蔗糖脂肪酸酯改性黏土制備水土保持噴膜研究

劉柯柯，渠永平

(1.山西水務(wù)物資貿(mào)易有限公司，山西 太原 030051； 2.中北大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原 030051)

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展已經(jīng)上升為重大國(guó)家戰(zhàn)略，山西省作為黃河流域重要的一部分，其環(huán)境治理和水土保持工作影響著黃河流域生態(tài)保護(hù)工作[1]。山西省地處黃土高原東部的黃河中游、海河上游，受特殊地理?xiàng)l件影響，全省水土流失面積約10.8萬(wàn)km2，占總土地面積的69%，水土流失十分嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境十分脆弱，每年向黃河、海河輸送大量泥沙，是全國(guó)水土保持重點(diǎn)防治區(qū)域之一[2]。近年來，山西省共治理水土流失面積6.67萬(wàn)km2，仍有水土流失面積4.13萬(wàn)km2，水土流失治理任務(wù)十分艱巨，而其中生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失治理一直是山西省水土保持工作遇到的難題之一。

山西省礦產(chǎn)資源豐富，煤、煤層氣、鋁、鐵等資源儲(chǔ)量位居全國(guó)前列。山西省的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目主要包括各類礦山建設(shè)項(xiàng)目和水利、鐵路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目。這些生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目在建設(shè)和運(yùn)行過程中，均需占用大量土地資源，且深挖高排，所造成的重力侵蝕破壞原有植被，改變?cè)械匦?、地貌，造成大量地面裸露，人為水土流失十分?yán)重。山西省氣候?yàn)闇貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均降水量358～621 mm，年、季分配不均，降水主要集中在7—9月份，期間降水量約占全年降水量的70%，且多屬短時(shí)暴雨，是造成山西省“十年九旱”的主要原因。土壤屬濕陷性黃土，結(jié)構(gòu)疏松，多孔隙和垂直方向的裂隙，并且其中許多物質(zhì)易溶于水，因此大量的生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目易造成嚴(yán)重的水土流失，且治理難度相當(dāng)大，使用常規(guī)治理措施見效慢、成本高[3]。

現(xiàn)有水土保持措施主要包括工程措施、生物措施和蓄水保土耕作措施[4]。國(guó)外主要是通過先進(jìn)的綠化工程技術(shù)恢復(fù)和重建邊坡生態(tài)環(huán)境。歐美采用濕式噴播植草技術(shù)和厚層基材噴播技術(shù)。日本在水土保持理論研究領(lǐng)域做了大量工作，主要包括坡面徑流沖刷及侵蝕發(fā)生過程的模擬、雨滴濺蝕機(jī)理、土壤侵蝕預(yù)報(bào)機(jī)制等[5]。目前，日本正研究“特殊科技綠化技術(shù)”“景觀仿真技術(shù)”等邊坡防護(hù)高新技術(shù)。另外，英國(guó)、意大利等還將加筋土技術(shù)與植被防護(hù)技術(shù)結(jié)合，修建具包裹式加筋土植草墻面的擋土墻[6]。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目的水土保持措施以傳統(tǒng)的工程措施、植物措施和臨時(shí)措施為主，臨時(shí)措施主要以臨時(shí)苫蓋為主[7]。傳統(tǒng)技術(shù)如護(hù)坡(岸)、攔沙壩、擋土墻等，都屬于“被動(dòng)式”保持水土技術(shù)。黃土高原土質(zhì)松散，垂直節(jié)理發(fā)育，干燥時(shí)堅(jiān)如巖石，遇水則容易溶解，因此其自身抗水蝕能力較差[8]。特別是在項(xiàng)目建設(shè)中形成的高陡邊坡，采用常規(guī)水保措施難以及時(shí)有效地控制水土流失，且治理難度大、成本高[9]。

針對(duì)黃土高原土質(zhì)特點(diǎn)，本研究提出利用蔗糖脂肪酸酯(Sugar Esters)改性黏土制備水土保持噴膜的技術(shù)。蔗糖脂肪酸酯是一種食品級(jí)的表面活性劑，以其無(wú)毒、易生物降解和良好的環(huán)境相容性而被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥和日化等行業(yè)。利用蔗糖脂肪酸酯制備改性黏土，無(wú)毒無(wú)害，不會(huì)對(duì)地表水和動(dòng)植物等造成二次污染和危害。通過改性制備有機(jī)黏土，將其淋灑在黃土表層后，土壤顆粒間黏結(jié)性能提高，可大幅提高黃土抗水蝕能力，變“被動(dòng)式”水土保持為“主動(dòng)式”保持水土。同時(shí)，有機(jī)黏土還具有一定的保水性能，結(jié)合草籽播種，無(wú)須人工灌溉補(bǔ)水，可降低種植成本。為此，研究了蔗糖脂肪酸酯的最佳用量和改性工藝，以及改性黏土的保水性能、強(qiáng)度、耐老化性能和草籽發(fā)芽率等。

1 材料與方法

1.1 主要原料

蔗糖脂肪酸酯，醫(yī)用級(jí)，純度99%，武漢拉那白醫(yī)藥化工有限公司生產(chǎn)；黏土，取自汾河二庫(kù)，風(fēng)干后過100目篩；黑麥草草籽，來自江蘇達(dá)鑫生態(tài)科技有限公司；其他試劑為分析純。

1.2 材料制備

在100 g溫水(70 ℃)中分別加入5、10、15、20、25 g蔗糖脂肪酸酯，放到加熱型磁力攪拌器中攪拌0.5 h，使蔗糖脂肪酸酯充分溶解，再將30 g黏土邊攪拌邊緩慢加入蔗糖脂肪酸酯溶液中(即蔗糖脂肪酸酯與黏土的質(zhì)量比分別為1∶6、1∶3、1∶2、2∶3、5∶6)，繼續(xù)攪拌1 h使其均勻混合，制備改性黏土漿液，最后將漿液均勻噴灑在含水率20%的黏土表面。根據(jù)蔗糖脂肪酸酯的不同用量，將各組試樣分別命名為S1、S2、S3、S4、S5，并設(shè)置未改性黏土為對(duì)照組S。

1.3 測(cè)試與分析

1.3.1 保水性能測(cè)試

將制備的S、S1、S2、S3、S4、S5共計(jì)6組樣品放入多波段人工氣候箱中模擬室外環(huán)境進(jìn)行保水性能測(cè)試，每組制備5個(gè)平行試樣，定期取樣測(cè)試黏土層下5 cm和15 cm的土壤含水率。

人工氣候箱24 h循環(huán)運(yùn)行，設(shè)置如下：溫度20 ℃，相對(duì)濕度60%，光照強(qiáng)度80%，時(shí)間4 h；溫度30 ℃，相對(duì)濕度50%，光照強(qiáng)度100%，時(shí)間7 h；溫度20 ℃，相對(duì)濕度50%，光照強(qiáng)度0，時(shí)間4 h；溫度10 ℃，相對(duì)濕度70%，光照強(qiáng)度0，時(shí)間9 h。

1.3.2 抗壓強(qiáng)度測(cè)試

抗壓強(qiáng)度測(cè)試參照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(SL 352—2020)進(jìn)行。將各試樣在標(biāo)準(zhǔn)模具中成型，自然養(yǎng)護(hù)7 d后脫模，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，每組樣品制備5個(gè)平行試樣。

1.3.3 抗老化性能測(cè)試

抗老化性能測(cè)試參照水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《土工合成材料測(cè)試規(guī)程》(SL 235—2012)進(jìn)行。將各試樣在標(biāo)準(zhǔn)模具中成型，自然養(yǎng)護(hù)7 d后脫模，然后置于500 W紫外燈下500 h，分別測(cè)試其老化前后的質(zhì)量和抗壓強(qiáng)度，每組樣品制備5個(gè)平行試樣。

1.3.4 模擬植草試驗(yàn)

模擬植草試驗(yàn)在人工氣候箱中進(jìn)行。按照1.2中步驟制備200 g改性黏土漿液，并加入200粒黑麥草種子攪拌均勻，每組樣品制備5個(gè)平行試樣。分別將其噴灑在含水率45%的黏土表面，噴灑厚度2 cm，在人工氣候箱中培養(yǎng)，每隔24 h記錄種子發(fā)芽數(shù)，共記錄14 d。

2 結(jié)果與分析

2.1 材料保水性能分析

圖1為不同配比改性黏土層下5 cm深處土壤含水率隨時(shí)間變化趨勢(shì)。由圖1可知，各組樣品5 cm深處土壤含水率隨時(shí)間增加都呈下降趨勢(shì)。其中，未改性黏土S組5 cm深處土壤含水率下降最快，2 d時(shí)土壤含水率降為10.2%，隨后下降速率變緩，14 d時(shí)土壤含水率為5.6%；改性黏土組5 cm深處土壤含水率均高于未改性黏土組，且隨改性劑用量的增加，5 cm深處土壤含水率整體呈增加趨勢(shì)，S5組土壤含水率最高，14 d時(shí)土壤含水率為17.1%。這說明改性后黏土保水性能明顯提高，且改性劑用量越大，改性黏土保水性能越好。

圖1 黏土層下5 cm深處土壤含水率隨時(shí)間變化趨勢(shì)

圖2為不同配比改性黏土層下15 cm深處土壤含水率隨時(shí)間變化趨勢(shì)。由圖2可知，15 cm深處土壤含水率變化趨勢(shì)與5 cm深處整體一致，改性黏土組土壤含水率明顯高于未改性黏土組，說明改性后黏土保水性能明顯提高。其中，未改性黏土組14 d時(shí)15 cm深處土壤含水率為11.5%，而改性黏土組S5為18.4%，遠(yuǎn)高于未改性黏土。

圖2 黏土層下15 cm深處土壤含水率隨時(shí)間變化趨勢(shì)

對(duì)比圖1和圖2可知，黏土層下15 cm深處土壤含水率整體高于5 cm深處，這是由于在光照和溫度的影響下，表層土壤水分較深層土壤水分更容易蒸發(fā)，因此土壤含水率隨土壤深度增加而逐漸增加。

2.2 材料抗壓性能分析

圖3為不同配比樣品的抗壓強(qiáng)度，其中未改性黏土S組強(qiáng)度過低，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)未檢測(cè)出數(shù)據(jù)。由圖3可知，改性黏土樣品抗壓強(qiáng)度隨改性劑用量的增加而逐漸增大，其中最小的是S1組，為0.8 MPa，S4組和S5組分別為1.6 MPa和1.8 MPa。這說明蔗糖脂肪酸酯可以將松散的黏土顆粒黏結(jié)在一起，在黏土表面形成一層固結(jié)層，并具有一定的強(qiáng)度，可滿足一定的機(jī)械施工要求。

圖3 不同配比樣品的抗壓強(qiáng)度

2.3 材料抗老化性能研究

圖4和圖5為不同配比樣品老化后強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率。由圖4和圖5可知，改性黏土樣品的強(qiáng)度和質(zhì)量損失率隨老化時(shí)間增加呈增大趨勢(shì)，且改性劑蔗糖脂肪酸酯用量越大，損失率越大。這主要是因?yàn)檎崽侵舅狨儆谟袡C(jī)高分子材料，高分子材料中的活性基團(tuán)在光熱條件下會(huì)發(fā)生分解或斷鏈，使其黏結(jié)效果下降，表現(xiàn)為材料抗壓強(qiáng)度和質(zhì)量的損失。不同配比樣品中，損失率最小的為S1組，老化500 h后，強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為4.8%和0.8%；最大的為S5組，老化500 h后，強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為15.2%和3.2%；S4組老化500 h后強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為12%和2.5%。

圖4 不同配比樣品老化后強(qiáng)度損失率

圖5 不同配比樣品老化后質(zhì)量損失率

2.4 植草試驗(yàn)

圖6為不同配比改性黏土植草試驗(yàn)中的草籽發(fā)芽率。由圖6可知，未改性黏土草籽發(fā)芽率為26%，改性黏土各組草籽發(fā)芽率均有明顯提高，其中S1組草籽發(fā)芽率為65%，說明改性黏土的保水作用有利于提高草籽的發(fā)芽率；繼續(xù)增加蔗糖脂肪酸酯用量，草籽發(fā)芽率也隨之提高，S2組草籽發(fā)芽率提高到70%，S4組草籽發(fā)芽率最高可達(dá)86%，說明隨著蔗糖脂肪酸酯用量的增加，改性黏土保水性能增強(qiáng)，土壤含水率的提高有利于草籽發(fā)芽率的提高；繼續(xù)增加蔗糖脂肪酸酯用量，草籽發(fā)芽率開始下降，S5組草籽發(fā)芽率下降為75%，這主要是因?yàn)檫^多的蔗糖脂肪酸酯使得改性黏土層透氣性下降，從而導(dǎo)致草籽發(fā)芽率降低。因此，實(shí)際生產(chǎn)中蔗糖脂肪酸酯的用量可參考草籽發(fā)芽率最高的S4組，即蔗糖脂肪酸酯與黏土的質(zhì)量比為2∶3。

圖6 不同配比樣品草籽發(fā)芽率

3 結(jié) 論

利用蔗糖脂肪酸酯改性黏土制備水土保持噴膜，當(dāng)蔗糖脂肪酸酯與黏土的質(zhì)量比為2∶3時(shí)，材料綜合性能最佳，其抗壓強(qiáng)度為1.6 MPa，老化500 h后強(qiáng)度損失率和質(zhì)量損失率分別為12%和2.5%，草籽發(fā)芽率為86%。該材料固土保水性能較優(yōu)，且具有良好的施工性能，可為黃土高原生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土流失治理提供一種新材料。