改性水泥土力學(xué)性能及植生性能試驗(yàn)

陳建國(guó)，周靖靖，顧業(yè)蓮，杜念，張春玲，杜佳興，韓偉棟

（1.廣西壯族自治區(qū)水利科學(xué)研究院，廣西水工程材料與結(jié)構(gòu)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530023；2.鄭州大學(xué) 水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211106）

0 引言

在水利水電、交通運(yùn)輸?shù)然A(chǔ)工程的施工中，經(jīng)常伴有大量的土石方開挖，這些工程不僅對(duì)原有的生態(tài)系統(tǒng)造成了破壞，同時(shí)也形成了很多人造陡邊坡，在土質(zhì)較差或巖質(zhì)、混凝土這種硬質(zhì)陡邊坡中，植物沒有適合的生長(zhǎng)基質(zhì)，僅僅依靠自然力量很難對(duì)邊坡形成大面積的有效植被防護(hù)，若不對(duì)其作出處理，很有可能會(huì)引發(fā)泥石流、滑坡等自然地質(zhì)災(zāi)害，給人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來極大威脅[1-8]。

目前，國(guó)內(nèi)推廣較為廣泛的植被護(hù)坡應(yīng)用技術(shù)主要分為2個(gè)方向：一種是植被混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)[9]，該技術(shù)通過種植植物，利用植物與巖土體的相互作用（根系錨固作用）對(duì)邊坡表層進(jìn)行防護(hù)、加固，使之既能滿足對(duì)邊坡表層穩(wěn)定的要求，又能恢復(fù)被破壞的自然植被，植被混凝土的主要成分是普通硅酸鹽水泥、壤土、有機(jī)質(zhì)、肥料、草種、改性劑等；另一種則是厚層基材護(hù)坡綠化技術(shù)[10]，該技術(shù)使用專用噴射機(jī)將拌和均勻的基材混合物按要求厚度噴射到坡面的護(hù)坡，達(dá)到穩(wěn)定巖土邊坡、美化生態(tài)環(huán)境的效果，基材混合物主要是由植生基材、草種及相關(guān)土壤外加劑組成。2種技術(shù)最大的差異在于植生基材配方的不同，從植生基材原材料的角度來看，混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)采用水泥為膠凝材料，土壤填充在混凝土孔隙中，植物根系不能與泥土直接接觸；而厚層基材護(hù)坡綠化技術(shù)，植物可以直接與植生基材接觸，有利于植物的生長(zhǎng)。本文主要從植被混凝土護(hù)坡綠化技術(shù)的方向?qū)χ采嗤翍?yīng)用技術(shù)展開研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

（1）低堿度硫鋁酸鹽水泥（L-SAC）：水泥作為一種膠凝材料，在水泥土中主要有2種作用，第1種是使土壤間的分散顆粒相互膠結(jié)，增加其整體性；第2種是填充土壤顆粒間存在的縫隙，增強(qiáng)水泥土的密實(shí)度。此外，水泥水化生成的水泥石在水泥土中還可以起到類似骨架結(jié)構(gòu)的功能。

（2）天然土壤：土壤是水泥土及植生水泥土的主體，一般由氧化硅、氧化鋁和各種有機(jī)物混合組成，在干燥后會(huì)具有一定的強(qiáng)度，其強(qiáng)度主要來源于土壤顆粒間的黏結(jié)力。

（3）植物種子：分別挑選了高羊茅、紫花苜蓿、馬尼拉、寬葉雀稗、多花木蘭、狗牙根、百喜草、堿茅草等8種植物作為試驗(yàn)的種植植物。

（4）植生板：在長(zhǎng)方形無蓋塑料框中成型尺寸為850 mm×550 mm×50 mm的水泥土作為種植載體既種植板。

（5）生態(tài)改良劑：主要成分為泥炭土、羧甲基纖維素、瓊脂粉、吲哚乙酸及有益微生物菌群等，能有效改善基材理化性質(zhì)、調(diào)節(jié)基材生物特性、固持基材養(yǎng)分水平，是植生水泥土護(hù)坡工程中常用的一種改性劑。

（6）CHF土壤固化劑：主要是由強(qiáng)氧化劑、離子型高分子活化劑、分散劑、固化催化劑等組成的復(fù)合制劑，具有增強(qiáng)土壤強(qiáng)度、改變土壤膨脹吸水、增強(qiáng)土壤水穩(wěn)性等作用。

（7）一水檸檬酸：白色結(jié)晶狀顆粒。

（8）硼酸：呈白色粉末狀結(jié)晶體，與一水檸檬酸類似，也常被用于鹽堿土壤的土質(zhì)改善。

1.2 試驗(yàn)方案

（1）探究不同L-SAC摻入比例對(duì)水泥土抗壓強(qiáng)度、粘聚力、抗沖刷性能的影響規(guī)律，為后期確定植生水泥土中L-SAC的摻入比例提供依據(jù)。將水泥土的含水率設(shè)置為30%，具體試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 水泥土設(shè)計(jì)配合比

在L-SAC摻入比例為0和8%的水泥土植生板上種植所選植物，對(duì)植物的適應(yīng)狀況和生長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)行觀察與記錄，優(yōu)選出適宜在L-SAC摻入比例為8%的水泥土中生長(zhǎng)的植物種類。試驗(yàn)共設(shè)置了2種生境下的植生試驗(yàn)，分別為未摻LSAC的天然土壤生境與L-SAC摻量為8%植生水泥土生境，含水率均為60%。

（2）探究不同改性劑對(duì)植生水泥土生境的影響。改性劑選用潤(rùn)智生態(tài)改良劑、一水檸檬酸、CHF土壤固化劑、硼酸，將4種不同的物質(zhì)作為改性劑加入L-SAC摻入比例為8%的植生水泥土中，分別測(cè)試其物理力學(xué)性能和植生性能，探究4種物質(zhì)對(duì)植生水泥土的改性作用。試驗(yàn)中潤(rùn)智生態(tài)改良劑、CHF土壤固化劑的摻入比例均參照工程中的實(shí)際配比用量，物理力學(xué)性能試驗(yàn)時(shí)含水率為30%，種植試驗(yàn)時(shí)含水率為60%，具體試驗(yàn)配比見表2。

表2 不同改性劑改性試驗(yàn)設(shè)計(jì)配合比

1.3 測(cè)試方法

（1）將稱量好的土壤和水泥倒入水泥砂漿攪拌機(jī)中干攪至均勻，攪拌時(shí)間須在10～20 min；攪拌均勻后分3次倒入預(yù)先涂抹過礦物油的模具中，直到試塊成型后再用刮刀將試塊表面刮平；將成型好的試塊放置在（20±5）℃環(huán)境中并覆蓋一層薄膜，試件靜置48 h后即可拆模，然后放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)溫度為（20±2）℃、相對(duì)濕度為95%以上。養(yǎng)護(hù)完成后，分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、粘聚力、抗沖刷性能測(cè)試。

重復(fù)上述試驗(yàn)步驟，分別制作摻入比例為0和8%L-SAC的植生板，在成型好的植生板中以6 cm為間距劃分正方形網(wǎng)格，并在網(wǎng)格中心預(yù)留種植孔，這樣不僅可以有效避免植物間的生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)，也有利于后期對(duì)植物長(zhǎng)勢(shì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，如圖1所示。挑選植物種子并進(jìn)行播種，種子放置在種植板預(yù)留的種植孔中，再在表面覆蓋1層2 cm厚的營(yíng)養(yǎng)土，隨后澆水濕潤(rùn)。此后，每天補(bǔ)充1次水分，每周補(bǔ)充1次養(yǎng)分。

（2）在改性水泥土中分別摻入潤(rùn)智生態(tài)改良劑、一水檸檬酸、CHF土壤固化劑、硼酸4種改性劑，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，觀察植物生長(zhǎng)情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改性水泥土的物理性能及植物生長(zhǎng)情況

改性水泥土的物理性能如圖2～圖4所示。

由圖2可知，隨著L-SAC摻入比例的增加，水泥土抗壓強(qiáng)度相應(yīng)增長(zhǎng)，但其增長(zhǎng)規(guī)律與L-SAC摻入比例存在明顯的割裂現(xiàn)象。當(dāng)L-SAC摻加比例低于18%時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度的增幅較小，且在增長(zhǎng)過程中存在一定的波動(dòng)性，考慮可能是L-SAC的摻量較少，L-SAC的水化產(chǎn)物不能將土壤顆粒間的縫隙完全填滿，此時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度的主要來源仍是土壤顆粒間的粘結(jié)力，因此，L-SAC水泥土抗壓強(qiáng)度和L-SAC摻入比例關(guān)聯(lián)性較弱。

由圖3可知，與抗壓強(qiáng)度類似，水泥土粘聚力增長(zhǎng)規(guī)律與L-SAC摻入比例也存在明顯的割裂現(xiàn)象，當(dāng)L-SAC摻入比例在18%以下時(shí)，水泥土粘聚力的提升幅度較小，波動(dòng)性大，推測(cè)發(fā)生該現(xiàn)象的原因與抗壓強(qiáng)度一致，均是由于L-SAC水化產(chǎn)物對(duì)土壤孔隙的填充度較低所致。

由圖4可知，在土壤中加入L-SAC能明顯降低土壤的沖刷系數(shù)，提高其抗沖刷性能，隨著齡期的延長(zhǎng)，水泥土沖刷系數(shù)隨之減小，并在14 d齡期后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，推測(cè)可能是L-SAC水化產(chǎn)物的膠結(jié)力將水泥土表面之間松散的土壤顆粒膠結(jié)成了一個(gè)整體，L-SAC摻入比例越高，該膠結(jié)力和表面被膠結(jié)的土壤顆粒越多，繼而使水泥土的抗沖刷性能提升越大。

改性水泥土的植物生長(zhǎng)情況如圖5所示。

由圖5可知，所選8種植物除了百喜草和堿茅草較為特殊，在所有生境下均未生長(zhǎng)以外，其他6種植物都能發(fā)芽生長(zhǎng)，部分植物如紫花苜蓿等在水泥土生境下生長(zhǎng)狀況甚至優(yōu)于其在天然土壤下的長(zhǎng)勢(shì)，由此可見，采用8%L-SAC摻入比例配制的水泥土具有較好的植生性能，可以用來配制L-SAC植生水泥土。通過比較6種存活植物在2種生境下的長(zhǎng)勢(shì)，綜合考慮植生水泥土在植物發(fā)芽和生長(zhǎng)階段的作用，高羊茅、紫花苜蓿、馬尼拉、寬葉雀稗、多花木蘭、狗牙根都對(duì)植生水泥土有良好的適應(yīng)性，都能作為由8%L-SAC摻入比例配制的植生水泥土中的先鋒植物使用。

2.2 摻入不同改性劑后植生水泥土的物理性能及植物生長(zhǎng)情況

摻入不同改性劑后植生水泥土的物理性能如圖6～圖8所示。

由圖6可知，潤(rùn)智生態(tài)改良劑、CHF土壤固化劑、硼酸均能大幅提高植生水泥土的早期抗壓強(qiáng)度，并在第14 d齡期時(shí)達(dá)到峰值，14d齡期后會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象，最終第28 d齡期抗壓強(qiáng)度僅小幅度提升，L-SAC植生水泥土28 d抗壓強(qiáng)度提升幅度為：硼酸＞CHF土壤固化劑＞潤(rùn)智生態(tài)改良劑。一水檸檬酸會(huì)使植生水泥土抗壓強(qiáng)度小幅下降，其28 d抗壓強(qiáng)度約為標(biāo)準(zhǔn)值的0.73倍，在28d齡期內(nèi)強(qiáng)度基本保持穩(wěn)定。

由圖7可知，在L-SAC植生水泥土中摻加潤(rùn)智生態(tài)改良劑會(huì)使植生水泥土的7 d粘聚力下降至標(biāo)準(zhǔn)值的0.45倍，但隨著齡期的延長(zhǎng)，其粘聚力也會(huì)逐漸上升，最終在第28 d時(shí)，其粘聚力與標(biāo)準(zhǔn)值基本持平，因此可以判定潤(rùn)智生態(tài)改良劑會(huì)影響L-SAC植生水泥土早期的粘聚力，但不會(huì)改變其終值。在L-SAC植生水泥土中摻加CHF土壤固化劑能夠明顯提高植生水泥土的早期粘聚力，且隨著齡期的延長(zhǎng)，粘聚力基本保持穩(wěn)定。摻加一水檸檬酸，在0～14 d齡期內(nèi)，植生水泥土的粘聚力有所提升，但在14d齡期后，粘聚力開始下降，最終在第28 d時(shí)其粘聚力與標(biāo)準(zhǔn)值降為同等水平。硼酸對(duì)14 d內(nèi)植生水泥土粘聚力的提升作用較為明顯，其第14d齡期粘聚力最高可達(dá)48.11 kPa，但在14 d齡期后會(huì)產(chǎn)生倒縮，并在第28d齡期時(shí)，其粘聚力最終低于標(biāo)準(zhǔn)值。

潤(rùn)智生態(tài)改良劑、CHF土壤固化劑、一水檸檬酸均會(huì)使植生水泥土的內(nèi)摩擦角下降，且隨著齡期的延長(zhǎng)，內(nèi)摩擦角將持續(xù)下降，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值53.4°，即隨著水泥土荷載變化，其剪切應(yīng)力的變化幅度小于標(biāo)準(zhǔn)值。隨著硼酸的加入，植生水泥土14 d內(nèi)的摩擦角先會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降，隨著齡期的延長(zhǎng)至28d，其內(nèi)摩擦角會(huì)出現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。

由圖8可知，潤(rùn)智生態(tài)改良劑能顯著提升植生水泥土14d后的抗沖刷性能，并在28 d時(shí)L-SAC植生水泥土抗沖刷性能達(dá)到峰值，由此可見，即使?jié)欀巧鷳B(tài)改良劑呈酸性，會(huì)與LSAC水化產(chǎn)物發(fā)生中和反應(yīng)，但其反應(yīng)產(chǎn)物仍有一定的膠結(jié)性，并加強(qiáng)了L-SAC植生水泥土試塊表面的土壤顆粒固定，從而使其抗沖刷性能得到了增強(qiáng)。在L-SAC植生水泥土中摻加CHF土壤固化劑對(duì)其抗沖刷性能提升效果一般，這表明了即使CHF土壤固化劑呈酸性，在消耗了部分L-SAC水化產(chǎn)物后仍能對(duì)L-SAC植生水泥土抗沖刷性能進(jìn)行一定的提升。隨著一水檸檬酸的摻入，植生水泥土7 d齡期的抗沖刷性能會(huì)有所上升，但隨著齡期的延長(zhǎng)，植生水泥土的沖刷系數(shù)明顯增大，其抗沖刷性能將大幅度降低。在4種改性劑中只有硼酸能夠使植生水泥土的抗沖刷性能從早期就能得到大幅度提升，極大地提升了植生水泥土的抗沖刷性能。

從種植試驗(yàn)結(jié)果可知，摻入潤(rùn)智生態(tài)改良劑的L-SAC植生水泥土對(duì)去殼狗牙根、高羊茅、紫花苜蓿3種植物在均存在輕微的生長(zhǎng)抑制作用，對(duì)馬尼拉、寬葉雀稗、多花木蘭、帶殼狗牙根4種植物則有著嚴(yán)重的生長(zhǎng)抑制作用。摻入CHF土壤固化劑的L-SAC植生水泥土，只有去殼狗牙根能夠在該生境下良好生長(zhǎng)，其他6種植物在該生境中的生長(zhǎng)均會(huì)受到嚴(yán)重抑制。摻入一水檸檬酸的L-SAC植生水泥土，對(duì)帶殼狗牙根的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用，對(duì)高羊茅、紫花苜蓿、去殼狗牙根的生長(zhǎng)則有輕微的抑制作用，對(duì)馬尼拉、寬葉雀稗、多花木蘭的生長(zhǎng)則有著嚴(yán)重的生長(zhǎng)抑制作用。摻入硼酸的L-SAC植生水泥土生境中，所有植物均無法生長(zhǎng)。

此次生境改善種植試驗(yàn)中，百喜草和堿茅草2種植物的種子在摻入各添加劑后仍然沒有發(fā)芽，因此，無法推斷潤(rùn)智生態(tài)改良劑、一水檸檬酸、CHF土壤固化劑對(duì)這2種植物的實(shí)際影響狀況。

3 結(jié)論

（1）隨著L-SAC摻入比例的增加，L-SAC水泥土的抗壓強(qiáng)度、粘聚力、抗沖刷性能均會(huì)得到不同幅度的提升。

（2）部分植物如紫花苜蓿、馬尼拉、帶殼狗牙根在由8%L-SAC摻入比例所配制的植生水泥土中的長(zhǎng)勢(shì)優(yōu)于天然土壤生境，而高羊茅、寬葉雀稗2種植物在2種環(huán)境下的長(zhǎng)勢(shì)也基本持平。由此可見，8%L-SAC摻入比例所配制的植生水泥土具有良好的植生性能，對(duì)耐堿植物也有較好的適應(yīng)性，可以用于陡邊坡防護(hù)用植生水泥土應(yīng)用技術(shù)中植物生長(zhǎng)環(huán)境的營(yíng)造，即植生復(fù)合結(jié)構(gòu)中的植生基質(zhì)層。

（3）在植生水泥土中添加試驗(yàn)用量下的硼酸后，8種植物均無法生長(zhǎng)；潤(rùn)智生態(tài)改良劑能夠提高植生水泥土的抗壓強(qiáng)度、抗沖刷性能，會(huì)使粘聚力和內(nèi)摩擦角下降；一水檸檬酸會(huì)使其抗壓強(qiáng)度、粘聚力、抗沖刷性能均有不同程度的減弱；CHF土壤固化劑可使植生水泥土抗壓強(qiáng)度、粘聚力有所提升，與此同時(shí)，會(huì)使其內(nèi)摩擦角下降。