仿生超疏水材料在寒区土石坝防渗的应用前景与展望

李治军，董 智，陈 末，卢 松

(1.黑龙江大学寒区地下水研究所，黑龙江 哈尔滨 150080；2．黑龙江大学 水利电力学院， 黑龙江 哈尔滨 150080)

土石坝是一种利用当地土、石材料建造的一种坝型[1-2]，因其具有：(1)可以最大限度地利用坝址附近可开采的天然土、石材料。(2)能较好的适应地基变形，对地形，地质条件的要求较低。(3)结构简单，施工工序少且施工技术容易掌握。(4)运用管理方便，寿命长，扩建维护较容易等优点而被世界各国所普遍采用。据统计，我国在建和已建成的15 m以上土石坝有15000余座，占世界土石坝总数的一半以上。经过不断引进消化和自主创新，我国的土石坝建筑技术已经积累了大量的工程经验，逐步形成了具有中国特色的土石坝筑坝技术，两河口电站工程的建成更是将我国的土石坝建造技术推向国际先进行列。

虽然，土石坝的发展一直经久不衰。但是土石坝一直受着渗漏问题的威胁侵扰，成为亟待解决的问题。现如今，国内外主要成熟的防渗措施有土料防渗、混凝土面板防渗、沥青混凝土墙防渗、复合土工膜防渗等[1]。这些防渗措施的实施需要将土石坝分区，在短期内能取得很好的防渗效果。但土石坝分区极易在渗流的作用下产生接触冲刷、接触流土等破坏形式，对土石坝的长期寿命不利。为解决这一问题，仿生超疏水材料走进了水利工作者的视野中。

现如今，仿生超疏水材料因其具有抗冻、防水、防污、可有效减少流体阻力黏滞性等优良特性，使其得到了科学界的广泛关注，并在近几年取得了较大进展。当下该技术被广泛应用于工业、国防、基础设施建设等方面。水利工程作为一种功在当下，利在千秋的基础设施，新技术与其结合使用显得尤为重要和突出。而土石坝基础处理、高压喷射灌浆、套井回填等传统水利工程的防渗措施普遍存在技术要求较高、施工复杂、效率低下等问题，而且这些问题在寒区变得更加复杂。而针对寒区土石坝的防渗问题，仿生超疏水材料的应用将有效的提高寒区土石坝的防渗措施的效率，降低其施工难度。

1 仿生超疏水材料简介及制备方法

1.1 仿生超疏水的简介

自然界中动植物的经过亿万年的演化，自身具有最优适应环境的结构和功能，而超疏水现象就是动植物表现出的一种特殊的现象。最早说明自然界中的超疏水现象是出现在中国古代的《爱莲说》一文当中的“出淤泥而不染”，这一句说明了荷叶表面具有拒水的功能，而且随这水滴的滚动可将荷叶表面的污物带走。荷叶的这种自行清洁和拒水的现象被称之为“荷叶效应”。Barthlott和Neinhuis先后对荷叶以及200多种防水材料的表面层次结构观察后，发现这些材料以及荷叶表面具有微绒毛[2]。这些微绒毛是由乳突结构及蜡状物质构成，是微米结构。同时说明了荷叶的超疏水现象是由这种微米结构和表面的蜡状物质共同作用的结果。而后江雷课题组通过进一步的放大荷叶表面，发现乳突是纳米级单位[3]。除了荷叶，自然界中还有其它的超疏水现象，如水稻叶、花瓣、水黾腿部等，如图1所示。通过这些生物表面的观察，发现具有超疏特性的表面均具有不同形貌的微纳米结构，而且发现这些物质表面都含有不同类型的碳氢化合物官能团，这为仿生制备超疏水材料提供了重要的理论依据[4-5]。

20世纪60年代，美国国家航天局最先提出超疏水材料，主要使用在航天飞机。20世纪70年代，科学家通过SEM研究叶片表面的疏水性及其微观结构，发现植物表皮是一种主要由角质层网络和疏水性蜡状物质组合成的复合材料，具有强疏水性[6]。因此，仿生超疏水材料开始走进科学家的视线。而我国对于该材料的研究始于20世纪90年代，起步较晚且重视度较低，以致在国内该技术研究成果较少，而美国、俄罗斯和德国三个国家因其研究较早，从而掌握的技术最为领先。

现在仿生超疏水材料普遍定义就是一种通过对自然界的仿生制备而产出的一种超疏水材料，可自行清洁需要干净的地方，具有强疏水性。根据水滴在其表面的特点将其定义为表面稳定接触角大于150°，滚动角小于10°的材料[7-10]。因其具有显著的疏水、抗冻、防污等功能，被广泛的应用于防水、防污、自清洁、流体减阻等领域。仿生超疏水的材料的应用前景非常广阔，目前在远距离管道运输、建筑物防水防污、食品包装等方面已有一定的发展。例如，德国STO公司研发了有机硅纳米乳胶漆，大大提高了乳胶漆的各方面性能；延安大学张雪梅、李金辉等[11]研制了磁驱动超疏水海绵，这为超疏水材料与外场磁耦合驱动提供了可能。江苏大学吉海燕、陈刚等[12]采用刻蚀法处理玻璃，研制了超疏水玻璃表面；王志博、牛志强通过对SiO2超疏水涂层进行氟化，可以显著延长冻结时间，将其涂在混凝土表面可以增加混凝土的抗冻性[13]。这为仿生超疏水材料在寒区土石坝的应用提供了一定的理论依据。

1.2 仿生超疏水材料制备方法

仿生超疏水表面形式有两种，一种是在疏水层上形成粗糙面，另一种是利用低表面自由能材料形成粗糙微面[14]。现今常用的仿生超疏水材料的制备方法有刻蚀法、溶胶-凝胶法、模板法、相分离技术法、静电纺丝法和自组装法等。这些方法是通过微相结合的途径在材料表面制备超疏水面。

刻蚀法是通过化学或物理的方法在基材表面形成粗糙面，现如今常用的刻蚀方法是化学刻蚀、激光刻蚀、离子刻蚀等[15]。此方法的优点在于可精确操作，但大面积制作成本太高。Sung-Woon等用离子体刻蚀法得到了微米级棒状结构的硅表面；溶胶-凝胶法本质是将化学活性高的化和物水解经行溶胶缩合，凝胶成微米孔状结构从而形成超疏水表面。该方法得到的超疏水表面可控性差，同时化学污染较为严重；模板法是将带有空穴结构的材料作为基材，将铸膜液通过浇铸、倾倒、旋涂等方式覆盖在模板上，在特定条件下使基材表面成膜的方法[16]。这种方法具有简洁、有效、可大面积复制等优点，在实际应用上有较好的前景。Ke等以芋叶为基材，用模板法生成具有细微空穴的表面结构，再通过聚正十八烷基硅浸渍覆盖修饰使疏水性能显著提高；相分离法是通过控制成膜过程条件，使芯材和壁材中的溶液产生两相或者多相，在芯材或者壁材表面形成超疏水薄膜。此方法优点在于实验条件可控，过程简单易操作，可以制造大面积的超疏水材料，具有较大的实用价值；静电纺丝法是一种较为新颖的超疏水材料制备方法。该方法是将制备材料置于静电场中，通过库仑力的作用使制备材料在基材表面形成微米疏水表面。此种方法可用于大面积制作仿生超疏水材料，但由于分子亲水基团不同，使制得的仿生超疏水材料的均匀性不能得到保证。故而此方法应用于实际存在较大的不确定性。

2 超疏水材料在寒区土石坝中应用的设计及原理

根据仿生超疏水材料和土石坝渗漏成因进行分析研究，可将仿生超疏水材料引入土石坝的设计中，将仿生超疏水材料的制备方法与仿生超疏水涂层设计相结合，在土工膜上构建微纳米仿生超疏水面。得到的土石坝的模型设计如图2所示。

图2 模型设计图

仿生超疏水层由土工膜的两面构成，在坝体横截面放大图中从左至右依次是平整层、仿生超疏水层、土工膜层、垫层。平整层的存在可以使仿生超疏水层减少破坏，增加超疏水材料的耐久性；仿生超疏水层因其抗冻性可增加土工膜抗冻能力。整个横截面土的占比在50%～60%,坝右半部分大多由渗透性很好砂卵石填充，充分做好上堵下排工作。

3 应用前景与展望

在寒区土石坝中，渗漏是坝体破环主要问题，传统渗漏的解决措施有坝体表面涂抹、贴补、灌浆、构筑沥青防渗层等。这些措施只能达到中短期的防渗漏目的。另外，这些防渗层厚度过大，对土石坝的整体性影响极大，具有效率低的缺点。仿生超疏水材料的应用可很好的解决传统防渗措施的弊端，但仿生超疏水材料的耐久性差、造价高将会制约仿生超疏水材料在水利工程的应用。相信随着时间的推移仿生超疏水材料耐久性、造价高等缺点会得到解决。