仿生超疏水材料在寒區(qū)土石壩防滲的應用前景與展望

李治軍，董 智，陳 末，盧 松

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

土石壩是一種利用當?shù)赝痢⑹牧辖ㄔ斓囊环N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)能較好的適應地基變形，對地形，地質(zhì)條件的要求較低。(3)結構簡單，施工工序少且施工技術容易掌握。(4)運用管理方便，壽命長，擴建維護較容易等優(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)過不斷引進消化和自主創(chuàng)新，我國的土石壩建筑技術已經(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，兩河口電站工程的建成更是將我國的土石壩建造技術推向國際先進行列。

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擾，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，使其得到了科學界的廣泛關注，并在近幾年取得了較大進展。當下該技術被廣泛應用于工業(yè)、國防、基礎設施建設等方面。水利工程作為一種功在當下，利在千秋的基礎設施，新技術與其結合使用顯得尤為重要和突出。而土石壩基礎處理、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要求較高、施工復雜、效率低下等問題，而且這些問題在寒區(qū)變得更加復雜。而針對寒區(qū)土石壩的防滲問題，仿生超疏水材料的應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)適應環(huán)境的結構和功能，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”。Barthlott和Neinhuis先后對荷葉以及200多種防水材料的表面層次結構觀察后，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構及蠟狀物質(zhì)構成，是微米結構。同時說明了荷葉的超疏水現(xiàn)象是由這種微米結構和表面的蠟狀物質(zhì)共同作用的結果。而后江雷課題組通過進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構，而且發(fā)現(xiàn)這些物質(zhì)表面都含有不同類型的碳氫化合物官能團，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70年代，科學家通過SEM研究葉片表面的疏水性及其微觀結構，發(fā)現(xiàn)植物表皮是一種主要由角質(zhì)層網(wǎng)絡和疏水性蠟狀物質(zhì)組合成的復合材料，具有強疏水性[6]。因此，仿生超疏水材料開始走進科學家的視線。而我國對于該材料的研究始于20世紀90年代，起步較晚且重視度較低，以致在國內(nèi)該技術研究成果較少，而美國、俄羅斯和德國三個國家因其研究較早，從而掌握的技術最為領先。

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，被廣泛的應用于防水、防污、自清潔、流體減阻等領域。仿生超疏水的材料的應用前景非常廣闊，目前在遠距離管道運輸、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；延安大學張雪梅、李金輝等[11]研制了磁驅動超疏水海綿，這為超疏水材料與外場磁耦合驅動提供了可能。江蘇大學吉海燕、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超疏水涂層進行氟化，可以顯著延長凍結時間，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]。現(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、相分離技術法、靜電紡絲法和自組裝法等。這些方法是通過微相結合的途徑在材料表面制備超疏水面。

刻蝕法是通過化學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構的硅表面；溶膠-凝膠法本質(zhì)是將化學活性高的化和物水解經(jīng)行溶膠縮合，凝膠成微米孔狀結構從而形成超疏水表面。該方法得到的超疏水表面可控性差，同時化學污染較為嚴重；模板法是將帶有空穴結構的材料作為基材，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、可大面積復制等優(yōu)點，在實際應用上有較好的前景。Ke等以芋葉為基材，用模板法生成具有細微空穴的表面結構，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)土石壩中應用的設計及原理

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

圖2 模型設計圖

仿生超疏水層由土工膜的兩面構成，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、構筑瀝青防滲層等。這些措施只能達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。