纖維含量對植被混凝土抗崩解性能的影響研究

蔣必鳳，凌 毅，王浩屹，梁安銘

(1.三亞學(xué)院，海南 三亞 572022；2.海南陽光鑫海發(fā)展有限公司，海南 三亞 572000)

在鐵路、隧道、公路、水利、電力、采礦等基礎(chǔ)工程建設(shè)中常常伴隨著大量的邊坡開挖，從而形成大量裸露的山體坡面，不僅會(huì)使景觀不協(xié)調(diào)，還會(huì)導(dǎo)致水土流失，甚至產(chǎn)生山體滑坡和泥石流等自然災(zāi)害，威脅人類安全[1-2]。如采用錨噴支護(hù)、框格梁、漿砌片石等方式，雖能保持邊坡的穩(wěn)定，但是這些護(hù)坡方式的生態(tài)環(huán)境效益較差。目前常采用的邊坡生態(tài)防護(hù)技術(shù)有植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)、厚層基材植被護(hù)坡技術(shù)、三維植被固土護(hù)坡技術(shù)等，這些集邊坡防護(hù)與生態(tài)治理保護(hù)于一體的生態(tài)修復(fù)技術(shù)越來越受到青睞。

植被混凝土技術(shù)是一種應(yīng)用較廣的生態(tài)護(hù)坡技術(shù)，是農(nóng)學(xué)、力學(xué)、水文地理學(xué)、風(fēng)景園林學(xué)、生態(tài)工程學(xué)等許多學(xué)科相互融會(huì)貫通的結(jié)合，以低成本、高收益為核心，對裸露巖土進(jìn)行修復(fù)，營造一種可持續(xù)發(fā)展的生態(tài)平衡系統(tǒng)，從而達(dá)到保持水土、美觀綠化的作用。相關(guān)學(xué)者對植被混凝土進(jìn)行了研究，張博等[3]研究了不同水泥摻量對植被混凝土基材崩解的影響；許文年等[4]研究了植被混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)方法和過程，并研究了水泥摻入比和齡期對無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響；李燦等[5-7]研究了地形和降雨因素對植被混凝土邊坡侵蝕量的影響并進(jìn)行了不同沖刷模型對邊坡的沖刷對比研究；楊奇等[8]選取不同水泥含量的植被混凝土進(jìn)行了抗雨水沖刷試驗(yàn)研究。植被混凝土護(hù)坡前期，植被還沒有完全長成且根系不發(fā)達(dá)，如果能在植被混凝土中添加纖維代替植被根系抵抗雨水沖刷，將提高植被混凝土的護(hù)坡效果。

1 植被混凝土崩解機(jī)理

崩解試驗(yàn)又叫濕化試驗(yàn)，是指試樣在靜水中發(fā)生分解、碎裂、塌落或者強(qiáng)度減小的現(xiàn)象[3]。崩解試驗(yàn)是研究土壤侵蝕的方法之一，經(jīng)常采用崩解量、崩解速率等指標(biāo)來衡量土體的抗崩解性能。

植被混凝土是水泥與土壤之間發(fā)生反應(yīng)后產(chǎn)生的一種新化合物，這種物質(zhì)不同于單純土體的性質(zhì)，土壤在植被混凝土中起骨架作用，水泥起膠凝作用。植被混凝土的崩解機(jī)理與土壤崩解機(jī)理基本一樣[4]。

土壤的崩解過程具有明顯的階段性，分為三個(gè)階段。在第一階段浸濕過程中，試樣中有較多氣泡溢出，依附在試樣表面及較大孔隙表面的一部分土壤顆粒以單粒狀形式開始崩離母體；第二階段是試樣的軟化階段，崩解主要發(fā)生在微孔隙中，土壤顆粒在氣泡的推動(dòng)下或膨脹力的作用下崩裂而脫離母體，此時(shí)在浸水面上仍伴有崩離現(xiàn)象發(fā)生；第三階段試樣浸水面已完全被水充滿，被充分浸潤軟化，試樣開始出現(xiàn)一些呈黏塑狀態(tài)的塊體并以塌落的形式與母體發(fā)生解離[3,9]。

2 試樣制備與試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

本崩解試驗(yàn)所用土壤來自野外采集的海南常見的紅黏土，用直徑2 mm篩進(jìn)行篩分后用鼓風(fēng)干燥機(jī)連續(xù)烘干24 h；試驗(yàn)用水采用一般的自來水；水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥；試驗(yàn)用纖維采用海南椰殼纖維，屬椰工業(yè)加工的副產(chǎn)品，纖維自然風(fēng)干后進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)儀器

目前，國內(nèi)有很多學(xué)者在崩解方面做了相關(guān)的研究，在試驗(yàn)儀器制作方面也各有不同，但大多數(shù)崩解儀器都是在蔣定生設(shè)計(jì)的土壤崩解儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)。本試驗(yàn)也參照蔣定生崩解試驗(yàn)儀器，采用JY5001型電子靜水天平，自制孔大小為1 cm×1 cm的方格網(wǎng)進(jìn)行崩解試驗(yàn)。儀器如圖1所示。

圖1 崩解試驗(yàn)儀器

2.3 試樣制作

本崩解試驗(yàn)采用100 cm3的環(huán)刀進(jìn)行試樣制作，環(huán)刀直徑為50.46 mm，高度為50 mm。首先稱取160 g干土、6.4 g水泥，椰纖維含量設(shè)計(jì)為0(不添加)和分別為干土質(zhì)量的1‰(0.16 g)、2‰(0.32 g)、3‰(0.48 g)、5‰(0.80 g)、7‰(1.12 g)共6種水平，然后加水32 g，將所有材料分別進(jìn)行混合，將椰纖維均勻地分散在水泥土中，利用環(huán)刀制作成100 cm3的試樣，每一配合比設(shè)計(jì)3個(gè)平行試樣，進(jìn)行崩解試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)方法

參照土工試驗(yàn)規(guī)范相關(guān)要求進(jìn)行崩解試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟具體如下：①按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求制作好試樣，放在鋁盒中；②調(diào)整好天平儀器，懸掛好方格網(wǎng)，并在桶中加入水，每組試驗(yàn)用水量保持相同；③將制作好的試樣馬上放置在方格網(wǎng)中央，保持方格網(wǎng)水平，立即記錄試樣在水中的天平讀數(shù)，即崩解時(shí)間為0時(shí)刻的讀數(shù)，并開始記錄崩解時(shí)間；④以分鐘為單位，記錄崩解0、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30 min時(shí)天平的讀數(shù)，并觀察試樣在水中的崩解情況；⑤試驗(yàn)結(jié)束后，整理試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算土體在每一個(gè)讀數(shù)時(shí)刻的累計(jì)崩解百分比和崩解速率，計(jì)算公式為

(1)

(2)

上二式中：Bt為試樣在t時(shí)刻的累計(jì)崩解百分比，%；Dt為試樣崩解時(shí)靜水天平在t時(shí)刻顯示的實(shí)時(shí)讀數(shù)，g；D0為試樣在放入水中時(shí)靜水天平顯示的初始度數(shù)，g；Dt-1為試樣崩解時(shí)靜水天平在t時(shí)刻的前一時(shí)刻顯示的讀數(shù)，g；Vt為t時(shí)刻崩解速率，即試樣在單位時(shí)間內(nèi)崩解的體積，cm3/min；s為t時(shí)刻與前一時(shí)刻的間隔時(shí)間，min。

3 試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)試樣放入清水中，試樣周圍開始產(chǎn)生渾濁，有一定量的氣泡冒出，試樣表面松散的土體開始脫落。之后水開始慢慢通過表面孔隙滲透到試樣內(nèi)部，在水的作用下，土體開始發(fā)生崩解，剛開始的崩解速率相對較慢，然后慢慢開始加快，在崩解過程中，會(huì)出現(xiàn)突然崩落一大塊的現(xiàn)象。當(dāng)試樣表面土體崩落后，試樣中的纖維露出，纖維的張拉纏繞對試樣的崩解具有較強(qiáng)的抑制作用。隨著時(shí)間延長，水泥凝結(jié)硬化，試樣的崩解量幾乎保持在一個(gè)水平不變。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 纖維含量對試樣崩解速率的影響

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同纖維含量試樣的崩解速率曲線(圖2)。由圖2可知，纖維含量為0和7‰的試樣崩解速率曲線較為相似，均在8 min和20 min時(shí)出現(xiàn)峰值，20 min以后崩解速率降低。纖維含量為0的試樣，由于沒有纖維的作用，30 min后仍然在發(fā)生崩解，直至最終試樣全部崩解；而纖維含量為7‰的試樣，由于纖維的作用，30 min時(shí)崩解速率降低為0。

圖2 不同纖維含量的試樣崩解速率

纖維含量為1‰、2‰和3‰的試樣崩解速率曲線較為相似，在7～15 min之間出現(xiàn)崩解速率的峰值，之后逐漸降低，30 min后崩解速率已經(jīng)非常低，其中纖維含量為3‰的試樣在30 min時(shí)崩解速率降低為0。

纖維含量為5‰的試樣崩解速率在7 min左右出現(xiàn)最高峰值，之后雖然在9 min和15 min又出現(xiàn)小峰值，但從整體上看，試樣的崩解速率呈下降趨勢，25 min時(shí)試樣崩解速率降低為0。

3.2.2 纖維含量對試樣累計(jì)崩解百分比的影響

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，不同纖維含量試樣的最終累計(jì)崩解百分比見表1，不同纖維含量的試樣隨時(shí)間變化的崩解累計(jì)百分比見圖3。

表1 不同纖維含量試樣的最終累計(jì)崩解百分比

圖3 不同纖維含量試樣的累計(jì)崩解百分比

根據(jù)表1可知，隨著纖維含量的增加，試樣的最終累計(jì)崩解百分比呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢。當(dāng)不添加纖維時(shí)，在30 min內(nèi)試樣發(fā)生了全部崩解，而添加少量的纖維便能提高試樣的抗崩解能力。當(dāng)纖維含量為1‰時(shí)，試樣的最終累計(jì)崩解百分比降低到65.85%；當(dāng)纖維含量為3‰時(shí)，試樣的最終累計(jì)崩解百分比降到最低，只有54.38%，減少了近一半的崩解量；當(dāng)纖維含量為5‰時(shí)，最終累計(jì)崩解百分比較纖維含量為3‰時(shí)有一定量的增加，但增加不多；當(dāng)纖維含量為7‰時(shí)，最終累計(jì)崩解百分比增加較多，達(dá)到了87.97%。

根據(jù)圖3可知，不添加纖維的試樣一開始崩解量較小，比添加纖維的試樣崩解量低，但20 min之后，由于沒有纖維的纏繞作用，崩解量增加較多，并一直持續(xù)上升，直至全部崩解。而添加纖維的試樣，在含水率相同時(shí)，因?yàn)槔w維會(huì)吸收一定的水分，且添加纖維后試樣的密實(shí)度降低，所以前期的崩解量較不添加纖維的試樣增多，但是當(dāng)試樣在水中慢慢吸水飽和后，纖維的交織作用及水泥的凝結(jié)硬化作用使試樣的崩解速度慢慢降低，累計(jì)崩解百分比保持在一定水平不變，最終其崩解量低于不含纖維的混凝土試樣。

4 結(jié) 論

(1)椰纖維的添加對植被混凝土的崩解具有較為明顯的影響，當(dāng)添加一定量的椰纖維時(shí)，纖維在混凝土體中交織形成網(wǎng)狀，抵抗水對試樣的沖蝕，提高了土體的穩(wěn)定性，對試樣的崩解有顯著的抑制作用。根據(jù)試驗(yàn)可知，少量的纖維含量便能顯著提高混凝土的抗崩解性能，隨著纖維含量增加，植被混凝土抗崩解能力先增加后降低，但抗崩解能力均高于不添加椰纖維的混凝土。

(2)添加椰纖維的植被混凝土試樣剛置于水中時(shí)，試樣崩解速率相對較低，隨著水慢慢滲入試樣內(nèi)部，崩解速率逐漸提高，一般會(huì)在7 min及以后出現(xiàn)崩解速率的峰值，最后崩解速率趨近于0。

在植被混凝土中添加椰纖維，提高了植被混凝土的強(qiáng)度和保水性能、植生性能、抗沖蝕性能，將其用于護(hù)坡工程時(shí)，在植被沒有成型且根系較弱的前期，椰纖維可以代替植物根系增強(qiáng)坡面土體的穩(wěn)定性，減輕雨水對坡面的沖蝕，減少水土流失，同時(shí)兼具保溫保濕的功能。隨著時(shí)間的推移，椰纖維在土體中慢慢腐爛，還能為植被的生長提供養(yǎng)分。該材料對環(huán)境沒有污染，是可應(yīng)用于植被混凝土中的一種良好添加劑。