水利工程中新型超疏水材料应用前景展望

贾致通 戚高晟 金铭 高亚威 郑军威 袁一航

摘要：指出了渗漏是水闸、混凝土坝、泵站等水工建筑物目前面临的最大问题，也是影响水工建筑物工程安全的最主要因素。据水利、水文等相关部门调查统计，我国每年在水利工程防渗维护工作方面的开支金额庞大、数以亿计。因此，十分有必要寻找一种高效可靠、持久耐用的防渗方法或防渗材料，来为新时代水利工程的防渗工作提供解决的新思路和新方案。通过分析传统水利工程施工过程中常见的渗漏现象和渗漏成因，详细介绍并探讨了新型超疏水材料的发展，进一步为新型超疏水材料与水工建筑物的结合应用提出了新的展望。

关键词：水利工程;超疏水材料;水工建筑物;防渗;高效;仿生材料;混凝土

中图分类号：TU528

文献标识码：A

文章编号：1674-9944（2018）8-0182-02

1 引言

2017年10月，中共中央总书记、国家主席习近平同志在党的“十九大”报告中提出：要把人与自然和谐共生纳入新时代坚持和发展中国特色社会主义的基本方略，要把水利摆在九大基础设施网络建设之首。

“十九火”报告中关于水利建设方面的论述，不仅为我国基层水利事业的发展进一步深化了工作内涵，明确了工作方向，也为水利工作者们指明了水利行业未来的发展趋势和着力根基，同时也积极要求人们继续合理开发研制尖端技术、新型材料等，服务并应用于传统水利行业。

水利工程的大力发展离不开牢固可靠的水工建筑物，然而，当下我国水工建筑物的渗漏病害现象非常的普遍，仅以我国水利工程中常见的面板堆石坝为例：据不完全统计，我国在建和已经建成的面板堆石坝数量约为300座，占世界面板堆石坝数量的一半以上。我国自20世纪80年代开始陆续引进现代面板堆石坝技术以来，建设至今已有30余年的技术应用历史。经过引进消化、自主创新和不断的突破发展，我国的坝工事业已经积累了大量的工程经验，进入了顶峰状态，逐步形成了具有鮮明中国特色的面板堆石坝筑坝技术，蒙江双河口电站等工程为世界坝工界所惊叹。可在这风光背后，我国的大坝却普遍遭受着渗漏问题的威胁侵扰，成为亟待解决的一个重要工程问题。

“出淤泥而不染，濯清涟而不妖”语出宋朝名儒周敦颐的《爱莲说》一文，其大致意思为：“莲花从淤泥中生长出来却不受淤泥的污染，在清水里濯洗过但并不会因此而显得妖媚。”形成这种现象的主要原因就在于莲花表面有一层超疏水材料，正是这种超疏水材料，才使得水流聚股流下，污泥不会黏附在莲花的表面（图1）。利用这一原理，与此类似的仿生材料结构特征的形成机制和机理研究，在我国的相关研究机构和科研院所自20世纪90年代就已相继开展。超疏水材料因其具有防水、防污、可有效减少流体阻力粘滞性等优良特性，使得其相关技术开发研究引起了学界的广泛关注，并在近年来逐步取得了较大的进展。当下，不同方法提炼制备的超疏水材料也被广泛应用于工业、农业、国防、冶金等相关领域，其应用面已经覆盖了我们生活的方方而而。2014年9月，国务院总理李克强同志在夏季达沃斯论坛上首次提出了“大众创业，万众创新”的时代关键词，号召我国各地创新创业才俊骨干以新技术、新思想推动和助力社会前进发展。号召提出四年以来，创新性发展已逐渐成为我国社会发展的主流，而水利工程作为功在当下，利在千秋的惠民事业，新技术与其的结合利用就显得尤为重要和突出。在实际工程中，传统水工建筑物的防渗措施普遍存在着技术要求高、施工工艺复杂、效率低下等问题，而针对上述技术问题，新型疏水材料的技术应用将有效地提高防渗措施的施工效率及防渗效果。

2 超疏水材料简介

超疏水材料是一种新型材料，它可以自行清洁需要干净的地方，还可以放在金属表面防治水的腐蚀生锈，目前行业内将其特点定义为表面稳定接触角大于150°，滚动角小于10°。超疏水材料因其普遍具有显著的疏水、脱附、防粘、自清洁等功能，被广泛应用于防水、防污、自清洁、流体减阻、抑菌等领域。

超疏水材料上的微茸毛由乳突及蜡状物构成，其为微米结构，乳突为纳米结构，当水与超疏水材料表面接触时，会有空气存在于微小突起之间，从而大大减小水与超疏水材料表面的接触面积。又由于水的表面张力作用，使得水漓在这种粗糙表面的形状接近于圆形，其接触角可达150°以上，这种纳米与微米相结合的双微管结构正是起到表面防水防污作用的根本原因。具有大触角和较小滚动角的超疏水性材料表面结构为微米级及纳米级结构的双微复合结构，这种结构可以直接影响水滴的运动趋势[1]。

超疏水材料的表面结构通常有用两种形式，一是在疏水材料表面上构建微观结构，二是在粗糙表面上修饰低能表面物质。由于降低表面自由能在技术上比较容易实现，因此超疏水材料表面的制备技术的关键就在于构建合适的表面微细结构。当前，已报道的超疏水材料表面制备技术主要有溶胶凝胶法、模板法、自组装法及化学刻蚀法等[2]。

超疏水材料表面结构具有非常广阔的应用前景，目前在远距离管道运输、建筑物耐水防污、船舶提高浮力、织物面料等方面已有一定的发展，如中科赛纳技术有限公司采用纳米合成技术制备的纳米超疏水自清洁玻璃涂层，其具有自清洁、防结冰、抗氧化等功能，应用在建筑外墙、玻璃以及金属框架等处可大大降低建筑物的清沽以及维护成本：德国STO公司根据荷叶效应原理开发了有机硅纳米乳胶漆，对传统乳胶漆进行了创新改良，大大提高了性能优势;江苏大学吉海燕、陈刚等采用刻蚀法处理玻璃，也成功制备了超疏水玻璃表面[3];卢思等课题小组[4]把无序碳纳米管粘接在基材铝管表面以形成复合结构表面，然后用聚四氟乙烯修饰该复合表面上以形成一层超疏水PIFE膜。

虽然国内外现已经研究出了大量关于超疏水的研究成果，但基本仍处在实验室阶段，现阶段超疏水材料较广范围内的应用效果也不是非常理想，民众对其的普遍认知率也较为有限，制作成本高昂，耐久性能比较低，并且其表面的微纳米结构十分脆弱，容易被破坏，从而丧失超疏水性。所以在材料选择、制作工艺以及后续处理上都需要相关领域的专家学者进一步深入研究解决，因此超疏水表面在实际应用方面还存在着极大的发展空间[5]。在水利工程水工建筑物的超疏水技术应用方面，王志博、牛志强等专家已率先研究出了对混凝土同时进行引气与超疏水涂层处理的新技术，可有效改善其内部孔隙结构，提升表面的疏水性能和抗冻性能[6]。但在真正意义上，将超疏水材料应用在水工建筑物的防渗漏问题方面的技术研究领域目前几乎为空白，故而开发和研究超疏水表面与水工建筑物防渗问题的结合应用有着重要而深远的意义。

3 混凝土坝和浆砌石坝渗漏成因与对策分析

水工混凝土坝和浆砌石坝的主要渗漏类型有坝基渗漏和坝体渗漏两种，其渗漏的原因有以下几个方面：①由于勘探工作做的不周，地基留有隐患，水库蓄水后引起渗漏;②由于设计考虑不周，在某种应力作用下，使混凝土产生裂缝，引起渗漏;③因施工温差或本身干缩等原因，产生裂缝而引起渗漏;④没计施工中采取的防渗措施不良或运行期间由于物理、化学因素的作用，使原来的防渗措施失效或遭受破坏而引起渗漏;⑤遭受强烈地震及其他破坏作用，使混凝土建筑物或基础产生裂缝，引起渗漏[7]。

混凝土坝和浆砌石坝渗漏病害通常处理的基本原则是“上截下排，以截为主，以排为辅”，根据渗漏的层次部位，危害程度，施工状况以及修补条件等实际情况制定合理可靠的处理措施，通常我们的处理方式为：①对于建筑物本身的处理，以上游面封堵为主;②对于基础渗漏的处理，以截为主，辅之以排;③对于接触渗漏或绕坝渗漏的处理，应先封堵，以排补救。

4 超疏水材料坝面设计及原理

根据对超疏水材料和坝面渗漏成因对策的分析研究，可将超疏水材料引入水泥混凝土坝面设计中，通过微纳米坝表构建与超疏水涂层设计相结合，对超疏水材料坝面表层进行疏水设计，其结构模型如图2所示。

超疏水性能坝面由两层结构构成，由左至右依次为主体结构混凝土层和超疏水层（又称表面功能层），其中主体结构混凝上层的厚度占整个坝面板结构的80%至90%（具体比例可根据现场实际工程情况而定），其性能与普通混凝土坝相似;超疏水层通过掺入一定量聚乙烯醇纤维和钢渣，使其强度和耐磨性得以大幅度提高，同时在其表面涂刷经复配得到的超疏水复合功能材料，从而制备出超疏水性能坝面。

5 应用前景展望

在水利工程中，渗漏是常见的坝体病害之一，传统渗漏的处理措施有表面涂抹、表面贴补、凿槽嵌补、灌浆、构筑防渗层等。虽然这些措施能在短期内达到预期的使用目的，但其普遍具有工作量大，影响混凝土完整性及强度，作用较小等局限性。

目前技术允许范围内，标本兼治的最佳措施就是将超疏水材料覆盖在与水接触的混凝土表面，形成一层空气膜，避免坝面直接与水摩擦接触，减少浸泡，从而达到有效防止发生渗漏的现象，此技术电充分符合“以截为主”的渗漏主要处理原则。同时，在溢洪道溢流面上覆盖一层高强度超疏水材料，可减小水流对陡坡段和出口处的冲刷，避免溢洪道陡坡段内墙被冲刷，底板被掀起、下滑或局部接缝破坏以及消能设施的破坏;采用高强度超疏水材料还能防止气蚀破坏.避免产生蜂窝、麻面及混凝土脱落现象，在弯道处布设高强度疏水材料，可以减小阻力而防止翼墙冲刷破坏。

在超疏水材料与建筑物两种材料的粘结性方面，潘洪波等专家对超疏水材料粘结效果进行分析，通过150多次试验发现，硅氧烷与超疏水材料的粘结性能十分理想，为超疏水材料的应用起到积极作用[8]。值得注意的是，水工建筑物所处的水环境十分复杂多样[9]，受不同地域内气候、水文、地质等因素影响[10]，水中沙石、冰凌、水生物、矿物质[11]等均会对材料产生不同程度的破坏，这就对超疏水材料在水利工程中的推广应用形成制约：①混凝土坝上游迎水面面积广，材料需求量大;②水工建筑物运行周期长，建筑材料要求具有足够强度的耐久性;③风吹日晒使得坝体混凝土在不同程度上会出现裂缝，若使用刚性材料，会伴随混凝土开裂而开裂，导致失去疏水作用。

上述问题都是目前推广该项材料技术可能遇到的主要技术难题，需相关研究人员从材料的耐久性、大批量配备技术、成本、与其他材料的粘结力、延展性等方面更加深入研究。相信随着时间的推移，这些问题都将会得到有效解决。

荷叶效应为超疏水材料的研究提供了现实依据，而超疏水材料在水工建筑物领域的应用目前仍處于空白状态，若能有效解决材料强度、价格等限制因素，并加以推广利用，将在坝体防渗、溢洪道冲刷、漏水、水闸腐蚀、渠系输水建筑物的防渗等方面起到良好的作用，为建设新型智慧水利工程做出贡献。

参考文献：

[1]吴云影，水性表而上水滴移动的观察与解析[J]，广东化工，2010，37（1）：23～24.

[2]刘霞，高原，呼爱妮，等，超疏水性纳米界面材料的制各及其研究进展[J].材料导报，2008，22（11）：58～61.

[3]吉海燕，陈刚，胡杰，等.单分散聚甲基丙烯酸乙酯的制备与性能研究[J].化工新型材料，2011，39（8）：106～108.

[4]卢思，姚朝晖，郝鹏飞，等，具有微纳结构超疏水表面的槽道减阻特性研究[J].巾国科学：物理学、力学、天文学，2010，40（7）：91 ～924.

[5]李昊原，谷笑雨，等.超疏水表面的研究进展[J].2016，45 （12）：2349～2350.

[6]王志博，牛志强，超疏水材料涂层对混凝土抗冻性能的影响[J].新型建筑材料，2017，（2）：109～110.

[7]卜贵贤，等.水利工程管理[M].郑州：黄河水利出版社，2007

[8]潘洪波，仿生超疏水涂层的制备及性能研究[D].太原：中北大学，2015.

[9]戚高晟，朱星宇，刘剑军，等.多功能虹吸式灌溉装置在小型农业水利工程中的应用[J].浙江水利水电学院学报，2017，29（3）：37～40.

[10]曾宇，孙国政，冯国强，等.太阳能动力虹吸管在小型水利工程中的应用[J].浙江水利科技，2017，（2）：46～48，56.

[11]杨小令，吴宸晖，等.基于物联网的水源水质监测技术研究[J].浙江水利水电学院学报，2017，29（5）：32～35.