蔗糖脂肪酸酯改性黏土制备水土保持喷膜研究

刘柯柯，渠永平

(1.山西水务物资贸易有限公司，山西 太原 030051； 2.中北大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030051)

黄河流域生态保护和高质量发展已经上升为重大国家战略，山西省作为黄河流域重要的一部分，其环境治理和水土保持工作影响着黄河流域生态保护工作[1]。山西省地处黄土高原东部的黄河中游、海河上游，受特殊地理条件影响，全省水土流失面积约10.8万km2，占总土地面积的69%，水土流失十分严重，生态环境十分脆弱，每年向黄河、海河输送大量泥沙，是全国水土保持重点防治区域之一[2]。近年来，山西省共治理水土流失面积6.67万km2，仍有水土流失面积4.13万km2，水土流失治理任务十分艰巨，而其中生产建设项目水土流失治理一直是山西省水土保持工作遇到的难题之一。

山西省矿产资源丰富，煤、煤层气、铝、铁等资源储量位居全国前列。山西省的生产建设项目主要包括各类矿山建设项目和水利、铁路、公路等基础设施建设项目。这些生产建设项目在建设和运行过程中，均需占用大量土地资源，且深挖高排，所造成的重力侵蚀破坏原有植被，改变原有地形、地貌，造成大量地面裸露，人为水土流失十分严重。山西省气候为温带大陆性季风气候，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，期间降水量约占全年降水量的70%，且多属短时暴雨，是造成山西省“十年九旱”的主要原因。土壤属湿陷性黄土，结构疏松，多孔隙和垂直方向的裂隙，并且其中许多物质易溶于水，因此大量的生产建设项目易造成严重的水土流失，且治理难度相当大，使用常规治理措施见效慢、成本高[3]。

现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]。国外主要是通过先进的绿化工程技术恢复和重建边坡生态环境。欧美采用湿式喷播植草技术和厚层基材喷播技术。日本在水土保持理论研究领域做了大量工作，主要包括坡面径流冲刷及侵蚀发生过程的模拟、雨滴溅蚀机理、土壤侵蚀预报机制等[5]。目前，日本正研究“特殊科技绿化技术”“景观仿真技术”等边坡防护高新技术。另外，英国、意大利等还将加筋土技术与植被防护技术结合，修建具包裹式加筋土植草墙面的挡土墙[6]。国内生产建设项目的水土保持措施以传统的工程措施、植物措施和临时措施为主，临时措施主要以临时苫盖为主[7]。传统技术如护坡(岸)、拦沙坝、挡土墙等，都属于“被动式”保持水土技术。黄土高原土质松散，垂直节理发育，干燥时坚如岩石，遇水则容易溶解，因此其自身抗水蚀能力较差[8]。特别是在项目建设中形成的高陡边坡，采用常规水保措施难以及时有效地控制水土流失，且治理难度大、成本高[9]。

针对黄土高原土质特点，本研究提出利用蔗糖脂肪酸酯(Sugar Esters)改性黏土制备水土保持喷膜的技术。蔗糖脂肪酸酯是一种食品级的表面活性剂，以其无毒、易生物降解和良好的环境相容性而被广泛应用于食品、医药和日化等行业。利用蔗糖脂肪酸酯制备改性黏土，无毒无害，不会对地表水和动植物等造成二次污染和危害。通过改性制备有机黏土，将其淋洒在黄土表层后，土壤颗粒间黏结性能提高，可大幅提高黄土抗水蚀能力，变“被动式”水土保持为“主动式”保持水土。同时，有机黏土还具有一定的保水性能，结合草籽播种，无须人工灌溉补水，可降低种植成本。为此，研究了蔗糖脂肪酸酯的最佳用量和改性工艺，以及改性黏土的保水性能、强度、耐老化性能和草籽发芽率等。

1 材料与方法

1.1 主要原料

蔗糖脂肪酸酯，医用级，纯度99%，武汉拉那白医药化工有限公司生产；黏土，取自汾河二库，风干后过100目筛；黑麦草草籽，来自江苏达鑫生态科技有限公司；其他试剂为分析纯。

1.2 材料制备

在100 g温水(70 ℃)中分别加入5、10、15、20、25 g蔗糖脂肪酸酯，放到加热型磁力搅拌器中搅拌0.5 h，使蔗糖脂肪酸酯充分溶解，再将30 g黏土边搅拌边缓慢加入蔗糖脂肪酸酯溶液中(即蔗糖脂肪酸酯与黏土的质量比分别为1∶6、1∶3、1∶2、2∶3、5∶6)，继续搅拌1 h使其均匀混合，制备改性黏土浆液，最后将浆液均匀喷洒在含水率20%的黏土表面。根据蔗糖脂肪酸酯的不同用量，将各组试样分别命名为S1、S2、S3、S4、S5，并设置未改性黏土为对照组S。

1.3 测试与分析

1.3.1 保水性能测试

将制备的S、S1、S2、S3、S4、S5共计6组样品放入多波段人工气候箱中模拟室外环境进行保水性能测试，每组制备5个平行试样，定期取样测试黏土层下5 cm和15 cm的土壤含水率。

人工气候箱24 h循环运行，设置如下：温度20 ℃，相对湿度60%，光照强度80%，时间4 h；温度30 ℃，相对湿度50%，光照强度100%，时间7 h；温度20 ℃，相对湿度50%，光照强度0，时间4 h；温度10 ℃，相对湿度70%，光照强度0，时间9 h。

1.3.2 抗压强度测试

抗压强度测试参照水利行业标准《水工混凝土试验规程》(SL 352—2020)进行。将各试样在标准模具中成型，自然养护7 d后脱模，利用万能试验机测试其抗压强度，每组样品制备5个平行试样。

1.3.3 抗老化性能测试

抗老化性能测试参照水利行业标准《土工合成材料测试规程》(SL 235—2012)进行。将各试样在标准模具中成型，自然养护7 d后脱模，然后置于500 W紫外灯下500 h，分别测试其老化前后的质量和抗压强度，每组样品制备5个平行试样。

1.3.4 模拟植草试验

模拟植草试验在人工气候箱中进行。按照1.2中步骤制备200 g改性黏土浆液，并加入200粒黑麦草种子搅拌均匀，每组样品制备5个平行试样。分别将其喷洒在含水率45%的黏土表面，喷洒厚度2 cm，在人工气候箱中培养，每隔24 h记录种子发芽数，共记录14 d。

2 结果与分析

2.1 材料保水性能分析

图1为不同配比改性黏土层下5 cm深处土壤含水率随时间变化趋势。由图1可知，各组样品5 cm深处土壤含水率随时间增加都呈下降趋势。其中，未改性黏土S组5 cm深处土壤含水率下降最快，2 d时土壤含水率降为10.2%，随后下降速率变缓，14 d时土壤含水率为5.6%；改性黏土组5 cm深处土壤含水率均高于未改性黏土组，且随改性剂用量的增加，5 cm深处土壤含水率整体呈增加趋势，S5组土壤含水率最高，14 d时土壤含水率为17.1%。这说明改性后黏土保水性能明显提高，且改性剂用量越大，改性黏土保水性能越好。

图1 黏土层下5 cm深处土壤含水率随时间变化趋势

图2为不同配比改性黏土层下15 cm深处土壤含水率随时间变化趋势。由图2可知，15 cm深处土壤含水率变化趋势与5 cm深处整体一致，改性黏土组土壤含水率明显高于未改性黏土组，说明改性后黏土保水性能明显提高。其中，未改性黏土组14 d时15 cm深处土壤含水率为11.5%，而改性黏土组S5为18.4%，远高于未改性黏土。

图2 黏土层下15 cm深处土壤含水率随时间变化趋势

对比图1和图2可知，黏土层下15 cm深处土壤含水率整体高于5 cm深处，这是由于在光照和温度的影响下，表层土壤水分较深层土壤水分更容易蒸发，因此土壤含水率随土壤深度增加而逐渐增加。

2.2 材料抗压性能分析

图3为不同配比样品的抗压强度，其中未改性黏土S组强度过低，万能试验机未检测出数据。由图3可知，改性黏土样品抗压强度随改性剂用量的增加而逐渐增大，其中最小的是S1组，为0.8 MPa，S4组和S5组分别为1.6 MPa和1.8 MPa。这说明蔗糖脂肪酸酯可以将松散的黏土颗粒黏结在一起，在黏土表面形成一层固结层，并具有一定的强度，可满足一定的机械施工要求。

图3 不同配比样品的抗压强度

2.3 材料抗老化性能研究

图4和图5为不同配比样品老化后强度损失率和质量损失率。由图4和图5可知，改性黏土样品的强度和质量损失率随老化时间增加呈增大趋势，且改性剂蔗糖脂肪酸酯用量越大，损失率越大。这主要是因为蔗糖脂肪酸酯属于有机高分子材料，高分子材料中的活性基团在光热条件下会发生分解或断链，使其黏结效果下降，表现为材料抗压强度和质量的损失。不同配比样品中，损失率最小的为S1组，老化500 h后，强度损失率和质量损失率分别为4.8%和0.8%；最大的为S5组，老化500 h后，强度损失率和质量损失率分别为15.2%和3.2%；S4组老化500 h后强度损失率和质量损失率分别为12%和2.5%。

图4 不同配比样品老化后强度损失率

图5 不同配比样品老化后质量损失率

2.4 植草试验

图6为不同配比改性黏土植草试验中的草籽发芽率。由图6可知，未改性黏土草籽发芽率为26%，改性黏土各组草籽发芽率均有明显提高，其中S1组草籽发芽率为65%，说明改性黏土的保水作用有利于提高草籽的发芽率；继续增加蔗糖脂肪酸酯用量，草籽发芽率也随之提高，S2组草籽发芽率提高到70%，S4组草籽发芽率最高可达86%，说明随着蔗糖脂肪酸酯用量的增加，改性黏土保水性能增强，土壤含水率的提高有利于草籽发芽率的提高；继续增加蔗糖脂肪酸酯用量，草籽发芽率开始下降，S5组草籽发芽率下降为75%，这主要是因为过多的蔗糖脂肪酸酯使得改性黏土层透气性下降，从而导致草籽发芽率降低。因此，实际生产中蔗糖脂肪酸酯的用量可参考草籽发芽率最高的S4组，即蔗糖脂肪酸酯与黏土的质量比为2∶3。

图6 不同配比样品草籽发芽率

3 结 论

利用蔗糖脂肪酸酯改性黏土制备水土保持喷膜，当蔗糖脂肪酸酯与黏土的质量比为2∶3时，材料综合性能最佳，其抗压强度为1.6 MPa，老化500 h后强度损失率和质量损失率分别为12%和2.5%，草籽发芽率为86%。该材料固土保水性能较优，且具有良好的施工性能，可为黄土高原生产建设项目水土流失治理提供一种新材料。