新型高分子固土材料制備及其性能試驗研究

梁成勇

（承德供水集團有限公司，河北承德 067000）

我國北方地區(qū)分布著廣泛的黃土地貌，由于長期過度的放牧、開礦、毀林開荒以及工程建設(shè)，在這些地區(qū)造成了較為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題，如水土流失、土質(zhì)退化、土地荒漠化、沙塵暴等，其中尤以水土流失的問題最為嚴重，水土流失帶走了大量土壤和養(yǎng)分，降低耕地質(zhì)量，對于國家生態(tài)和糧食安全具有重要影響，因而有必要對黃土地區(qū)水土流失問題進行專項研究[1-3]。

目前，常用的治理水土流失的措施包括工程措施、生物措施和化學(xué)措施[4]。工程措施是通過修建梯田、淤地壩、蓄水設(shè)施等措施來減輕土壤侵蝕和流失，主要應(yīng)用于小范圍內(nèi)的水土流失改造；生物措施主要是借助于造林種草等方式來提高蓄水保土的功能；化學(xué)措施是通過化學(xué)工藝或者材料來改善土壤結(jié)構(gòu)，達到防治水土流失的目的，具有功效高、見效快、易于實施等優(yōu)點，因而在水土流失治理中應(yīng)用比較普遍。之前常用的固化土材料包括灰土和水泥土等，但這些方式在溫度濕度變化環(huán)境下，易產(chǎn)生裂縫，因而影響長期穩(wěn)定性和使用性；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多土壤固化劑應(yīng)運而生，這些土壤固化劑能夠快速改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土體強度、水穩(wěn)性和抗蝕性，兼具高效、經(jīng)濟、環(huán)保等諸多優(yōu)點，因而在近年來成為水土保持領(lǐng)域的研究重點[5，6]。土壤固化劑按照化學(xué)成分的不同劃分為無機化合物類、生物酶類、有機化合物類、有機無機復(fù)合類，其中有機高分子類土壤固化劑具有摻量少、成本低、施工簡單、固化效果優(yōu)越等諸多優(yōu)點，有機高分子材料按照獲取方式不同又可劃分為天然有機高分子和合成有機高分子兩類，合成有機高分子品樣多，價格低，但獲取難度大，可能還會對環(huán)境造成一定的污染，因而天然有機高分子材料就成為當下研究的重點[7-11]。

本文利用多種天然有機高分子纖維素材料和黃土材料，復(fù)配一種環(huán)境友好型黃土基纖維素固土材料，以期能為黃土地區(qū)水土保持治理工作提供借鑒。

1 實驗部分

1.1 原材料及設(shè)備

土基材料 取自河北某地的黃土，主要以0.05～0.005mm 的粉粒為主，比重2.7g·cm-3，塑性指數(shù)9.05，液性指數(shù)0.287，最大干密度1.82g·cm-3，最佳含水率12%。

天然有機高分子纖維素 羧甲基纖維素鈉、羥丙基甲基纖維素鈉、羥甲基纖維素鈉、羥乙基纖維素鈉、羥丙基纖維素鈉、甲基纖維素、乙基纖維素等，均為分析純，阿拉丁試劑有限公司；蒸餾水（自來水）。

B06 型電子秤（廣州市威衡電子有限公司）；DF-101S 型恒溫磁力攪拌器（鄭州長城科工貿(mào)有限公司）；HC-500A 型多功能高速搖擺粉碎機（浙江省永康市金穂機械制造廠）；DHG-9146A 型電熱恒溫鼓風干燥箱（上海精宏實驗設(shè)備有限公司）；自制鋼材沖刷槽；自制人工模擬降雨室。

1.2 復(fù)配固土材料制備

首先，使用HC-500A 型多功能高速搖擺粉碎機將黃土粉碎，將粉碎后的土過80 目篩，稱取200g 土置于1000mL 的燒杯中，向燒杯中加入800g 蒸餾水，用DF-101S 型恒溫磁力攪拌器攪拌1d，攪拌機轉(zhuǎn)速為400r·min-1，將攪拌后的土在DHG-9146A 型電熱恒溫鼓風干燥箱中干燥1d，干燥箱溫度為60℃，再將干燥后的土過80 目篩；然后，稱取提純后的土150g 置于500mL 的燒杯中，分別向燒杯中加入各有機高分子纖維素，并在300r·min-1的攪拌速度下將其攪拌均勻；再向燒杯中摻入30%質(zhì)量分數(shù)的自來水，然后以400r·min-1的轉(zhuǎn)速將其攪拌40min；最后，分別進行相應(yīng)的測試（抗水蝕性能、抗壓強度測試；飽和持水量和坡面土侵蝕量測試）。

1.3 固土材料條件優(yōu)化及表征

1.3.1 抗水蝕性能 有機高分子纖維素的摻量為0.4%，鋪在最上一層，鋪刷厚度約為3cm，下層為普通黃土層，厚度為17cm，坡度設(shè)計為7°，沖蝕高度為5cm，利用人工模擬降雨系統(tǒng)進行模擬實驗，模擬過程中降雨強度為30mm·min-1，測試不同有機高分子纖維素黃土基固土材料的抗沖蝕時間t，然后計算單位時間的抗沖蝕量E。

1.3.2 抗壓強度測試 選取其中兩種抗沖蝕性能優(yōu)越的纖維素繼續(xù)進行實驗，分別摻入0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的纖維素，將攪拌均勻后的材料制成高為1.5cm、直徑為5cm 的圓柱形，并將其在40℃的干燥箱中干燥1d，取出后進行抗壓強度測試，探討纖維素摻量對黃土基復(fù)配固土材料抗壓強度的影響。

1.3.3 飽和持水量 將制備好的質(zhì)量分數(shù)分別為0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的黃土基纖維素固土材料稱取100g 置于帶小孔的容器中，并將其壓實和鋪平，然后利用滴加蒸餾水的方式逐漸浸透固土材料，直至下方出現(xiàn)5mL 滲漏液后停止滴加蒸餾水，并待下方再無滲漏時稱取樣品質(zhì)量來測定固土材料的飽和持水量。

1.3.4 坡面土侵蝕量 利用側(cè)噴式自動模擬降雨系統(tǒng)對最佳的黃土基纖維素固土材料進行模擬降雨實驗，并與無固土材料進行對比，噴頭高度為16m，模擬過程中降雨強度設(shè)置為105mm·h-1，記錄實驗過程中的產(chǎn)流時間，并每隔3min 測試一次產(chǎn)流量，共采集15 組數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗水蝕性能

不同種類有機高分子纖維素黃土基固體材料抗水蝕性能實驗結(jié)果見圖1。

圖1 抗水蝕性能實驗結(jié)果Fig.1 Test results of water erosion resistance

由圖1 可見，在7 種有機高分子纖維素中，羧甲基纖維素鈉和羥丙基甲基纖維素鈉的最大抗沖蝕時間最大，均為12h，其次為羥乙基纖維素鈉、羥甲基纖維素鈉和甲基纖維素，最大抗沖蝕時間分別為8h、6h 和4h，羥丙基纖維素鈉和乙基纖維素的最大抗沖蝕時間很短，僅為0.2h（12min）。羥丙基纖維素鈉和乙基纖維素的單位時間抗沖蝕量均達到了249g·h-1，而其他黃土基纖維素固土材料的單位時間抗沖蝕量均小于10g·h-1；羧甲基纖維素鈉和羥丙基甲基纖維素鈉固土材料的抗沖刷能力屬于優(yōu)等水平，羥乙基纖維素鈉和羥甲基纖維素鈉固土材料的抗沖刷能力屬于較優(yōu)水平，甲基纖維素固土材料的抗沖刷能力屬于中等水平，羥丙基纖維素鈉和乙基纖維素固土材料的抗沖刷能力屬于差水平。因此，從抗水蝕性能來講，應(yīng)選擇羧甲基纖維素鈉和羥丙基甲基纖維素鈉作為固土材料。

2.2 抗壓強度

選擇羧甲基纖維素鈉和羥丙基甲基纖維素鈉黃土基固土材料作為研究對象，對不同摻量纖維素下的黃土基固土材料進行強度性能實驗，結(jié)果見圖2。

圖2 抗壓強度隨纖維素摻量的變化曲線Fig.2 Variation curve of compressive strength with cellulose content

由圖2 可見，隨著纖維素摻量的增加，黃土基纖維素固土材料的抗壓強度逐漸增大，且前期的增長幅度大于后期的增長幅度，當摻量達到0.5%以后，羧甲基纖維素鈉和羥丙基甲基纖維素鈉黃土基固土材料的強度分別較原狀黃土強度提升250%和375%，這是因為摻入纖維素后這些分散的纖維可以將土顆粒包裹和黏聚，使土體結(jié)構(gòu)孔隙率降低，因而強度得到明顯改善；相同纖維素摻量下，羥丙基甲基纖維素鈉黃土基固土材料的抗壓強度明顯高于羧甲基纖維素鈉黃土基固土材料。從抗壓強度性能來講，宜選擇羥丙基甲基纖維素鈉黃土基固土材料。

2.3 飽和持水量

選擇羧甲基纖維素鈉和羥丙基甲基纖維素鈉黃土基固土材料作為研究對象，對不同摻量纖維素下的黃土基固土材料進行飽和持水量實驗，結(jié)果見圖3。

圖3 飽和持水量隨纖維素摻量的變化曲線Fig.3 Variation curve of saturated water holding capacity with cellulose content

由圖3 可見，隨著纖維素摻量的增加，黃土基固土材料的飽和持水量呈逐漸增大的變化趨勢，當不摻入纖維素時，原狀黃土的飽和持水量僅為38g，當摻入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的羧甲基纖維素鈉后，固土材料的飽和持水量分別為40g、44g、49g、53g 和56g，飽和持水量較原狀黃土分別提升5.3%、15.8%、28.9%、39.5%和47.4%，當摻入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的羥丙基甲基纖維素鈉后，固土材料的飽和持水量分別為41g、45g、50g、55g 和60g，飽和持水量較原狀黃土分別提升7.9%、18.4%、31.6%、44.7%和57.9%；相同纖維素摻量下，摻入羥丙基甲基纖維素鈉的黃土基固土材料的飽和持水量要大于摻入羧甲基纖維素鈉的黃土基固土材料的飽和持水量。綜合強度特征和飽和持水量特征，優(yōu)先選用羥丙基甲基纖維素鈉作為黃土的固化劑。

2.4 坡面土侵蝕量

對摻入0.5%羥丙基甲基纖維素鈉的黃土基固土材料與對照實驗組（未摻入纖維素）進行坡面土侵蝕量實驗，結(jié)果見圖4。

圖4 土壤侵蝕率變化曲線Fig.4 Change curve of soil erosion rate

由圖4 可見，從整體上來講，原狀黃土的土壤侵蝕率呈逐漸降低的變化趨勢，經(jīng)過45min 的降雨歷時后，侵蝕率僅為55g·（m2·min）-1，黃土基羥丙基甲基纖維素鈉固土材料的侵蝕率呈先減小后逐步穩(wěn)定的變化特征，在降雨歷時30min 后，侵蝕率逐漸穩(wěn)定。相同降雨歷時下，黃土基羥丙基甲基纖維素鈉固土材料的侵蝕率明顯小于原狀黃土的平均侵蝕率（73.9g·（m2·min）-1），黃土基羥丙基甲基纖維素鈉固土材料的平均侵蝕率為62.1g·（m2·min）-1，相比對照實驗組降低了16%，表明摻入羥丙基甲基纖維素鈉后可以有效防止黃土的降雨侵蝕，這是因為羥丙基甲基纖維素鈉作為一種高分子材料，具有良好的黏滯性，使土壤顆粒具有較好的團粒效應(yīng)，分子鏈之間的相互作用以及潤滑性可以減弱降雨對土壤表面的機械侵蝕作用，從而增強坡表面土壤的抗沖蝕能力。因此，從土壤侵蝕率來講，宜選擇羥丙基甲基纖維素鈉作為黃土的固化劑。

2.5 微觀結(jié)構(gòu)及機理分析

為進一步解釋羥丙基甲基纖維素鈉對黃土固土保水的改良機理，對摻入羥丙基甲基纖維素鈉前后的黃土進行電鏡掃描，結(jié)果見圖5。

圖5 電鏡掃描結(jié)果Fig.5 SEM test results

由圖5 可見，在未摻入羥丙基甲基纖維素鈉時，黃土結(jié)構(gòu)表面凹凸不平，呈現(xiàn)出大孔隙、多棱角的特征，顆粒之間的結(jié)構(gòu)較為疏松，結(jié)構(gòu)不致密，而摻入羥丙基甲基纖維素鈉后，表面變得比較平整，棱角數(shù)量明顯減少，顆粒之間結(jié)構(gòu)相對致密，粘結(jié)性增強，大孔隙數(shù)量明顯減小，具有明顯的團聚現(xiàn)象，可以阻礙外部水分通過或者進入土體，從而提升了抗侵蝕能力和保水的能力。

3 結(jié)論

利用黃土和天然有機高分子纖維素配制新型高分子固土材料，并進行多項實驗研究，結(jié)論如下：

（1）羧甲基纖維素鈉和羥丙基甲基纖維素鈉黃土基固土材料的抗水蝕性能處于優(yōu)等水平，最大抗水沖蝕時間均為12h，單位時間抗沖蝕量均為4.16g·h-1。

（2）隨纖維素摻量的增加，固土材料的抗壓強度和飽和持水量呈逐漸增大的變化特征，相同摻量下，宜優(yōu)先選擇羥丙基甲基纖維素鈉作為黃土固化劑。

（3）使用高分子固土材料的平均侵蝕率較對照實驗組（原狀黃土）降低16%，黃土的抗沖蝕性能得到明顯提升。

（4）摻入羥丙基甲基纖維素鈉后，黃土的結(jié)構(gòu)表面更加平整，棱角數(shù)量明顯減少，結(jié)構(gòu)更加致密，孔隙率明顯降低，因而提升了黃土的抗侵蝕和保水能力。