含水率對椰纖維植被混凝土崩解性能的研究

王浩屹　梁安銘　蔣必鳳　陳圣寧

摘 要

通過對不同含水率的椰纖維植被混凝土試塊進行崩解試驗，分析了椰纖維植被混凝土遇靜水時的崩解機理。試驗結(jié)果表明，含水率對椰纖維植被混凝土崩解性影響先增大后減小，含水率為20%時處于抗崩解性能最強。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析得到椰纖維植被混凝土含水率最佳配比，為椰纖維植被混凝土的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞

椰纖維;植被混凝土;抗崩性;含水率

中圖分類號： TP391 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.05.058

0 前言

崩解試驗又叫濕化試驗，是指混凝土試塊在靜水中發(fā)生分解、碎裂、塌落或者強度減小的現(xiàn)象。它是研究土壤侵蝕的方法之一，而崩解量是評價土壤侵蝕情況嚴重程度的一項重要的指標。植被混凝土技術(shù)是一種生態(tài)護坡技術(shù)，目前應(yīng)用較為廣泛，它采用特定的混凝土和草種配比，從而對石類邊坡進行防護和美化的新技術(shù)。

椰纖維屬于椰工業(yè)的副產(chǎn)品，也是目前自然纖維中柔韌性和強度最理想的材料。多用于水土保持工程，有學者將植被混凝土與椰纖維結(jié)合起來，用于邊坡防護和綠化。最常見的一種是椰纖維網(wǎng)復合噴射植被混凝土的邊坡綠化方法，具體是先進行鋼花管注漿后掛上鐵絲網(wǎng)，在噴播基材后掛上椰纖維網(wǎng)，最后進行草種噴播。纖維網(wǎng)起到了前期保持水土流失和固定基材的作用，后期給植物提供營養(yǎng)的作用。[1]

有學者對椰纖維植被混凝土保水性和植生性進行研究[2]，但對其抗崩解性鮮有研究，這里試著就含水率對椰纖維植被混凝土的崩解性影響做一些基礎(chǔ)性研究工作，進而探究椰纖維植被混凝土的抗侵蝕機理，并為椰纖維植被混凝土的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)計

1.1 樣品制作

本次試驗是對含水率對椰纖維植被混凝土崩解的影響。含水率作為變量，因為含水率太低混凝土試塊無法完全拌和，太高混凝土試塊太稀不利于實驗，所以含水率按15%、17%、20%、23%、25%選取。試驗混凝土試塊制作配合比為：土180g、水泥7.2g、椰纖維0.54g。

試驗用土取自海南本地常見紅黏土，經(jīng)過篩分得到土壤顆粒小于2mm的試驗用土，然后進行烘干。選用水泥為海南華盛水泥普通硅酸鹽水泥P.O42.5R。為了試驗精確性纖維統(tǒng)一采用長度為3cm的椰纖維絲。

將準備好的土、水泥、椰纖維和水進行拌和得到混凝土試塊，并進行養(yǎng)護。為了保證土樣重量一致采用100cm3圓形環(huán)刀進行取樣。

1.2 試驗裝置

1.2.1 常規(guī)土壤崩解裝置

常規(guī)的土壤崩解試驗裝置一般是參照蔣定生設(shè)計的土壤崩解儀，該儀器由玻璃缸、浮筒、網(wǎng)板等三個部分組成[3]。玻璃缸直徑不小于30cm，缸高40cm;用1cm*1cm的網(wǎng)板掛于浮筒的下端;浮筒刻度單位為1，最大100，最小為0;將浮筒放入缸中矯正度數(shù)，并將5cm*5cm*5cm的立方體試塊放在網(wǎng)板上。最大崩解時間設(shè)計為30min，計算崩解速率的公式如下：

式中，V為單位時間內(nèi)試塊崩解的體積（cm3/min）;L0為試塊侵入水中時浮筒穩(wěn)定的最大度數(shù)或者起始度數(shù);Lt為試塊完全崩解或者未完全崩解第30min時浮筒度數(shù);t為試塊完全崩解時間或者試塊未完成崩解的最長觀測時間30min;a為體積換算系數(shù)。

1.2.2 本次試驗裝置

參照蔣定生的實驗原理，本次試驗也是靜態(tài)水測定混凝土崩解性能。試驗儀器由靜水天平、塑料桶、網(wǎng)板等三部分組成。塑料桶尺寸為直徑23.5*cm高25cm，網(wǎng)板為自制的空隙尺寸是1cm*1cm。

1.3 試驗方法

將篩分好的試驗用土、3cm短纖維、水泥以及一定比例的水混合攪拌均勻;將攪拌好的纖維混凝土放入環(huán)刀與盒中進行稱重記錄并靜置十分鐘;在每次試驗的采用等量的水;將網(wǎng)板掛在靜水天平下浸入水中;在環(huán)刀中取出試塊并在試塊放入前對靜水天平進行去皮;放入試塊后開始計時并記錄未崩解瞬間天平度數(shù)。

操作按《土工試驗操作規(guī)程》中濕化試驗相關(guān)規(guī)定進行。試驗最長觀測時間為30min。讀數(shù)時間分別為0、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30min。試塊崩解量計算公式為：

式中Bt為試塊的體積占總體積的百分比（%）;Dt試塊崩解的時靜水天平的實時度數(shù)（g）;D0試塊放入水中靜水天平的初始度數(shù)。

2 實驗現(xiàn)象

試塊放入清水中，小分子顆粒開始向周圍分解逸散，周圍的水開始變混濁，接著有大量氣泡溢出，然后試塊表面開始崩解。開始崩解的速度相對較快，隨后一段時間開始逐漸減慢直至穩(wěn)定。隨著試塊結(jié)構(gòu)被逐漸破壞，試塊的崩解速度在穩(wěn)定后又開始緩慢減速，直至達到實驗設(shè)置時間30min。也有部分試塊崩解時間短，崩解速度過快，試塊結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)被水侵蝕破壞嚴重，在實驗設(shè)置30min內(nèi)已經(jīng)完全崩解，在整個實驗過程中不斷有氣泡冒出。

3 結(jié)果分析

通過30min的實驗觀測，不同含水率的崩解實驗結(jié)果如表1所示。實驗結(jié)果顯示，含水率在0%時因為沒有水無法進行混凝土拌和;含水率在15%時試塊水分不夠充足黏合度不夠，試驗在4min時崩解緩慢接著崩解，崩解量最大;含水率17%時，試驗在6min前崩解速率過快然后吸水飽和崩解平緩，只是相對15%時崩解量較小，抗崩解能力提高;含水率20%時試塊水分充足黏合度強抗崩解性能最強;含水率23%時試塊水分過于充足試塊過于濕潤抗崩解性能相對20%時較弱;含水率在25%時試塊水分過于充足試塊相對于23%時更濕潤抗崩解性能有稍微弱些。

綜上所述，含水率在20%時是最佳含水率配比，低于20%，試塊過于干燥在水中高度吸水導致抗崩解性能不強崩解量過大，高于23%試塊過于濕潤結(jié)構(gòu)不穩(wěn)固導致抗崩解性能不強。隨著含水率的變化，試塊的抗崩解能力先增大后減小，在含水率20%之前，含水率越高抗崩解性能越強，達到含水率20%時處于拋物線最頂端抗崩解性能最強，在含水率20%之后含水率越高抗崩解性能越弱。

通過對崩解數(shù)據(jù)的分析，繪制了累計崩解量與崩解時間的關(guān)系圖，如圖1所示，試塊在剛進入水的前6min都在快速崩解低于含水率20%試塊快速崩解并且因為水分較小黏合度不夠結(jié)構(gòu)不穩(wěn)固充分吸水后崩解量較大，含水率20%及以上試塊由于水分充足崩解量較之后面階段較小。在6～10min含水率20%及以上試塊都崩解平緩。15～30含水率20%試塊開始加速崩解但速度不快，含水率23%、25%試塊崩解速度開始變快。

椰纖維植被混凝土崩解主要發(fā)生在前6min左右，通過對抗崩性試驗的理解，可以分析得出如下結(jié)論：

（1）前期崩解后，空氣排出，土壤飽和，試塊強度結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

（2）試塊表面存在凝結(jié)不穩(wěn)固的浮土在初入水時，浮土迅速脫落，導致崩解量大。

（3）試塊濕潤是隨著含水率的增加，由于水的濕潤作用使混凝土內(nèi)顆粒間黏結(jié)力降低和混凝土內(nèi)凝結(jié)物質(zhì)軟化，導致試塊強度降低。

4 結(jié)語

通過本次是實驗得到如下結(jié)論：

（1）椰纖維植被混凝土含水率對抗崩性先增大，含水率在20%時處于定點，抗崩解性最強。

（2）關(guān)于含水率對椰纖維植被混凝土抗崩解性能的研究，通過試驗數(shù)據(jù)的對比分析，可以得到制作椰纖維植被混凝土配比中最佳含水率，并椰纖維植被混凝土的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

（3）通過探究椰纖維植被混凝土的抗侵蝕機理，對在椰纖維植被混凝土運用于護坡上有了一定的理論基礎(chǔ)，運用合適的配合比植被混凝土噴播與護坡上，理論上是確實可行的，不僅強度適合抗侵蝕能力較強。

（4）含水率對椰纖維植被混凝土的作用在對降水的截留減少流水侵蝕，從而防止水土流失;它具有保持生態(tài)系統(tǒng)平衡的作用，通過植被改善環(huán)境，逐漸恢復被破壞的生態(tài)系統(tǒng)。

參考文獻

[1]張良榮.椰纖維植被護坡技術(shù)在石質(zhì)邊坡防護中的應(yīng)用[J].公路，2016，61（07）：280-283.

[2]劉光銳，龔明子，劉君秀，陳茜，蘇藝凡.椰纖維植被混凝土性能研究[J].商品混凝土，2013（11）：30-32.

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

[4]張博，許文年，周正軍.植被混凝土基材崩解特性試驗研究[J].中國水土保持，2012（05）：56-58.

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