陈 鸿， 安 鹏， 孙保伟， 徐光耀， 刘 魁

（1.长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054； 2.西部矿产资源与地质工程教育部实验室，西安 710054；3.信息产业部电子综合勘察研究院，西安 710054）

海绵城市是解决城市内涝及水资源匮乏这一矛盾的重要手段. 市政道路中央生态滤沟作为海绵城市建设中一种常见的低影响开发工程，在排干路面积水、渗透净化雨水中的汽车排放污染物、维持市政道路绿化带用水方面发挥着重要作用［1］. 陕西西咸新区作为国家遴选的海绵城市建设示范区域，因湿陷性黄土较厚、年降雨量不均衡等特点使得该地区按传统结构设计的中央生态滤沟存在雨季植被渍泡、旱季干枯，湿陷变形诱发路面沉降、脱空等问题［2］. 因此，应结合当地工程地质与气候条件改善中央生态滤沟的防排渗水调蓄功能，寻求一种更合适的设计方法. 斥水性土作为固液接触角较大的一类土，在形成一定厚度的斥水性土垫层后，具备防排渗水调蓄潜力，目前尚未见到应用于海绵城市的相关报道.

斥水性土具备特殊的水土相互作用机制，目前研究多集中在农业水土工程、水文地质和岩土工程领域.王红武等［3］发现斥水性土壤入渗速率低，当土表蓄水高度低于进水值时会出现指状渗流，反之趋于稳定渗流. Wang等［4］对不同进水值土壤改变其积水高度进行入渗影响分析后得出，斥水性土壤的渗透系数随着积水深度的增加而增加. Feng等［5］观察到斥水性土壤层在夏季强降水期或年降雨量较少时可以显著减少蒸发水分损失，有助于深部土壤长时间储存大量水分. Rye、刘春成等［6-7］对不同斥水性土壤入渗过程进行了不同土壤入渗模型适用性分析. 宋红阳、杨松、吴珺华等［8-13］制备不同接触角的土样，进行斥水度评价及在不同试验条件下的斥水性影响变化规律研究. 从上述相关研究可以得出斥水性土壤垫层在不同入渗条件下可同时具备憎水和渗透性功能，在上部低积水水头时，可起到防渗作用，但当上部积水水头较大时，防渗效果会大大削弱，达到渗水目的，同时疏水垫层可以阻滞毛细蒸发作用，实现蓄积水体［14］. 然而，目前多数研究多集中于自然特殊土的疏水特性，无法满足海绵城市垫层所需防排渗调蓄功能，故而应进一步研究超疏水改性粗粒土垫层中水分迁移规律.

超疏水材料是指材料表面与水的接触角大于150°而滚动角小于10°的材料. 因其特殊的表面特性，近年来备受国内外学者关注. 王秋玲等［15］采用喷涂法使用纳米粒子在材料表面形成全有机超疏水涂层，具有较好的附着性能和耐磨性能. 李为民等［16］研究了水性硅烷/硅氧烷乳液对土壤基质的浸渍，处理后土壤具有良好的拒水加固效果. Ren和Kagi［17］采用凝胶-溶胶法，使用硅烷等表面改性剂疏水化处理过的SiO2纳米颗粒溶剂制备的涂层，疏水效果显著. 这些构建超疏水表面的制备方法主要分为使用低表面能材料修饰粗糙表面和在疏水材料表面构筑粗糙微结构两大类. 其中利用疏水纳米SiO2粒子构造粗糙度，采用喷涂工艺，易于在粗粒土基材表面制备聚硅氧烷/二氧化硅杂化超疏水涂层.

本文选择标准砂作为垫层基材，选择超疏水材料对基材颗粒进行改性，通过改性前后的粗粒土的接触角测试论证改性效果. 设计两组改性粗粒土垫层进行组合，通过非饱和入渗试验研究改性超疏水垫层的防排渗水规律，最后结合超景深电镜揭示改性前后及浸水入渗前后超疏水材料的涂层稳定性. 研究结果将对海绵城市中央生态滤沟防排渗水垫层设计具有一定的理论与实际应用价值.

1 超疏水材料改性粗粒土试验

1.1 试验材料

经反复比选，本文选择的超疏水改性材料包含A、B双组分：A组分为ZXL-WNS-2超疏水型纳米溶剂，包含疏水性纳米SiO2粒子，可以在粗粒土表面形成纳-微米级水平的粗糙结构；B组分为ZI-XINIB固化剂. 综合考虑粗粒土改性方案的适用范围和试验效果，选择SiO2含量大于98%，粒径不大于2 mm的标准砂作为改性基材.

1.2 改性粗粒土样制备方法

试验采用混合搅拌的方法制备超疏水材料改性粗粒土土样.

具体步骤如下：

1）进行粗粒土清洗烘干，避免灰尘、污物等影响超疏水材料在粗粒土表面附着.

2）用量筒分别称取A、B组分，按照30∶1进行配比并充分搅拌均匀后，即得到改性试剂.

3）按改性试剂与粗粒土质量比1∶14～1∶20进行控制（具体比例随粗粒土粒径减小而增大），将改性试剂加入粗粒土中，人工搅拌使改性试剂充分均匀包裹在粗粒土颗粒表面，当颗粒表面呈现湿润感，放入烘箱，在100 ℃烘干7～8 h即可.

4）将其烘干后过筛，即可得到不同级配的超疏水改性粗粒土样.

1.3 改性效果测试

目前评价松散颗粒材料接触角的常用方法包括毛细上升法、固定液滴法和Wihelmy平板法. 本文拟选取Bachmann提出的固定液滴法进行改性前后粗粒土的接触角测试，该方法在粉末、颗粒与液体初始接触角测试方面应用广泛［18］. 测试步骤如下：

1）将土样烘干冷却并过0.5 mm筛处理后，利用双面胶将土样单层均匀附着于载玻片，滴加一定量去离子水液滴.

2）在一定温湿度条件下，将液滴置于土样后，通过DMo-501接触角计确认三相接触线，即得到固液接触角θ，如图1.

水滴在疏水改性处理前后的土样上形成的固着液滴，如图2和图3所示. 每个试样固液接触角测试3个平行样，最终取均值，实测结果见表1.

图1 粗粒土固液接触角测试原理示意图Fig.1 Schematic diagram of solid-liquid contact angle measurement

图2 未处理普通粗粒土样上的固滴图像Fig.2 Sessile droplet image on untreated coarse soil samples

图3 超疏水材料处理后粗粒土样上的固滴图像Fig.3 Sessile image on coarse soil sample after superhydrophobic material treatment

表1 实测固液接触角θ值Tab.1 Measured solid-liquid contact angle

由图2和图3可知，超疏水材料处理后可观察到水滴与粗粒土界面存在显著的疏水性. 由表1可知，普通粗粒土固液接触角平均值为109.7°，经过改性试验处理后的改性粗粒土固液接触角平均值为134.2°. 鉴于测试结果对松散颗粒类型、制作方法和外界温湿度变化极为敏感，因此实测结果虽小于超疏水材料接触角的理想值150°，但较于普通粗粒土材料提升了22.4%. 因此采用超疏水材料ZXL-WNS-2+ZI-XINIB处理粗粒土后接触角的增大显著，改性效果良好.

2 改性粗粒土垫层的非饱和入渗试验

图4 变水头高压渗透装置Fig.4 Variable head high pressure permeation unit

通过超疏水材料改性粗粒土获得良好超疏水性能后，拟通过非饱和入渗试验研究改性粗粒土垫层的防排渗水功能.

2.1 试验材料

为获取更好的防排渗水功能，制作两种改性粗粒土垫层，两种垫层均采用标准砂. 垫层1 的粒径范围为：粒径d≤0.5 mm，垫层2的粒径范围为：0.5 mm≤d≤2 mm. 并严格按照本文1.2小节的配置方法改性，随后进行非饱和入渗与微观测试试验.

2.2 变水头高压渗透装置

考虑实际工程中垫层尺寸、渗透边界条件等因素，加工上下盖板可拆卸、气密性良好的土体高压渗透装置一台，见图4，内径为184 mm，高为800 mm，本实验即采用该仪器进行垫层的一维垂直非饱和入渗试验.

试验用于模拟实际垫层经历单次降水入渗过程，垫层设计如图5所示，具体过程如下：

1）在玻璃筒内侧涂抹超疏水材料，避免形成渗流通道，在玻璃筒底部铺设一层土工布，随后填装10 cm砾砂，用于排渗. 分层铺设粗粒土垫层1，每层2.5 cm，分层压实，控制干密度ρd=1.48 g/cm3.然后铺设5 cm厚粗粒土垫层2，干密度ρd=1.57 g/cm3. 各垫层上下均铺设双层土工布进行保护.

2）在粗粒土垫层2 上铺设双层土工布，加盖透水板，为防止水流冲刷采用玻璃球压重. 粗粒土垫层2 上部施加与高度为50 cm，密度为1.3 g/cm3的土柱相同的荷载，包括玻璃球、透水板等重物，总质量需控制在11.52 kg. 荷载施加完毕后，装置静置24 h，待各部分变形达到稳定.

3）在5 min内从玻璃筒顶部向下缓慢加入可容易识别渗流锋面的稀释红墨水，在垫层2顶面以上水柱高度h 达到20 cm时，停止注水. 随后在入渗过程中实时观测水位h 的变化. 待高度h 持续2 d不变后，即视为水柱高度稳定，停止观测.

图5 改性粗粒土垫层入渗试验方案Fig.5 Infiltration test scheme for coarse soil by super hydrophobic treated

3 结果分析

3.1 改性垫层入渗结果分析

土柱累积入渗量随时间变化如图6，累积入渗量5 h 内仅有0.225 cm，5 h后土柱入渗率陡增至0.15 cm/h，累积入渗量明显增大，但随着入渗时间的延长，入渗率逐渐减小，68 h后入渗率趋近于零，累积入渗量为4.25 cm，持续观测48 h后，液面高度维持在14.4 cm处基本不变.

图6 实测土柱累积入渗量变化图Fig.6 The change of measured cumulative infiltration capacities of soil column

土柱累积入渗量随入渗时间表现为“初始短暂缓慢增长段—陡增段—趋稳不变段”的三阶段特征. 水柱液面高度初始缓慢下降过程中，观察垫层中湿润锋面呈现局部向四周缓慢扩散的状态，表明超疏水垫层在初始干燥状态下，初始渗流过程中出现了明显的入渗延迟现象，入渗率较低. 其原因是粗粒土改性后，在砂颗粒表面形成微-纳米级疏水SiO2涂层，降低了表面能，尤其在颗粒表面干燥时，土样疏水性对入渗过程影响最为显著，此时水流缓慢渗入孔隙内，一定程度上降低了导水性. 随后，由于孔隙结构和粒径分布的不均匀性，随着累积入渗量的增加，垫层内含水量增加，会在局部逐渐形成贯通稳定渗流通道，削弱了垫层渗流阻滞能力，液面下降速率相应大大增加，液面高度陡降. 但随着液面高度降低，垫层土表所受水头亦减小，下降速率亦逐渐趋零，最终液面高度稳定不变.

本小节拟利用毛细管模型对超疏水性垫层中的渗流特性进行分析.

在此构建一直径为d 的理想毛细管［19］，并假设毛细管内壁同样经过上述超疏水改性处理，与水的固液接触角θ>90°，依据图7构建水-气交界面处力学平衡式如下：

图7 疏水性毛细管力学平衡示意图Fig.7 Hydrophobic capillary mechanical equilibrium diagram

其中：ρω为水的密度；表面张力Ts=72.75 mN/m（20 ℃）；重力加速度g=980 cm/s2；θ 为接触角；d 为疏水孔隙管内径. 可初步得到理想疏水性毛细管所能承受上部最大压强水头hc、毛细管直径d 与接触角θ 之关系：

由式（3）可知，当θ 大于90时，cos θ 为负，除非施加正压力，否则水不会进入毛细孔隙. 这个压力水头可称为进水值hc. 随着疏水性毛细管内径d 减小，进水值hc增大. 另外固-液接触角θ 越大即固体表面疏水效果越好，进水值hc也越大. 因而在入渗试验中，随着土样中含水量增加，土颗粒表面水膜厚度增加，接触角减小，hc也会相应降低. 另外在长时间渗流作用下，疏水性土样中颗粒迁移形成较大孔径的优势渗流通道，进水值hc相应减小. 这符合西咸新区雨季多雨排渗，减少渍泡，旱季垫层干燥，可保持较大进水值高度的实际需求.

3.2 粗粒土改性后表面特征图像分析

为验证粗粒土表面改性后的涂层效果，特别是浸水入渗对涂层的影响，采用超景深显微摄影对改性处理前后粗粒土试样和单次入渗试验后的改性粗粒土试样（粒径d≤5 mm）进行表面特征分析结果（图8～图10）.

图8 未改性粗粒土试样照片Fig.8 Photographs of unmodified coarse soil samples

图9 改性后粗粒土试样照片Fig.9 Photo of coarse soil samples after modification

图10 改性粗粒土试样入渗试验后的照片Fig.10 Photo of modified coarse soil samples after infiltration test

由图8可知，未经处理的粗粒土试样，可看出石英砂晶体透度高，表面纯净且遍布细小清晰纹理. 由图9可知，经过超疏水材料处理后，表面粗糙度较大易产生光散射现象［20-21］，据此可推测石英砂晶体表面存在涂覆的疏水材料，已形成了固体表面的微观粗糙结构，降低了表面的透明度. 图10可知，第一次入渗试验后的干燥改性粗粒土试样，明显看出渗流液体红色色素残留于晶体表面，晶体表面纹理间集聚有白色沉淀物，且透明度仍较低，说明疏水材料依旧较好地附着于粗粒土表面，未随水流淋滤.

4 结论

1）采用ZXL-WNS-2超疏水型材料，利用固定液滴法测试评价疏水材料改性后的粗粒土垫层接触角平均值为134.2°，比普通粗粒土的接触角提升了22.4%，改性后的粗粒土超疏水性能提高显著.

2）初始干燥的超疏水垫层非饱和入渗试验表明：垫层累计入渗量5 h内仅有0.225 cm，68 h后液面高度开始稳定不变，最终维持在14.4 cm. 垫层累积入渗量随入渗时间表现为“初始短暂缓慢增长段—陡增段—趋稳不变段”的三阶段特征. 通过分析疏水性毛细管所承受的临界压强水头与毛细管直径，接触角之关系可知，随着土颗粒孔隙直径减小、接触角的增加，临界压强水头变大. 同时可知，相同超疏水垫层和入渗条件下，土样超疏水性越强，垫层渗流趋于稳定所承受的静水压力越大.

3）石英砂晶体表面在涂覆疏水材料后，在砂颗粒表面形成微-纳米级二氧化硅疏水性涂层，降低颗粒表面能，增强了粗颗粒的疏水性. 浸水入渗后，疏水性涂层依然保持良好，说明改性后垫层超疏水效果稳定可靠.

本文提出的超疏水垫层具备保持防排渗水调蓄能力，可用于市政道路中央生态滤沟的防渗能力，但对于更大水头下的排渗能力仍需进一步研究.