仿生超疏水材料在寒區(qū)土石壩防滲的應(yīng)用前景與展望

李治軍，董 智，陳 末，盧 松

(1.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所，黑龍江 哈爾濱 150080；2．黑龍江大學(xué) 水利電力學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150080)

土石壩是一種利用當(dāng)?shù)赝?、石材料建造的一種壩型[1-2]，因其具有：(1)可以最大限度地利用壩址附近可開采的天然土、石材料。(2)能較好的適應(yīng)地基變形，對地形，地質(zhì)條件的要求較低。(3)結(jié)構(gòu)簡單，施工工序少且施工技術(shù)容易掌握。(4)運用管理方便，壽命長，擴(kuò)建維護(hù)較容易等優(yōu)點而被世界各國所普遍采用。據(jù)統(tǒng)計，我國在建和已建成的15 m以上土石壩有15000余座，占世界土石壩總數(shù)的一半以上。經(jīng)過不斷引進(jìn)消化和自主創(chuàng)新，我國的土石壩建筑技術(shù)已經(jīng)積累了大量的工程經(jīng)驗，逐步形成了具有中國特色的土石壩筑壩技術(shù)，兩河口電站工程的建成更是將我國的土石壩建造技術(shù)推向國際先進(jìn)行列。

雖然，土石壩的發(fā)展一直經(jīng)久不衰。但是土石壩一直受著滲漏問題的威脅侵?jǐn)_，成為亟待解決的問題。現(xiàn)如今，國內(nèi)外主要成熟的防滲措施有土料防滲、混凝土面板防滲、瀝青混凝土墻防滲、復(fù)合土工膜防滲等[1]。這些防滲措施的實施需要將土石壩分區(qū)，在短期內(nèi)能取得很好的防滲效果。但土石壩分區(qū)極易在滲流的作用下產(chǎn)生接觸沖刷、接觸流土等破壞形式，對土石壩的長期壽命不利。為解決這一問題，仿生超疏水材料走進(jìn)了水利工作者的視野中。

現(xiàn)如今，仿生超疏水材料因其具有抗凍、防水、防污、可有效減少流體阻力黏滯性等優(yōu)良特性，使其得到了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，并在近幾年取得了較大進(jìn)展。當(dāng)下該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等方面。水利工程作為一種功在當(dāng)下，利在千秋的基礎(chǔ)設(shè)施，新技術(shù)與其結(jié)合使用顯得尤為重要和突出。而土石壩基礎(chǔ)處理、高壓噴射灌漿、套井回填等傳統(tǒng)水利工程的防滲措施普遍存在技術(shù)要求較高、施工復(fù)雜、效率低下等問題，而且這些問題在寒區(qū)變得更加復(fù)雜。而針對寒區(qū)土石壩的防滲問題，仿生超疏水材料的應(yīng)用將有效的提高寒區(qū)土石壩的防滲措施的效率，降低其施工難度。

1 仿生超疏水材料簡介及制備方法

1.1 仿生超疏水的簡介

自然界中動植物的經(jīng)過億萬年的演化，自身具有最優(yōu)適應(yīng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)和功能，而超疏水現(xiàn)象就是動植物表現(xiàn)出的一種特殊的現(xiàn)象。最早說明自然界中的超疏水現(xiàn)象是出現(xiàn)在中國古代的《愛蓮說》一文當(dāng)中的“出淤泥而不染”，這一句說明了荷葉表面具有拒水的功能，而且隨這水滴的滾動可將荷葉表面的污物帶走。荷葉的這種自行清潔和拒水的現(xiàn)象被稱之為“荷葉效應(yīng)”。Barthlott和Neinhuis先后對荷葉以及200多種防水材料的表面層次結(jié)構(gòu)觀察后，發(fā)現(xiàn)這些材料以及荷葉表面具有微絨毛[2]。這些微絨毛是由乳突結(jié)構(gòu)及蠟狀物質(zhì)構(gòu)成，是微米結(jié)構(gòu)。同時說明了荷葉的超疏水現(xiàn)象是由這種微米結(jié)構(gòu)和表面的蠟狀物質(zhì)共同作用的結(jié)果。而后江雷課題組通過進(jìn)一步的放大荷葉表面，發(fā)現(xiàn)乳突是納米級單位[3]。除了荷葉，自然界中還有其它的超疏水現(xiàn)象，如水稻葉、花瓣、水黽腿部等，如圖1所示。通過這些生物表面的觀察，發(fā)現(xiàn)具有超疏特性的表面均具有不同形貌的微納米結(jié)構(gòu)，而且發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)表面都含有不同類型的碳?xì)浠衔锕倌軋F(tuán)，這為仿生制備超疏水材料提供了重要的理論依據(jù)[4-5]。

20世紀(jì)60年代，美國國家航天局最先提出超疏水材料，主要使用在航天飛機。20世紀(jì)70年代，科學(xué)家通過SEM研究葉片表面的疏水性及其微觀結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)植物表皮是一種主要由角質(zhì)層網(wǎng)絡(luò)和疏水性蠟狀物質(zhì)組合成的復(fù)合材料，具有強疏水性[6]。因此，仿生超疏水材料開始走進(jìn)科學(xué)家的視線。而我國對于該材料的研究始于20世紀(jì)90年代，起步較晚且重視度較低，以致在國內(nèi)該技術(shù)研究成果較少，而美國、俄羅斯和德國三個國家因其研究較早，從而掌握的技術(shù)最為領(lǐng)先。

現(xiàn)在仿生超疏水材料普遍定義就是一種通過對自然界的仿生制備而產(chǎn)出的一種超疏水材料，可自行清潔需要干凈的地方，具有強疏水性。根據(jù)水滴在其表面的特點將其定義為表面穩(wěn)定接觸角大于150°，滾動角小于10°的材料[7-10]。因其具有顯著的疏水、抗凍、防污等功能，被廣泛的應(yīng)用于防水、防污、自清潔、流體減阻等領(lǐng)域。仿生超疏水的材料的應(yīng)用前景非常廣闊，目前在遠(yuǎn)距離管道運輸、建筑物防水防污、食品包裝等方面已有一定的發(fā)展。例如，德國STO公司研發(fā)了有機硅納米乳膠漆，大大提高了乳膠漆的各方面性能；延安大學(xué)張雪梅、李金輝等[11]研制了磁驅(qū)動超疏水海綿，這為超疏水材料與外場磁耦合驅(qū)動提供了可能。江蘇大學(xué)吉海燕、陳剛等[12]采用刻蝕法處理玻璃，研制了超疏水玻璃表面；王志博、牛志強通過對SiO2超疏水涂層進(jìn)行氟化，可以顯著延長凍結(jié)時間，將其涂在混凝土表面可以增加混凝土的抗凍性[13]。這為仿生超疏水材料在寒區(qū)土石壩的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。

1.2 仿生超疏水材料制備方法

仿生超疏水表面形式有兩種，一種是在疏水層上形成粗糙面，另一種是利用低表面自由能材料形成粗糙微面[14]?，F(xiàn)今常用的仿生超疏水材料的制備方法有刻蝕法、溶膠-凝膠法、模板法、相分離技術(shù)法、靜電紡絲法和自組裝法等。這些方法是通過微相結(jié)合的途徑在材料表面制備超疏水面。

刻蝕法是通過化學(xué)或物理的方法在基材表面形成粗糙面，現(xiàn)如今常用的刻蝕方法是化學(xué)刻蝕、激光刻蝕、離子刻蝕等[15]。此方法的優(yōu)點在于可精確操作，但大面積制作成本太高。Sung-Woon等用離子體刻蝕法得到了微米級棒狀結(jié)構(gòu)的硅表面；溶膠-凝膠法本質(zhì)是將化學(xué)活性高的化和物水解經(jīng)行溶膠縮合，凝膠成微米孔狀結(jié)構(gòu)從而形成超疏水表面。該方法得到的超疏水表面可控性差，同時化學(xué)污染較為嚴(yán)重；模板法是將帶有空穴結(jié)構(gòu)的材料作為基材，將鑄膜液通過澆鑄、傾倒、旋涂等方式覆蓋在模板上，在特定條件下使基材表面成膜的方法[16]。這種方法具有簡潔、有效、可大面積復(fù)制等優(yōu)點，在實際應(yīng)用上有較好的前景。Ke等以芋葉為基材，用模板法生成具有細(xì)微空穴的表面結(jié)構(gòu)，再通過聚正十八烷基硅浸漬覆蓋修飾使疏水性能顯著提高；相分離法是通過控制成膜過程條件，使芯材和壁材中的溶液產(chǎn)生兩相或者多相，在芯材或者壁材表面形成超疏水薄膜。此方法優(yōu)點在于實驗條件可控，過程簡單易操作，可以制造大面積的超疏水材料，具有較大的實用價值；靜電紡絲法是一種較為新穎的超疏水材料制備方法。該方法是將制備材料置于靜電場中，通過庫侖力的作用使制備材料在基材表面形成微米疏水表面。此種方法可用于大面積制作仿生超疏水材料，但由于分子親水基團(tuán)不同，使制得的仿生超疏水材料的均勻性不能得到保證。故而此方法應(yīng)用于實際存在較大的不確定性。

2 超疏水材料在寒區(qū)土石壩中應(yīng)用的設(shè)計及原理

根據(jù)仿生超疏水材料和土石壩滲漏成因進(jìn)行分析研究，可將仿生超疏水材料引入土石壩的設(shè)計中，將仿生超疏水材料的制備方法與仿生超疏水涂層設(shè)計相結(jié)合，在土工膜上構(gòu)建微納米仿生超疏水面。得到的土石壩的模型設(shè)計如圖2所示。

圖2 模型設(shè)計圖

仿生超疏水層由土工膜的兩面構(gòu)成，在壩體橫截面放大圖中從左至右依次是平整層、仿生超疏水層、土工膜層、墊層。平整層的存在可以使仿生超疏水層減少破壞，增加超疏水材料的耐久性；仿生超疏水層因其抗凍性可增加土工膜抗凍能力。整個橫截面土的占比在50%～60%,壩右半部分大多由滲透性很好砂卵石填充，充分做好上堵下排工作。

3 應(yīng)用前景與展望

在寒區(qū)土石壩中，滲漏是壩體破環(huán)主要問題，傳統(tǒng)滲漏的解決措施有壩體表面涂抹、貼補、灌漿、構(gòu)筑瀝青防滲層等。這些措施只能達(dá)到中短期的防滲漏目的。另外，這些防滲層厚度過大，對土石壩的整體性影響極大，具有效率低的缺點。仿生超疏水材料的應(yīng)用可很好的解決傳統(tǒng)防滲措施的弊端，但仿生超疏水材料的耐久性差、造價高將會制約仿生超疏水材料在水利工程的應(yīng)用。相信隨著時間的推移仿生超疏水材料耐久性、造價高等缺點會得到解決。