植被混凝土基材崩解特性試驗(yàn)研究

張 博，許文年，周正軍

(三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，湖北宜昌 443002)

崩解，土工上叫濕化，是指土壤在靜水中發(fā)生分散、碎裂、塌落或強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象。崩解試驗(yàn)是研究土壤侵蝕機(jī)理的方法之一，而崩解的情況是評(píng)價(jià)土壤侵蝕嚴(yán)重程度的一項(xiàng)很重要的指標(biāo)。植被混凝土技術(shù)是一種應(yīng)用較廣的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，相關(guān)學(xué)者曾對(duì)其做過(guò)防沖刷試驗(yàn)，但對(duì)其抗崩性卻鮮有嘗試。筆者試在植被混凝土基材生態(tài)護(hù)坡技術(shù)抗崩性方面做一些基礎(chǔ)性的研究工作，希望能夠進(jìn)一步探究植被混凝土基材的抗蝕機(jī)理，并為有效提高植被混凝土基材的應(yīng)用效果提供理論基礎(chǔ)。

1 植被混凝土基材崩解機(jī)制及影響因子

植被混凝土基材是水泥顆粒與土壤顆粒之間發(fā)生理化反應(yīng)產(chǎn)生的一種新化合物，這種物質(zhì)改變了原土料的性質(zhì)，土壤在植被混凝土基材中起骨架作用，混凝土起膠凝作用［1］。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，植被混凝土基材的崩解機(jī)制及影響因子與土壤相同。

土壤的崩解過(guò)程具有明顯的階段性。崩解的第一階段為浸濕階段，以崩離作用為主;第二階段為軟化階段，以迸離作用為主;最后是以解離作用為主的第三階段［2］。在第一階段浸濕過(guò)程中，樣品中有較多氣泡溢出，依附在土壤表面及較大孔隙表面的部分土壤顆粒以單粒形式陸續(xù)崩離母體，即以崩離作用為主;第二階段是樣品的軟化階段，崩解主要發(fā)生在微孔隙中，土壤顆粒在氣泡的推動(dòng)下或膨脹力的作用下迸散而剝離母體，即發(fā)生所謂的“迸離作用”，此時(shí)在浸水面上仍伴有崩離現(xiàn)象發(fā)生;第三階段樣品浸水面已完全被水充滿(mǎn)，被充分浸潤(rùn)軟化，開(kāi)始出現(xiàn)一些呈黏塑態(tài)塊體以塌落的形式與母體發(fā)生解離，此時(shí)崩解形式以解離作用為主。

已有研究表明，土壤的崩解速率隨其天然含水率的增大而減小，當(dāng)含水率增加到一定程度后，崩解性幾乎消失［3］。另外，影響崩解的因素還有土壤的顆粒結(jié)構(gòu)和孔隙率。由于試驗(yàn)用植被混凝土基材采用統(tǒng)一的土料與加工程序制作而成，設(shè)定含水率為30%，所以主要的崩解影響因素是基材的孔隙率。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 樣品的制作

試驗(yàn)用土取自三峽大學(xué)附近，天然密度1.832 g/cm3，干密度為2.624 g/cm3，天然含水率19%。經(jīng)過(guò)篩分得到土壤顆粒組成為:小于0.075 mm的占干土總量的14.7%，小于0.25 mm的占 91.1%。

將土樣烘干，用橡皮錘或木錘搗碎，并過(guò)2 mm篩存儲(chǔ)備用。取與土壤質(zhì)量相同的有機(jī)質(zhì)烘干摻入土壤中，然后摻入水泥，采用機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)間為2～3 min，拌勻后裝入模具并搗實(shí)成型，按照植被混凝土基材的工藝［4］進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

已有關(guān)于植被混凝土的研究表明，當(dāng)水泥摻入比大于12%時(shí)，植物在基質(zhì)中不能良好生長(zhǎng);植被混凝土基材強(qiáng)度小于100 kPa時(shí)，不能滿(mǎn)足抗沖刷要求。故水泥摻入比按4%、8%、12%選取。本試驗(yàn)中采用的立方體試塊長(zhǎng)、寬、高均為5 cm，每組3個(gè)。

2.2 試驗(yàn)裝置

參考蔣定生［5］的土壤崩解試驗(yàn)裝置自制一套測(cè)定植被混凝土基材崩解的簡(jiǎn)易儀器。該儀器主要由玻璃缸、浮筒、網(wǎng)板三部分組成(圖1)。浮筒高200 mm、直徑60 mm，底部掛由鋼絲加工制作成的網(wǎng)板，用于放置樣品;玻璃缸高50 cm，滿(mǎn)足5 cm×5 cm×5cm的立方體試塊試驗(yàn)，側(cè)壁上標(biāo)有刻度(最小分度為1 mm)。網(wǎng)板上有孔眼，孔眼尺寸為0.5 cm×0.5 cm。保證制作的崩解儀內(nèi)壁與試塊間至少有1～2 cm間隙。

圖1 土壤崩解簡(jiǎn)易裝置示意

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中，每次樣品的用水均為等量的清水，當(dāng)浮筒掛上網(wǎng)板浸入水中時(shí)，將浮筒在水面處刻度讀數(shù)核準(zhǔn)為原始刻度;當(dāng)網(wǎng)板上放上樣品浸入水中時(shí)，樣品未崩解瞬間浮筒的刻度讀數(shù)為初始刻度線(xiàn)。

操作步驟按水利部《土工試驗(yàn)操作規(guī)程》中的濕化試驗(yàn)規(guī)定進(jìn)行。試驗(yàn)最長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間定為30 min。讀數(shù)時(shí)間分0、0.5、1、2、5、10、15、20、30 min。土壤崩解速率計(jì)算公式為

式中:v為單位時(shí)間內(nèi)崩解的樣品體積，cm3/min;l0為樣品浸入水中時(shí)玻璃缸水位的起始讀數(shù);lt為不同觀測(cè)時(shí)間玻璃缸水位的讀數(shù);t為樣品崩解過(guò)程所用時(shí)間，未崩解完則按最長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間30 min計(jì);a為體積換算系數(shù)，本裝置為a=1.734。

2.4 植被混凝土孔隙率

植被混凝土基材與土壤孔隙率基理相同，采用普通混凝土孔隙率的測(cè)定方法來(lái)測(cè)定植被混凝土基材的總孔隙率(P1)和連通孔隙率(P2)。植被混凝土基材總孔隙率和連通孔隙率計(jì)算公式為

式中:ρ為常溫下試驗(yàn)用水的密度;V為樣品體積;w1為樣品烘干至恒重后的質(zhì)量;w2為樣品完全飽和后的質(zhì)量;w3為樣品在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)下的質(zhì)量。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

3.1 崩解現(xiàn)象及結(jié)果

樣品放入清水中后，周?chē)⒓醋兊没鞚幔o接著有大量氣泡溢出，然后樣品表面開(kāi)始崩解。開(kāi)始時(shí)崩解的速度相對(duì)較快，過(guò)一會(huì)逐漸減慢。隨著土壤結(jié)構(gòu)的逐漸破壞，土壤的崩解速率會(huì)出現(xiàn)一個(gè)穩(wěn)定期，但很快又變?yōu)榫徛f減，直至完全崩解。

通過(guò)30 min的試驗(yàn)觀察，不同水泥摻入比的崩解試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 植被混凝土基材崩解量 cm3

3.2 孔隙率測(cè)定結(jié)果

根據(jù)孔隙率的測(cè)定方法，將測(cè)定數(shù)據(jù)取平均值后得出基材孔隙率，見(jiàn)表2，基材總孔隙率與連通孔隙率隨摻入水泥比的增加均呈遞減趨勢(shì)，說(shuō)明水泥摻入比與基材的孔隙率呈負(fù)相關(guān)。

表2 植被混凝土基材孔隙率 %

4 結(jié)果分析

4.1 不同水泥摻入比基材抗崩速率

通過(guò)對(duì)崩解數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們得出基材在各時(shí)間段的崩解速率，如圖2所示，在剛?cè)胨那皫追昼?，未摻水泥樣品的崩解速率明顯大于摻入水泥的樣品。雖然植被混凝土基材的崩解速率與未摻水泥樣品相差較大，但都是迅速崩解，基本是隨著水泥摻入比的增加，樣品的崩解速率成比例下降，原因多為土壤表面吸水土體膨脹，土壤顆粒以散?；蝼[片狀的單粒形式陸續(xù)崩離母體。在土壤膨脹過(guò)程中，因土壤內(nèi)產(chǎn)生的膨脹壓和孔隙中閉塞的空氣外逸產(chǎn)生的壓力不同，致使崩解首先發(fā)生在土壤結(jié)構(gòu)脆弱處。隨著時(shí)間的推移，約在15 min后崩解速率開(kāi)始趨于穩(wěn)定，各樣品之間的差異也變得較小。

圖2 基材崩解速率與水泥摻入比的關(guān)系

參照表1進(jìn)行崩解速率分析，把相同水泥摻入比樣品的崩解速率做平均化處理，得出摻入比越高的平均崩解速率越小，崩解速率與水泥摻入比呈明顯的負(fù)相關(guān)，摻入比為4%、8%、12%的崩解速率分別為 0.597、0.340、0.073 cm3/min;未摻水泥樣品與摻入水泥樣品的崩解速率有明顯差異，4%摻入比的樣品與未摻水泥樣品相比，崩解速率降低了約50%，而12%摻入比樣品的平均崩解速率僅為未摻水泥樣品的1/14。

4.2 水泥摻入比對(duì)基材孔隙率的影響

圖3 水泥摻入比與基材孔隙率的關(guān)系

對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如圖3，水泥摻入比與基材的兩種孔隙率均呈負(fù)相關(guān)。隨著水泥摻入比的增加，總孔隙率變化明顯，連通孔隙率變化相對(duì)較為平緩。結(jié)合植被混凝土基材的微觀構(gòu)成機(jī)理與前文對(duì)樣品崩解速率的分析可知，水泥的摻入比對(duì)基材總孔隙率的影響是基材崩解前期差異較大的主要原因。

4.3 基材崩解試驗(yàn)分析

植被混凝土基材樣品的崩解主要發(fā)生在前15 min左右，參照鄒翔等［6］關(guān)于土壤抗崩性試驗(yàn)的理解，可以分析得出如下結(jié)論:

(1)樣品表面存在一些浮土或結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定顆粒，在初受水浸泡時(shí)，浮土與不穩(wěn)定顆粒迅速脫落，導(dǎo)致開(kāi)始時(shí)崩解量較大。由于水泥摻入比對(duì)基材總孔隙率的影響較大，所以前期的崩解速率差異明顯。

(2)在基材樣品趨于飽和的過(guò)程中，土壤顆粒間的崩解主要發(fā)生在微小孔隙中及連通性孔隙中，而水泥摻入比對(duì)連通孔隙率的影響相對(duì)較小，這是基材后期崩解速率差異小的主要原因。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)水泥摻入比對(duì)崩解作用具有明顯的抑制作用，對(duì)植被混凝土基材的崩解速率具有規(guī)律性影響。

(2)在植被混凝土基材中土壤起骨架作用，水泥起膠凝作用，所以植被混凝土基材崩解性的物質(zhì)基礎(chǔ)是原土料中的黏土礦物，而水泥的摻入所產(chǎn)生的理化變化使得原土料孔隙率發(fā)生變化，從而降低了原土料中黏土礦物遇水產(chǎn)生的膨脹力、孔隙中氣泡溢出產(chǎn)生的推力、水膜楔入力及浮重力等，從而起到抗崩作用。

(3)鑒于植被混凝土基材中崩解的物質(zhì)基礎(chǔ)是原土料，因此可以在摻入土料的選擇上進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，選用崩解速率較低的土壤作為原有土料，可以增強(qiáng)其抗崩性能。

［1］許文年，夏振堯，周宜紅，等.植被混凝土基材無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)研究［J］.水利水電技術(shù)，2007，38(4):51 －54.

［2］李喜安，黃潤(rùn)秋，彭建兵.黃土崩解性試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(z1):3207 －3213.

［3］李家春，崔世富，田偉平.公路邊坡降雨侵蝕特征及土的崩解試驗(yàn)［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2007，27(1):23－26，49.

［4］許文年，王鐵橋，葉建軍.巖石邊坡護(hù)坡綠化技術(shù)應(yīng)用研究［J］.水利水電技術(shù)，2002，33(7):35 －37.

［5］蔣定生.黃土高原水土流失與治理模式［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1997:60.

［6］鄒翔，張平倉(cāng)，陳杰.小江流域土壤抗崩性試驗(yàn)研究［J］.水土保持研究，2008，15(1):244 －246.