水溶性聚氨酯改良砒砂巖的水理性能試驗研究

張俊魁, 高海鷹, 梁止水,2

(1.東南大學 土木工程學院, 江蘇 南京 210096; 2.江蘇杰成凱新材料科技有限公司, 江蘇 南京 210019)

砒砂巖是指分布在黃河流域的晉陜蒙接壤地區，由古生代二疊紀、中生代三疊紀、侏羅紀和白堊紀的厚層砂巖、砂頁巖和泥質砂巖組成的巖石互層[1]，因其顆粒松散、成巖度低[2]，該區域水土流失極為嚴重。每年向黃河輸入泥沙約達3.50×108t，是造成黃河下游河床不斷淤高的主要原因[3-4]。針對該區域的治理，中國先后開展了黃河中游重點(試點)小流域治理工程、沙棘資源建設、國家生態工程建設等水土保持治理項目[5]。在治理措施上由最初的生物措施和工程措施漸漸轉變為化學固結與生物防治相結合[6-8]。然而目前現有的固結材料或在耐久性、或在植物親和性、或在成本方面存在較大的問題，并且多數固結材料尚處于實驗室研究階段[9]。基于此，新型環保化學固結材料和水土保持技術的研制勢在必行。

W-OH是由日本JCK株式會社研究開發的水溶性灌漿料系列的聚氨酯產品。以水為溶劑，與水反應生成具有良好力學性能的彈性凝膠體，具有高度安全性。它是在原有親水性聚氨酯材料的基礎上融合納米改良，組成結構改變及功能材料復合技術，具有高耐久性、自然降解可控性、環保性等特征。本文擬對經W-OH改良砒砂巖的水穩定性和抗沖刷性進行試驗研究，同時結合該材料在砒砂巖抗侵促生工程項目中的實際效果，以期探討W-OH對砒砂巖的改良機理和效果。

1 材料與方法

試樣材料包括試驗用土和試驗W-OH。試驗用土來自于黃河一級支流皇甫川的二老虎溝小流域的表層土，其液限WL=32.2%，塑性指數Ip=10.6，比重Gs=2.65，最佳含水率Wop=17%，最大干密度ρd=1.71 g/cm3。W-OH為由江蘇杰成凱新材料科技有限公司提供的W-OH，外觀為黃褐色透明液體，密度ρ=1.1 g/cm3，固含量為60%，黏度(20 ℃，mPa.s)為200～800，pH值為6～7。

(1) 水穩定試驗。首先將戶外原狀土風干后過篩，選出粒徑分別為2～5，5～10, 10～20，>20 mm的團聚體，之后將0%，3%，5%，7%濃度的W-OH稀釋液噴灑到團聚體表面。試驗時可在土樣的表面蒙上一層紗布，乳液最終以滲透的方式透過紗布包裹團聚體，直至試樣充分浸濕飽和。之后將試樣在室溫中養護1 d，再次過篩，選出不同粒徑的團聚體。

(2) 抗沖刷性試驗。采用課題組自行設計的沖刷試驗模擬裝置進行。該裝置主要由3部分構成：坡面槽、坡面上部供水設備、坡面下部接樣裝置。土槽為鋼制槽，尺寸為2.0 m×0.5 m×0.5 m(長×寬×高)，坡度為30°。供水設備主要由恒定水位的貯水箱、控制閥門、流量計以及靜水溢流箱組成，接樣裝置為水桶。填土造坡分層完成，土壤干容重控制在1.3 g/cm3，基本接近天然容重。將W-OH稀釋成2%，3%，4%濃度以3 L/m2的量均勻噴灑在砒砂巖土坡表面，并設計不添加W-OH的清水作為對照試驗。放水流量為2 L/min，沖刷時間30 min。水從貯水箱流出經溢流箱后均勻、穩定流向坡面，最后出流泥沙通過下端出水口流進底部水桶中，每隔2 min更換1次接樣桶。每組試驗重復3組，取其平均值。

掃描電鏡的試樣取自抗沖刷試驗改良土，土顆粒風干后用手掰開，取較平整的斷面，得到新鮮、完整且保持其原狀結構的試樣。在試樣表面噴鍍一層黃金薄膜后，即為掃描電鏡的觀測斷面。

2 結果與分析

2.1 水穩性試驗結果分析

團聚體水穩性測定方法多樣，其中計算統計法以快速、簡便而被廣為使用[10]。本試驗采用安德里阿諾夫法對團聚體進行統計分析[11]。

團聚體顆粒浸水前，先讓濾紙上的團粒通過毛細作用吸水飽和30 min。之后將團粒浸入水中，測定l0 min內每分鐘團粒崩解的數量，進行水穩性K值的計算。

式中：a1，a2，a3，…，a10——在水中浸泡1，2，3，…，10 min時崩解的土團粒數;a0——浸泡10 min后未崩解的土團粒數。

由表1可以看出，未添加W-OH的砒砂巖試樣抗水侵蝕能力極弱，水穩性較低。W-OH的添加能明顯提高砒砂巖團聚體水穩性。在相同團聚體粒徑下，水穩性K值隨著W-OH濃度的增加而不斷增大。同時，砒砂巖顆粒的粒徑分布與水穩性也有一定的關系，當顆粒粒徑較小時，施加相同濃度和質量的W-OH時，顆粒較大的更容易造成水蝕，且噴灑過后，形成裂縫的比例較高，在浸水過程中水蝕程度更大，比例更高。

表1 W-OH對砒砂巖團聚體水穩性測試值

由圖1可以看出，當團聚體平均粒徑為7.5 mm時，添加W-OH對團聚體水穩性有明顯提高，K值漲幅均在4倍以上。當W-OH濃度為7%時，改良團聚體水穩性K值為98.4，此時的團聚體已具備很好的抗水侵蝕能力。此外，從圖2中可以直觀看出，在相同W-OH濃度下，隨著團聚體粒徑的不斷增加，水穩性K降低趨勢越來越明顯。

圖1 改良團聚體在不同濃度下的水穩性

圖2 添加5%W-OH后團聚體顆粒大小對其水穩性的影響

試驗中觀察到未添加W-OH的團聚體在水中崩解時首先從其表面的邊、棱、角處開始坍塌，隨著時間的延長，團聚體逐漸分散解體；添加W-OH的團聚體以出現裂縫到裂縫不斷變長變寬后突然炸裂的方式在水中崩解。這與劉瑾等所提出的漸進式崩解和炸裂式崩解的2種方式相統一[12]。

2.2 抗沖刷性試驗結果分析

由圖3中可以看出，未噴灑W-OH的坡面泥沙流失較為嚴重，前期隨著時間延長，產沙速率不斷增加，之后產沙速率漸漸趨于穩定，約為430 g/min。而噴灑W-OH的坡面前期產沙速度均得到明顯控制，其中2%濃度的坡面后期產沙速度快速上升，在23 min左右侵蝕產沙速率開始與對照組保持同一水平，這主要是由于該濃度的W-OH在土坡表面形成的彈性凝膠體漸漸被水沖刷破壞；3%濃度的土坡表面部分凝膠體被破壞，但穩定過后的產沙速率低于對照組；4%濃度的W-OH坡面彈性凝膠體在試驗過程中一直未被破壞，其坡面侵蝕產沙量一直較低且比較穩定。從圖4中可以看出未噴灑W-OH的坡面累計產沙量為7 563 g，而噴灑2%，3%和4%濃度W-OH的坡面產沙總量分別為5 133，3 612和894 g。試驗結果表明噴灑W-OH后，不僅可以減小坡面的產沙速率，降低產沙總量，同時還能降低或抑制產沙峰值。

圖3 坡面產沙量隨時間的變化

圖4 坡面產沙累積量隨時間的變化

3 改良機理分析

如圖5所示，未添加W-OH的砒砂巖呈層狀結構分布,類似于五花肉,顆粒間較為松散,內部間隙較多。當砒砂巖與水相互接觸后，水分借助砒砂巖相對較高的孔隙度得以快速入滲，部分孔隙被水分子代替，從而使剩余孔隙中空氣密度發生明顯變化，形成壓力差，并以膨脹力形式向周圍擴散；此外砒砂巖中膨脹性礦物質遇水后發生快速膨脹，隨著水土作用的不斷深入，當作用在顆粒間的黏結力不足以抵擋土體內部因氣體膨脹和礦物質膨脹所造成的破壞力時，團聚體將逐漸分散崩解。

W-OH與團聚體接觸后，稀釋液借助前期的流動性，在砒砂巖表面及顆粒間隙得以迅速鋪展、滲透，之后隨著材料中異氰酸根與水分子的快速反應，稀釋液黏度逐漸增加，高分子末端大量的活性基團與土顆粒發生物理或化學反應，經過一系列作用后，材料在砒砂巖顆粒表面形成了空間網狀結構(如圖6所示)。隨著時間的延長，溶液黏度進一步增大，由之前的流動狀態逐漸轉變為彈性凝膠體，通過包裹和膠結等作用使原本相互松散的砒砂巖顆粒相互黏結在一起，提高了砒砂巖的水穩性和抗侵蝕能力。W-OH濃度越大，在砒砂巖表面形成的固結層更加緊實，可以很好地防止水的侵蝕，而噴灑量的增大，則可以使W-OH溶液滲入到砒砂巖中的厚度增大，從而全面的包裹在砒砂巖表面，整體抗蝕性效果顯著，可以抵抗較長時間的水力侵蝕。

圖5 未添加W-OH的團聚體掃描電鏡圖

圖6 添加5%W-OH的團聚體掃描電鏡圖

相對于粒徑較大的團聚體，在相同W-OH濃度下，W-OH在粒徑較小的團聚體表面更容易全面分散包裹，且在相同時間下，W-OH在粒徑較小的團聚體表面浸入深度更深，形成的膜結構強度更大，破壞時所需的膨脹力也越大。因此團聚體粒徑與水穩性值成負相關。增加W-OH濃度，一方面增加了W-OH的黏度，提高了W-OH與團聚體的膠結力；同時W-OH中因含有大量異氰酸酯基(-NCO)能與團聚體中的游離水發生反應使之轉化為抗侵蝕能力較強的結合水。將W-OH噴灑在砒砂巖土坡表面，相當于給坡面穿上了一層“雨衣”，降低了雨水與土坡面直接接觸的面積，從而減輕了雨水對砒砂巖坡面沖刷侵蝕的影響。

4 結 論

從W-OH改良砒砂巖的水理性質試驗及材料固結砒砂巖后微觀掃面電鏡圖可以看出，W-OH與水反應后生成的彈性凝膠體通過擴散、滲透、膠結等方式包裹在砒砂巖顆粒周圍，提高了顆粒間的黏結力，使改良砒砂巖的水穩性和抗沖刷能力得到了明顯提高；在砒砂巖水土流失治理中具有顯著成效。這一研究結果對W-OH在砒砂巖水土流失治理中的應用提供了科學依據。

[1] 王愿昌,吳永紅,寇權,等.砒砂巖分布范圍界定與類型區劃分[J].中國水土保持科學,2007,5(1):14-18.

[2] 沈鑫.一種砒砂巖固結促生自然邊坡治理技術[J].人民黃河,2015,38(8):90-94.

[3] 姚文藝,吳智仁,劉慧,等.黃河流域砒砂巖區抗蝕促生技術試驗研究[J].人民黃河,2015,38(1):6-10.

[4] 張德全,宋日生,梁俊林,等.砒砂巖區的侵蝕及危害[C]∥中國水土保持學會全國會員代表大會論文集,北京:2006:405-406.

[5] 肖培青,姚文藝,劉慧.砒砂巖地區水土流失研究進展與治理途徑[J].人民黃河,2014,37(10):92-94,109.

[6] 王愿昌,吳永紅,閔德安,等.砒砂巖區水土流失治理措施調研[J].國際沙棘研究與開發,2007,5(1):39-44.

[7] 張騰飛.砒砂巖侵蝕區水土流失治理新模式探討[J].亞熱帶水土保持,2016(2):44-46.

[8] 肖培青,姚文藝,申震洲,等.黃河中游砒砂巖區抗蝕促生技術研究[J].中國水土保持,2016(9):73-75.

[9] 高衛民,吳智仁,吳智深,等.荒漠化防治新材料W-OH的力學性能研究[J].水土保持學報,2010,24(5):1-5.

[10] 蘭士珍,劉文通,程晉福.兩種水溫性團聚體分析法在不同耕作土壤中的表面[J].土壤通報,1962(9):37-43.

[11] 吳增芳.土壤結構改良劑[M].北京:科學出版社,1976:239-244.

[12] 劉瑾,施斌,姜洪濤,等. STW型高分子土壤W-OH改良黏性土團聚體水穩性試驗研究[J].水文地質工程地質,2009,36(2):77-80.