南方高海拔山區(qū)新型無機類生態(tài)穩(wěn)定土壤的耐久性能分析

呂 荔 炫

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院， 福建 福州 350000)

福建省北部高海拔山區(qū)具有夏季高溫、高濕、 輻射，冬季短時凍融頻繁(屬于短時凍區(qū)，凍結(jié)時間在數(shù)小時至數(shù)日)的區(qū)域特性。受征地拆遷困難等原因，公路沿線存在大量高陡殘積土類裸露邊坡(坡度超過1∶0.5)，在上述不利環(huán)境下，每年產(chǎn)生大量坡面淺層剝落現(xiàn)象，嚴重影響公路的運營安全?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)存在一個特殊現(xiàn)象：即在冬春少雨的季節(jié)，仍有大量坡面淺層剝落現(xiàn)象，可見其原因與地區(qū)屬于典型的短時凍區(qū)息息相關(guān)。如福建省武夷山高海拔地區(qū)S303線，沿線33 km共36處土坡出現(xiàn)了冬季短時凍融剝落現(xiàn)象。對于此類邊坡生態(tài)治理，存在以下困難或難點：邊坡的高陡以及特殊的氣候限制了一些傳統(tǒng)掛網(wǎng)客土噴播類等防護形式；植被混凝土技術(shù)雖然適用于高陡邊坡，但存在造價高等問題[1-4]。生態(tài)型穩(wěn)定土技術(shù)由于其無污染、造價低、施工簡便等優(yōu)點，是近年來逐漸新興的邊坡綠化技術(shù)，日益運用廣泛。常見的生態(tài)土壤穩(wěn)定劑類型包括有機類(W-OH、PAM等)、無機類(水泥、石灰等)和離子類(EN-1、ISS等)[5-12]。綠化高陡土質(zhì)邊坡表層，有機類土壤穩(wěn)定劑或是無法有效滲入坡體，或是不能很好與土體較好粘合；傳統(tǒng)無機類土壤穩(wěn)定劑生態(tài)性較差，存在與植被不能很好相容等問題；離子類土壤穩(wěn)定劑存在選擇性較大效果不穩(wěn)定等問題。同時，以上各類穩(wěn)定劑大多適用于西北或長江以北等氣候，對于存在夏季高溫、高濕、高輻射，冬季短時凍融頻繁特殊氣候的福建閩北高海拔地區(qū)是否適宜仍未可知。因此，迫切需要尋求一種適用于本地區(qū)氣候條件高陡邊坡防護的生態(tài)型土壤穩(wěn)定劑。

新型生態(tài)土壤穩(wěn)定劑JCDK-1是一種無機類土壤穩(wěn)定劑[13]，相比于其他化學(xué)類穩(wěn)定劑，具有以下幾個鮮明特點：(1) 可改變土壤團粒結(jié)構(gòu)以提高基質(zhì)附著力，特別適用于殘積砂土類高陡邊坡坡面綠化；(2) 與土壤發(fā)生化學(xué)反應(yīng)快，固化時間短(通常十幾分鐘內(nèi))，固化形成強度高，施工速度快；(3) 提高土壤保水蓄水能力、調(diào)節(jié)土壤pH值以及耐久性強等。雖然JCDK-1具有以上特點，但對于存在夏季高溫、高濕、高輻射，冬季短時凍融頻繁特殊氣候的福建閩北高海拔地區(qū)的適應(yīng)性仍不可知。

鑒于此，本文以福建省閩北地區(qū)典型殘積砂土類邊坡為例，通過室內(nèi)宏細觀試驗以及現(xiàn)場試驗，分析新型無機類生態(tài)穩(wěn)定土壤(JCDK-1穩(wěn)定土)的性能及耐久性能，為新型無機類生態(tài)穩(wěn)定劑在南方高海拔山區(qū)殘積砂土類高陡邊坡的實踐應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗用土

試驗用土取自福建省閩北地區(qū)省道S303線K366+500處殘積砂性土類邊坡，基本物理性質(zhì)如表1、表2所示。

表1 典型殘積土顆粒級配

表2 典型殘積土基本物理性質(zhì)

1.1.2 土壤穩(wěn)定劑

JCDK-1是一種以天然礦物為主原料的綠色環(huán)保土壤改良劑，具有保濕保肥、促進生物生長、防止水土流失以及分解土壤中重金屬等功能。購自北京中通四維公路橋梁技術(shù)咨詢有限責任公司，呈灰色粉末狀(見圖1)，可被土壤微生物分解，不會造成環(huán)境負荷。

圖1 JCDK-1型土壤穩(wěn)定劑

1.2 試驗方案設(shè)計

(1)目X射線粉末衍射(XRD)。采用福州大學(xué)測試中心的荷蘭PANalytical公司的X/Pert3 PRO型X射線粉末衍射儀，本試驗主要用于測試穩(wěn)定土體中所含有的礦物元素[14]。

(2) 無側(cè)限抗壓強度。將JCDK-1土壤穩(wěn)定劑分別按照干土質(zhì)量的0.2%、0.3%、0.4%先與干土均勻拌合后，按照含水率17.5%配制土樣，再均勻拌合，密封靜置12 h后，按照干密度1.56 g/cm3分兩層裝入尺寸為Φ39.1 mm×120 mm的模具內(nèi)進行成型，利用定位圓柱體制作成Φ39.1 mm×80 mm的測試試樣(見圖2)。室內(nèi)自然養(yǎng)護后，利用WDW-10型微機控電子式制式萬能試驗測定穩(wěn)定土體的抗壓強度[15]。

圖2 試樣制作

(3) 紫外線老化。采用兩個ULTRA-VITALUX 230V型號紫外線老化燈(功率為 300 W)連續(xù)照射[16]的方法進行試驗，照射時間分別為1 d、3 d、6 d、9 d、12 d、15 d。照射完畢后對土樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

(4) 凍融循環(huán)。設(shè)置1個凍融循環(huán)為在-15℃凍12 h，然后在+25℃融化12 h[17]。采用全自動低溫凍融試驗機，每3個凍融循環(huán)測試一次抗壓強度，共測試18個循環(huán)。為了防止土樣含水率變化，采用保鮮膜將土樣包裹密實，如圖3所示。凍融后對試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

圖3 凍融循環(huán)試樣

(5) 干濕循環(huán)。設(shè)置1個干濕循環(huán)為放入水中浸泡1 d，放入烘箱50℃下烘1 d。循環(huán)次數(shù)分別為1、2、3、4、5、10、15、20。將試樣兩端分別放置一塊透水石，并用保鮮膜包裹試樣側(cè)邊，使土樣從上下端進水而達到飽和現(xiàn)象[18-19](見圖4)。到達指定循環(huán)次數(shù)后，進行無側(cè)限抗壓強度試驗。

圖4 干濕循環(huán)試樣

(6) 崩解試驗。殘積土具有泡水軟化的特點，進行崩解試驗檢驗穩(wěn)定土體的水穩(wěn)定性[20]。參考《土工試驗規(guī)程》[20](SL 237—1999)，采用簡易的濕化裝置(見圖5)，“1”為量程250 mL的量筒，“2”為10 cm×10 cm的網(wǎng)板，網(wǎng)孔1 cm×1 cm。試驗時，試樣放置于網(wǎng)板中央，勻速放入水槽中，并立即記下量筒穩(wěn)定瞬間的刻度，并記錄刻度穩(wěn)定所用時間，試驗進行30 min結(jié)束，未崩解部分從網(wǎng)板取出后繼續(xù)浸入水中，觀察3 d后試樣的變化。測試未養(yǎng)護(試樣成型)和室內(nèi)自然養(yǎng)護3 d穩(wěn)定土體的水穩(wěn)定性。

(7) 比表面積。采用福州大學(xué)測試中心的美國Micrometric公司的ASAP 2020M[21]，分別測試穩(wěn)定土樣在紫外線老化6 d、15 d，凍融循環(huán)6次、18次，干濕循環(huán)5次、20次后的比表面積。

(8) 掃描電鏡。采用福州大學(xué)測試中心的日本Hitachi公司的S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，分別對經(jīng)過紫外線老化、凍融循環(huán)、干濕循環(huán)后的穩(wěn)定土體進行掃描電鏡測試[15]。

圖5 崩解試驗裝置

2 試驗結(jié)果分析

2.1 XRD測試結(jié)果

圖6為JCDK-1土壤穩(wěn)定劑和穩(wěn)定土樣的XRD圖譜。由圖6可見：

(1) JCDK-1穩(wěn)定劑衍射圖譜中SiO2、鈣鋁氧化物、鈣鋅鋁氧化物等特征衍射峰較明顯，表明穩(wěn)定劑中含有二氧化硅、鈣鋁氧化物、鈣鋅鋁氧化物等天然礦物質(zhì)。

圖6 JCDK-1穩(wěn)定劑和穩(wěn)定土體的X射線粉末衍射圖譜

(2) 穩(wěn)定土樣中SiO2的衍射峰很強，且出現(xiàn)鈣長石CaAl2Si2O8·4H2O的特征衍射峰，表明土壤內(nèi)含有石英、長石等礦物；同時含有較明顯的高嶺石Al2Si2O5(OH)4的衍射峰，是長石和其他硅酸鹽礦物蝕變的產(chǎn)物，而且含有硅酸鈣Ca2SiO4和鋁酸鈣Al2CaO4等礦物質(zhì)是花崗巖的重要成分。由此可知，該土壤主要含有石英、長石、花崗巖等礦物。

(3) 不同摻量的穩(wěn)定土體和素土樣的XRD圖譜中特征衍射峰的位置基本一致，沒有新的衍射峰出現(xiàn)，說明未產(chǎn)生新的礦物，但不同礦物的衍射峰的峰強稍有區(qū)別。

2.2 耐久性試驗結(jié)果

圖7—圖9分別為紫外線老化時間、凍融循環(huán)次數(shù)、干濕循環(huán)次數(shù)與JCDK-1型生態(tài)穩(wěn)定土樣強度的關(guān)系。其中，J-0.2%、J-0.3%、J-0.4%分別表示JCDK-1摻量0.2%、0.3%、0.4%時的穩(wěn)定土樣。

圖7 紫外線老化時間與穩(wěn)定土樣抗壓強度的關(guān)系

圖8 凍融循環(huán)次數(shù)與穩(wěn)定土樣抗壓強度的關(guān)系

圖9 干濕循環(huán)次數(shù)與穩(wěn)定土樣抗壓強度的關(guān)系

由圖7—圖9可知：

(1) 相比較于素土，0.2%、0.3%、0.4%摻量下的JCDK-1穩(wěn)定土樣在三種耐久性(紫外線老化15 d、凍融循環(huán)18次以及干濕循環(huán)20次)試驗后，其抗壓強度依次為：提高了13.81%、12.47%、11.4%；損失了27.67%、26.08%、29.92%；損失了23.33%、20.74%、18.63%。表明穩(wěn)定土抗紫外老化、抗凍融循環(huán)、抗干濕循環(huán)能力良好，且明顯優(yōu)于素土。

(2) JCDK-1型穩(wěn)定土體的抗壓強度隨老化時間的增長而增加直至趨于平穩(wěn)，但隨凍融循環(huán)和干濕循環(huán)次數(shù)的增加，呈現(xiàn)先降低后增長再降低直至趨于平穩(wěn)的趨勢。造成以上原因是紫外線燈光照射后土樣的水分不斷蒸發(fā)而導(dǎo)致其抗壓強度不斷增加；對于凍融和干濕循環(huán)，土樣的強度變化主要受兩個因素控制：穩(wěn)定土體強度隨齡期的增加以及凍融和干濕循環(huán)導(dǎo)致土體的損傷，不同時期兩者對于強度的貢獻不同，因而導(dǎo)致土樣的強度隨時間/次數(shù)的不同不斷變化。如在凍融和干濕循環(huán)初期，前者因素小于后者因素，因而穩(wěn)定土強度呈現(xiàn)下降趨勢；隨著時間/次數(shù)增加，前者因素占主導(dǎo)地位，導(dǎo)致穩(wěn)定土強度呈現(xiàn)上升趨勢；當時間/次數(shù)不斷增加，后者因素再次占主導(dǎo)地位，穩(wěn)定土強度再次下降直至趨于平穩(wěn)。紫外老化6 d、凍融循環(huán)12次、干濕循環(huán)10次后土樣強度趨于穩(wěn)定。

2.3 崩解試驗結(jié)果

表3為穩(wěn)定土體的崩解情況。由表3可知：JCDK-1穩(wěn)定土體的水穩(wěn)性隨著穩(wěn)定劑摻量的增加而增強，且明顯優(yōu)于素土。如JCDK-1穩(wěn)定劑摻量為0.2%、0.3%、0.4%時，崩解時長分別增長1.70倍、3.43倍、4.10倍。養(yǎng)護3 d后的穩(wěn)定土體的崩解速度更快，其崩解時間分別為JCDK-1穩(wěn)定土體未養(yǎng)護時的89%、67%、86%。原因是自然養(yǎng)護過程中水分散失，造成試樣飽和度下降，使其崩解速度加快。

2.4 比表面積測試結(jié)果

表4為JCDK-1型穩(wěn)定劑摻量為0.3%時，三種耐久性試驗后穩(wěn)定土體比表面積的測試結(jié)果。

表3 穩(wěn)定土體崩解試驗結(jié)果

表4 耐久性試驗后各穩(wěn)定土體比表面積的結(jié)果匯總 單位：m2/g

由表4可知：穩(wěn)定土體的比表面積基本上隨著各種耐久性試驗的時間/次數(shù)增長而增大，且變化量均集中在前期。其中，相較于紫外線老化和凍融循環(huán)，干濕循環(huán)對穩(wěn)定土體比表面積影響較大。

2.5 掃描電鏡測試結(jié)果

圖10為JCDK-1型穩(wěn)定劑摻量為0.3%時，三種耐久性試驗后穩(wěn)定土體的掃描電鏡圖。

圖10 JCDK-1摻量為0.3%時穩(wěn)定土體的掃描電鏡圖

由試驗結(jié)果可知，JCDK-1穩(wěn)定土體的土顆粒排列非常緊密，密實性好，土顆粒間形成一個整體。紫外線老化和干濕循環(huán)對JCDK-1穩(wěn)定土體的形貌影響很小，而凍融循環(huán)后土樣的形貌產(chǎn)生了較大變化，呈鱗片狀。

2.6 與其他穩(wěn)定劑穩(wěn)定土體耐久性試驗結(jié)果對比

表5為有機類穩(wěn)定劑PAM、離子類穩(wěn)定劑EN-1進行同樣耐久性試驗的結(jié)果。

從表5可得，JCDK-1、PAM、EN-1穩(wěn)定土體紫外線老化后較素土強度分別平均提高了20.33%、38.33%、13%；凍融循環(huán)分別平均損失了170%、258.33%、206%；干濕循環(huán)分別平均損失了67.67%、108.67%、59%。由此可得，有機物類PAM穩(wěn)定土體雖然表現(xiàn)出較好的抗干濕循環(huán)和崩解能力，但是抗紫外線老化能力較弱；離子類EN-1穩(wěn)定土體在強度提高方面表現(xiàn)一般，且抗崩解能力最差。綜合抗凍融、干濕、老化等耐久性方面考慮，JCDK-1穩(wěn)定土體效果最好。

表5 PAM、EN-1穩(wěn)定土體的耐久性試驗結(jié)果

3 現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場試驗點位于福建省閩北境內(nèi)省道S303線K366+500處邊坡，該處屬于高海拔地區(qū)(海拔約1 400 m)，具有夏季濕熱而凍季凍融頻繁的特征(年降雨約2 430.9 mm，夏季極端高溫41℃左右，冬季有多達18次以上短時凍融循環(huán)，最低溫達-8℃)。邊坡坡度為1∶0.75，淺層溜坡、水土流失嚴重(見圖11(a))。試驗面積約200 m2，材料為草種、肥料、土壤、水、JCDK-1土壤穩(wěn)定劑等，采用液壓噴射法進行現(xiàn)場施工，施工步驟為坡面整平→掛鍍鋅鐵絲網(wǎng)→噴灑第一層種植基層(2 cm～3 cm)→噴灑第二層種植基層(2 cm～3 cm)→噴灑第三層種植基層(3 cm～4 cm)→養(yǎng)護。本次試驗為2016年4月施工完成。圖11為JCDK-1型穩(wěn)定劑護坡施工前和施工后對比。

圖11 JCDK-1穩(wěn)定劑護坡現(xiàn)場效果

由圖11可見，經(jīng)歷一個濕熱季和一個短時凍季后，JCDK-1穩(wěn)定邊坡植被生長旺盛，植被覆蓋率很高，且坡底溜土非常少。說明噴播JCDK-1型穩(wěn)定劑后的邊坡保水、保肥效果良好，表現(xiàn)出良好的生態(tài)性，可有效防止大雨沖刷造成邊坡表層沖溝、溜坡等災(zāi)害以及短時凍融循環(huán)誘發(fā)邊坡淺層剝落。

4 結(jié) 論

(1) JCDK-1為含有二氧化硅、鈣鋁氧化物、鈣鋅鋁氧化物等天然礦物質(zhì)的無機類土壤穩(wěn)定劑，不含有害礦物質(zhì)，且穩(wěn)定土體中沒有新的礦物產(chǎn)生。

(2) 不同JCDK-1摻量下穩(wěn)定土體的抗壓強度分別在紫外線老化6 d、凍融循環(huán)12次、干濕循環(huán)10次后趨于穩(wěn)定，其中紫外線老化強度增長11%以上，凍融循環(huán)強度保留率76%，干濕循環(huán)強度保留率75%以上，顯示出良好的耐久性性能。

(3) JCDK-1穩(wěn)定土體的水穩(wěn)性隨著穩(wěn)定劑摻量的增加而增強，崩解時長增長1.70倍以上，明顯優(yōu)于素土，可有效改善殘積土易崩解的缺點。

(4) 穩(wěn)定土體的比表面積基本上隨著各種耐久性試驗的時間/次數(shù)增長而增大，干濕循環(huán)對穩(wěn)定土體比表面積影響較大。紫外線老化和干濕循環(huán)對JCDK-1穩(wěn)定土體的形貌影響很小，而凍融循環(huán)后土樣的形貌產(chǎn)生了較大變化，呈鱗片狀。

(5) 綜合抗凍融、干濕、老化等耐久性方面考慮，JCDK-1穩(wěn)定劑比EN-1型、PAM型穩(wěn)定劑固土效果更好?，F(xiàn)場試驗表明噴播JCDK-1型穩(wěn)定劑表現(xiàn)出良好的生態(tài)性，能有效地滿足南方高海拔山區(qū)夏季高溫、高輻射、高濕度，冬季凍融頻繁等氣候特點。