植被混凝土有机质类型与配比的合理选取

刘大翔,李少丽,许文年,程尊兰

(1.中国科学院◦水利部成都山地灾害与环境研究所山地灾害与地表过程重点实验室,四川 成都 610041;2.中国科学院研究生院,北京 100049;3.三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室,湖北 宜昌 443002)

水电建设工程扰动区的生态修复是环境保护的重要内容,从地形地貌的角度看,扰动区可分为平地和边坡两大类型。针对平地的生态修复,可参考城市绿地工程,目前国内相关技术理论均很成熟;但扰动区内边坡(开挖边坡、弃渣地、消落带等)的生态修复在我国尚处于发展的初期阶段,应用较多的典型技术有植被混凝土生态防护技术[1-2]、厚层基材喷射技术[3]、液压喷播植草技术[4]等。上述技术的核心是基材,因此基材特性一直是研究重点和技术瓶颈。

植被混凝土是把水泥、土、有机质、植被混凝土绿化添加剂(专利产品)、混合植绿种子按特定的组成比例,并添加一定量的水充分搅拌后形成的混合物,用于边坡生态防护工程。实际工程中发现,植物根系大多集中在表层,其原因主要是植被混凝土孔隙率较低,导致根系难以深入。为改善此状况,可在植被混凝土中增加有机质,因为有机质自身是疏松的多孔体,同时又能形成可改良土壤结构的团聚体胶结剂[5-6]。但有机质配比与基材强度成反比,因此需分别研究有机质对植被混凝土孔隙率和力学性能的影响,进而得到有机质的合理类型与配比,此举可进一步完善植被混凝土的技术体系,对水电工程扰动区生态环境重建具有积极意义。

本研究在借鉴前人研究成果的基础上,通过室内试验研究4种常见的富含有机质材料(稻壳、锯末、玉米酒糟、稻谷酒糟)在不同掺入量条件下,分别对植被混凝土孔隙率和无侧限抗压强度的影响,以期获得植被混凝土有机质合理类型和配比。为方便起见,文中对富含有机质的材料简称为有机质。

1 试样制作与试验方法

1.1 试样制作

生态护坡工程实施过程中,原材料在满足性能要求的前提下应价格低廉、来源广泛。经综合考虑,选取了稻壳、锯末和酿酒后的下脚料——酒糟(玉米酒糟和稻谷酒糟)共4种材料作为试验用有机质。4种有机质在使用前均经过干燥处理。

试验所用植被混凝土试样配比(质量比,以干土质量为计算基数)如下:水泥质量为干土质量的8%;植被混凝土绿化添加剂质量为干土质量的4%;有机质配比变化梯度则依据经验设计,分别为干土质量的3%,5%,7%,9%,11%;水质量为干土质量的30%。各材料特性如下:植生土为黏土,干密度为1.71 g/cm3,天然含水率为25.3%,塑限为22.5%,液限为 40.4%,内摩擦角为 14°,黏聚力为18 kPa;水泥为宜昌华新水泥厂生产的32.5级普通硅酸盐水泥;植被混凝土绿化添加剂为宜昌绿野环保工程有限公司添加剂厂生产的专利产品LY-2型混凝土绿化添加剂;稻壳取自宜昌市西陵区维民米厂,厚度14～30μm;锯末为宜昌市夜明珠木材加工厂生产的松木锯末;酒糟为宜昌稻花香酿酒厂酿酒后剩余的含可溶物干玉米酒糟和稻谷酒糟;水为自来水。

孔隙率试验试样尺寸为70.7mm×70.7mm×70.7mm,无侧限抗压强度试验试样尺寸为150mm×150mm×150mm,试样制作以实际工程中植被混凝土的密度为控制标准,合格试样的密度应为1.55～1.70g/cm3。每组试样均含两个重复样,养护龄期为7d。

1.2 试验方法

1.2.1 孔隙率试验方法

由于植被混凝土是由多种材料混合而成的,普通土壤的孔隙率测试方法不适用于植被混凝土孔隙率的测试,通过查阅国内外相关文献,最终参考普通混凝土孔隙率的测定方法来测试植被混凝土的总孔隙率和连通孔隙率[7]。物体内相互连通的微小空隙的总体积与该物体的外表体积的比值称连通孔隙率或有效孔隙率;物体内相通的和不相通的所有微小空隙的总体积与该物体的外表体积的比值称总孔隙率或绝对孔隙率。

1.2.2 无侧限抗压强度试验方法

植被混凝土与土木工程中常用的水泥土存在许多相似点[8]:①土和水泥均是二者的主要材料,且水泥含量接近,水泥土中水泥质量为土的10%左右,植被混凝土中水泥质量为土的6%～8%;②都将混合物充分搅拌后再加以应用;③二者的力学性能均与水泥掺入比、养护龄期和土质密切相关。因此,在国内外无相关力学试验标准的情况下,参考土工试验及混凝土试验等相关规程,对植被混凝土开展试验研究是可行和必要的。综合其他关于水泥土试验文献所用的参考规范,试验的参考依据有SL 237—1999《土工试验规程》、GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》和《建筑工程常用材料试验手册》[9]。

试验所用仪器为济南试金集团有限公司生产的WAW-Y1000C型微机控制电液伺服万能试验机。加载采用控制行程的方式,试样加载速率为0.6～1.2mm/min,但每组试样加载速率一致。

2 孔隙率试验结果与分析

2.1 总孔隙率与连通孔隙率间的联系

各试样孔隙率与配比间的关系见图1,可见总孔隙率P1与连通孔隙率 P2随有机质配比变化的趋势线基本保持平行,即同种有机质条件下,二者间的差值为定值。此定值也可通过理论分析得出。

图1 孔隙率随有机质配比变化

文献[7]中提供的总孔隙率P1计算公式和连通孔隙率P2计算公式分别为

式中:W1为试样在水中浸泡24h后在水中称得的质量;W2为试样烘干至恒重后在空气中称取的质量;W3为试样在标准养护条件下放置24h后在空气中称得的质量;V为试样总体积;V内为试样内部孔隙体积;ρ水为水在 4℃时的密度。因 V内,V和ρ水均为定值,所以P1-P2是定值,说明理论分析和试验结果一致。

2.2 总孔隙率分析

图1中稻壳试样孔隙率随配比单调递增,且递增的速度逐步减小;锯末试样孔隙率总体上随锯末配比的增加而单调递增,当配比在7%～9%之间时基本保持不变;玉米酒糟试样随有机质配比变化的趋势线接近于直线;稻谷酒糟试样变化规律与锯末试样相似。

总孔隙率是植被混凝土中连通与非连通的孔隙率之和,植物根系生长不仅穿过连通孔隙,而且会打通非连通孔隙,总孔隙率大小对植被根系的生长起着重要作用。同时前文的理论与试验分析表明总孔隙率与连通孔隙率间差值为定值,因此此处研究仅针对总孔隙率。

玉米酒糟试样孔隙率一直最高,说明在有机质配比相同的情况下,其对基材总孔隙率的贡献最大。观察有机质配比由3%提高到11%时总孔隙率的增幅,发现增幅由大至小依次为:稻壳试样、稻谷酒糟试样、锯末试样、玉米酒糟试样。虽然一开始稻壳对植被混凝土总孔隙率的影响最小,但其增幅最大;而一开始玉米酒糟对植被混凝土总孔隙率的影响最大,但其增幅最小。有机质配比为3%时,4种有机质对应的植被混凝土总孔隙率之间的差值较大,但配比达到11%时,4者间的差值明显缩小。

所有试样当有机质配比从3%增加到5%时,总孔隙率增量最大。随着有机质配比的增加,总孔隙率增量总体上呈现逐渐减小的变化趋势,说明配比较小时,有机质对孔隙率的影响较大。比较4种不同有机质试样,稻谷酒糟试样的总孔隙率前期增幅最大,达到10.35%;玉米酒糟试样增幅最小,总孔隙率增量仅为3.40%。

3 无侧限抗压强度试验结果与分析

3.1 有机质配比对无侧限抗压强度的影响

由表1可知,玉米酒糟试样的无侧限抗压强度明显低于其他3种试样,原因是在试样制作过程中掺入的是晒干后的玉米酒糟,在试样养护过程中玉米酒糟吸水膨胀,使试样内部产生很多细小裂纹,降低了其强度。随有机质配比的增加,稻壳试样、锯末试样、稻谷酒糟试样的无侧限抗压强度均逐渐降低。有机质配比由3%增加到5%时,无侧限抗压强度降低缓慢;而有机质配比达到5%后,降低速度加快。由以上分析可知,配比较小时,有机质对试样无侧限抗压强度的影响较小。

表1 无侧限抗压强度试验中各试样峰值应力

对稻壳试样、锯末试样、稻谷酒糟试样在不同有机质配比情况下的强度进行分析,其强度比值q11%/q3%分别为0.509,0.630,0.581,即锯末试样无侧限抗压强度降低速度较慢,稻谷酒糟试样次之,稻壳试样降低速度最快。当有机质配比为11%时,锯末试样的无侧限抗压强度仍超过0.3MPa,基本能满足植被护坡要求。

3.2 应力-应变分析

图2 有机质配比为9%时4种试样的应力-应变关系曲线

选取有机质配比为9%时各试样的应力-应变关系曲线进行分析。由图2(图中3条曲线表示同组试样中3个平行试样的应力-应变关系)可知,一些试样的应力-应变关系曲线在初始阶段都呈波浪线状态,在于试样表面与试验机未完全接触,受力不均,系统处于调整阶段,待调整完毕,试样受力均匀以后,曲线就变得平滑。而玉米酒糟试样的应力-应变关系曲线几乎全为波浪状,而非平滑曲线,主要原因在于玉米酒糟试样在测试之前内部已经存在很多细小裂纹,加载过程困难。

植被混凝土应力-应变曲线与普通混凝土类似,即有脆性材料的性质[9]。植被混凝土的应力-应变过程根据应力的大小,可分成5个阶段。阶段Ⅰ,由于试样表面不完全平整,不能与仪器完全接触,应力应变关系曲线有一个自动调整的阶段;阶段Ⅱ,当调整平整后,应力介于(30%～70%)σmax之间时,应力-应变曲线趋于线性上升,此时植被混凝土处于弹性阶段,弹性变形是主要变形,同时伴随极小的塑性变形,主要是局部拉应力引发了极少的新生微裂缝;阶段Ⅲ,当应力介于-(70%～90%)σmax之间时,应力应变关系曲线曲率变小;阶段Ⅳ,应力继续增大达到峰值后,植被混凝土承载能力急剧下降,新生裂缝范围与深度迅速扩大;阶段Ⅴ,根据水泥土与普通混凝土的应力-应变变化规律,应变继续增长,试样将依靠摩擦力抵抗残余应力。

由于几组试样的变化规律相似,因此选择锯末试样分析应力-应变关系曲线随有机质配比增加的变化规律。由图3可知,随着有机质配比的增加,曲线初始直线段的斜率减小,弹性模量减小,所达到的峰值应力也逐渐减小,应力达到峰值时的应变逐渐增加,说明植被混凝土随着有机质配比的增加脆性逐渐减弱。

图3 不同配比锯末试样应力-应变关系曲线

4 有机质类型与配比的合理选取

据郑碧仿等[10]的研究,最适宜植物生长的典型土壤的三相分布应为:土壤中固体部分约占土壤总体积的1/2,水分和空气各约占1/4,且土壤固体中矿物质占固相总量95%,有机质占5%。但周德培等[11]通过对厚层基材的研究,认为大部分生态基材的三相分布并不满足以上条件,但植物仍生长良好。通过有机质对植被混凝土孔隙率的影响试验,以及植被混凝土无侧限抗压强度试验,可以得出植被混凝土的孔隙率和强度是成反比的,即有机质配比增加,孔隙率增加,无侧限抗压强度降低。因此可综合考虑双方面因素,在满足强度要求的前提下尽量增大基材孔隙率,得出植被混凝土有机质较为合理的配比范围为7%～9%,在此范围内,植被混凝土无侧限抗压强度大于0.34 MPa。根据已有研究成果[12],认为植被混凝土的无侧限抗压强度大于0.3MPa,就能满足大部分边坡的强度及抗冲刷要求;同时,此配比范围内的植被混凝土总孔隙率在39.55%～44.65%之间,连通孔隙率在-36.15%～41.00%之间,而生态防护基材孔隙率在30%～44%之间,植物就能较好生长。可见,此配比既能令基材满足力学性能要求,同时又能形成植被生长所需的物理结构,达到了试验预期目的。需要说明的是,在生态防护工程实施中,有机质配比还需根据实际情况而定,当坡度较缓时可适当增加掺入量;当所选土壤有机质含量较高时,可适当降低掺入量。

5 结 论

a.植被混凝土孔隙率随有机质配比增加而增加,但其增幅随有机质配比增加逐渐减小,总孔隙率与连通孔隙率的差值为定值。

b.随着有机质配比的增加,植被混凝土的无侧限抗压强度逐渐下降,且降低速度加快。

c.锯末试样在强度试验中表现最好,当有机质配比为11%时,其无侧限抗压强度仍超过0.3MPa,基本能满足植被护坡要求。

d.玉米酒糟试样的总孔隙率和连通孔隙率明显高于其他3种试样,而无侧限抗压强度却相反,因此大粒径材料不宜作为植被混凝土的有机质,若选择用大粒径有机质,应将其充分磨碎,以免大粒径有机质使生态防护基材产生裂纹,使基材力学性能显著降低。

e.综合有机质对植被混凝土孔隙率及无侧限抗压强度的影响,得出植被混凝土有机质合理配比范围为7%～9%。

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