水溶性聚氨酯改良砒砂巖的水理性能試驗研究

張俊魁, 高海鷹, 梁止水,2

(1.東南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210096; 2.江蘇杰成凱新材料科技有限公司, 江蘇 南京 210019)

砒砂巖是指分布在黃河流域的晉陜蒙接壤地區(qū)，由古生代二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)的厚層砂巖、砂頁巖和泥質(zhì)砂巖組成的巖石互層[1]，因其顆粒松散、成巖度低[2]，該區(qū)域水土流失極為嚴(yán)重。每年向黃河輸入泥沙約達3.50×108t，是造成黃河下游河床不斷淤高的主要原因[3-4]。針對該區(qū)域的治理，中國先后開展了黃河中游重點(試點)小流域治理工程、沙棘資源建設(shè)、國家生態(tài)工程建設(shè)等水土保持治理項目[5]。在治理措施上由最初的生物措施和工程措施漸漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)固結(jié)與生物防治相結(jié)合[6-8]。然而目前現(xiàn)有的固結(jié)材料或在耐久性、或在植物親和性、或在成本方面存在較大的問題，并且多數(shù)固結(jié)材料尚處于實驗室研究階段[9]。基于此，新型環(huán)保化學(xué)固結(jié)材料和水土保持技術(shù)的研制勢在必行。

W-OH是由日本JCK株式會社研究開發(fā)的水溶性灌漿料系列的聚氨酯產(chǎn)品。以水為溶劑，與水反應(yīng)生成具有良好力學(xué)性能的彈性凝膠體，具有高度安全性。它是在原有親水性聚氨酯材料的基礎(chǔ)上融合納米改良，組成結(jié)構(gòu)改變及功能材料復(fù)合技術(shù)，具有高耐久性、自然降解可控性、環(huán)保性等特征。本文擬對經(jīng)W-OH改良砒砂巖的水穩(wěn)定性和抗沖刷性進行試驗研究，同時結(jié)合該材料在砒砂巖抗侵促生工程項目中的實際效果，以期探討W-OH對砒砂巖的改良機理和效果。

1 材料與方法

試樣材料包括試驗用土和試驗W-OH。試驗用土來自于黃河一級支流皇甫川的二老虎溝小流域的表層土，其液限WL=32.2%，塑性指數(shù)Ip=10.6，比重Gs=2.65，最佳含水率Wop=17%，最大干密度ρd=1.71 g/cm3。W-OH為由江蘇杰成凱新材料科技有限公司提供的W-OH，外觀為黃褐色透明液體，密度ρ=1.1 g/cm3，固含量為60%，黏度(20 ℃，mPa.s)為200～800，pH值為6～7。

(1) 水穩(wěn)定試驗。首先將戶外原狀土風(fēng)干后過篩，選出粒徑分別為2～5，5～10, 10～20，>20 mm的團聚體，之后將0%，3%，5%，7%濃度的W-OH稀釋液噴灑到團聚體表面。試驗時可在土樣的表面蒙上一層紗布，乳液最終以滲透的方式透過紗布包裹團聚體，直至試樣充分浸濕飽和。之后將試樣在室溫中養(yǎng)護1 d，再次過篩，選出不同粒徑的團聚體。

(2) 抗沖刷性試驗。采用課題組自行設(shè)計的沖刷試驗?zāi)M裝置進行。該裝置主要由3部分構(gòu)成：坡面槽、坡面上部供水設(shè)備、坡面下部接樣裝置。土槽為鋼制槽，尺寸為2.0 m×0.5 m×0.5 m(長×寬×高)，坡度為30°。供水設(shè)備主要由恒定水位的貯水箱、控制閥門、流量計以及靜水溢流箱組成，接樣裝置為水桶。填土造坡分層完成，土壤干容重控制在1.3 g/cm3，基本接近天然容重。將W-OH稀釋成2%，3%，4%濃度以3 L/m2的量均勻噴灑在砒砂巖土坡表面，并設(shè)計不添加W-OH的清水作為對照試驗。放水流量為2 L/min，沖刷時間30 min。水從貯水箱流出經(jīng)溢流箱后均勻、穩(wěn)定流向坡面，最后出流泥沙通過下端出水口流進底部水桶中，每隔2 min更換1次接樣桶。每組試驗重復(fù)3組，取其平均值。

掃描電鏡的試樣取自抗沖刷試驗改良土，土顆粒風(fēng)干后用手掰開，取較平整的斷面，得到新鮮、完整且保持其原狀結(jié)構(gòu)的試樣。在試樣表面噴鍍一層黃金薄膜后，即為掃描電鏡的觀測斷面。

2 結(jié)果與分析

2.1 水穩(wěn)性試驗結(jié)果分析

團聚體水穩(wěn)性測定方法多樣，其中計算統(tǒng)計法以快速、簡便而被廣為使用[10]。本試驗采用安德里阿諾夫法對團聚體進行統(tǒng)計分析[11]。

團聚體顆粒浸水前，先讓濾紙上的團粒通過毛細(xì)作用吸水飽和30 min。之后將團粒浸入水中，測定l0 min內(nèi)每分鐘團粒崩解的數(shù)量，進行水穩(wěn)性K值的計算。

式中：a1，a2，a3，…，a10——在水中浸泡1，2，3，…，10 min時崩解的土團粒數(shù);a0——浸泡10 min后未崩解的土團粒數(shù)。

由表1可以看出，未添加W-OH的砒砂巖試樣抗水侵蝕能力極弱，水穩(wěn)性較低。W-OH的添加能明顯提高砒砂巖團聚體水穩(wěn)性。在相同團聚體粒徑下，水穩(wěn)性K值隨著W-OH濃度的增加而不斷增大。同時，砒砂巖顆粒的粒徑分布與水穩(wěn)性也有一定的關(guān)系，當(dāng)顆粒粒徑較小時，施加相同濃度和質(zhì)量的W-OH時，顆粒較大的更容易造成水蝕，且噴灑過后，形成裂縫的比例較高，在浸水過程中水蝕程度更大，比例更高。

表1 W-OH對砒砂巖團聚體水穩(wěn)性測試值

由圖1可以看出，當(dāng)團聚體平均粒徑為7.5 mm時，添加W-OH對團聚體水穩(wěn)性有明顯提高，K值漲幅均在4倍以上。當(dāng)W-OH濃度為7%時，改良團聚體水穩(wěn)性K值為98.4，此時的團聚體已具備很好的抗水侵蝕能力。此外，從圖2中可以直觀看出，在相同W-OH濃度下，隨著團聚體粒徑的不斷增加，水穩(wěn)性K降低趨勢越來越明顯。

圖1 改良團聚體在不同濃度下的水穩(wěn)性

圖2 添加5%W-OH后團聚體顆粒大小對其水穩(wěn)性的影響

試驗中觀察到未添加W-OH的團聚體在水中崩解時首先從其表面的邊、棱、角處開始坍塌，隨著時間的延長，團聚體逐漸分散解體；添加W-OH的團聚體以出現(xiàn)裂縫到裂縫不斷變長變寬后突然炸裂的方式在水中崩解。這與劉瑾等所提出的漸進式崩解和炸裂式崩解的2種方式相統(tǒng)一[12]。

2.2 抗沖刷性試驗結(jié)果分析

由圖3中可以看出，未噴灑W-OH的坡面泥沙流失較為嚴(yán)重，前期隨著時間延長，產(chǎn)沙速率不斷增加，之后產(chǎn)沙速率漸漸趨于穩(wěn)定，約為430 g/min。而噴灑W-OH的坡面前期產(chǎn)沙速度均得到明顯控制，其中2%濃度的坡面后期產(chǎn)沙速度快速上升，在23 min左右侵蝕產(chǎn)沙速率開始與對照組保持同一水平，這主要是由于該濃度的W-OH在土坡表面形成的彈性凝膠體漸漸被水沖刷破壞；3%濃度的土坡表面部分凝膠體被破壞，但穩(wěn)定過后的產(chǎn)沙速率低于對照組；4%濃度的W-OH坡面彈性凝膠體在試驗過程中一直未被破壞，其坡面侵蝕產(chǎn)沙量一直較低且比較穩(wěn)定。從圖4中可以看出未噴灑W-OH的坡面累計產(chǎn)沙量為7 563 g，而噴灑2%，3%和4%濃度W-OH的坡面產(chǎn)沙總量分別為5 133，3 612和894 g。試驗結(jié)果表明噴灑W-OH后，不僅可以減小坡面的產(chǎn)沙速率，降低產(chǎn)沙總量，同時還能降低或抑制產(chǎn)沙峰值。

圖3 坡面產(chǎn)沙量隨時間的變化

圖4 坡面產(chǎn)沙累積量隨時間的變化

3 改良機理分析

如圖5所示，未添加W-OH的砒砂巖呈層狀結(jié)構(gòu)分布,類似于五花肉,顆粒間較為松散,內(nèi)部間隙較多。當(dāng)砒砂巖與水相互接觸后，水分借助砒砂巖相對較高的孔隙度得以快速入滲，部分孔隙被水分子代替，從而使剩余孔隙中空氣密度發(fā)生明顯變化，形成壓力差，并以膨脹力形式向周圍擴散；此外砒砂巖中膨脹性礦物質(zhì)遇水后發(fā)生快速膨脹，隨著水土作用的不斷深入，當(dāng)作用在顆粒間的黏結(jié)力不足以抵擋土體內(nèi)部因氣體膨脹和礦物質(zhì)膨脹所造成的破壞力時，團聚體將逐漸分散崩解。

W-OH與團聚體接觸后，稀釋液借助前期的流動性，在砒砂巖表面及顆粒間隙得以迅速鋪展、滲透，之后隨著材料中異氰酸根與水分子的快速反應(yīng)，稀釋液黏度逐漸增加，高分子末端大量的活性基團與土顆粒發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)過一系列作用后，材料在砒砂巖顆粒表面形成了空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(如圖6所示)。隨著時間的延長，溶液黏度進一步增大，由之前的流動狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥阅z體，通過包裹和膠結(jié)等作用使原本相互松散的砒砂巖顆粒相互黏結(jié)在一起，提高了砒砂巖的水穩(wěn)性和抗侵蝕能力。W-OH濃度越大，在砒砂巖表面形成的固結(jié)層更加緊實，可以很好地防止水的侵蝕，而噴灑量的增大，則可以使W-OH溶液滲入到砒砂巖中的厚度增大，從而全面的包裹在砒砂巖表面，整體抗蝕性效果顯著，可以抵抗較長時間的水力侵蝕。

圖5 未添加W-OH的團聚體掃描電鏡圖

圖6 添加5%W-OH的團聚體掃描電鏡圖

相對于粒徑較大的團聚體，在相同W-OH濃度下，W-OH在粒徑較小的團聚體表面更容易全面分散包裹，且在相同時間下，W-OH在粒徑較小的團聚體表面浸入深度更深，形成的膜結(jié)構(gòu)強度更大，破壞時所需的膨脹力也越大。因此團聚體粒徑與水穩(wěn)性值成負(fù)相關(guān)。增加W-OH濃度，一方面增加了W-OH的黏度，提高了W-OH與團聚體的膠結(jié)力；同時W-OH中因含有大量異氰酸酯基(-NCO)能與團聚體中的游離水發(fā)生反應(yīng)使之轉(zhuǎn)化為抗侵蝕能力較強的結(jié)合水。將W-OH噴灑在砒砂巖土坡表面，相當(dāng)于給坡面穿上了一層“雨衣”，降低了雨水與土坡面直接接觸的面積，從而減輕了雨水對砒砂巖坡面沖刷侵蝕的影響。

4 結(jié) 論

從W-OH改良砒砂巖的水理性質(zhì)試驗及材料固結(jié)砒砂巖后微觀掃面電鏡圖可以看出，W-OH與水反應(yīng)后生成的彈性凝膠體通過擴散、滲透、膠結(jié)等方式包裹在砒砂巖顆粒周圍，提高了顆粒間的黏結(jié)力，使改良砒砂巖的水穩(wěn)性和抗沖刷能力得到了明顯提高；在砒砂巖水土流失治理中具有顯著成效。這一研究結(jié)果對W-OH在砒砂巖水土流失治理中的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。

[1] 王愿昌,吳永紅,寇權(quán),等.砒砂巖分布范圍界定與類型區(qū)劃分[J].中國水土保持科學(xué),2007,5(1):14-18.

[2] 沈鑫.一種砒砂巖固結(jié)促生自然邊坡治理技術(shù)[J].人民黃河,2015,38(8):90-94.

[3] 姚文藝,吳智仁,劉慧,等.黃河流域砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術(shù)試驗研究[J].人民黃河,2015,38(1):6-10.

[4] 張德全,宋日生,梁俊林,等.砒砂巖區(qū)的侵蝕及危害[C]∥中國水土保持學(xué)會全國會員代表大會論文集,北京:2006:405-406.

[5] 肖培青,姚文藝,劉慧.砒砂巖地區(qū)水土流失研究進展與治理途徑[J].人民黃河,2014,37(10):92-94,109.

[6] 王愿昌,吳永紅,閔德安,等.砒砂巖區(qū)水土流失治理措施調(diào)研[J].國際沙棘研究與開發(fā),2007,5(1):39-44.

[7] 張騰飛.砒砂巖侵蝕區(qū)水土流失治理新模式探討[J].亞熱帶水土保持,2016(2):44-46.

[8] 肖培青,姚文藝,申震洲,等.黃河中游砒砂巖區(qū)抗蝕促生技術(shù)研究[J].中國水土保持,2016(9):73-75.

[9] 高衛(wèi)民,吳智仁,吳智深,等.荒漠化防治新材料W-OH的力學(xué)性能研究[J].水土保持學(xué)報,2010,24(5):1-5.

[10] 蘭士珍,劉文通,程晉福.兩種水溫性團聚體分析法在不同耕作土壤中的表面[J].土壤通報,1962(9):37-43.

[11] 吳增芳.土壤結(jié)構(gòu)改良劑[M].北京:科學(xué)出版社,1976:239-244.

[12] 劉瑾,施斌,姜洪濤,等. STW型高分子土壤W-OH改良黏性土團聚體水穩(wěn)性試驗研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009,36(2):77-80.