超疏水材料改性粗粒土墊層防排滲水試驗研究

陳 鴻， 安 鵬， 孫保偉， 徐光耀， 劉 魁

（1.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，西安 710054； 2.西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部實驗室，西安 710054；3.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，西安 710054）

海綿城市是解決城市內(nèi)澇及水資源匱乏這一矛盾的重要手段. 市政道路中央生態(tài)濾溝作為海綿城市建設(shè)中一種常見的低影響開發(fā)工程，在排干路面積水、滲透凈化雨水中的汽車排放污染物、維持市政道路綠化帶用水方面發(fā)揮著重要作用［1］. 陜西西咸新區(qū)作為國家遴選的海綿城市建設(shè)示范區(qū)域，因濕陷性黃土較厚、年降雨量不均衡等特點使得該地區(qū)按傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的中央生態(tài)濾溝存在雨季植被漬泡、旱季干枯，濕陷變形誘發(fā)路面沉降、脫空等問題［2］. 因此，應(yīng)結(jié)合當?shù)毓こ痰刭|(zhì)與氣候條件改善中央生態(tài)濾溝的防排滲水調(diào)蓄功能，尋求一種更合適的設(shè)計方法. 斥水性土作為固液接觸角較大的一類土，在形成一定厚度的斥水性土墊層后，具備防排滲水調(diào)蓄潛力，目前尚未見到應(yīng)用于海綿城市的相關(guān)報道.

斥水性土具備特殊的水土相互作用機制，目前研究多集中在農(nóng)業(yè)水土工程、水文地質(zhì)和巖土工程領(lǐng)域.王紅武等［3］發(fā)現(xiàn)斥水性土壤入滲速率低，當土表蓄水高度低于進水值時會出現(xiàn)指狀滲流，反之趨于穩(wěn)定滲流. Wang等［4］對不同進水值土壤改變其積水高度進行入滲影響分析后得出，斥水性土壤的滲透系數(shù)隨著積水深度的增加而增加. Feng等［5］觀察到斥水性土壤層在夏季強降水期或年降雨量較少時可以顯著減少蒸發(fā)水分損失，有助于深部土壤長時間儲存大量水分. Rye、劉春成等［6-7］對不同斥水性土壤入滲過程進行了不同土壤入滲模型適用性分析. 宋紅陽、楊松、吳珺華等［8-13］制備不同接觸角的土樣，進行斥水度評價及在不同試驗條件下的斥水性影響變化規(guī)律研究. 從上述相關(guān)研究可以得出斥水性土壤墊層在不同入滲條件下可同時具備憎水和滲透性功能，在上部低積水水頭時，可起到防滲作用，但當上部積水水頭較大時，防滲效果會大大削弱，達到滲水目的，同時疏水墊層可以阻滯毛細蒸發(fā)作用，實現(xiàn)蓄積水體［14］. 然而，目前多數(shù)研究多集中于自然特殊土的疏水特性，無法滿足海綿城市墊層所需防排滲調(diào)蓄功能，故而應(yīng)進一步研究超疏水改性粗粒土墊層中水分遷移規(guī)律.

超疏水材料是指材料表面與水的接觸角大于150°而滾動角小于10°的材料. 因其特殊的表面特性，近年來備受國內(nèi)外學者關(guān)注. 王秋玲等［15］采用噴涂法使用納米粒子在材料表面形成全有機超疏水涂層，具有較好的附著性能和耐磨性能. 李為民等［16］研究了水性硅烷/硅氧烷乳液對土壤基質(zhì)的浸漬，處理后土壤具有良好的拒水加固效果. Ren和Kagi［17］采用凝膠-溶膠法，使用硅烷等表面改性劑疏水化處理過的SiO2納米顆粒溶劑制備的涂層，疏水效果顯著. 這些構(gòu)建超疏水表面的制備方法主要分為使用低表面能材料修飾粗糙表面和在疏水材料表面構(gòu)筑粗糙微結(jié)構(gòu)兩大類. 其中利用疏水納米SiO2粒子構(gòu)造粗糙度，采用噴涂工藝，易于在粗粒土基材表面制備聚硅氧烷/二氧化硅雜化超疏水涂層.

本文選擇標準砂作為墊層基材，選擇超疏水材料對基材顆粒進行改性，通過改性前后的粗粒土的接觸角測試論證改性效果. 設(shè)計兩組改性粗粒土墊層進行組合，通過非飽和入滲試驗研究改性超疏水墊層的防排滲水規(guī)律，最后結(jié)合超景深電鏡揭示改性前后及浸水入滲前后超疏水材料的涂層穩(wěn)定性. 研究結(jié)果將對海綿城市中央生態(tài)濾溝防排滲水墊層設(shè)計具有一定的理論與實際應(yīng)用價值.

1 超疏水材料改性粗粒土試驗

1.1 試驗材料

經(jīng)反復(fù)比選，本文選擇的超疏水改性材料包含A、B雙組分：A組分為ZXL-WNS-2超疏水型納米溶劑，包含疏水性納米SiO2粒子，可以在粗粒土表面形成納-微米級水平的粗糙結(jié)構(gòu)；B組分為ZI-XINIB固化劑. 綜合考慮粗粒土改性方案的適用范圍和試驗效果，選擇SiO2含量大于98%，粒徑不大于2 mm的標準砂作為改性基材.

1.2 改性粗粒土樣制備方法

試驗采用混合攪拌的方法制備超疏水材料改性粗粒土土樣.

具體步驟如下：

1）進行粗粒土清洗烘干，避免灰塵、污物等影響超疏水材料在粗粒土表面附著.

2）用量筒分別稱取A、B組分，按照30∶1進行配比并充分攪拌均勻后，即得到改性試劑.

3）按改性試劑與粗粒土質(zhì)量比1∶14～1∶20進行控制（具體比例隨粗粒土粒徑減小而增大），將改性試劑加入粗粒土中，人工攪拌使改性試劑充分均勻包裹在粗粒土顆粒表面，當顆粒表面呈現(xiàn)濕潤感，放入烘箱，在100 ℃烘干7～8 h即可.

4）將其烘干后過篩，即可得到不同級配的超疏水改性粗粒土樣.

1.3 改性效果測試

目前評價松散顆粒材料接觸角的常用方法包括毛細上升法、固定液滴法和Wihelmy平板法. 本文擬選取Bachmann提出的固定液滴法進行改性前后粗粒土的接觸角測試，該方法在粉末、顆粒與液體初始接觸角測試方面應(yīng)用廣泛［18］. 測試步驟如下：

1）將土樣烘干冷卻并過0.5 mm篩處理后，利用雙面膠將土樣單層均勻附著于載玻片，滴加一定量去離子水液滴.

2）在一定溫濕度條件下，將液滴置于土樣后，通過DMo-501接觸角計確認三相接觸線，即得到固液接觸角θ，如圖1.

水滴在疏水改性處理前后的土樣上形成的固著液滴，如圖2和圖3所示. 每個試樣固液接觸角測試3個平行樣，最終取均值，實測結(jié)果見表1.

圖1 粗粒土固液接觸角測試原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of solid-liquid contact angle measurement

圖2 未處理普通粗粒土樣上的固滴圖像Fig.2 Sessile droplet image on untreated coarse soil samples

圖3 超疏水材料處理后粗粒土樣上的固滴圖像Fig.3 Sessile image on coarse soil sample after superhydrophobic material treatment

表1 實測固液接觸角θ值Tab.1 Measured solid-liquid contact angle

由圖2和圖3可知，超疏水材料處理后可觀察到水滴與粗粒土界面存在顯著的疏水性. 由表1可知，普通粗粒土固液接觸角平均值為109.7°，經(jīng)過改性試驗處理后的改性粗粒土固液接觸角平均值為134.2°. 鑒于測試結(jié)果對松散顆粒類型、制作方法和外界溫濕度變化極為敏感，因此實測結(jié)果雖小于超疏水材料接觸角的理想值150°，但較于普通粗粒土材料提升了22.4%. 因此采用超疏水材料ZXL-WNS-2+ZI-XINIB處理粗粒土后接觸角的增大顯著，改性效果良好.

2 改性粗粒土墊層的非飽和入滲試驗

圖4 變水頭高壓滲透裝置Fig.4 Variable head high pressure permeation unit

通過超疏水材料改性粗粒土獲得良好超疏水性能后，擬通過非飽和入滲試驗研究改性粗粒土墊層的防排滲水功能.

2.1 試驗材料

為獲取更好的防排滲水功能，制作兩種改性粗粒土墊層，兩種墊層均采用標準砂. 墊層1 的粒徑范圍為：粒徑d≤0.5 mm，墊層2的粒徑范圍為：0.5 mm≤d≤2 mm. 并嚴格按照本文1.2小節(jié)的配置方法改性，隨后進行非飽和入滲與微觀測試試驗.

2.2 變水頭高壓滲透裝置

考慮實際工程中墊層尺寸、滲透邊界條件等因素，加工上下蓋板可拆卸、氣密性良好的土體高壓滲透裝置一臺，見圖4，內(nèi)徑為184 mm，高為800 mm，本實驗即采用該儀器進行墊層的一維垂直非飽和入滲試驗.

試驗用于模擬實際墊層經(jīng)歷單次降水入滲過程，墊層設(shè)計如圖5所示，具體過程如下：

1）在玻璃筒內(nèi)側(cè)涂抹超疏水材料，避免形成滲流通道，在玻璃筒底部鋪設(shè)一層土工布，隨后填裝10 cm礫砂，用于排滲. 分層鋪設(shè)粗粒土墊層1，每層2.5 cm，分層壓實，控制干密度ρd=1.48 g/cm3.然后鋪設(shè)5 cm厚粗粒土墊層2，干密度ρd=1.57 g/cm3. 各墊層上下均鋪設(shè)雙層土工布進行保護.

2）在粗粒土墊層2 上鋪設(shè)雙層土工布，加蓋透水板，為防止水流沖刷采用玻璃球壓重. 粗粒土墊層2 上部施加與高度為50 cm，密度為1.3 g/cm3的土柱相同的荷載，包括玻璃球、透水板等重物，總質(zhì)量需控制在11.52 kg. 荷載施加完畢后，裝置靜置24 h，待各部分變形達到穩(wěn)定.

3）在5 min內(nèi)從玻璃筒頂部向下緩慢加入可容易識別滲流鋒面的稀釋紅墨水，在墊層2頂面以上水柱高度h 達到20 cm時，停止注水. 隨后在入滲過程中實時觀測水位h 的變化. 待高度h 持續(xù)2 d不變后，即視為水柱高度穩(wěn)定，停止觀測.

圖5 改性粗粒土墊層入滲試驗方案Fig.5 Infiltration test scheme for coarse soil by super hydrophobic treated

3 結(jié)果分析

3.1 改性墊層入滲結(jié)果分析

土柱累積入滲量隨時間變化如圖6，累積入滲量5 h 內(nèi)僅有0.225 cm，5 h后土柱入滲率陡增至0.15 cm/h，累積入滲量明顯增大，但隨著入滲時間的延長，入滲率逐漸減小，68 h后入滲率趨近于零，累積入滲量為4.25 cm，持續(xù)觀測48 h后，液面高度維持在14.4 cm處基本不變.

圖6 實測土柱累積入滲量變化圖Fig.6 The change of measured cumulative infiltration capacities of soil column

土柱累積入滲量隨入滲時間表現(xiàn)為“初始短暫緩慢增長段—陡增段—趨穩(wěn)不變段”的三階段特征. 水柱液面高度初始緩慢下降過程中，觀察墊層中濕潤鋒面呈現(xiàn)局部向四周緩慢擴散的狀態(tài)，表明超疏水墊層在初始干燥狀態(tài)下，初始滲流過程中出現(xiàn)了明顯的入滲延遲現(xiàn)象，入滲率較低. 其原因是粗粒土改性后，在砂顆粒表面形成微-納米級疏水SiO2涂層，降低了表面能，尤其在顆粒表面干燥時，土樣疏水性對入滲過程影響最為顯著，此時水流緩慢滲入孔隙內(nèi)，一定程度上降低了導(dǎo)水性. 隨后，由于孔隙結(jié)構(gòu)和粒徑分布的不均勻性，隨著累積入滲量的增加，墊層內(nèi)含水量增加，會在局部逐漸形成貫通穩(wěn)定滲流通道，削弱了墊層滲流阻滯能力，液面下降速率相應(yīng)大大增加，液面高度陡降. 但隨著液面高度降低，墊層土表所受水頭亦減小，下降速率亦逐漸趨零，最終液面高度穩(wěn)定不變.

本小節(jié)擬利用毛細管模型對超疏水性墊層中的滲流特性進行分析.

在此構(gòu)建一直徑為d 的理想毛細管［19］，并假設(shè)毛細管內(nèi)壁同樣經(jīng)過上述超疏水改性處理，與水的固液接觸角θ>90°，依據(jù)圖7構(gòu)建水-氣交界面處力學平衡式如下：

圖7 疏水性毛細管力學平衡示意圖Fig.7 Hydrophobic capillary mechanical equilibrium diagram

其中：ρω為水的密度；表面張力Ts=72.75 mN/m（20 ℃）；重力加速度g=980 cm/s2；θ 為接觸角；d 為疏水孔隙管內(nèi)徑. 可初步得到理想疏水性毛細管所能承受上部最大壓強水頭hc、毛細管直徑d 與接觸角θ 之關(guān)系：

由式（3）可知，當θ 大于90時，cos θ 為負，除非施加正壓力，否則水不會進入毛細孔隙. 這個壓力水頭可稱為進水值hc. 隨著疏水性毛細管內(nèi)徑d 減小，進水值hc增大. 另外固-液接觸角θ 越大即固體表面疏水效果越好，進水值hc也越大. 因而在入滲試驗中，隨著土樣中含水量增加，土顆粒表面水膜厚度增加，接觸角減小，hc也會相應(yīng)降低. 另外在長時間滲流作用下，疏水性土樣中顆粒遷移形成較大孔徑的優(yōu)勢滲流通道，進水值hc相應(yīng)減小. 這符合西咸新區(qū)雨季多雨排滲，減少漬泡，旱季墊層干燥，可保持較大進水值高度的實際需求.

3.2 粗粒土改性后表面特征圖像分析

為驗證粗粒土表面改性后的涂層效果，特別是浸水入滲對涂層的影響，采用超景深顯微攝影對改性處理前后粗粒土試樣和單次入滲試驗后的改性粗粒土試樣（粒徑d≤5 mm）進行表面特征分析結(jié)果（圖8～圖10）.

圖8 未改性粗粒土試樣照片F(xiàn)ig.8 Photographs of unmodified coarse soil samples

圖9 改性后粗粒土試樣照片F(xiàn)ig.9 Photo of coarse soil samples after modification

圖10 改性粗粒土試樣入滲試驗后的照片F(xiàn)ig.10 Photo of modified coarse soil samples after infiltration test

由圖8可知，未經(jīng)處理的粗粒土試樣，可看出石英砂晶體透度高，表面純凈且遍布細小清晰紋理. 由圖9可知，經(jīng)過超疏水材料處理后，表面粗糙度較大易產(chǎn)生光散射現(xiàn)象［20-21］，據(jù)此可推測石英砂晶體表面存在涂覆的疏水材料，已形成了固體表面的微觀粗糙結(jié)構(gòu)，降低了表面的透明度. 圖10可知，第一次入滲試驗后的干燥改性粗粒土試樣，明顯看出滲流液體紅色色素殘留于晶體表面，晶體表面紋理間集聚有白色沉淀物，且透明度仍較低，說明疏水材料依舊較好地附著于粗粒土表面，未隨水流淋濾.

4 結(jié)論

1）采用ZXL-WNS-2超疏水型材料，利用固定液滴法測試評價疏水材料改性后的粗粒土墊層接觸角平均值為134.2°，比普通粗粒土的接觸角提升了22.4%，改性后的粗粒土超疏水性能提高顯著.

2）初始干燥的超疏水墊層非飽和入滲試驗表明：墊層累計入滲量5 h內(nèi)僅有0.225 cm，68 h后液面高度開始穩(wěn)定不變，最終維持在14.4 cm. 墊層累積入滲量隨入滲時間表現(xiàn)為“初始短暫緩慢增長段—陡增段—趨穩(wěn)不變段”的三階段特征. 通過分析疏水性毛細管所承受的臨界壓強水頭與毛細管直徑，接觸角之關(guān)系可知，隨著土顆?？紫吨睆綔p小、接觸角的增加，臨界壓強水頭變大. 同時可知，相同超疏水墊層和入滲條件下，土樣超疏水性越強，墊層滲流趨于穩(wěn)定所承受的靜水壓力越大.

3）石英砂晶體表面在涂覆疏水材料后，在砂顆粒表面形成微-納米級二氧化硅疏水性涂層，降低顆粒表面能，增強了粗顆粒的疏水性. 浸水入滲后，疏水性涂層依然保持良好，說明改性后墊層超疏水效果穩(wěn)定可靠.

本文提出的超疏水墊層具備保持防排滲水調(diào)蓄能力，可用于市政道路中央生態(tài)濾溝的防滲能力，但對于更大水頭下的排滲能力仍需進一步研究.