劉大翔,李少麗,許文年,程尊蘭

(1.中國(guó)科學(xué)院?水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所山地災(zāi)害與地表過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610041;2.中國(guó)科學(xué)院研究生院,北京 100049;3.三峽大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 宜昌 443002)

水電建設(shè)工程擾動(dòng)區(qū)的生態(tài)修復(fù)是環(huán)境保護(hù)的重要內(nèi)容,從地形地貌的角度看,擾動(dòng)區(qū)可分為平地和邊坡兩大類(lèi)型。針對(duì)平地的生態(tài)修復(fù),可參考城市綠地工程,目前國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)理論均很成熟;但擾動(dòng)區(qū)內(nèi)邊坡(開(kāi)挖邊坡、棄渣地、消落帶等)的生態(tài)修復(fù)在我國(guó)尚處于發(fā)展的初期階段,應(yīng)用較多的典型技術(shù)有植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)[1-2]、厚層基材噴射技術(shù)[3]、液壓噴播植草技術(shù)[4]等。上述技術(shù)的核心是基材,因此基材特性一直是研究重點(diǎn)和技術(shù)瓶頸。

植被混凝土是把水泥、土、有機(jī)質(zhì)、植被混凝土綠化添加劑(專(zhuān)利產(chǎn)品)、混合植綠種子按特定的組成比例,并添加一定量的水充分?jǐn)嚢韬笮纬傻幕旌衔?用于邊坡生態(tài)防護(hù)工程。實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn),植物根系大多集中在表層,其原因主要是植被混凝土孔隙率較低,導(dǎo)致根系難以深入。為改善此狀況,可在植被混凝土中增加有機(jī)質(zhì),因?yàn)橛袡C(jī)質(zhì)自身是疏松的多孔體,同時(shí)又能形成可改良土壤結(jié)構(gòu)的團(tuán)聚體膠結(jié)劑[5-6]。但有機(jī)質(zhì)配比與基材強(qiáng)度成反比,因此需分別研究有機(jī)質(zhì)對(duì)植被混凝土孔隙率和力學(xué)性能的影響,進(jìn)而得到有機(jī)質(zhì)的合理類(lèi)型與配比,此舉可進(jìn)一步完善植被混凝土的技術(shù)體系,對(duì)水電工程擾動(dòng)區(qū)生態(tài)環(huán)境重建具有積極意義。

本研究在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)研究4種常見(jiàn)的富含有機(jī)質(zhì)材料(稻殼、鋸末、玉米酒糟、稻谷酒糟)在不同摻入量條件下,分別對(duì)植被混凝土孔隙率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,以期獲得植被混凝土有機(jī)質(zhì)合理類(lèi)型和配比。為方便起見(jiàn),文中對(duì)富含有機(jī)質(zhì)的材料簡(jiǎn)稱(chēng)為有機(jī)質(zhì)。

1 試樣制作與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制作

生態(tài)護(hù)坡工程實(shí)施過(guò)程中,原材料在滿足性能要求的前提下應(yīng)價(jià)格低廉、來(lái)源廣泛。經(jīng)綜合考慮,選取了稻殼、鋸末和釀酒后的下腳料——酒糟(玉米酒糟和稻谷酒糟)共4種材料作為試驗(yàn)用有機(jī)質(zhì)。4種有機(jī)質(zhì)在使用前均經(jīng)過(guò)干燥處理。

試驗(yàn)所用植被混凝土試樣配比(質(zhì)量比,以干土質(zhì)量為計(jì)算基數(shù))如下:水泥質(zhì)量為干土質(zhì)量的8%;植被混凝土綠化添加劑質(zhì)量為干土質(zhì)量的4%;有機(jī)質(zhì)配比變化梯度則依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì),分別為干土質(zhì)量的3%,5%,7%,9%,11%;水質(zhì)量為干土質(zhì)量的30%。各材料特性如下:植生土為黏土,干密度為1.71 g/cm3,天然含水率為25.3%,塑限為22.5%,液限為 40.4%,內(nèi)摩擦角為 14°,黏聚力為18 kPa;水泥為宜昌華新水泥廠生產(chǎn)的32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;植被混凝土綠化添加劑為宜昌綠野環(huán)保工程有限公司添加劑廠生產(chǎn)的專(zhuān)利產(chǎn)品LY-2型混凝土綠化添加劑;稻殼取自宜昌市西陵區(qū)維民米廠,厚度14～30μm;鋸末為宜昌市夜明珠木材加工廠生產(chǎn)的松木鋸末;酒糟為宜昌稻花香釀酒廠釀酒后剩余的含可溶物干玉米酒糟和稻谷酒糟;水為自來(lái)水。

孔隙率試驗(yàn)試樣尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣尺寸為150mm×150mm×150mm,試樣制作以實(shí)際工程中植被混凝土的密度為控制標(biāo)準(zhǔn),合格試樣的密度應(yīng)為1.55～1.70g/cm3。每組試樣均含兩個(gè)重復(fù)樣,養(yǎng)護(hù)齡期為7d。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 孔隙率試驗(yàn)方法

由于植被混凝土是由多種材料混合而成的,普通土壤的孔隙率測(cè)試方法不適用于植被混凝土孔隙率的測(cè)試,通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn),最終參考普通混凝土孔隙率的測(cè)定方法來(lái)測(cè)試植被混凝土的總孔隙率和連通孔隙率[7]。物體內(nèi)相互連通的微小空隙的總體積與該物體的外表體積的比值稱(chēng)連通孔隙率或有效孔隙率;物體內(nèi)相通的和不相通的所有微小空隙的總體積與該物體的外表體積的比值稱(chēng)總孔隙率或絕對(duì)孔隙率。

1.2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法

植被混凝土與土木工程中常用的水泥土存在許多相似點(diǎn)[8]:①土和水泥均是二者的主要材料,且水泥含量接近,水泥土中水泥質(zhì)量為土的10%左右,植被混凝土中水泥質(zhì)量為土的6%～8%;②都將混合物充分?jǐn)嚢韬笤偌右詰?yīng)用;③二者的力學(xué)性能均與水泥摻入比、養(yǎng)護(hù)齡期和土質(zhì)密切相關(guān)。因此,在國(guó)內(nèi)外無(wú)相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的情況下,參考土工試驗(yàn)及混凝土試驗(yàn)等相關(guān)規(guī)程,對(duì)植被混凝土開(kāi)展試驗(yàn)研究是可行和必要的。綜合其他關(guān)于水泥土試驗(yàn)文獻(xiàn)所用的參考規(guī)范,試驗(yàn)的參考依據(jù)有SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》、GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和《建筑工程常用材料試驗(yàn)手冊(cè)》[9]。

試驗(yàn)所用儀器為濟(jì)南試金集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的WAW-Y1000C型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)。加載采用控制行程的方式,試樣加載速率為0.6～1.2mm/min,但每組試樣加載速率一致。

2 孔隙率試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 總孔隙率與連通孔隙率間的聯(lián)系

各試樣孔隙率與配比間的關(guān)系見(jiàn)圖1,可見(jiàn)總孔隙率P1與連通孔隙率 P2隨有機(jī)質(zhì)配比變化的趨勢(shì)線基本保持平行,即同種有機(jī)質(zhì)條件下,二者間的差值為定值。此定值也可通過(guò)理論分析得出。

圖1 孔隙率隨有機(jī)質(zhì)配比變化

文獻(xiàn)[7]中提供的總孔隙率P1計(jì)算公式和連通孔隙率P2計(jì)算公式分別為

式中:W1為試樣在水中浸泡24h后在水中稱(chēng)得的質(zhì)量;W2為試樣烘干至恒重后在空氣中稱(chēng)取的質(zhì)量;W3為試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下放置24h后在空氣中稱(chēng)得的質(zhì)量;V為試樣總體積;V內(nèi)為試樣內(nèi)部孔隙體積;ρ水為水在 4℃時(shí)的密度。因 V內(nèi),V和ρ水均為定值,所以P1-P2是定值,說(shuō)明理論分析和試驗(yàn)結(jié)果一致。

2.2 總孔隙率分析

圖1中稻殼試樣孔隙率隨配比單調(diào)遞增,且遞增的速度逐步減小;鋸末試樣孔隙率總體上隨鋸末配比的增加而單調(diào)遞增,當(dāng)配比在7%～9%之間時(shí)基本保持不變;玉米酒糟試樣隨有機(jī)質(zhì)配比變化的趨勢(shì)線接近于直線;稻谷酒糟試樣變化規(guī)律與鋸末試樣相似。

總孔隙率是植被混凝土中連通與非連通的孔隙率之和,植物根系生長(zhǎng)不僅穿過(guò)連通孔隙,而且會(huì)打通非連通孔隙,總孔隙率大小對(duì)植被根系的生長(zhǎng)起著重要作用。同時(shí)前文的理論與試驗(yàn)分析表明總孔隙率與連通孔隙率間差值為定值,因此此處研究?jī)H針對(duì)總孔隙率。

玉米酒糟試樣孔隙率一直最高,說(shuō)明在有機(jī)質(zhì)配比相同的情況下,其對(duì)基材總孔隙率的貢獻(xiàn)最大。觀察有機(jī)質(zhì)配比由3%提高到11%時(shí)總孔隙率的增幅,發(fā)現(xiàn)增幅由大至小依次為:稻殼試樣、稻谷酒糟試樣、鋸末試樣、玉米酒糟試樣。雖然一開(kāi)始稻殼對(duì)植被混凝土總孔隙率的影響最小,但其增幅最大;而一開(kāi)始玉米酒糟對(duì)植被混凝土總孔隙率的影響最大,但其增幅最小。有機(jī)質(zhì)配比為3%時(shí),4種有機(jī)質(zhì)對(duì)應(yīng)的植被混凝土總孔隙率之間的差值較大,但配比達(dá)到11%時(shí),4者間的差值明顯縮小。

所有試樣當(dāng)有機(jī)質(zhì)配比從3%增加到5%時(shí),總孔隙率增量最大。隨著有機(jī)質(zhì)配比的增加,總孔隙率增量總體上呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì),說(shuō)明配比較小時(shí),有機(jī)質(zhì)對(duì)孔隙率的影響較大。比較4種不同有機(jī)質(zhì)試樣,稻谷酒糟試樣的總孔隙率前期增幅最大,達(dá)到10.35%;玉米酒糟試樣增幅最小,總孔隙率增量?jī)H為3.40%。

3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有機(jī)質(zhì)配比對(duì)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

由表1可知,玉米酒糟試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度明顯低于其他3種試樣,原因是在試樣制作過(guò)程中摻入的是曬干后的玉米酒糟,在試樣養(yǎng)護(hù)過(guò)程中玉米酒糟吸水膨脹,使試樣內(nèi)部產(chǎn)生很多細(xì)小裂紋,降低了其強(qiáng)度。隨有機(jī)質(zhì)配比的增加,稻殼試樣、鋸末試樣、稻谷酒糟試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均逐漸降低。有機(jī)質(zhì)配比由3%增加到5%時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低緩慢;而有機(jī)質(zhì)配比達(dá)到5%后,降低速度加快。由以上分析可知,配比較小時(shí),有機(jī)質(zhì)對(duì)試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響較小。

表1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中各試樣峰值應(yīng)力

對(duì)稻殼試樣、鋸末試樣、稻谷酒糟試樣在不同有機(jī)質(zhì)配比情況下的強(qiáng)度進(jìn)行分析,其強(qiáng)度比值q11%/q3%分別為0.509,0.630,0.581,即鋸末試樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低速度較慢,稻谷酒糟試樣次之,稻殼試樣降低速度最快。當(dāng)有機(jī)質(zhì)配比為11%時(shí),鋸末試樣的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍超過(guò)0.3MPa,基本能滿足植被護(hù)坡要求。

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變分析

圖2 有機(jī)質(zhì)配比為9%時(shí)4種試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

選取有機(jī)質(zhì)配比為9%時(shí)各試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線進(jìn)行分析。由圖2(圖中3條曲線表示同組試樣中3個(gè)平行試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系)可知,一些試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線在初始階段都呈波浪線狀態(tài),在于試樣表面與試驗(yàn)機(jī)未完全接觸,受力不均,系統(tǒng)處于調(diào)整階段,待調(diào)整完畢,試樣受力均勻以后,曲線就變得平滑。而玉米酒糟試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線幾乎全為波浪狀,而非平滑曲線,主要原因在于玉米酒糟試樣在測(cè)試之前內(nèi)部已經(jīng)存在很多細(xì)小裂紋,加載過(guò)程困難。

植被混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線與普通混凝土類(lèi)似,即有脆性材料的性質(zhì)[9]。植被混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程根據(jù)應(yīng)力的大小,可分成5個(gè)階段。階段Ⅰ,由于試樣表面不完全平整,不能與儀器完全接觸,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線有一個(gè)自動(dòng)調(diào)整的階段;階段Ⅱ,當(dāng)調(diào)整平整后,應(yīng)力介于(30%～70%)σmax之間時(shí),應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于線性上升,此時(shí)植被混凝土處于彈性階段,彈性變形是主要變形,同時(shí)伴隨極小的塑性變形,主要是局部拉應(yīng)力引發(fā)了極少的新生微裂縫;階段Ⅲ,當(dāng)應(yīng)力介于-(70%～90%)σmax之間時(shí),應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線曲率變小;階段Ⅳ,應(yīng)力繼續(xù)增大達(dá)到峰值后,植被混凝土承載能力急劇下降,新生裂縫范圍與深度迅速擴(kuò)大;階段Ⅴ,根據(jù)水泥土與普通混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律,應(yīng)變繼續(xù)增長(zhǎng),試樣將依靠摩擦力抵抗殘余應(yīng)力。

由于幾組試樣的變化規(guī)律相似,因此選擇鋸末試樣分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線隨有機(jī)質(zhì)配比增加的變化規(guī)律。由圖3可知,隨著有機(jī)質(zhì)配比的增加,曲線初始直線段的斜率減小,彈性模量減小,所達(dá)到的峰值應(yīng)力也逐漸減小,應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)的應(yīng)變逐漸增加,說(shuō)明植被混凝土隨著有機(jī)質(zhì)配比的增加脆性逐漸減弱。

圖3 不同配比鋸末試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

4 有機(jī)質(zhì)類(lèi)型與配比的合理選取

據(jù)鄭碧仿等[10]的研究,最適宜植物生長(zhǎng)的典型土壤的三相分布應(yīng)為:土壤中固體部分約占土壤總體積的1/2,水分和空氣各約占1/4,且土壤固體中礦物質(zhì)占固相總量95%,有機(jī)質(zhì)占5%。但周德培等[11]通過(guò)對(duì)厚層基材的研究,認(rèn)為大部分生態(tài)基材的三相分布并不滿足以上條件,但植物仍生長(zhǎng)良好。通過(guò)有機(jī)質(zhì)對(duì)植被混凝土孔隙率的影響試驗(yàn),以及植被混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),可以得出植被混凝土的孔隙率和強(qiáng)度是成反比的,即有機(jī)質(zhì)配比增加,孔隙率增加,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度降低。因此可綜合考慮雙方面因素,在滿足強(qiáng)度要求的前提下盡量增大基材孔隙率,得出植被混凝土有機(jī)質(zhì)較為合理的配比范圍為7%～9%,在此范圍內(nèi),植被混凝土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.34 MPa。根據(jù)已有研究成果[12],認(rèn)為植被混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于0.3MPa,就能滿足大部分邊坡的強(qiáng)度及抗沖刷要求;同時(shí),此配比范圍內(nèi)的植被混凝土總孔隙率在39.55%～44.65%之間,連通孔隙率在-36.15%～41.00%之間,而生態(tài)防護(hù)基材孔隙率在30%～44%之間,植物就能較好生長(zhǎng)?？梢?jiàn),此配比既能令基材滿足力學(xué)性能要求,同時(shí)又能形成植被生長(zhǎng)所需的物理結(jié)構(gòu),達(dá)到了試驗(yàn)預(yù)期目的。需要說(shuō)明的是,在生態(tài)防護(hù)工程實(shí)施中,有機(jī)質(zhì)配比還需根據(jù)實(shí)際情況而定,當(dāng)坡度較緩時(shí)可適當(dāng)增加摻入量;當(dāng)所選土壤有機(jī)質(zhì)含量較高時(shí),可適當(dāng)降低摻入量。

5 結(jié) 論

a.植被混凝土孔隙率隨有機(jī)質(zhì)配比增加而增加,但其增幅隨有機(jī)質(zhì)配比增加逐漸減小,總孔隙率與連通孔隙率的差值為定值。

b.隨著有機(jī)質(zhì)配比的增加,植被混凝土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度逐漸下降,且降低速度加快。

c.鋸末試樣在強(qiáng)度試驗(yàn)中表現(xiàn)最好,當(dāng)有機(jī)質(zhì)配比為11%時(shí),其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍超過(guò)0.3MPa,基本能滿足植被護(hù)坡要求。

d.玉米酒糟試樣的總孔隙率和連通孔隙率明顯高于其他3種試樣,而無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度卻相反,因此大粒徑材料不宜作為植被混凝土的有機(jī)質(zhì),若選擇用大粒徑有機(jī)質(zhì),應(yīng)將其充分磨碎,以免大粒徑有機(jī)質(zhì)使生態(tài)防護(hù)基材產(chǎn)生裂紋,使基材力學(xué)性能顯著降低。

e.綜合有機(jī)質(zhì)對(duì)植被混凝土孔隙率及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響,得出植被混凝土有機(jī)質(zhì)合理配比范圍為7%～9%。

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