蔗糖脂肪酸酯改性黏土制備水土保持噴膜研究

劉柯柯，渠永平

(1.山西水務物資貿易有限公司，山西 太原 030051； 2.中北大學 材料科學與工程學院，山西 太原 030051)

黃河流域生態保護和高質量發展已經上升為重大國家戰略，山西省作為黃河流域重要的一部分，其環境治理和水土保持工作影響著黃河流域生態保護工作[1]。山西省地處黃土高原東部的黃河中游、海河上游，受特殊地理條件影響，全省水土流失面積約10.8萬km2，占總土地面積的69%，水土流失十分嚴重，生態環境十分脆弱，每年向黃河、海河輸送大量泥沙，是全國水土保持重點防治區域之一[2]。近年來，山西省共治理水土流失面積6.67萬km2，仍有水土流失面積4.13萬km2，水土流失治理任務十分艱巨，而其中生產建設項目水土流失治理一直是山西省水土保持工作遇到的難題之一。

山西省礦產資源豐富，煤、煤層氣、鋁、鐵等資源儲量位居全國前列。山西省的生產建設項目主要包括各類礦山建設項目和水利、鐵路、公路等基礎設施建設項目。這些生產建設項目在建設和運行過程中，均需占用大量土地資源，且深挖高排，所造成的重力侵蝕破壞原有植被，改變原有地形、地貌，造成大量地面裸露，人為水土流失十分嚴重。山西省氣候為溫帶大陸性季風氣候，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，期間降水量約占全年降水量的70%，且多屬短時暴雨，是造成山西省“十年九旱”的主要原因。土壤屬濕陷性黃土，結構疏松，多孔隙和垂直方向的裂隙，并且其中許多物質易溶于水，因此大量的生產建設項目易造成嚴重的水土流失，且治理難度相當大，使用常規治理措施見效慢、成本高[3]。

現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]。國外主要是通過先進的綠化工程技術恢復和重建邊坡生態環境。歐美采用濕式噴播植草技術和厚層基材噴播技術。日本在水土保持理論研究領域做了大量工作，主要包括坡面徑流沖刷及侵蝕發生過程的模擬、雨滴濺蝕機理、土壤侵蝕預報機制等[5]。目前，日本正研究“特殊科技綠化技術”“景觀仿真技術”等邊坡防護高新技術。另外，英國、意大利等還將加筋土技術與植被防護技術結合，修建具包裹式加筋土植草墻面的擋土墻[6]。國內生產建設項目的水土保持措施以傳統的工程措施、植物措施和臨時措施為主，臨時措施主要以臨時苫蓋為主[7]。傳統技術如護坡(岸)、攔沙壩、擋土墻等，都屬于“被動式”保持水土技術。黃土高原土質松散，垂直節理發育，干燥時堅如巖石，遇水則容易溶解，因此其自身抗水蝕能力較差[8]。特別是在項目建設中形成的高陡邊坡，采用常規水保措施難以及時有效地控制水土流失，且治理難度大、成本高[9]。

針對黃土高原土質特點，本研究提出利用蔗糖脂肪酸酯(Sugar Esters)改性黏土制備水土保持噴膜的技術。蔗糖脂肪酸酯是一種食品級的表面活性劑，以其無毒、易生物降解和良好的環境相容性而被廣泛應用于食品、醫藥和日化等行業。利用蔗糖脂肪酸酯制備改性黏土，無毒無害，不會對地表水和動植物等造成二次污染和危害。通過改性制備有機黏土，將其淋灑在黃土表層后，土壤顆粒間黏結性能提高，可大幅提高黃土抗水蝕能力，變“被動式”水土保持為“主動式”保持水土。同時，有機黏土還具有一定的保水性能，結合草籽播種，無須人工灌溉補水，可降低種植成本。為此，研究了蔗糖脂肪酸酯的最佳用量和改性工藝，以及改性黏土的保水性能、強度、耐老化性能和草籽發芽率等。

1 材料與方法

1.1 主要原料

蔗糖脂肪酸酯，醫用級，純度99%，武漢拉那白醫藥化工有限公司生產；黏土，取自汾河二庫，風干后過100目篩；黑麥草草籽，來自江蘇達鑫生態科技有限公司；其他試劑為分析純。

1.2 材料制備

在100 g溫水(70 ℃)中分別加入5、10、15、20、25 g蔗糖脂肪酸酯，放到加熱型磁力攪拌器中攪拌0.5 h，使蔗糖脂肪酸酯充分溶解，再將30 g黏土邊攪拌邊緩慢加入蔗糖脂肪酸酯溶液中(即蔗糖脂肪酸酯與黏土的質量比分別為1∶6、1∶3、1∶2、2∶3、5∶6)，繼續攪拌1 h使其均勻混合，制備改性黏土漿液，最后將漿液均勻噴灑在含水率20%的黏土表面。根據蔗糖脂肪酸酯的不同用量，將各組試樣分別命名為S1、S2、S3、S4、S5，并設置未改性黏土為對照組S。

1.3 測試與分析

1.3.1 保水性能測試

將制備的S、S1、S2、S3、S4、S5共計6組樣品放入多波段人工氣候箱中模擬室外環境進行保水性能測試，每組制備5個平行試樣，定期取樣測試黏土層下5 cm和15 cm的土壤含水率。

人工氣候箱24 h循環運行，設置如下：溫度20 ℃，相對濕度60%，光照強度80%，時間4 h；溫度30 ℃，相對濕度50%，光照強度100%，時間7 h；溫度20 ℃，相對濕度50%，光照強度0，時間4 h；溫度10 ℃，相對濕度70%，光照強度0，時間9 h。

1.3.2 抗壓強度測試

抗壓強度測試參照水利行業標準《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2020)進行。將各試樣在標準模具中成型，自然養護7 d后脫模，利用萬能試驗機測試其抗壓強度，每組樣品制備5個平行試樣。

1.3.3 抗老化性能測試

抗老化性能測試參照水利行業標準《土工合成材料測試規程》(SL 235—2012)進行。將各試樣在標準模具中成型，自然養護7 d后脫模，然后置于500 W紫外燈下500 h，分別測試其老化前后的質量和抗壓強度，每組樣品制備5個平行試樣。

1.3.4 模擬植草試驗

模擬植草試驗在人工氣候箱中進行。按照1.2中步驟制備200 g改性黏土漿液，并加入200粒黑麥草種子攪拌均勻，每組樣品制備5個平行試樣。分別將其噴灑在含水率45%的黏土表面，噴灑厚度2 cm，在人工氣候箱中培養，每隔24 h記錄種子發芽數，共記錄14 d。

2 結果與分析

2.1 材料保水性能分析

圖1為不同配比改性黏土層下5 cm深處土壤含水率隨時間變化趨勢。由圖1可知，各組樣品5 cm深處土壤含水率隨時間增加都呈下降趨勢。其中，未改性黏土S組5 cm深處土壤含水率下降最快，2 d時土壤含水率降為10.2%，隨后下降速率變緩，14 d時土壤含水率為5.6%；改性黏土組5 cm深處土壤含水率均高于未改性黏土組，且隨改性劑用量的增加，5 cm深處土壤含水率整體呈增加趨勢，S5組土壤含水率最高，14 d時土壤含水率為17.1%。這說明改性后黏土保水性能明顯提高，且改性劑用量越大，改性黏土保水性能越好。

圖1 黏土層下5 cm深處土壤含水率隨時間變化趨勢

圖2為不同配比改性黏土層下15 cm深處土壤含水率隨時間變化趨勢。由圖2可知，15 cm深處土壤含水率變化趨勢與5 cm深處整體一致，改性黏土組土壤含水率明顯高于未改性黏土組，說明改性后黏土保水性能明顯提高。其中，未改性黏土組14 d時15 cm深處土壤含水率為11.5%，而改性黏土組S5為18.4%，遠高于未改性黏土。

圖2 黏土層下15 cm深處土壤含水率隨時間變化趨勢

對比圖1和圖2可知，黏土層下15 cm深處土壤含水率整體高于5 cm深處，這是由于在光照和溫度的影響下，表層土壤水分較深層土壤水分更容易蒸發，因此土壤含水率隨土壤深度增加而逐漸增加。

2.2 材料抗壓性能分析

圖3為不同配比樣品的抗壓強度，其中未改性黏土S組強度過低，萬能試驗機未檢測出數據。由圖3可知，改性黏土樣品抗壓強度隨改性劑用量的增加而逐漸增大，其中最小的是S1組，為0.8 MPa，S4組和S5組分別為1.6 MPa和1.8 MPa。這說明蔗糖脂肪酸酯可以將松散的黏土顆粒黏結在一起，在黏土表面形成一層固結層，并具有一定的強度，可滿足一定的機械施工要求。

圖3 不同配比樣品的抗壓強度

2.3 材料抗老化性能研究

圖4和圖5為不同配比樣品老化后強度損失率和質量損失率。由圖4和圖5可知，改性黏土樣品的強度和質量損失率隨老化時間增加呈增大趨勢，且改性劑蔗糖脂肪酸酯用量越大，損失率越大。這主要是因為蔗糖脂肪酸酯屬于有機高分子材料，高分子材料中的活性基團在光熱條件下會發生分解或斷鏈，使其黏結效果下降，表現為材料抗壓強度和質量的損失。不同配比樣品中，損失率最小的為S1組，老化500 h后，強度損失率和質量損失率分別為4.8%和0.8%；最大的為S5組，老化500 h后，強度損失率和質量損失率分別為15.2%和3.2%；S4組老化500 h后強度損失率和質量損失率分別為12%和2.5%。

圖4 不同配比樣品老化后強度損失率

圖5 不同配比樣品老化后質量損失率

2.4 植草試驗

圖6為不同配比改性黏土植草試驗中的草籽發芽率。由圖6可知，未改性黏土草籽發芽率為26%，改性黏土各組草籽發芽率均有明顯提高，其中S1組草籽發芽率為65%，說明改性黏土的保水作用有利于提高草籽的發芽率；繼續增加蔗糖脂肪酸酯用量，草籽發芽率也隨之提高，S2組草籽發芽率提高到70%，S4組草籽發芽率最高可達86%，說明隨著蔗糖脂肪酸酯用量的增加，改性黏土保水性能增強，土壤含水率的提高有利于草籽發芽率的提高；繼續增加蔗糖脂肪酸酯用量，草籽發芽率開始下降，S5組草籽發芽率下降為75%，這主要是因為過多的蔗糖脂肪酸酯使得改性黏土層透氣性下降，從而導致草籽發芽率降低。因此，實際生產中蔗糖脂肪酸酯的用量可參考草籽發芽率最高的S4組，即蔗糖脂肪酸酯與黏土的質量比為2∶3。

圖6 不同配比樣品草籽發芽率

3 結 論

利用蔗糖脂肪酸酯改性黏土制備水土保持噴膜，當蔗糖脂肪酸酯與黏土的質量比為2∶3時，材料綜合性能最佳，其抗壓強度為1.6 MPa，老化500 h后強度損失率和質量損失率分別為12%和2.5%，草籽發芽率為86%。該材料固土保水性能較優，且具有良好的施工性能，可為黃土高原生產建設項目水土流失治理提供一種新材料。