羧甲基纖維素鈉對寬葉雀稗生長與固土能力的影響

江世雄,李 熙,陳 垚,翁孫賢,王重卿,陳志波,戴夢蘭,郭學文

(1.國網(wǎng)福建省電力有限公司電力科學研究院,福建 福州 350007;2.福州大學 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學院 巖土與地質(zhì)工程系,福建 福州 350116;3.福建省智能環(huán)境巖土工程閩臺科技合作基地,福建 福州 350116)

邊坡防護工程中,傳統(tǒng)護坡技術(shù)以水泥、石灰、粉煤灰等為主要材料[1-3],僅從安全、經(jīng)濟的角度來提高邊坡穩(wěn)定性,不利于生態(tài)恢復。近年來,新型綠色建筑材料引起廣泛關(guān)注,其中應用效果較好的是高分子聚合物[4-5]。羧甲基纖維素鈉(CMC)是一種具有羧甲基結(jié)構(gòu)的高分子聚合物,可以團聚散亂的土顆粒,使天然形成的團聚體更加穩(wěn)定,從而改善土體結(jié)構(gòu),在工程實踐中被廣泛應用[6]。眾多學者研究發(fā)現(xiàn),在土中加入CMC可以使團聚體含量有所增多,且土體的滲透性明顯降低,但是土體的持水能力有所提高[7]。同時,CMC對土體的無側(cè)限抗壓強度和抗拉強度有一定的增強效果,并且能夠改善土體的團粒結(jié)構(gòu)[8-9]。刑磊等[10]研究發(fā)現(xiàn)CMC不僅能增強土顆粒間的黏聚力,減少水土流失量,而且能夠達到保水保肥的效果。王永杰等[11]通過一系列實驗發(fā)現(xiàn),CMC-K可以顯著提高土體含水率、溫度,減少養(yǎng)分的淋溶。楊世琦等[12]通過田間定位試驗發(fā)現(xiàn),CMC-Na可提高土壤水分,并促進養(yǎng)分吸收利用,從而提高作物產(chǎn)量。寬葉雀稗不僅是一種多用于熱帶亞熱帶地區(qū)草地改良的優(yōu)良牧草之一,而且具有生長速度快、根系發(fā)達、生命力旺盛、植被覆蓋密度大而廣、適應性強、有較強的防沖刷力等特點而應用于固土護坡[13]。目前鮮見研究CMC含量對寬葉雀稗生長以及固土能力的影響。本研究在土中加入不同CMC含量,研究其對土的抗剪強度以及寬葉雀稗的生長高度、根系長度和固土能力的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1) 試驗土樣。試驗土樣取自于某變電站邊坡工程,為粉質(zhì)黏土,其物理參數(shù)如表1所示,土樣經(jīng)過風干、碾碎后過2 mm篩。

表1 試驗土樣的物理力學參數(shù)[14]

(2) 羧甲基纖維素鈉。試驗所用羧甲基纖維素鈉(CMC)為白色粉末狀,易溶于水,無毒并且具有較好的吸濕性。

1.2 試樣制備與試驗方案

CMC的使用方法大致可以分為兩種:1)拌入法:將干粉直接摻入土中[8,12-16];2)噴灑法:將干粉配制溶液,而后噴灑在土中進行攪拌[9,17-18]?；诒緢F隊前期的對比研究,拌入法相較于噴灑法能夠獲得更高的均勻度和更優(yōu)異的加固效果,因此,本研究選用拌入法制備土樣,即將CMC干粉按設計摻量與風干土樣混合均勻,而后用噴霧器噴灑至預設的加水量,再次攪拌均勻后密封靜置24 h備用。

本文的每組試驗都進行了三次重復,并且采用SPSS軟件對試驗結(jié)果進行了顯著性分析,分析結(jié)果并在圖表中進行了標注。

(1)顆分試驗:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的土樣,密封放置24 h。取土樣100 g,讓其自然風干,過篩后稱重,繪制顆粒級配曲線。

根據(jù)規(guī)范,當不均系數(shù)Cu大于等于5,曲率系數(shù)Cc在1至3之間時為級配良好;不同時滿足上述兩條件為級配不良。

(2)土壤酸堿度測試:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的改良土,自然風干后取風干試樣10 g,置于100 ml廣口瓶中,加50 ml無二氧化碳純水(土水比為1∶5)。在振蕩器上振蕩3 min,靜止30 min,取土懸液測pH值,多次測試,取平均值,分析CMC含量對土壤酸堿度的影響。

(3)田間持水率測試:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的改良土,分別加入盆栽中,將盆栽浸入水中,保持水面和土壤表面持平。浸盆12 h后,取盆栽中的土測含水率。測完含水率后,將土壤重新放入盆栽中,表面用保鮮膜封住,靜置5 d～6 d,再次取出,測試此時土壤的含水率,分析CMC含量對田間持水率的影響。

(4)直剪試驗:在軸向壓力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa下進行不同CMC含量下改良土的直剪試驗,分析CMC含量對土的抗剪強度的影響。

(5)植物生長試驗與拉拔試驗:前期采用狗牙根、百喜草、黑麥草和寬葉雀稗4種不同類型的植物開展預研試驗,試驗結(jié)果顯示寬葉雀稗長勢最好。因此,本文試驗選用寬葉雀稗作為試驗植物。分別配制不同CMC含量(0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%)的改良土,播種1 g種子,表層覆一層薄土。在播種后的第三天寬葉雀稗開始發(fā)芽,每天按時按量澆水,并記錄植物生長高度、發(fā)芽量、根系生長長度。在寬葉雀稗發(fā)芽一個月后,進行拉拔試驗,分析寬葉雀稗根系固土能力。

2 結(jié)果與分析

2.1 CMC對土壤性質(zhì)的影響

2.1.1 CMC含量對土壤團聚體的影響

圖1為不同CMC含量條件下土的顆粒級配曲線。從圖中可看出,隨著CMC含量的增加,土中大顆粒的含量有所增加,CMC含量為4%和8%時,大顆粒增加的比較明顯。圖2為顆粒級配曲線不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc隨CMC含量增大的變化規(guī)律。其中,Cu越大,表示土越不均勻。從圖2中可看出,隨著CMC含量的增加,Cu值呈現(xiàn)增長的趨勢,說明CMC的摻入增加了土的不均勻程度。

圖1 不同CMC含量條件下土的顆粒級配曲線

圖2 不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc隨CMC含量增大的變化曲線

圖2結(jié)果中還顯示,不同CMC含量土的曲率系數(shù)Cc均大于1小于3,表示級配連續(xù),同時不同CMC含量土的Cu<5,表明不同CMC含量的土的級配不良,土顆粒尺寸分布均勻,土中的孔隙較多,有利于透氣透水。

2.1.2 CMC含量對土壤酸堿度的影響

酸堿度是影響土壤養(yǎng)分有效性的重要因素之一。當土壤pH值處于中性時,養(yǎng)分的有效性最高。圖3為不同CMC含量條件下土壤的pH值。圖中不同小寫字母表示不同CMC含量間差異顯著(P<0.05),下圖同。從圖中可看出,不添加CMC的土樣為酸性土(pH值為4.2),隨著CMC含量的增加,土壤pH值逐漸增加,當CMC添加量為8%時,土樣的pH值為5.1,由此可見,CMC能中和土樣酸性,提升土壤養(yǎng)分有效性。

圖3 不同CMC含量土壤的pH值變化

2.2 CMC對植物生長情況的影響

2.2.1 CMC含量對土壤田間持水率的影響

田間持水率是土壤中所能保持懸著水的最大值,也是對作物有效的最高的土壤含水量[18]。圖4為不同CMC含量條件下土壤最大含水率、田間持水率和養(yǎng)護盆栽含水率的變化,從圖中可看出,最大含水率和田間持水率的變化趨勢基本相同。同時,隨著CMC含量的增加,最大含水率和田間持水率的差值逐漸減小,可能由于CMC有吸濕性,能夠減少土壤中的水分流失。當CMC含量為8%時,兩者差值最小,表明土壤中CMC含量越高,土壤保水性越好,從而對植物的生長越好,所以適當添加CMC有益于植物生長。

圖4 不同CMC含量土壤的最大含水率和田間持水率

根據(jù)規(guī)范[18],盆栽種植的含水率為實測田間持水率的60%～70%。本文試驗取田間持水率的65%,得到盆栽種植的含水率如圖4所示。

2.2.2 CMC含量對植物發(fā)芽率的影響

圖5為寬葉雀稗的發(fā)芽量隨著時間的變化情況。從圖中可看出,CMC含量為0%、0.25%、0.5%、1%的土樣中種植的寬葉雀稗在播種后的第三天開始發(fā)芽,而CMC含量為1.5%和2%的土樣中種植的寬葉雀稗在第四、五天才開始發(fā)芽,說明較高的CMC含量對植物發(fā)芽有輕微的抑制作用。開始發(fā)芽后的一周內(nèi),CMC含量為0%和0.25%的土樣中的植物發(fā)芽量增長比較快,而CMC含量為0.5%、1%、1.5%、2%的土樣中植物發(fā)芽量增長比較緩慢。

圖5 不同CMC含量條件下植物發(fā)芽量隨時間變化情況

圖6為不同CMC含量條件下寬葉雀稗的發(fā)芽率,從圖中可看出,CMC含量為0.25%時,寬葉雀稗的發(fā)芽率與CMC含量為0%的發(fā)芽率相近(僅差4%),而CMC含量增大為0.5%時,發(fā)芽率呈現(xiàn)較大幅度下降,并隨著含量的增加呈小幅度下降的趨勢,說明CMC含量較低(為0.25%)時,寬葉雀稗的發(fā)芽情況相對較好。

圖6 不同CMC含量對植物發(fā)芽率(量)的影響

2.2.3 CMC含量對植物生長長度的影響

在寬葉雀稗開始發(fā)芽后,每天測量記錄植物生長高度。圖7為寬葉雀稗的生長高度隨時間的變化情況,從圖中可看出,隨著種植時間的增加,不同CMC含量下的寬葉雀稗生長高度均不斷增加,但在18 d以后都趨于穩(wěn)定。

圖7 不同CMC含量條件下植物生長高度隨時間變化情況

圖8為不同CMC含量條件下寬葉雀稗的生長高度變化情況,從圖中可以看出,寬葉雀稗的生長高度隨CMC含量增加而不斷減小,CMC含量為0.25%時,其生長高度與CMC含量為0%時的生長高度比較接近,僅相差1.5 cm,CMC含量再增加后其生長高度減小較明顯。

圖8 不同CMC含量對植物生長高度的影響

2.2.4 CMC含量對植物根系生長長度的影響

在寬葉雀稗開始發(fā)芽后,每天測量記錄植物根系的生長長度,得到的結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 不同CMC含量條件下植物根系生長長度隨時間變化情況

圖10 不同CMC含量對植物根系生長長度的影響

圖9為寬葉雀稗根系生長長度隨時間的變化情況,從圖中可看出,CMC含量為0.25%和0.5%時,寬葉雀稗根系生長速度與CMC含量為0%時的根系生長速度相近。在寬葉雀稗發(fā)芽的第一周,CMC含量為0%、0.25%、0.5%、1%時,寬葉雀稗根系生長速度明顯比CMC含量為1.5%和2%的快。14 d后,根系生長長度均達到穩(wěn)定。

圖10為不同CMC含量條件下寬葉雀稗根系生長長度的變化情況,從圖中可看出,CMC含量為0.25%和0.5%時,寬葉雀稗根系生長長度與CMC含量為0%時的根系生長長度僅相差0.5 cm,CMC含量再增加后根系生長長度降低快。

李樹化（1901—1991），祖籍廣東梅縣人，出生于泰國北柳的一個華僑家庭。1919年到法國勤工儉學，1921年入里昂國立音樂院學習鋼琴，1925年畢業(yè)后回國，在北京“藝專”和北京師范學校藝術(shù)科教授鋼琴，是老志誠的鋼琴老師。1928年，他和同鄉(xiāng)兼摯友、畫家林風眠一起到杭州，參與組建杭州“國立”藝術(shù)院的活動。1930年，藝術(shù)院改為杭州藝術(shù)專門學校，李樹化任教授和音樂系主任。這時他曾教過洪士銈、張權(quán)、莫桂新等人。②

2.3 CMC對植物根系固土能力和土的抗剪強度的影響

植物根系的固土能力主要體現(xiàn)在根系的抗拉拔強度,根系的生長發(fā)育能提高根-土的粘結(jié)作用,從而提高植物根系的拉拔強度[19]。

圖11為不同CMC含量對植物拉拔力和發(fā)芽率的影響情況,從圖中可看出,隨著CMC含量的增加,植物發(fā)芽率逐漸減小,拉拔力也逐漸隨之減小。

圖11 不同CMC含量對植物拉拔力和發(fā)芽率的影響

為了更好研究拉拔力與發(fā)芽率之間關(guān)系,將拉拔力和發(fā)芽率進行歸一化處理。拉拔力與發(fā)芽率的比值為平均單根拉拔力的作用效果,CMC含量為0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%的拉拔力與發(fā)芽率比值與CMC含量為0%的比值相比,得到的結(jié)果如圖12所示。圖12為不同CMC含量條件下,植物拉拔力與植物發(fā)芽率的歸一化處理結(jié)果,從圖中可以看出,數(shù)值呈現(xiàn)先增長后減小的趨勢,可以明顯看出CMC含量為0.5%、1.5%、1.5%時,得到的比值結(jié)果大于1,說明CMC含量0.5%、1.5%、1.5%時植物抗拉拔能力最好,即根系固土能力最強。

圖12 不同CMC含量條件下拉拔力與發(fā)芽率的歸一化變化情況

表2為在不同法向應力下,不同CMC含量的土體抗剪強度,從表中可看出,在較低法向應力下(100 kPa、200 kPa),CMC對土體抗剪強度的增強效果較為明顯,尤其在100 kPa法向應力下,CMC為2%的土體抗剪強度相對于CMC為0%時提高為19.2 kPa,在較高法向應力(300 kPa、400 kPa)下,峰值抗剪強度變化趨勢不是很顯著。相較于未加入CMC的土樣, CMC對土體的抗剪強度有一定的提高效果。

表2 加入不同CMC含量的土體抗剪強度

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)進行擬合,擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9,且接近于1,表示擬合曲線的相關(guān)性較高,說明計算得到的抗剪強度參數(shù)較準確。

圖13為抗剪強度參數(shù)隨CMC含量的變化趨勢,從圖中可看出,隨著CMC含量的增加,黏聚力呈現(xiàn)增長的趨勢,而內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)減小的趨勢,分析其原因可能是加入CMC使得顆粒間因膠結(jié)而形成大團聚體,引起土顆粒級配發(fā)生改變,導致土顆粒體積膨脹、顆粒間接觸數(shù)及面積減小,進而導致內(nèi)摩擦角降低。

圖13 抗剪強度參數(shù)隨CMC含量的變化曲線

3 結(jié) 語

(1) CMC對土壤不均勻性有一定影響,隨著CMC含量的增加,土壤中大顆粒的含量有所增加,CMC含量為4%和8%時,大顆粒增加的比較明顯。CMC含量的增加使得顆粒間團聚膠結(jié)不斷形成大團聚體改變了土壤的顆粒級配,從而體積膨脹減少了顆粒間的相互接觸導致內(nèi)摩擦角降低。

(2) CMC含量為0.25%和0.5%時,寬葉雀稗的發(fā)芽率、生長高度和根系長度較好,然后隨著CMC含量的增加逐漸減小。

(3) 隨著CMC含量的增加,土的抗剪強度有一定的提高,在低法向應力下強度提升更為顯著,而內(nèi)摩擦角出現(xiàn)小幅降低。植物的拉拔力隨著CMC含量的增加有所減小,CMC含量越高,植物覆蓋率越低。對拉拔力與發(fā)芽率的歸一化處理發(fā)現(xiàn),CMC含量0.5%、1.0%、1.5%時植物抗拉拔能力最好。

(4) 綜合考慮,CMC含量在0.25%～0.5%之間,植物發(fā)芽率較高、植物根系生長長度適中、根系固土能力也較強、土體的抗剪強度也有所增強,CMC含量0.5%～1.5%時植物抗拉拔能力較好,所以在進行生態(tài)護坡時,CMC含量選擇0.5%時最優(yōu)。