改性植被混凝土基材力學與植生試驗研究

楊 釗，王曉梅，周云艷

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074;2.凱里學院建筑工程學院，貴州 凱里 556011)

目前，植被護坡技術在邊坡的防護和治理方面取得了顯著的成效，采用植被護坡既能保持水土，也能修復邊坡生態(tài)環(huán)境，因此在大量基礎工程建設中被廣泛使用。針對巖質邊坡坡度大、植被生存難等問題，許文年等[1]提出了植被混凝土技術，該技術將水泥與保水劑、種植土、肥料等按比例混合的基材連同植物種子噴射到邊坡上，隨著植物生長達到固土護坡的目的。水泥含量越高，植被混凝土基材的力學性能越好，但是水泥含量較大時會導致植被混凝土基材的滲透性變差、pH升高，不利于植被的生態(tài)發(fā)展[2]，常存在植物生長不穩(wěn)定、長期養(yǎng)護效果不明顯等缺點[3]。因此，探究在不增加水泥含量的情況下，利用有機改良劑，改善植被混凝土基材的力學和植生性能，對植被混凝土技術的工程應用具有重要的意義。

針對植被混凝土生態(tài)護坡基材的力學強度與植物生長性能問題，夏振堯等[4]通過無側限抗壓試驗研究了植被混凝土生態(tài)護坡基材的初期強度特性，結果表明植被混凝土生態(tài)護坡基材的初期強度隨水泥摻量的增加而增大，但水泥摻量較大時植物的生長性能變差；Chen等[5]通過植生試驗探究了水泥含量對3種草本植物生長性能的影響，結果表明當水泥含量為8%時，3種植物均能夠正常生長，且隨水泥摻量的增加植物生長性能逐漸變差；肖衡林等[6]通過正交試驗研究了水泥泥炭與纖維基干噴生態(tài)護坡基材配方的優(yōu)化，結果表明當水泥對植物生長性能的抑制作用最大。如何在保持水泥含量8%不變、保證植物正常生長的前提下，對植被混凝土基材進行改良，以提高其力學性能是亟待解決的問題。羧甲基纖維素鈉(CMC)等高分子有機材料易溶于水，溶解后會形成透明的黏稠溶液[7]，在土壤改良方面已取得了一定的成效。董金梅等[8]、裴向軍等[9]的研究表明，隨著CMC濃度的增加，改良土壤的保水性增強、滲透性降低、抗剪強度得到了一定的提升；陸紹娟等[10]、Diacono等[11]研究表明,與CMC相似性能的高分子有機材料能改善改良土壤的物理性狀，增強其水穩(wěn)定性能、保水性，提高作物產量；吳軍虎等[12]的研究表明，CMC能提高改良土壤的水穩(wěn)定性能，增強土壤顆粒的團聚穩(wěn)定性；楊晴雯等[13]采用CMC改良粉砂土，結果表明CMC能夠有效增強粉砂土的力學性能，提高其抗沖刷性；王芮芮等[14]的研究也表明，改性材料的加入能顯著提高黃土的抗水蝕與力學性能。另外，也有研究表明，植被混凝土基材中加入一定含量的纖維，能夠增大基材的強度與孔隙率，促進植物生長。潘波等[15]探究了棕纖維和玄武巖纖維對植被混凝土基材力學性能的影響，結果表明適量的纖維摻量能有效提高基材的強度。

綜上所述可知:植被混凝土基材中水泥含量與力學性能呈正相關，與植物的生長性能呈負相關，水泥含量8%時植被混凝土基材的力學與植生性能協(xié)調性較好;CMC不僅能增強土壤的抗侵蝕性能，還能提高作物的產量;植物纖維能增大植被混凝土基材的孔隙率，改善其滲透性差等缺點，并促進植物生長。因此，本文選用CMC和麥秸稈纖維作為植被混凝土基材的改良劑，即在維持水泥含量8%的基礎上，對不同摻量的CMC、麥秸稈纖維植被混凝土基材進行了直剪試驗和黑麥草植生試驗研究，分析不同摻量改良劑對植被混凝土基材直剪力學性能與黑麥草生長性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗材料為改性植被混凝土基材(以下簡稱基材)，由羧甲基纖維素鈉(CMC)、麥秸稈纖維、水泥、土壤等材料組成。其中，CMC為白色粉末狀，具有吸濕性、無毒性，溶于水后呈透明膠狀液體；水泥為P.C32.5復合硅酸鹽水泥；纖維采用剪成長3 cm左右的麥秸稈；黑麥草抗病能力強、生長速度快、耐寒性好，根據試驗季節(jié)要求選用黑麥草進行植生試驗；土壤取自中國地質大學(武漢)南望山腳下，將土壤進行晾曬風干、除去雜物、碾碎處理后，過2.5 mm孔徑的篩，并測定其含水率，得到土壤的基本物理性能指標，見表1。

表1 土壤的基本物理性能指標

1.2 試驗方案設計

本試驗分別考慮麥秸稈纖維(以下簡稱纖維)、CMC兩種摻量因素對基材剪切強度特性和黑麥草生長的影響。設置CMC與纖維摻量分別為0%、0.5%、1.0%、1.5%，共16種配比類型，其他材料摻量取固定值：8%水泥、4%泥炭、0.2%保水劑、1.0%復合肥料。上述材料摻量均以干土質量為基礎的質量百分比表示，另外以純土壤作為空白對照組。

改性植被混凝土基材的具體配比方案見表2，按照表2中各基材的配比方案進行快剪直剪試驗與黑麥草的植生試驗，分析直剪試驗結果的規(guī)律性，觀測記錄黑麥草種植10 d、50 d的出芽和長勢情況，并對試驗結果進行綜合分析，探究不同CMC、纖維摻量對基材力學性能與植物生長的影響規(guī)律。

表2 改性植被混凝土基材的配比方案

2 試驗過程與方法

2.1 直剪試驗

直剪試驗制樣時，先將CMC、水泥、土壤等材料按照配比稱量后拌勻，再加入纖維，按25%的質量含水率分批加水拌勻，用分層壓實法控制試樣質量為110 g，制成直徑為6.18 cm、高為2 cm的試樣，放入標準養(yǎng)護箱中養(yǎng)護72 h后，采用應變控制直剪儀進行剪切試驗，剪切速度控制為0.8 mm/min，手輪每轉一圈，記錄量力環(huán)讀數。分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的豎向壓力下對試樣進行剪切試驗，以試驗峰值剪應力作為抗剪強度值，得到剪切后的試樣，見圖1。上述試驗嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)進行操作。

圖1 剪切后試樣

2.2 黑麥草植生試驗

黑麥草的植生試驗采用邊長15 cm的立方體模具進行，在模具底部鉆漏水孔，將每組試樣所需各種材料攪拌均勻后，分批加入試驗模具內。每個模具內黑麥草播種量為400顆，2019年11月4日播種完成(11月10號發(fā)芽)，每天早晚進行澆水，定期觀測植物長勢，并記錄各種組分試樣黑麥草種植株數量和高度，黑麥草50天長勢情況見圖2。

圖2 黑麥草生長情況

3 試驗結果與分析

3.1 直剪試驗結果與分析

3.1.1 基材剪切應力-位移關系分析

根據試驗結果，可得到各基材配比在不同豎向壓力下的剪應力-位移關系曲線，其中0.5%纖維摻量下，0%、0.5%、1.0%、1.5%CMC摻量的改性植被混凝土基材的剪應力-位移關系曲線，見圖3。

由圖3可以看出：

圖3 不同CMC摻量下改性植被混凝土基材的剪應力-位移關系曲線

(1) 隨著剪切位移的增加，基材剪應力到達峰值后逐漸下降，表現為軟化型應變特征。

(2) 基材峰值剪應力所對應的剪切位移總體上隨著豎向壓力的增加呈現非線性增大。

(3) 通過對比分析各曲線可知，在豎向壓力相同和0.5%纖維摻量固定的情況下，添加CMC的基材峰值剪應力所對應的剪切位移較未添加CMC的基材有大幅度的提高；在100 kPa豎向壓力下，添加0.5%、1.0%、1.5%CMC的基材峰值剪應力所對應的剪切位移值分別為4.0 mm、4.7 mm、3.6 mm，較未添加CMC的基材(2.4 mm)分別提高了66.7%、95.8%、50.0%。

(4) 對比圖3(a)與圖3(c)可直觀地發(fā)現，摻入1.0%CMC后基材的峰值剪應力所對應的剪切位移均有大幅提高，說明添加CMC改良后植被混凝土基材的剪切變形能力得到了顯著提升，這將有利于提高生態(tài)護坡基材的穩(wěn)定性。

不同CMC與纖維摻量下改性植被混凝土基材的抗剪強度關系曲線見圖4，不同CMC與纖維摻量下部分改性植被混凝土基材的剪應力-位移關系曲線見圖5。

圖4 不同CMC與纖維摻量下改性植被混凝土基材的抗剪強度關系曲線

圖5 不同CMC與纖維摻量下部分改性植物混凝土基材的剪應力-位移關系曲線

由圖4(a)可見：在0.5%纖維摻量固定情況下，隨CMC摻量的增加基材抗剪強度呈先增后減的變化趨勢；當CMC摻量為0.5%時，基材的抗剪強度達到峰值，超過0.5%后基材的抗剪強度開始下降;在400 kPa壓力下，0%、0.5%、1.0%CMC摻量的基材抗剪強度分別為301.2 kPa、346.5 kPa、290.4 kPa，1.5%CMC摻量的基材抗剪強度(194.7 kPa)較0%、0.5%、1.0%CMC摻量的基材抗剪強度分別降低了35.4%、43.8%、32.9%。因此，添加適量CMC能有效增強基材的剪切強度，這與楊晴雯等[13]改性CMC加固粉砂土的試驗結論類似。但過多的CMC會吸收土顆粒間的水分形成黏稠狀液體，而使土顆粒被CMC黏液分割，顆粒間的滑動摩擦力降低，且剩余部分CMC未完全溶于水，無法膠結土顆粒，造成基材的抗剪強度隨之降低。

由圖4(b)可見：在1.0%CMC摻量固定的情況下，隨纖維摻量的增加基材抗剪強度呈近似線性增長趨勢；在200 kPa壓力下，0.5%、1.0%、1.5%纖維摻量的基材峰值剪應力分別為165.3 kPa、183.6 kPa、216.3 kPa，較0%纖維摻量的基材峰值剪應力(136.5 kPa)分別增加了21.1%、34.5%、58.5%。

此外，通過對比圖3(b)、圖5(b)與圖5(a)也可知，添加0.5%、1.5%纖維的基材較未添加纖維的基材剪應力顯著提高，且峰值剪應力所對應的剪切位移明顯增大，基材的延性增強。這與郗紅超等[16]的研究結論類似，麥秸稈纖維作為植物纖維，在基材養(yǎng)護初期能夠顯著提高基材的強度，確?；脑谶吰律系姆€(wěn)固，而隨著養(yǎng)護時間的延長，植物逐漸生長，基材的強度也逐漸提升，而纖維逐漸腐化，達到良好的生態(tài)護坡效果。

通過對比圖5(c)與圖5(d)分析可知，當CMC與纖維摻量分別為1.0%時，添加纖維較CMC對基材的剪應力提升更大，而添加CMC較纖維對基材的剪切位移提升更大，如在400 kPa壓力下，添加1.0%CMC與纖維的基材峰值應力所對應的剪切位移分別為5.79 mm、3.74 mm；而通過對比圖5(a)與圖3(a)也能夠直觀地看出，在CMC與纖維摻量相同的情況下，纖維對基材抗剪強度的提升較CMC更大，這是因為纖維主要通過加筋作用來提升基材的剪切強度[17]，纖維的抗拉強度大，當施加豎向壓力后土顆粒與纖維被擠壓密實，受到水平剪力時纖維承受拉力從而提升了基材的抗剪強度；而CMC主要通過膠結作用形成團聚體增強基材的抗剪強度，因而對基材的抗剪強度提升相對較差，對基材延性的提升較好。

綜上分析可知，相較傳統(tǒng)的植被混凝土基材配比[1]，基材中摻入適量的CMC與麥秸稈纖維改良后，在8%水泥摻量不變的情況下，改性植被混凝土基材的抗剪切變形能力與抗剪強度得到了顯著提升，說明CMC、纖維與水泥具有良好的適應性，能夠達到良好的協(xié)同增強作用效果。

3.1.2 基材抗剪強度參數分析

根據直剪試驗結果進行了擬合分析，可得到不同CMC與纖維摻量下改性植被混凝土基材的黏聚力(с)和內摩擦角(φ)的變化情況，見圖6、圖7和表3。

表3 改性植被混凝土基材的內摩擦角φ(°)

圖6 改性植被混凝土基材黏聚力隨CMC摻量的變化曲線

圖7 改性植被混凝土基材黏聚力隨纖維摻量的變化曲線圖

由圖6可見:在纖維摻量一定的情況下，基材的黏聚力隨CMC摻量的增加呈近似線性增長趨勢；當纖維摻量為0%時，0.5%、1.0%、1.5%CMC摻量的基材較0%CMC摻量的基材黏聚力分別增加了97.8%、143.7%、162.7%，說明CMC的摻入能顯著提高基材的黏聚力；當CMC摻量在0%～1.0%之間時，基材的黏聚力增長速率較快，但當CMC摻量超過1.0%后，基材黏聚力增長速率有所減弱。這是因為CMC溶于水后具有較高的黏性，能夠膠結土顆粒，形成團聚體改變土顆粒間的結構，使基材的黏聚力增大。

由圖7可見：在CMC摻量一定的情況下，當纖維摻量在0%～1.5%之間時，基材的黏聚力隨纖維摻量的增加呈先升后降的變化趨勢，其中纖維摻量為1.0%左右時基材的黏聚力達到峰值，這與其他學者的研究結論較吻合；當CMC摻量為0.5%時，0.5%、1.0%纖維摻量的基材較0%纖維基材的黏聚力增加了19.9%、63.6%，說明添加纖維能有效增加基材的黏聚力；但當纖維摻量大于1.0%后，基材的黏聚力呈現下降趨勢。這是因為基材中摻入適量的纖維能夠抑制剪切裂縫的延伸和擴展，同時由于纖維的加筋作用，基材的黏聚力和韌性得到了提高；但纖維摻量較大，且超過1.0%時，基材中的土顆粒骨架結構被大量纖維阻隔，其內部孔隙增加，纖維與水泥、土顆粒之間的膠結力降低，使基材的整體性容易遭到破壞[18]，造成其黏聚力降低。本試驗結果也驗證了潘波等[15]關于纖維加筋作用對混凝土基材力學性能呈先增后減影響的結論。同時，麥秸稈纖維作為天然植物纖維，在濕熱的環(huán)境下容易腐化分解，導致基材在養(yǎng)生后抗剪強度出現一定的弱化。

由表3可知：在CMC摻量相同的情況下，隨著纖維摻量的增加，基材的內摩擦角φ總體上呈先增后減的變化規(guī)律，但變化幅度不大；在纖維摻量相同的情況下，基材的內摩擦角φ隨CMC摻量的增加呈降低的變化趨勢，其中CMC摻量為1.5%時基材的內摩擦角φ降低幅度較大；當纖維摻量為0%時，1.5%CMC摻量的基材內摩擦角較0%、0.5%、1.0%CMC摻量的基材內摩擦角分別降低2.42°、2.48°、1.51°，說明當CMC摻量較大時，基材的內摩擦角顯著降低，這是因為基材的內摩擦角與土顆粒的滑動及顆粒重新排列等因素有關[19]，而纖維在基材中主要為加筋作用，當土顆粒間發(fā)生相對滑動或位移時，纖維能夠提供一定的阻力，但纖維并未改變基材內部土顆粒的排列形式與接觸特征，所以纖維可提升基材的內摩擦角，但提升幅度不大；當CMC摻量過多時基材的內摩擦角顯著降低，這是因為CMC黏液包裹住土顆粒形成團聚體，雖然有一定的團聚力作用，但CMC黏液阻隔了土顆粒間的接觸，降低了土顆粒間的相對滑動力，改變了土顆粒間的接觸方式，從而使基材的內摩擦角降低。

3.2 植生試驗結果與分析

根據黑麥草植生試驗結果，以基材編號為橫坐標，黑麥草發(fā)芽數、生長50 d后的生長高度為縱坐標，建立不同基材配比對黑麥草生長性能的柱狀關系圖，見圖8和圖9。

圖8 改性植被混凝土基材的黑麥草出芽情況

圖9 改性植被混凝土基材的黑麥芽生長高度情況

由圖8可見，10號基材的黑麥芽發(fā)芽數最大為335顆，4號基材的黑麥芽發(fā)芽數最小為245顆，1～16號基材的黑麥芽平均發(fā)芽數為287顆，最高發(fā)芽數與最低發(fā)芽數之比為1.37，說明不同基材配比的黑麥草發(fā)芽數有較大差別，其中2、6、10、11號基材配比的黑麥芽發(fā)芽數較高，4、8、12號基材的黑麥芽發(fā)芽數較低。

由圖9可見，不同基材的黑麥草50 d的平均生長高度為14.3 cm，最高生長高度與最低生長高度之比為2.1。此外，由圖2也可以明顯地看出，不同基材配比對黑麥草生長性能的影響較大。

3.2.1 纖維摻量對黑麥草生長性能的影響

黑麥草生長性能與纖維摻量的關系曲線，見圖10和圖11。

圖10 黑麥草發(fā)芽率與纖維摻量的關系曲線

由圖10可見，隨纖維摻量的增加黑麥草的發(fā)芽率變化不顯著，這是因為黑麥草種子的萌發(fā)還與土壤的pH值、溫度、濕度、孔隙度等因素有關，所以纖維摻量的影響不顯著。由圖11可見，黑麥草50d的平均生長高度隨纖維摻量的增加有所增加，這是因為基材中加入水泥后使土壤變得堅硬、板結、孔隙減少，不利于植物的生根發(fā)芽，而加入麥秸稈纖維能使土壤更加疏松多孔，有利于黑麥草的生根與吸收養(yǎng)分，同時隨著纖維的逐漸腐爛，也能提供一定的養(yǎng)分。

圖11 黑麥草生長高度與纖維摻量的關系曲線

3.2.2 CMC摻量對黑麥草生長性能的影響

黑麥草生長性能與CMC摻量的關系曲線，見圖12和圖13。

圖12 黑麥草發(fā)芽率與CMC摻量的關系曲線

圖13 黑麥草生長高度與CMC摻量的關系曲線

由圖12可見：隨CMC摻量的增加黑麥草的發(fā)芽率呈先增后減的變化趨勢，當CMC摻量為0.5%時，黑麥草的發(fā)芽率出現峰值；當CMC摻量超過0.5%后，對黑麥草的發(fā)芽表現為抑制作用，說明加入適量的CMC將有利于黑麥草種子的發(fā)芽與生長，也驗證了其他學者的相關研究結論。由圖13可見：隨CMC摻量的增加黑麥草50 d的平均生長高度也呈先增后降的變化趨勢，這是因為當CMC摻量過多時，溶于水后形成的黏稠液體會填充土顆粒間的孔隙，使土壤透氣性變差，同時裹住黑麥草種子，不利于種子的萌發(fā)。

綜上分析可知，植被混凝土基材中摻入適量的CMC與纖維改良后，均能在一定程度促進黑麥草的生長發(fā)育。其中，當摻入0.5%CMC時對黑麥草的發(fā)芽率與生長高度均有促進作用，說明適量的CMC與纖維作為改良劑能有效地改善植被混凝土基材的植物生長性能。

4 結 論

本文對添加CMC和麥秸稈纖維的改性植被混凝土基材進行直剪試驗和黑麥草植生試驗，分析了CMC與纖維對改性植被混凝土基材的剪切強度、內摩擦角、黏聚力、黑麥草生長性能的影響規(guī)律，得到以下結論：

(1) 添加纖維與CMC后改性植被混凝土基材的延性增加，主要為塑性剪切變形，CMC較纖維對基材的延性提升更加顯著，而纖維對基材剪切強度的提升更顯著；在0%～1.5%摻量內，基材的剪切強度隨CMC摻量的增加呈先增后減的變化趨勢，0.5%CMC摻量時出現基材剪切強度峰值，而隨纖維摻量的增加基材的剪切強度呈近似線性增長趨勢，無明顯峰值出現。

(2) 添加纖維與CMC均能顯著提高改性植被混凝土基材的黏聚力。基材的黏聚力隨CMC摻量的增加呈近似線性增長的變化趨勢，而其隨纖維摻量的增加呈先上升后下降的變化趨勢，當纖維摻量為1.0%左右時基材黏聚力出現峰值，而后逐漸降低，這也驗證了纖維加筋作用能使基材力學性能呈先增后減的變化規(guī)律。隨纖維摻量的增加基材的內摩擦角呈先增后減的變化趨勢，當纖維摻量為1.0%左右時基材內摩擦角出現峰值，而其隨CMC摻量的增加呈減少的變化趨勢，特別當CMC摻量達到1.5%時，基材的內摩擦角顯著降低。

(3) 添加適量的纖維與CMC對黑麥草的萌發(fā)與生長有一定程度的促進作用，但當CMC摻量超過0.5%后，對黑麥草的生長表現為抑制作用。

綜合上述結論，在維持水泥摻量為8%時，摻入0.5%CMC、1.0%麥秸稈纖維，可使改性植被混凝土基材的力學性能與黑麥草的生長性能達到最佳。