一种高效保水材料制备及其边坡绿化应用研究.pdf

:./.一种高效保水材料制备及其边坡绿化应用研究收稿日期:基金项目:四川雅安至康定高速公路项目雅康高速公路微植物边坡绿化技术研究()作者简介:李卫青()男硕士从事道路与河道边坡整治研究李卫青 刘 臻 黄 兵 袁飞云 李 聪(.重庆交通大学河海学院重庆.四川藏区高速公路有限责任公司四川 成都 .四川雅康高速公路有限责任公司四川 成都)摘 要:基于港口裸露硬质边坡的绿化困难、绿植存活率低、存活周期短的现存问题 以硅藻泥、聚乙烯醇()等环保材料为基础采用超声辅助水溶液聚合法制备复合保水材料 结果表明复合材料最优吸水率和 保水率分别可达./和.扫描电子显微镜图像可观测到复合材料具有网状空腔结构这是其具有优秀保水性能的关键 室外栽培实验结果表明在 条件下微植被 之内完成了在栽培布面上的“定居”后续生长良好关键词:保水材料吸水倍数生物可降解中图分类号:文献标识码:文章编号:()引言岸坡作为连接陆生生态系统和水生生态系统的桥梁岸坡常常受到洪水、波浪、风暴潮等灾害的破坏因此应当采取适当的工程措施加强对岸坡的防护 随着水利工程新理念的传播和发展由于生态边坡优秀的抗冲刷和稳定边坡结构的能力生态护岸在实际水利工程中的应用越来越广泛日益成为护岸工程的主要形式常见植被修复技术主要有液压喷播技术、客土喷播技术、植被混凝土技术、植生袋技术、三维植被网技术和厚层基材喷射技术等这些技术的实现往往需要营造足够深度的土壤层为植物根系生长提供环境但其土壤层的水气换能力与自然生境条件相比偏低因此植被发芽率和生长状况差表现为三年存活率极低 尤其是港口边坡一般地质较硬在硬质边坡生境修复过程中营造土壤层造价过高效果不理想急需开发所需高效无土栽培技术及其配套保水材料环保型保水材料一般选用天然材料加工而来 张海楠通过羧甲基纤维素钠合成气凝胶材料其最大吸水量为./连续 烘干 的保水率为.张昌辉等通过聚乙烯醇合成水凝胶材料其最大吸水量、保水倍率分别为./.另外市场上以及文献中常见的保水材料一般都为凝胶材料虽然已经应用于生物相关、农业等领域 但凝胶材料为半固体流动性差与岩质边坡黏合力低同时其制备对设备要求高因此并不适合作为高、陡边坡的植物修复的基质材料 而半凝胶材料具有凝胶材料保水性且具有较强的流动性和黏附性因此可作为高、陡边坡的土壤基层此外硅藻土作为一种天然矿物材料具有人工无法模拟的孔结构且比表面积大、吸附能力强、亲水性好、化学稳定性良好在我国具有较高的储备量因此本文选用硅藻土作为复合材料的基质因此本文选用硅藻土、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、活性炭等常用的生物环保材料制备半凝胶保水复合材料考察制备过程中各材料配比对复合保水材料保水性能、吸水性能的影响确定最佳制备配比 同时探究温度、接触面条件对材料保水性能的影响并进行微藻培养实验 复合材料可为边坡修复的无土栽培技术提供理论依据 实验部分.材料与仪器实验过程中的药剂主要为聚乙烯醇(宁夏大地循环发展股份有限公司)羧甲基纤维素钠(上海长光企业发展有限公司)硅藻泥(乡居乐艺术壁材厂)活性炭(苏州炭旋风活性炭有限公司)另外适用于无土栽培的无菌绿布购自宿迁云之道电子商务有限公司微藻经野外采集并扩培获得试验过程中使用的仪器主要有 电子天平(瑞士 公司)与 型数控超声波清洗器(昆山市超声仪器有限公司).复合材料的制备将电子天平量取对应质量比的聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、硅藻泥、活性炭后按照硅藻泥、黏合剂(聚乙烯醇)、增稠剂(羧甲基纤维素钠)和光引发剂(活性炭)的顺序分别加入烧杯中并用玻璃棒搅拌至黏稠后超声震荡均匀得到样品.测试与表征.吸水倍数测定室温下取定量的干燥复合保水材料于烧杯中加入定量测试液静置至样品成半凝胶之后用 目网筛滤掉游离水在网筛上静置 后称取吸水凝胶质量 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .样品的吸水倍数为:吸水倍数 ()/其中为吸水凝胶质量为干燥凝胶质量.保水率测定室温下取定量复合材料于烧杯中加定量测试液搅拌均匀后记录表面皿质量 然后取样品于表面皿中记为 编号并保存于恒温培养箱中连续 记录样品质量变化记为 样品的 保水率为:初始含水量 水().保水率 (水 )/水其中为 质量为 质量即 .结构表征选取硅藻土材料和最佳配比下的保水材料作为样品利用扫描电镜观察样品的微观结构 试样镀金厚度约为 电压为 .微植物培养实验将适量营养液和提取混合藻加入混合材料后再搅拌至黏稠后分别敷设于适用于无土栽培的无菌纺布和仿边坡水泥材质上厚度为 定期养护每 观察微藻数量变化 微藻数量采用 方法计量 结果与讨论.羧甲基纤维素钠与聚乙烯醇用量对材料保水、吸水倍数的影响聚乙烯醇是黏合剂增加聚乙烯醇会降低保水性能但能够增加复合保水材料在应用时对纤维的黏附性 由图()可知当添加量为.时复合保水材 料 时 的 含 水 率(质 量 分 数)为.均可满足微藻生长要求 当聚乙烯醇用量为.时保水效果最佳 后材料含水率(质量分数)为.另外图()结果表明复合保水材料吸水倍数随聚乙烯醇添加量的增加呈下降趋势 当聚乙烯醇用量由.增加到.时复合保水材料的吸水倍数显著下降 是因为聚乙烯醇中的 与水分子形成氢键但由于极性基团 之间的静电排斥作用会使得复合保水材料网状结构的网孔变小进而导致吸水能力下降 当聚乙烯醇用量由.增加到.时随聚乙烯醇的增加而缓慢降低 原因是此时极性基团的静电排斥作用达到峰值 而当聚乙烯醇添加量超过.时聚乙烯醇中复合材料极性基团起主要作用复合材料的吸水能力随聚乙烯醇的用量增加而缓慢上升羧甲基纤维素钠是增稠剂和结构改善剂能够降低复合保水材料的流动性便于材料的附着 图()结果表明当羧甲基纤维素钠用量为.时 后材料含水率(质量分数)为.连续 含水率受羧甲基纤维素钠添加量影响不大均满足微植物培养所需水分要求 另外图()结果表明当羧甲基纤维素钠用量由.上升至.时复合保水材料的吸水倍数随羧甲基纤维素钠的增加而增加 其主要原因可能是羧甲基纤维素钠分子中的亲水性的极性基团()可与水分子之间形成氢键羧甲基纤维素钠投加量越高则极性基团浓度越高吸水倍数随之增加 同时溶液中羧甲基纤维素钠会随浓度的上升逐渐由链式向网状结构转变这也是复合保水材料吸水能力增加的原因 当羧甲基纤维素钠用量超过.时吸水倍数下降 是因为复合材料吸水能力达到峰值继续增加羧甲基纤维素钠的添加量则会增加复合保水材料的交联密度进而导致吸水能力下降图 1羧甲基纤维素钠用量与聚乙烯醇用量对复合保水材料 5 d 含水率和吸水倍数的影响107.14%CMC；128.57%CMC；150.00%CMC；171.43%CMC；192.86%CMC100908070605012345w（水）/%天数/d（c）sd含水率（二）10090807060504039.29%PVA；46.43%PVA；53.57%PVA；60.71%PVA；67.86%PVAw（水）/%（a）sd含水率（一）（b）吸水倍数（一）（d）吸水倍数（二）2423222120191817吸水倍数PVP 用量/%35404550556065702423222120191817100120140160180200w（水）/%CMC 用量/%在考虑高保水率和高吸水倍数的综合影响下聚乙烯醇用量为.、羧甲基纤维素钠为.时复合保水材料的综合性能最佳.复合保水材料 分析为观察复合保水材料微观形貌采用扫描电子显微镜对复合保水材料以及硅藻土进行对比观察结果如图 所示 由图()可知原硅藻土结构为片状结构结构紧密其通气性和容纳水分的能力不强而图()复合保水材料电镜结果表明硅藻土基复合保水材料是一种具有空腔的网状结构相较于原硅藻土增加的空腔结构为空气和水分提供了通道保证了水分在复合保水材料的滞留时间增加了材料的保水性能.接触面与环境温度对材料保水性能的影响在最佳材料配比条件下(活性炭、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠用量分别为硅藻泥单体质量的.和 时)复合材料的保水性能受温度等各种性质复合影响其中复合材料实际应用场景会影响材料实际保水性能 图 考察了复合保水材料在栽培布面与水泥面条件下的 保水性能 研究表明不同接触面材料对复合保水材料的保水性能影响显著水泥面和栽培布面的 保水率分别为.和.均低于实验室第 卷 第 期 年 月 山西建筑 图 2原硅藻土和复合保水材料扫描电镜图100 mEHT=5.00 kVWD=12.2 mmSignal A=SE2Mag=5.00 kxDate:14 Oct 2022Time:14:47:03100 mEHT=5.00 kVWD=10.8 mmSignal A=SE2Mag=61 kxDate:14 Oct 2022Time:15：12：49（a）原硅藻土（b）复合保水材料条件下的 这与外界空气流动造成材料表面水分散失有关 水泥面条件下 后含水率(质量分数)仅为.这是由于水泥表面存在大量孔隙前期复合保水材料中的游离水和孔隙水一部分通过表面蒸发作用散失另一部分进入水泥孔隙流失致使材料含水量大幅下降 与水泥面不同栽培布面复合保水材料 后的含水率仍接近 这与栽培布的多层结构相关 复合保水材料中水分流失主要是通过表面蒸发作用同时复合材料表面与空气水分子具有一定交互作用因此表现为该条件下保水率较高图 3接触面与环境温度对复合保水材料保水率的影响水泥地；无土栽培布；20；30；40 100908070605040302012345w（水）/%天数/d此外环境温度也能对材料保水性能产生影响 在最佳材料配比条件下(活性炭、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠用量分别为硅藻泥单体质量的.和 时)考察室外环境温度()对复合保水材料保水性能的影响结果如图 所示 随着环境温度升高复合保水材料的保水能力下降明显其中外界环境温度为 时复合保水材料 后含水率(质量分数)仍有以上而 时 后的含水率(质量分数)下降到约 对种子和混合藻类而言发芽的关键时间是前 水分的要求则是 以上 因此本研究制备的复合保水材料即使在 条件下仍可满足种子以及混合藻的生长.应用为了研究该高分子复合保水材料的微植物生长效果在室外进行了保水材料的微植物生长实验室外培养结果由图 所示在温度 、湿度 条件下混合了微植物的复合保水材料在栽培布面上经过 定时淋洗材料与栽培布面结合的更加紧密再经过 的淋洗材料完成消失而微植物也已经完成其在栽培布面上的“定居”后续通过对布面 的定期养护微植物在栽培布面生长状况良好 实验研究证明该方法可直接移植到边坡无需覆土采用生物可降解的栽培布即可完成微植物与边坡的稳定结合图 4微植物在栽培布面上的生存状况（a）种植第 3 天（b）种植第 7 天（c）种植第 10 天（d）种植第 15 天复合保水材料的高黏滞性和保水性能能够为微植物附着和生存提供空间此外复合保水材料的高流动性也为材料的施工敷设提供便利其生物可降解的特性也是有利于环境 此外复合保水材料对裸露岩质边坡的高适宜性也是本材料的一大优点 但在室外施工时需保证其含水率因此后续此材料在边坡植被种植利用时因与适宜的养护相结合 结论以硅藻泥、聚乙烯醇、羧甲基纤维素钠、活性炭为原料采用超声辅助水溶液聚合法制备适用于无土栽培的保水材料)当羧甲基纤维素钠添加量为硅藻泥单体质量的.活 性 炭 用 量 为.聚 乙 烯 醇 用 量 为.时复合保水材料吸水率达./保水率为.)在环境温度不高于 时种植在复合保水材料的微植物生长状况良好 第 卷 第 期 年 月 李卫青等:一种高效保水材料制备及其边坡绿化应用研究)栽培布面上的复合保水材料在室外温度 、湿度 条件下能够满足微植物生长技术为港口硬质边坡绿化提供了新的思路参考文献:梁开明章家恩赵本良等.河流生态护岸研究进展综述.热带地理():.李富平贾淯斐夏冬等.石矿迹地生态修复技术研究现状与发展趋势.金属矿山():.苏初明.植被混凝土在岩质边坡防护中的应用.工程技术研究():.张海楠.高吸水/高保水型纤维素气凝胶的制备及应用研究.上海:东华大学.侯雪艳文华赵海涛等.表面疏水修饰增强改性硅藻土调湿性能及其对聚氨酯膜透湿性的影响.复合材料学报():.董黎明陈金雨袁源等.磁性水凝胶的制备及其应用研究进展.化学试剂():.张甲樋杜文浩陈彦霏等./()()/导电水凝胶的制备与性能.高分子材料科学与工程():.王新佳.种子发芽对水分要求的几种特殊情况分析.现代农业科技():.王秀红张福强鲁金芝等.聚(丙烯酸 丙烯酰胺)/膨润土高吸水性复合材料的制备研究.河北工业大学学报():.郑 冉吕丹罗红兵.玉米种子发芽动态及生理变化研究/.食品与发酵工业:.:/./././.(.):.()()./.“”.:(上接第 页)(.):().:.:第 卷 第 期 年 月 山西建筑