詞，號召我國各地創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)才俊骨干以新技術、新思想推動和助力社會前進發(fā)展。號召提出四年以來，創(chuàng)新性發(fā)展已逐漸成為我國社會發(fā)展的主流，而水利工程作為功在當下，利在千秋的惠民事業(yè)，新技術與其的結合利用就顯得尤為重要和突出。在實際工程中，傳統水工建筑物的防滲措施普遍存在著技術要求高、施工工藝復雜、效率低下等問題，而針對上述技術問題，新型疏水材料的技術應用將有效地提高防滲措施的施工效率及防滲效果。

2 超疏水材料簡介

超疏水材料是一種新型材料，它可以自行清潔需要干凈的地方，還可以放在金屬表面防治水的腐蝕生銹，目前行業(yè)內將其特點定義為表面穩(wěn)定接觸角大于150°，滾動角小于10°。超疏水材料因其普遍具有顯著的疏水、脫附、防粘、自清潔等功能，被廣泛應用于防水、防污、自清潔、流體減阻、抑菌等領域。

超疏水材料上的微茸毛由乳突及蠟狀物構成，其為微米結構，乳突為納米結構，當水與超疏水材料表面接觸時，會有空氣存在于微小突起之間，從而大大減小水與超疏水材料表面的接觸面積。又由于水的表面張力作用，使得水漓在這種粗糙表面的形狀接近于圓形，其接觸角可達150°以上，這種納米與微米相結合的雙微管結構正是起到表面防水防污作用的根本原因。具有大觸角和較小滾動角的超疏水性材料表面結構為微米級及納米級結構的雙微復合結構，這種結構可以直接影響水滴的運動趨勢[1]。

超疏水材料的表面結構通常有用兩種形式，一是在疏水材料表面上構建微觀結構，二是在粗糙表面上修飾低能表面物質。由于降低表面自由能在技術上比較容易實現，因此超疏水材料表面的制備技術的關鍵就在于構建合適的表面微細結構。當前，已報道的超疏水材料表面制備技術主要有溶膠凝膠法、模板法、自組裝法及化學刻蝕法等[2]。

超疏水材料表面結構具有非常廣闊的應用前景，目前在遠距離管道運輸、建筑物耐水防污、船舶提高浮力、織物面料等方面已有一定的發(fā)展，如中科賽納技術有限公司采用納米合成技術制備的納米超疏水自清潔玻璃涂層，其具有自清潔、防結冰、抗氧化等功能，應用在建筑外墻、玻璃以及金屬框架等處可大大降低建筑物的清沽以及維護成本：德國STO公司根據荷葉效應原理開發(fā)了有機硅納米乳膠漆，對傳統乳膠漆進行了創(chuàng)新改良，大大提高了性能優(yōu)勢;江蘇大學吉海燕、陳剛等采用刻蝕法處理玻璃，也成功制備了超疏水玻璃表面[3];盧思等課題小組[4]把無序碳納米管粘接在基材鋁管表面以形成復合結構表面，然后用聚四氟乙烯修飾該復合表面上以形成一層超疏水PIFE膜。

雖然國內外現已經研究出了大量關于超疏水的研究成果，但基本仍處在實驗室階段，現階段超疏水材料較廣范圍內的應用效果也不是非常理想，民眾對其的普遍認知率也較為有限，制作成本高昂，耐久性能比較低，并且其表面的微納米結構十分脆弱，容易被破壞，從而喪失超疏水性。所以在材料選擇、制作工藝以及后續(xù)處理上都需要相關領域的專家學者進一步深入研究解決，因此超疏水表面在實際應用方面還存在著極大的發(fā)展空間[5]。在水利工程水工建筑物的超疏水技術應用方面，王志博、牛志強等專家已率先研究出了對混凝土同時進行引氣與超疏水涂層處理的新技術，可有效改善其內部孔隙結構，提升表面的疏水性能和抗凍性能[6]。但在真正意義上，將超疏水材料應用在水工建筑物的防滲漏問題方面的技術研究領域目前幾乎為空白，故而開發(fā)和研究超疏水表面與水工建筑物防滲問題的結合應用有著重要而深遠的意義。

3 混凝土壩和漿砌石壩滲漏成因與對策分析

水工混凝土壩和漿砌石壩的主要滲漏類型有壩基滲漏和壩體滲漏兩種，其滲漏的原因有以下幾個方面：①由于勘探工作做的不周，地基留有隱患，水庫蓄水后引起滲漏;②由于設計考慮不周，在某種應力作用下，使混凝土產生裂縫，引起滲漏;③因施工溫差或本身干縮等原因，產生裂縫而引起滲漏;④沒計施工中采取的防滲措施不良或運行期間由于物理、化學因素的作用，使原來的防滲措施失效或遭受破壞而引起滲漏;⑤遭受強烈地震及其他破壞作用，使混凝土建筑物或基礎產生裂縫，引起滲漏[7]。

混凝土壩和漿砌石壩滲漏病害通常處理的基本原則是“上截下排，以截為主，以排為輔”，根據滲漏的層次部位，危害程度，施工狀況以及修補條件等實際情況制定合理可靠的處理措施，通常我們的處理方式為：①對于建筑物本身的處理，以上游面封堵為主;②對于基礎滲漏的處理，以截為主，輔之以排;③對于接觸滲漏或繞壩滲漏的處理，應先封堵，以排補救。

4 超疏水材料壩面設計及原理

根據對超疏水材料和壩面滲漏成因對策的分析研究，可將超疏水材料引入水泥混凝土壩面設計中，通過微納米壩表構建與超疏水涂層設計相結合，對超疏水材料壩面表層進行疏水設計，其結構模型如圖2所示。

超疏水性能壩面由兩層結構構成，由左至右依次為主體結構混凝土層和超疏水層（又稱表面功能層），其中主體結構混凝上層的厚度占整個壩面板結構的80%至90%（具體比例可根據現場實際工程情況而定），其性能與普通混凝土壩相似;超疏水層通過摻入一定量聚乙烯醇纖維和鋼渣，使其強度和耐磨性得以大幅度提高，同時在其表面涂刷經復配得到的超疏水復合功能材料，從而制備出超疏水性能壩面。

5 應用前景展望

在水利工程中，滲漏是常見的壩體病害之一，傳統滲漏的處理措施有表面涂抹、表面貼補、鑿槽嵌補、灌漿、構筑防滲層等。雖然這些措施能在短期內達到預期的使用目的，但其普遍具有工作量大，影響混凝土完整性及強度，作用較小等局限性。

目前技術允許范圍內，標本兼治的最佳措施就是將超疏水材料覆蓋在與水接觸的混凝土表面，形成一層空氣膜，避免壩面直接與水摩擦接觸，減少浸泡，從而達到有效防止發(fā)生滲漏的現象，此技術電充分符合“以截為主”的滲漏主要處理原則。同時，在溢洪道溢流面上覆蓋一層高強度超疏水材料，可減小水流對陡坡段和出口處的沖刷，避免溢洪道陡坡段內墻被沖刷，底板被掀起、下滑或局部接縫破壞以及消能設施的破壞;采用高強度超疏水材料還能防止氣蝕破壞.避免產生蜂窩、麻面及混凝土脫落現象，在彎道處布設高強度疏水材料，可以減小阻力而防止翼墻沖刷破壞。

在超疏水材料與建筑物兩種材料的粘結性方面，潘洪波等專家對超疏水材料粘結效果進行分析，通過150多次試驗發(fā)現，硅氧烷與超疏水材料的粘結性能十分理想，為超疏水材料的應用起到積極作用[8]。值得注意的是，水工建筑物所處的水環(huán)境十分復雜多樣[9]，受不同地域內氣候、水文、地質等因素影響[10]，水中沙石、冰凌、水生物、礦物質[11]等均會對材料產生不同程度的破壞，這就對超疏水材料在水利工程中的推廣應用形成制約：①混凝土壩上游迎水面面積廣，材料需求量大;②水工建筑物運行周期長，建筑材料要求具有足夠強度的耐久性;③風吹日曬使得壩體混凝土在不同程度上會出現裂縫，若使用剛性材料，會伴隨混凝土開裂而開裂，導致失去疏水作用。

上述問題都是目前推廣該項材料技術可能遇到的主要技術難題，需相關研究人員從材料的耐久性、大批量配備技術、成本、與其他材料的粘結力、延展性等方面更加深入研究。相信隨著時間的推移，這些問題都將會得到有效解決。

荷葉效應為超疏水材料的研究提供了現實依據，而超疏水材料在水工建筑物領域的應用目前仍處于空白狀態(tài)，若能有效解決材料強度、價格等限制因素，并加以推廣利用，將在壩體防滲、溢洪道沖刷、漏水、水閘腐蝕、渠系輸水建筑物的防滲等方面起到良好的作用，為建設新型智慧水利工程做出貢獻。

參考文獻：

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