新型高分子固土材料制备及其性能试验研究

梁成勇

（承德供水集团有限公司，河北承德 067000）

我国北方地区分布着广泛的黄土地貌，由于长期过度的放牧、开矿、毁林开荒以及工程建设，在这些地区造成了较为严重的生态环境问题，如水土流失、土质退化、土地荒漠化、沙尘暴等，其中尤以水土流失的问题最为严重，水土流失带走了大量土壤和养分，降低耕地质量，对于国家生态和粮食安全具有重要影响，因而有必要对黄土地区水土流失问题进行专项研究[1-3]。

目前，常用的治理水土流失的措施包括工程措施、生物措施和化学措施[4]。工程措施是通过修建梯田、淤地坝、蓄水设施等措施来减轻土壤侵蚀和流失，主要应用于小范围内的水土流失改造；生物措施主要是借助于造林种草等方式来提高蓄水保土的功能；化学措施是通过化学工艺或者材料来改善土壤结构，达到防治水土流失的目的，具有功效高、见效快、易于实施等优点，因而在水土流失治理中应用比较普遍。之前常用的固化土材料包括灰土和水泥土等，但这些方式在温度湿度变化环境下，易产生裂缝，因而影响长期稳定性和使用性；随着科学技术的发展，许多土壤固化剂应运而生，这些土壤固化剂能够快速改善土壤结构，提高土体强度、水稳性和抗蚀性，兼具高效、经济、环保等诸多优点，因而在近年来成为水土保持领域的研究重点[5，6]。土壤固化剂按照化学成分的不同划分为无机化合物类、生物酶类、有机化合物类、有机无机复合类，其中有机高分子类土壤固化剂具有掺量少、成本低、施工简单、固化效果优越等诸多优点，有机高分子材料按照获取方式不同又可划分为天然有机高分子和合成有机高分子两类，合成有机高分子品样多，价格低，但获取难度大，可能还会对环境造成一定的污染，因而天然有机高分子材料就成为当下研究的重点[7-11]。

本文利用多种天然有机高分子纤维素材料和黄土材料，复配一种环境友好型黄土基纤维素固土材料，以期能为黄土地区水土保持治理工作提供借鉴。

1 实验部分

1.1 原材料及设备

土基材料 取自河北某地的黄土，主要以0.05～0.005mm 的粉粒为主，比重2.7g·cm-3，塑性指数9.05，液性指数0.287，最大干密度1.82g·cm-3，最佳含水率12%。

天然有机高分子纤维素 羧甲基纤维素钠、羟丙基甲基纤维素钠、羟甲基纤维素钠、羟乙基纤维素钠、羟丙基纤维素钠、甲基纤维素、乙基纤维素等，均为分析纯，阿拉丁试剂有限公司；蒸馏水（自来水）。

B06 型电子秤（广州市威衡电子有限公司）；DF-101S 型恒温磁力搅拌器（郑州长城科工贸有限公司）；HC-500A 型多功能高速摇摆粉碎机（浙江省永康市金穂机械制造厂）；DHG-9146A 型电热恒温鼓风干燥箱（上海精宏实验设备有限公司）；自制钢材冲刷槽；自制人工模拟降雨室。

1.2 复配固土材料制备

首先，使用HC-500A 型多功能高速摇摆粉碎机将黄土粉碎，将粉碎后的土过80 目筛，称取200g 土置于1000mL 的烧杯中，向烧杯中加入800g 蒸馏水，用DF-101S 型恒温磁力搅拌器搅拌1d，搅拌机转速为400r·min-1，将搅拌后的土在DHG-9146A 型电热恒温鼓风干燥箱中干燥1d，干燥箱温度为60℃，再将干燥后的土过80 目筛；然后，称取提纯后的土150g 置于500mL 的烧杯中，分别向烧杯中加入各有机高分子纤维素，并在300r·min-1的搅拌速度下将其搅拌均匀；再向烧杯中掺入30%质量分数的自来水，然后以400r·min-1的转速将其搅拌40min；最后，分别进行相应的测试（抗水蚀性能、抗压强度测试；饱和持水量和坡面土侵蚀量测试）。

1.3 固土材料条件优化及表征

1.3.1 抗水蚀性能 有机高分子纤维素的掺量为0.4%，铺在最上一层，铺刷厚度约为3cm，下层为普通黄土层，厚度为17cm，坡度设计为7°，冲蚀高度为5cm，利用人工模拟降雨系统进行模拟实验，模拟过程中降雨强度为30mm·min-1，测试不同有机高分子纤维素黄土基固土材料的抗冲蚀时间t，然后计算单位时间的抗冲蚀量E。

1.3.2 抗压强度测试 选取其中两种抗冲蚀性能优越的纤维素继续进行实验，分别掺入0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的纤维素，将搅拌均匀后的材料制成高为1.5cm、直径为5cm 的圆柱形，并将其在40℃的干燥箱中干燥1d，取出后进行抗压强度测试，探讨纤维素掺量对黄土基复配固土材料抗压强度的影响。

1.3.3 饱和持水量 将制备好的质量分数分别为0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%和0.5%的黄土基纤维素固土材料称取100g 置于带小孔的容器中，并将其压实和铺平，然后利用滴加蒸馏水的方式逐渐浸透固土材料，直至下方出现5mL 渗漏液后停止滴加蒸馏水，并待下方再无渗漏时称取样品质量来测定固土材料的饱和持水量。

1.3.4 坡面土侵蚀量 利用侧喷式自动模拟降雨系统对最佳的黄土基纤维素固土材料进行模拟降雨实验，并与无固土材料进行对比，喷头高度为16m，模拟过程中降雨强度设置为105mm·h-1，记录实验过程中的产流时间，并每隔3min 测试一次产流量，共采集15 组数据。

2 结果与讨论

2.1 抗水蚀性能

不同种类有机高分子纤维素黄土基固体材料抗水蚀性能实验结果见图1。

图1 抗水蚀性能实验结果Fig.1 Test results of water erosion resistance

由图1 可见，在7 种有机高分子纤维素中，羧甲基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠的最大抗冲蚀时间最大，均为12h，其次为羟乙基纤维素钠、羟甲基纤维素钠和甲基纤维素，最大抗冲蚀时间分别为8h、6h 和4h，羟丙基纤维素钠和乙基纤维素的最大抗冲蚀时间很短，仅为0.2h（12min）。羟丙基纤维素钠和乙基纤维素的单位时间抗冲蚀量均达到了249g·h-1，而其他黄土基纤维素固土材料的单位时间抗冲蚀量均小于10g·h-1；羧甲基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠固土材料的抗冲刷能力属于优等水平，羟乙基纤维素钠和羟甲基纤维素钠固土材料的抗冲刷能力属于较优水平，甲基纤维素固土材料的抗冲刷能力属于中等水平，羟丙基纤维素钠和乙基纤维素固土材料的抗冲刷能力属于差水平。因此，从抗水蚀性能来讲，应选择羧甲基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠作为固土材料。

2.2 抗压强度

选择羧甲基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠黄土基固土材料作为研究对象，对不同掺量纤维素下的黄土基固土材料进行强度性能实验，结果见图2。

图2 抗压强度随纤维素掺量的变化曲线Fig.2 Variation curve of compressive strength with cellulose content

由图2 可见，随着纤维素掺量的增加，黄土基纤维素固土材料的抗压强度逐渐增大，且前期的增长幅度大于后期的增长幅度，当掺量达到0.5%以后，羧甲基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠黄土基固土材料的强度分别较原状黄土强度提升250%和375%，这是因为掺入纤维素后这些分散的纤维可以将土颗粒包裹和黏聚，使土体结构孔隙率降低，因而强度得到明显改善；相同纤维素掺量下，羟丙基甲基纤维素钠黄土基固土材料的抗压强度明显高于羧甲基纤维素钠黄土基固土材料。从抗压强度性能来讲，宜选择羟丙基甲基纤维素钠黄土基固土材料。

2.3 饱和持水量

选择羧甲基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠黄土基固土材料作为研究对象，对不同掺量纤维素下的黄土基固土材料进行饱和持水量实验，结果见图3。

图3 饱和持水量随纤维素掺量的变化曲线Fig.3 Variation curve of saturated water holding capacity with cellulose content

由图3 可见，随着纤维素掺量的增加，黄土基固土材料的饱和持水量呈逐渐增大的变化趋势，当不掺入纤维素时，原状黄土的饱和持水量仅为38g，当掺入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的羧甲基纤维素钠后，固土材料的饱和持水量分别为40g、44g、49g、53g 和56g，饱和持水量较原状黄土分别提升5.3%、15.8%、28.9%、39.5%和47.4%，当掺入0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%的羟丙基甲基纤维素钠后，固土材料的饱和持水量分别为41g、45g、50g、55g 和60g，饱和持水量较原状黄土分别提升7.9%、18.4%、31.6%、44.7%和57.9%；相同纤维素掺量下，掺入羟丙基甲基纤维素钠的黄土基固土材料的饱和持水量要大于掺入羧甲基纤维素钠的黄土基固土材料的饱和持水量。综合强度特征和饱和持水量特征，优先选用羟丙基甲基纤维素钠作为黄土的固化剂。

2.4 坡面土侵蚀量

对掺入0.5%羟丙基甲基纤维素钠的黄土基固土材料与对照实验组（未掺入纤维素）进行坡面土侵蚀量实验，结果见图4。

图4 土壤侵蚀率变化曲线Fig.4 Change curve of soil erosion rate

由图4 可见，从整体上来讲，原状黄土的土壤侵蚀率呈逐渐降低的变化趋势，经过45min 的降雨历时后，侵蚀率仅为55g·（m2·min）-1，黄土基羟丙基甲基纤维素钠固土材料的侵蚀率呈先减小后逐步稳定的变化特征，在降雨历时30min 后，侵蚀率逐渐稳定。相同降雨历时下，黄土基羟丙基甲基纤维素钠固土材料的侵蚀率明显小于原状黄土的平均侵蚀率（73.9g·（m2·min）-1），黄土基羟丙基甲基纤维素钠固土材料的平均侵蚀率为62.1g·（m2·min）-1，相比对照实验组降低了16%，表明掺入羟丙基甲基纤维素钠后可以有效防止黄土的降雨侵蚀，这是因为羟丙基甲基纤维素钠作为一种高分子材料，具有良好的黏滞性，使土壤颗粒具有较好的团粒效应，分子链之间的相互作用以及润滑性可以减弱降雨对土壤表面的机械侵蚀作用，从而增强坡表面土壤的抗冲蚀能力。因此，从土壤侵蚀率来讲，宜选择羟丙基甲基纤维素钠作为黄土的固化剂。

2.5 微观结构及机理分析

为进一步解释羟丙基甲基纤维素钠对黄土固土保水的改良机理，对掺入羟丙基甲基纤维素钠前后的黄土进行电镜扫描，结果见图5。

图5 电镜扫描结果Fig.5 SEM test results

由图5 可见，在未掺入羟丙基甲基纤维素钠时，黄土结构表面凹凸不平，呈现出大孔隙、多棱角的特征，颗粒之间的结构较为疏松，结构不致密，而掺入羟丙基甲基纤维素钠后，表面变得比较平整，棱角数量明显减少，颗粒之间结构相对致密，粘结性增强，大孔隙数量明显减小，具有明显的团聚现象，可以阻碍外部水分通过或者进入土体，从而提升了抗侵蚀能力和保水的能力。

3 结论

利用黄土和天然有机高分子纤维素配制新型高分子固土材料，并进行多项实验研究，结论如下：

（1）羧甲基纤维素钠和羟丙基甲基纤维素钠黄土基固土材料的抗水蚀性能处于优等水平，最大抗水冲蚀时间均为12h，单位时间抗冲蚀量均为4.16g·h-1。

（2）随纤维素掺量的增加，固土材料的抗压强度和饱和持水量呈逐渐增大的变化特征，相同掺量下，宜优先选择羟丙基甲基纤维素钠作为黄土固化剂。

（3）使用高分子固土材料的平均侵蚀率较对照实验组（原状黄土）降低16%，黄土的抗冲蚀性能得到明显提升。

（4）掺入羟丙基甲基纤维素钠后，黄土的结构表面更加平整，棱角数量明显减少，结构更加致密，孔隙率明显降低，因而提升了黄土的抗侵蚀和保水能力。