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斥水性土壤性质及工程应用研究进展

林辉 吴珺华 刘嘉铭 王茂胜

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斥水性土壤性质及工程应用研究进展

    通讯作者: 吴珺华; 
  • 中图分类号: N94

The Advances in Properties of Water-Repellent Soil and Engineering Application

    Corresponding author: Jun-hua WU
  • CLC number: N94

  • 摘要: 首先介绍了土壤斥水性的概念,阐述了土壤斥水性作为不利因素对土壤学和农业科学的影响。对土壤斥水性的形成机理、影响因素、测试方法等作了全面评述,重点讨论了该领域的研究热点。最后,提出了斥水性土壤研究中亟待解决的若干关键科学问题,主要包括:现有斥水度评价体系的完善;力学耦合作用下的土壤斥水度变化规律;改性方式对土壤斥水性的影响程度;基于土木水利工程背景下斥水性土壤的水分运移规律及力学行为特征;寻找出同时满足工程防渗、强度和变形的斥水性土壤的制作工艺和工程实施方案。上述科学问题的开展,将对土壤与水的相互作用有更深刻的认识,为斥水性土壤应用于土木水利工程领域提供研究基础,也将进一步推动土壤学、农业学和土木水利工程学的交叉互动和发展。
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-06-02
  • 录用日期:  2019-07-11
  • 刊出日期:  2019-09-01

斥水性土壤性质及工程应用研究进展

    通讯作者: 吴珺华; 
  • 南昌航空大学 土木建筑学院, 南昌 330063

摘要: 首先介绍了土壤斥水性的概念,阐述了土壤斥水性作为不利因素对土壤学和农业科学的影响。对土壤斥水性的形成机理、影响因素、测试方法等作了全面评述,重点讨论了该领域的研究热点。最后,提出了斥水性土壤研究中亟待解决的若干关键科学问题,主要包括:现有斥水度评价体系的完善;力学耦合作用下的土壤斥水度变化规律;改性方式对土壤斥水性的影响程度;基于土木水利工程背景下斥水性土壤的水分运移规律及力学行为特征;寻找出同时满足工程防渗、强度和变形的斥水性土壤的制作工艺和工程实施方案。上述科学问题的开展,将对土壤与水的相互作用有更深刻的认识,为斥水性土壤应用于土木水利工程领域提供研究基础,也将进一步推动土壤学、农业学和土木水利工程学的交叉互动和发展。

English Abstract

    • 非饱和土由土颗粒、孔隙水和孔隙气组成。由于固−液−气三相同时存在,三相之间的表面张力对水气交界面的几何形状和力学性质有重要影响,常用接触角来衡量[1]。接触角指在气、液、固三相交点处所作的气−液界面的切线,该切线在液体一方的与固−液交界线之间的夹角,是材料润湿程度的量化指标。随着接触角的增大,土壤由亲水性逐渐表现出亚斥水性甚至强烈斥水性。土壤斥水性(soil water repellency,SWR)是指水分难以湿润土壤颗粒表面的物理现象,它是土壤较为少见但十分重要的物理性质。土壤斥水性对地表水的运移、植被生长等影响较大[2]。对土壤斥水性的研究始于19世纪草原中出现的“蘑菇圈”和“干燥斑”现象:在这些区域表面,水分难以渗入土壤导致上覆植被无法正常生长。土壤斥水性往往不利于农业生产的可持续性发展,主要表现在:地表径流显著增大,导致土壤易被进一步侵蚀[3];土壤内部含水率分布差异很大,直接影响农作物的正常生长[4];水分侧向运移及不规则分布极大影响着土壤水分运移过程,会导致“作物水分胁迫”[5]和“作物营养胁迫”[6]等不利于农作物生长问题频发。目前,斥水性土壤的研究成果方面主要集中在土壤科学、农业科学等领域,研究对象为天然斥水性土壤,重点在于如何抑制土壤斥水性,提高土壤亲水性。由于学科的特殊性,在土木水利工程领域几乎不涉及到斥水性土壤力学行为和变形特性研究,尤其是对重塑斥水性土壤的研究鲜见报道。在土木水利工程领域,土壤的力学行为和变形特性是影响工程质量的关键因素,而这些因素都与土壤的渗透性能密切相关。土壤中的绝大多数矿物与水具有较强的亲和力,因此自然界中的土大都表现为亲水性,但其对工程影响并未引起足够重视,并不考虑颗粒接触角的影响。而土的亲水性是导致许多工程问题出现的关键诱因,如土木工程中的渗透破坏[7]、地表变形[8]、边坡失稳[9]等灾害问题;水工结构工程中的水量损失问题[10];滨海地区开采地下水导致海水入侵问题[11];以及地表及地下水体污染[12]问题等。这些都是由于土壤具有较好的亲水性,在水头差作用下水能够在土中孔隙中产生渗流,影响土壤的力学行为和变形特性,进而导致上述工程问题的出现。随着我国“一带一路”战略性目标的逐步实施,诸多关联地区将不可避免地遇到与水有关的工程安全问题,如土坡滑坍、渗透破坏、地表沉降、污水污染等,这些都涉及到土的渗流特性及水土相互作用而引起土性的变化。上述问题如果能得到有效解决,无疑对解决由水土作用产生的不良工程问题提供新的思路,为斥水性土壤应用于土木水利工程领域提供科学参考,具有重要的经济效益、社会价值和工程意义。

    • 研究表明,土壤斥水性可以在不同质地和成份[13]、不同土壤利用方式和复杂气候环境下广泛存在[14],而且斥水性会随季节性和土壤其他物理性质的变化而变化[15]。Wallach[16]和Arye等[17]研究发现,长期使用污水灌溉的土壤表层具有严重斥水性。Newton等[18]研究发现CO2浓度的增加使某些土壤斥水性减弱,原因在于碳酸作用下土颗粒表面性质产生了明显变化。DeBano[19]、刘发林[20]、韩钊龙[21]等分别研究了森林火灾对土壤物理性质的影响,发现高温会引起土壤表层密实,甚至发生了不可逆转的化学反应,加上土壤表面孔隙被燃烧后的灰烬充填,导致土壤入渗率严重降低,并呈现出强烈的斥水性。刘立超等[22]认为斥水性土壤中包含的化合物主要有两类:脂肪族烃类和具有两性分子结构的极性物质,而这些物质与土壤颗粒的作用机理并不明确,有待进一步核实。这表明土壤斥水性的成因是复杂多样的,上述诱因与土颗粒相互作用,使其表面由亲水性改变成为斥水性,进而宏观上表现出斥水性。

      测定土壤斥水度的方法包括直接法和间接法。直接法就是通过测定水溶液被土壤完全吸附的平均时间来判断土壤的斥水度,主要包括滴水渗透时间法和酒精溶液入渗法。Dekker等[23]提出了相应的斥水等级,其中极端斥水土壤的平均时间大于1 h。吴延磊[24]比较了滴水穿透时间法与酒精溶液入渗法,认为在一定斥水度范围内两者有一定的相关性。间接法是采用指定的量化指标来表征土壤的斥水度。目前被广泛接受的是采用固-液接触角来判断土壤的斥水度。测量土颗粒接触角的方法主要有3种[25]:固着滴液法、毛细管上升法和Wilhelmy平板法。Bachmann[26]采用固着滴液法直接测定了土壤颗粒的接触角,但粒径局限于63−200 μm的均匀颗粒,稍大粒径的颗粒测定误差较大。Carrillo等[27]从固-液界面张力关系式出发,利用杨氏方程推导得出了接触角大于90°时的计算公式,并测定了斥水性土壤的初始接触角。Gilboa等[28]根据作用在Wihelmy平板上的力平衡关系间接测定了土颗粒的表观接触角。杨松等[29]测定了斥水砂土的接触角,发现与连续固体表面不同,砂土颗粒的接触角降低至36°时,也会出现明显的斥水现象,但随着砂土中饱和度的增大,斥水现象会消失。上述研究主要集中在土颗粒与纯水之间的相互作用及接触角的测定,而实际工程中遇到的水大都不是纯水,往往含有各种溶解物质,如海水、工业污水、高矿化度水、腐蚀性水、生活污水等,这些物质极有可能会对土颗粒表面性质产生影响,进而影响土壤的斥水性。因此有必要对现有土壤斥水度评价方法进行补充,完善现有土壤斥水度评价体系。

    • 影响土壤斥水性的主要因素包括土粒化学成分、土粒粒径、上覆植被类型、土壤含水率、污水组分、土壤有机质成分及含量、烘干温度大小和持续时间等。含水率的变化对土壤斥水性的影响较为明显[30],通常认为干燥的土壤更容易产生斥水性,尤其持续干旱是诱发严重斥水性的重要原因,对于一些极端斥水的土壤而言,长期雨水浸泡仍无法湿润土壤[31]。Dekker研究发现土壤斥水持续时间与含水率成反比关系[32],认为在达到临界含水率之前土壤仍具有斥水性,只有大于临界含水率时土壤才是可湿润的[33]。Wallach[16]和Micheal[34]研究均发现污水灌溉后的土壤中会形成某类物质,导致土壤斥水化。Taumer[35]建立了土壤斥水程度与有机质含量的关系模型,但Hurraß[36]未能找到上述关系,这表明有机质含量对土壤斥水性的影响程度还不明确,但可以确定的是对斥水性起决定性作用的是有机分子的组成形式。温度对土壤斥水性影响较大[37],对烘干土样测定其斥水性时,可能会对土壤原有斥水性产生影响[38]。上述研究主要集中在自然因素对土壤斥水性的影响,并未考虑土壤内部受力变形过程对斥水性的影响。

    • 常见的改性方式主要有物理改性、化学改性和生物改性。物理改性的机理在于提高材料表面的粗糙度并降低其表面能,这样可以显著增强材料表面的斥水性。有些天然材料如荷叶、水禽羽毛等都具有强烈的斥水性,这是由于其表面能分泌斥水的油脂,而且表面非常粗糙导致的[39-40]。受荷叶表面结构的启发,研究人员采用物理改性的方法来制备具有超斥水性能的材料,主要从两方面考虑:一是在低能表面上修饰纳米级尺寸的粗糙结构,二是降低粗糙表面的表面能[41]。第一种方法较为简单,但即使是最光滑的表面,修饰后其接触角不超过120°,较难满足工程需要;第二种方法可以达到更高的斥水度,但其技术复杂,操作要求高。无论哪种方法,研究对象均为微米甚至更低级别的材料,对于土颗粒这种毫米级的,而且形状复杂、大小不一的材料,采用物理改性的方法难度很大,不具备可操作性,另外采用物理改性获得的表面微结构容易受外力机械作用而被破坏,导致斥水度减弱或丧失。在土壤学中,化学改性的方法应用十分广泛,主要原理就是采用表面活性剂对土颗粒表面进行处理,进而影响到溶剂的表面张力(气−液)和界面张力(液−液),达到改变土颗粒与溶剂相互作用的目的。表面活性剂分子的典型结构为两亲性分子:同时具有亲水的极性基团和斥水的非极性基团。杨松等[42]采用了二氯二甲基硅烷对砂土进行了斥水化处理,但此法对细粒土是否有效并不明确。顾春元等[43]采用6种表面活性剂对纳米SiO2进行了表面修饰,发现适当的表面活性剂可使纳米SiO2保留强大的吸附性和强斥水性,对黏土的膨胀性有较好的抑制效果。刘清秉等[44]利用离子土壤固化剂对膨胀土进行化学改性,发现改性后膨胀土由强亲水性变成斥水性,且能达到较好的水稳性。生物改性法主要是利用微生物分泌物具有斥水性的特点,在土壤中加入一定量的微生物进行培养达到土壤改性的目的。由于该法具有可持续利用、无污染、生态环保等优势,是当今国际研究的热点[45]。在农业上,微生物对土壤性质的影响早已引起重视,但微生物对土木水利工程影响的研究报道并不多见。周芳琴等[46]对黑曲霉菌与坝基岩土壤间的物理化学和生物化学作用进行了研究。胡春香等[47]通过生物学与土壤学等多学科实验方法的综合利用,发现部分藻类的分泌物可将松散的沙粒黏结在一起,进而达到固沙效果。周东等[48]发现某些微生物能够削减结合水膜厚度,从而提高膨胀土体抗剪强度。总体上看,国内对生物改性的研究相对较少,缺乏系统的论证和研究。由于土壤斥水性是通过改变土颗粒表面性质而形成的,不同粒径的土颗粒,其比表面积不尽相同,采用何种改性方式可有效提高土壤斥水性,目前并无明确结论。此外,土壤斥水性还会受改性剂、改性方法、水溶液性质等因素的共同影响,如何尽可能提高不同粒径土壤的斥水性非常重要。改性后土壤的斥水度随时间、外部条件的变化而变化,其变化规律如何?消散程度如何评价?上述问题的解决有助于推动斥水性土壤的发展,可为斥水性土壤的工程应用提供研究基础。

    • 斥水性土壤的水力性质与溶质运移特征与亲水性土壤相比有很大不同。亲水性土壤中的土颗粒与水具有较好的吸附性,水分能够自由进出土颗粒间的孔隙,甚至能克服重力等作用上升至一定高度。对于斥水性土壤而言,由于其接触角大于90°,当水头小于或等于零时,水分不能自由进入土壤孔隙内部,因此必须施加一个正水头以克服土颗粒对水的排斥能力,水分才能进入土壤。穿透水头随接触角的增大而增大,随孔隙半径的减小而减小[4]。DeBano[49]进行了斥水性和亲水性土壤的入渗试验,发现斥水性土壤的入渗速率比亲水性土壤的要小得多。当土壤与水长期接触后,其斥水度会逐渐减弱,甚至出现亲水性。Wang等[50]发现,初始干燥的斥水性砂土水分难以入渗其中,入渗起始时间很长,而且入渗水流会绕过土壤表层较大部分以指状路径推进,入渗率很低。Rodruguez等[51]比较了不同植被覆盖条件下土壤的斥水度,发现大部分草地未表现出斥水性,而森林的表层土壤斥水性极强,其认为是与土壤中高含碳量及丰富有机质有关。刘春成等[52]针对不同积水高度和斥水度下的土壤开展了土柱试验,建议采用Kostiakov模型来描述斥水性土壤的入渗率变化特征。Bachmann等[14]针对不同斥水度的四种砂土进行了等温和非等温条件下的土柱蒸发试验,对累积蒸发量进行对比分析。研究表明,对于接触角小于5°的土壤两者基本一致,但随着接触角的逐渐增大,计算值逐渐偏小,两者误差较大。Hallett等[53]测定了不同粒径土壤表面斥水指标的空间分布,认为毫米级对斥水土水分运移影响较大。任鑫等[54]对滴灌棉田进行网格式垂向剖面采样,发现土壤斥水性与含水率呈正态分布,这与陈俊英[55]的研究成果基本相同。李林[56]、刘畅等[57]均研究了斥水土壤入渗过程的影响规律,评价了不同入渗模型的适用性。

    • 在土壤学和农业学等领域,针对斥水性土壤的力学行为研究成果并不多见,主要集中在对天然斥水性土壤研究上,主要目的是通过各种技术手段来改善土壤的斥水度,使其有利于农业生产,而对改善后土壤的力学行为鲜有考虑。许朝阳等[58]利用某细菌的代谢产物对粉土进行改性,并对改性土壤进行渗透试验和无侧限抗压强度试验,发现改性后的土壤渗透性明显降低,强度有小幅增长。当活化反应环境适宜时,微生物活动将按指数级特征改变土壤的渗透性、刚度、强度、模量等土壤力学性质[59]。上述研究集中在微生物对土壤性质的改良上,而在土木水利工程领域,大部分工程环境并不利于微生物的成长,微生物对实际工程的影响可忽略。化学改性的方法并不会对土颗粒内部结构和化学成分造成影响,仅在颗粒表面进行处理使其接触角显著变化,使土壤与水的接触程度发生改变,因此该法可用于调节重塑土的渗透性能。虽然土颗粒内部结构和化学成分并不改变,但是土壤在荷载作用下主要产生剪切变形,微观上表现为土颗粒之间的滑移和咬合错动,由于土颗粒表面性质发生了改变,因此土颗粒之间的摩擦性能必然发生改变,导致土壤内摩擦角发生改变;同样颗粒之间的各种物理化学作用力(静电引力、胶结力等)必然也发生改变,导致土壤黏聚力发生改变。双重条件的改变必然对其抵抗剪切变形的能力造成影响,进而影响到土壤的宏观力学性质。那么其强度性质如何变化?由于土壤孔隙水无法轻易溢出,在荷载作用下其应力应变关系有何变化规律?若能获得改性后土壤力学行为与斥水度的关系,建立不同斥水度土壤的力学与变形发展规律,寻找出同时满足防渗、强度和变形的斥水性土壤的制备工艺和工程实施方案,无疑对土木水利工程学科的发展具有积极推动作用。

    • 综上所述,斥水性土壤的研究主要集中在土壤学和农业科学等领域,重点研究斥水性土壤的水力特征、水分运移及其对土壤结构、农作物生长等方面的影响,鲜有涉及到斥水性土壤的力学行为与变形特性。在土木水利工程领域,土壤的亲水性是部分工程问题频发的主要内因,同时土壤的亲水性会引起其强度和变形性质的共同改变,但其重点是从土的渗透性质出发,通过减小土的渗透系数、降低水头差、采用防渗材料等技术手段来解决,而土颗粒本身的亲水性并没有改变,渗流仍然持续发生在土壤内部。一旦防渗措施不到位或外界因素发生改变,渗透破坏现象仍会出现。如果能够通过技术手段增大颗粒接触角,使其具有斥水性,那么水难以渗入孔隙,渗流不会形成,相应的工程问题就不易产生。在土木水利工程领域,除了土的渗流性质外,其强度性质和变形性质亦是重点考虑问题。如果能使土壤具有较好的斥水性,同时其强度性质和变形性质能满足工程需要,那么传统的防渗加固技术和工程措施可以部分被取代,进而节省工程造价。另外,斥水性土壤可采用部分工程弃土重新利用,使其成为再生土资源,亦可减小环境污染和堆积占地等。有鉴于此,关于斥水性土壤的应用研究中主要集中在以几个方面:

      1)关于土壤斥水度测定试验方法和评价体系。现有研究主要集中在土颗粒与纯水之间的相互作用及接触角的测定,而实际工程中遇到的水大都不是纯水,往往含有各种溶解物质,如海水、工业污水、高矿化度水、腐蚀性水、生活污水等,这些物质极有可能会对土颗粒表面性质产生影响,进而影响土壤的斥水性。我们真正关心的是含有各种溶解物质的水溶液与土壤的吸附程度,因此有必要完善现有的土壤斥水性测定试验方法,总结相应的入渗规律和斥水特征,提出相应的评价标准和体系。

      2)关于荷载作用下的土壤斥水度变化规律。现有研究主要集中在自然因素对土壤斥水性的影响上,并没有考虑土壤在荷载作用下斥水度的变化规律。土壤在外荷载作用下不断产生变形,这些变形在微观上表现为土颗粒之间的相互错动,反复错动会对土颗粒表面形态及物理性质带来影响,进而影响到土壤的斥水性,最终影响到土壤的渗流、强度及变形等工程特性。因此开展荷载作用下土壤斥水性的变化规律研究十分必要。

      3)关于斥水性土壤的水分运移研究。目前关于斥水性土壤水分运移特征的研究中,不论是入渗还是蒸发,大都是在低水头甚至零水头条件下开展的,而在土木水利工程领域,很多情况下都会遇到有水头作用、水头随时间和位置不断变化、有压水平入渗等情况,如土石坝心墙防渗体上的水头、渠坡坡面上的水头、基坑底面上的水头等,而且水头存在反复升降变化的情况,此时斥水性土壤的防渗效果及变化规律如何鲜见研究。因此开展有压时斥水性土壤水分运移特征及斥水性变化规律的研究十分必要。

      4)关于斥水性土壤的力学行为研究。现有斥水性土壤研究中,并未全面考虑其的力学特性及变形规律。在土木水利工程领域,土壤的力学行为是工程成败的关键因素。若将斥水性土壤应用于工程中,其力学行为必定要重点关注,开展此方面的研究十分必要。

    • 不同学科对土壤斥水性研究重点不尽相同。在土木水利工程领域,利用土壤斥水性进行工程防渗是一种新的研究思路。基于此,开展斥水性土壤的渗流、强度和变形特性研究,获得斥水性土壤水分运移特征及力学行为与斥水度的关系,完善现有斥水性土壤的斥水度试验方法和评价体系,获得斥水性土壤的水分运移规律和力学行为特征,进行斥水性土壤的工程应用,将对土壤与水的相互作用有更深刻的认识,为斥水性土壤应用于土木水利工程领域提供研究基础,也将进一步推动土木水利工程学科与其他学科的交叉和发展。

参考文献 (59)

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