水利工程中新型超疏水材料應(yīng)用前景展望

賈致通 戚高晟 金銘 高亞威 鄭軍威 袁一航

摘要：指出了滲漏是水閘、混凝土壩、泵站等水工建筑物目前面臨的最大問題，也是影響水工建筑物工程安全的最主要因素。據(jù)水利、水文等相關(guān)部門調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國每年在水利工程防滲維護(hù)工作方面的開支金額龐大、數(shù)以億計(jì)。因此，十分有必要尋找一種高效可靠、持久耐用的防滲方法或防滲材料，來為新時(shí)代水利工程的防滲工作提供解決的新思路和新方案。通過分析傳統(tǒng)水利工程施工過程中常見的滲漏現(xiàn)象和滲漏成因，詳細(xì)介紹并探討了新型超疏水材料的發(fā)展，進(jìn)一步為新型超疏水材料與水工建筑物的結(jié)合應(yīng)用提出了新的展望。

關(guān)鍵詞：水利工程;超疏水材料;水工建筑物;防滲;高效;仿生材料;混凝土

中圖分類號：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）8-0182-02

1 引言

2017年10月，中共中央總書記、國家主席習(xí)近平同志在黨的“十九大”報(bào)告中提出：要把人與自然和諧共生納入新時(shí)代堅(jiān)持和發(fā)展中國特色社會主義的基本方略，要把水利擺在九大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)之首。

“十九火”報(bào)告中關(guān)于水利建設(shè)方面的論述，不僅為我國基層水利事業(yè)的發(fā)展進(jìn)一步深化了工作內(nèi)涵，明確了工作方向，也為水利工作者們指明了水利行業(yè)未來的發(fā)展趨勢和著力根基，同時(shí)也積極要求人們繼續(xù)合理開發(fā)研制尖端技術(shù)、新型材料等，服務(wù)并應(yīng)用于傳統(tǒng)水利行業(yè)。

水利工程的大力發(fā)展離不開牢固可靠的水工建筑物，然而，當(dāng)下我國水工建筑物的滲漏病害現(xiàn)象非常的普遍，僅以我國水利工程中常見的面板堆石壩為例：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國在建和已經(jīng)建成的面板堆石壩數(shù)量約為300座，占世界面板堆石壩數(shù)量的一半以上。我國自20世紀(jì)80年代開始陸續(xù)引進(jìn)現(xiàn)代面板堆石壩技術(shù)以來，建設(shè)至今已有30余年的技術(shù)應(yīng)用歷史。經(jīng)過引進(jìn)消化、自主創(chuàng)新和不斷的突破發(fā)展，我國的壩工事業(yè)已經(jīng)積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)入了頂峰狀態(tài)，逐步形成了具有鮮明中國特色的面板堆石壩筑壩技術(shù)，蒙江雙河口電站等工程為世界壩工界所驚嘆。可在這風(fēng)光背后，我國的大壩卻普遍遭受著滲漏問題的威脅侵?jǐn)_，成為亟待解決的一個(gè)重要工程問題。

“出淤泥而不染，濯清漣而不妖”語出宋朝名儒周敦頤的《愛蓮說》一文，其大致意思為：“蓮花從淤泥中生長出來卻不受淤泥的污染，在清水里濯洗過但并不會因此而顯得妖媚。”形成這種現(xiàn)象的主要原因就在于蓮花表面有一層超疏水材料，正是這種超疏水材料，才使得水流聚股流下，污泥不會黏附在蓮花的表面（圖1）。利用這一原理，與此類似的仿生材料結(jié)構(gòu)特征的形成機(jī)制和機(jī)理研究，在我國的相關(guān)研究機(jī)構(gòu)和科研院所自20世紀(jì)90年代就已相繼開展。超疏水材料因其具有防水、防污、可有效減少流體阻力粘滯性等優(yōu)良特性，使得其相關(guān)技術(shù)開發(fā)研究引起了學(xué)界的廣泛關(guān)注，并在近年來逐步取得了較大的進(jìn)展。當(dāng)下，不同方法提煉制備的超疏水材料也被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、冶金等相關(guān)領(lǐng)域，其應(yīng)用面已經(jīng)覆蓋了我們生活的方方而而。2014年9月，國務(wù)院總理李克強(qiáng)同志在夏季達(dá)沃斯論壇上首次提出了“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的時(shí)代關(guān)鍵詞，號召我國各地創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)才俊骨干以新技術(shù)、新思想推動(dòng)和助力社會前進(jìn)發(fā)展。號召提出四年以來，創(chuàng)新性發(fā)展已逐漸成為我國社會發(fā)展的主流，而水利工程作為功在當(dāng)下，利在千秋的惠民事業(yè)，新技術(shù)與其的結(jié)合利用就顯得尤為重要和突出。在實(shí)際工程中，傳統(tǒng)水工建筑物的防滲措施普遍存在著技術(shù)要求高、施工工藝復(fù)雜、效率低下等問題，而針對上述技術(shù)問題，新型疏水材料的技術(shù)應(yīng)用將有效地提高防滲措施的施工效率及防滲效果。

2 超疏水材料簡介

超疏水材料是一種新型材料，它可以自行清潔需要干凈的地方，還可以放在金屬表面防治水的腐蝕生銹，目前行業(yè)內(nèi)將其特點(diǎn)定義為表面穩(wěn)定接觸角大于150°，滾動(dòng)角小于10°。超疏水材料因其普遍具有顯著的疏水、脫附、防粘、自清潔等功能，被廣泛應(yīng)用于防水、防污、自清潔、流體減阻、抑菌等領(lǐng)域。

超疏水材料上的微茸毛由乳突及蠟狀物構(gòu)成，其為微米結(jié)構(gòu)，乳突為納米結(jié)構(gòu)，當(dāng)水與超疏水材料表面接觸時(shí)，會有空氣存在于微小突起之間，從而大大減小水與超疏水材料表面的接觸面積。又由于水的表面張力作用，使得水漓在這種粗糙表面的形狀接近于圓形，其接觸角可達(dá)150°以上，這種納米與微米相結(jié)合的雙微管結(jié)構(gòu)正是起到表面防水防污作用的根本原因。具有大觸角和較小滾動(dòng)角的超疏水性材料表面結(jié)構(gòu)為微米級及納米級結(jié)構(gòu)的雙微復(fù)合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以直接影響水滴的運(yùn)動(dòng)趨勢[1]。

超疏水材料的表面結(jié)構(gòu)通常有用兩種形式，一是在疏水材料表面上構(gòu)建微觀結(jié)構(gòu)，二是在粗糙表面上修飾低能表面物質(zhì)。由于降低表面自由能在技術(shù)上比較容易實(shí)現(xiàn)，因此超疏水材料表面的制備技術(shù)的關(guān)鍵就在于構(gòu)建合適的表面微細(xì)結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，已報(bào)道的超疏水材料表面制備技術(shù)主要有溶膠凝膠法、模板法、自組裝法及化學(xué)刻蝕法等[2]。

超疏水材料表面結(jié)構(gòu)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，目前在遠(yuǎn)距離管道運(yùn)輸、建筑物耐水防污、船舶提高浮力、織物面料等方面已有一定的發(fā)展，如中科賽納技術(shù)有限公司采用納米合成技術(shù)制備的納米超疏水自清潔玻璃涂層，其具有自清潔、防結(jié)冰、抗氧化等功能，應(yīng)用在建筑外墻、玻璃以及金屬框架等處可大大降低建筑物的清沽以及維護(hù)成本：德國STO公司根據(jù)荷葉效應(yīng)原理開發(fā)了有機(jī)硅納米乳膠漆，對傳統(tǒng)乳膠漆進(jìn)行了創(chuàng)新改良，大大提高了性能優(yōu)勢;江蘇大學(xué)吉海燕、陳剛等采用刻蝕法處理玻璃，也成功制備了超疏水玻璃表面[3];盧思等課題小組[4]把無序碳納米管粘接在基材鋁管表面以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)表面，然后用聚四氟乙烯修飾該復(fù)合表面上以形成一層超疏水PIFE膜。

雖然國內(nèi)外現(xiàn)已經(jīng)研究出了大量關(guān)于超疏水的研究成果，但基本仍處在實(shí)驗(yàn)室階段，現(xiàn)階段超疏水材料較廣范圍內(nèi)的應(yīng)用效果也不是非常理想，民眾對其的普遍認(rèn)知率也較為有限，制作成本高昂，耐久性能比較低，并且其表面的微納米結(jié)構(gòu)十分脆弱，容易被破壞，從而喪失超疏水性。所以在材料選擇、制作工藝以及后續(xù)處理上都需要相關(guān)領(lǐng)域的專家學(xué)者進(jìn)一步深入研究解決，因此超疏水表面在實(shí)際應(yīng)用方面還存在著極大的發(fā)展空間[5]。在水利工程水工建筑物的超疏水技術(shù)應(yīng)用方面，王志博、牛志強(qiáng)等專家已率先研究出了對混凝土同時(shí)進(jìn)行引氣與超疏水涂層處理的新技術(shù)，可有效改善其內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提升表面的疏水性能和抗凍性能[6]。但在真正意義上，將超疏水材料應(yīng)用在水工建筑物的防滲漏問題方面的技術(shù)研究領(lǐng)域目前幾乎為空白，故而開發(fā)和研究超疏水表面與水工建筑物防滲問題的結(jié)合應(yīng)用有著重要而深遠(yuǎn)的意義。

3 混凝土壩和漿砌石壩滲漏成因與對策分析

水工混凝土壩和漿砌石壩的主要滲漏類型有壩基滲漏和壩體滲漏兩種，其滲漏的原因有以下幾個(gè)方面：①由于勘探工作做的不周，地基留有隱患，水庫蓄水后引起滲漏;②由于設(shè)計(jì)考慮不周，在某種應(yīng)力作用下，使混凝土產(chǎn)生裂縫，引起滲漏;③因施工溫差或本身干縮等原因，產(chǎn)生裂縫而引起滲漏;④沒計(jì)施工中采取的防滲措施不良或運(yùn)行期間由于物理、化學(xué)因素的作用，使原來的防滲措施失效或遭受破壞而引起滲漏;⑤遭受強(qiáng)烈地震及其他破壞作用，使混凝土建筑物或基礎(chǔ)產(chǎn)生裂縫，引起滲漏[7]。

混凝土壩和漿砌石壩滲漏病害通常處理的基本原則是“上截下排，以截為主，以排為輔”，根據(jù)滲漏的層次部位，危害程度，施工狀況以及修補(bǔ)條件等實(shí)際情況制定合理可靠的處理措施，通常我們的處理方式為：①對于建筑物本身的處理，以上游面封堵為主;②對于基礎(chǔ)滲漏的處理，以截為主，輔之以排;③對于接觸滲漏或繞壩滲漏的處理，應(yīng)先封堵，以排補(bǔ)救。

4 超疏水材料壩面設(shè)計(jì)及原理

根據(jù)對超疏水材料和壩面滲漏成因?qū)Σ叩姆治鲅芯浚蓪⒊杷牧弦胨嗷炷翂蚊嬖O(shè)計(jì)中，通過微納米壩表構(gòu)建與超疏水涂層設(shè)計(jì)相結(jié)合，對超疏水材料壩面表層進(jìn)行疏水設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

超疏水性能壩面由兩層結(jié)構(gòu)構(gòu)成，由左至右依次為主體結(jié)構(gòu)混凝土層和超疏水層（又稱表面功能層），其中主體結(jié)構(gòu)混凝上層的厚度占整個(gè)壩面板結(jié)構(gòu)的80%至90%（具體比例可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工程情況而定），其性能與普通混凝土壩相似;超疏水層通過摻入一定量聚乙烯醇纖維和鋼渣，使其強(qiáng)度和耐磨性得以大幅度提高，同時(shí)在其表面涂刷經(jīng)復(fù)配得到的超疏水復(fù)合功能材料，從而制備出超疏水性能壩面。

5 應(yīng)用前景展望

在水利工程中，滲漏是常見的壩體病害之一，傳統(tǒng)滲漏的處理措施有表面涂抹、表面貼補(bǔ)、鑿槽嵌補(bǔ)、灌漿、構(gòu)筑防滲層等。雖然這些措施能在短期內(nèi)達(dá)到預(yù)期的使用目的，但其普遍具有工作量大，影響混凝土完整性及強(qiáng)度，作用較小等局限性。

目前技術(shù)允許范圍內(nèi)，標(biāo)本兼治的最佳措施就是將超疏水材料覆蓋在與水接觸的混凝土表面，形成一層空氣膜，避免壩面直接與水摩擦接觸，減少浸泡，從而達(dá)到有效防止發(fā)生滲漏的現(xiàn)象，此技術(shù)電充分符合“以截為主”的滲漏主要處理原則。同時(shí)，在溢洪道溢流面上覆蓋一層高強(qiáng)度超疏水材料，可減小水流對陡坡段和出口處的沖刷，避免溢洪道陡坡段內(nèi)墻被沖刷，底板被掀起、下滑或局部接縫破壞以及消能設(shè)施的破壞;采用高強(qiáng)度超疏水材料還能防止氣蝕破壞.避免產(chǎn)生蜂窩、麻面及混凝土脫落現(xiàn)象，在彎道處布設(shè)高強(qiáng)度疏水材料，可以減小阻力而防止翼墻沖刷破壞。

在超疏水材料與建筑物兩種材料的粘結(jié)性方面，潘洪波等專家對超疏水材料粘結(jié)效果進(jìn)行分析，通過150多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硅氧烷與超疏水材料的粘結(jié)性能十分理想，為超疏水材料的應(yīng)用起到積極作用[8]。值得注意的是，水工建筑物所處的水環(huán)境十分復(fù)雜多樣[9]，受不同地域內(nèi)氣候、水文、地質(zhì)等因素影響[10]，水中沙石、冰凌、水生物、礦物質(zhì)[11]等均會對材料產(chǎn)生不同程度的破壞，這就對超疏水材料在水利工程中的推廣應(yīng)用形成制約：①混凝土壩上游迎水面面積廣，材料需求量大;②水工建筑物運(yùn)行周期長，建筑材料要求具有足夠強(qiáng)度的耐久性;③風(fēng)吹日曬使得壩體混凝土在不同程度上會出現(xiàn)裂縫，若使用剛性材料，會伴隨混凝土開裂而開裂，導(dǎo)致失去疏水作用。

上述問題都是目前推廣該項(xiàng)材料技術(shù)可能遇到的主要技術(shù)難題，需相關(guān)研究人員從材料的耐久性、大批量配備技術(shù)、成本、與其他材料的粘結(jié)力、延展性等方面更加深入研究。相信隨著時(shí)間的推移，這些問題都將會得到有效解決。

荷葉效應(yīng)為超疏水材料的研究提供了現(xiàn)實(shí)依據(jù)，而超疏水材料在水工建筑物領(lǐng)域的應(yīng)用目前仍處于空白狀態(tài)，若能有效解決材料強(qiáng)度、價(jià)格等限制因素，并加以推廣利用，將在壩體防滲、溢洪道沖刷、漏水、水閘腐蝕、渠系輸水建筑物的防滲等方面起到良好的作用，為建設(shè)新型智慧水利工程做出貢獻(xiàn)。

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