植被混凝土基材崩解特性试验研究

2012-09-08许文年周正军

中国水土保持 2012年5期

张博，许文年，周正军

(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌 443002)

崩解，土工上叫湿化，是指土壤在静水中发生分散、碎裂、塌落或强度减弱的现象。崩解试验是研究土壤侵蚀机理的方法之一，而崩解的情况是评价土壤侵蚀严重程度的一项很重要的指标。植被混凝土技术是一种应用较广的生态护坡技术，相关学者曾对其做过防冲刷试验，但对其抗崩性却鲜有尝试。笔者试在植被混凝土基材生态护坡技术抗崩性方面做一些基础性的研究工作，希望能够进一步探究植被混凝土基材的抗蚀机理，并为有效提高植被混凝土基材的应用效果提供理论基础。

1 植被混凝土基材崩解机制及影响因子

植被混凝土基材是水泥颗粒与土壤颗粒之间发生理化反应产生的一种新化合物，这种物质改变了原土料的性质，土壤在植被混凝土基材中起骨架作用，混凝土起胶凝作用［1］。经试验验证，植被混凝土基材的崩解机制及影响因子与土壤相同。

土壤的崩解过程具有明显的阶段性。崩解的第一阶段为浸湿阶段，以崩离作用为主;第二阶段为软化阶段，以迸离作用为主;最后是以解离作用为主的第三阶段［2］。在第一阶段浸湿过程中，样品中有较多气泡溢出，依附在土壤表面及较大孔隙表面的部分土壤颗粒以单粒形式陆续崩离母体，即以崩离作用为主;第二阶段是样品的软化阶段，崩解主要发生在微孔隙中，土壤颗粒在气泡的推动下或膨胀力的作用下迸散而剥离母体，即发生所谓的“迸离作用”，此时在浸水面上仍伴有崩离现象发生;第三阶段样品浸水面已完全被水充满，被充分浸润软化，开始出现一些呈黏塑态块体以塌落的形式与母体发生解离，此时崩解形式以解离作用为主。

已有研究表明，土壤的崩解速率随其天然含水率的增大而减小，当含水率增加到一定程度后，崩解性几乎消失［3］。另外，影响崩解的因素还有土壤的颗粒结构和孔隙率。由于试验用植被混凝土基材采用统一的土料与加工程序制作而成，设定含水率为30%，所以主要的崩解影响因素是基材的孔隙率。

2 试验设计

2.1 样品的制作

试验用土取自三峡大学附近，天然密度1.832 g/cm3，干密度为2.624 g/cm3，天然含水率19%。经过筛分得到土壤颗粒组成为:小于0.075 mm的占干土总量的14.7%，小于0.25 mm的占 91.1%。

将土样烘干，用橡皮锤或木锤捣碎，并过2 mm筛存储备用。取与土壤质量相同的有机质烘干掺入土壤中，然后掺入水泥，采用机械搅拌，搅拌时间为2～3 min，拌匀后装入模具并捣实成型，按照植被混凝土基材的工艺［4］进行养护。

已有关于植被混凝土的研究表明，当水泥掺入比大于12%时，植物在基质中不能良好生长;植被混凝土基材强度小于100 kPa时，不能满足抗冲刷要求。故水泥掺入比按4%、8%、12%选取。本试验中采用的立方体试块长、宽、高均为5 cm，每组3个。

2.2 试验装置

参考蒋定生［5］的土壤崩解试验装置自制一套测定植被混凝土基材崩解的简易仪器。该仪器主要由玻璃缸、浮筒、网板三部分组成(图1)。浮筒高200 mm、直径60 mm，底部挂由钢丝加工制作成的网板，用于放置样品;玻璃缸高50 cm，满足5 cm×5 cm×5cm的立方体试块试验，侧壁上标有刻度(最小分度为1 mm)。网板上有孔眼，孔眼尺寸为0.5 cm×0.5 cm。保证制作的崩解仪内壁与试块间至少有1～2 cm间隙。

图1 土壤崩解简易装置示意

2.3 试验方法

试验中，每次样品的用水均为等量的清水，当浮筒挂上网板浸入水中时，将浮筒在水面处刻度读数核准为原始刻度;当网板上放上样品浸入水中时，样品未崩解瞬间浮筒的刻度读数为初始刻度线。

操作步骤按水利部《土工试验操作规程》中的湿化试验规定进行。试验最长观测时间定为30 min。读数时间分0、0.5、1、2、5、10、15、20、30 min。土壤崩解速率计算公式为

式中:v为单位时间内崩解的样品体积，cm3/min;l0为样品浸入水中时玻璃缸水位的起始读数;lt为不同观测时间玻璃缸水位的读数;t为样品崩解过程所用时间，未崩解完则按最长观测时间30 min计;a为体积换算系数，本装置为a=1.734。

2.4 植被混凝土孔隙率

植被混凝土基材与土壤孔隙率基理相同，采用普通混凝土孔隙率的测定方法来测定植被混凝土基材的总孔隙率(P1)和连通孔隙率(P2)。植被混凝土基材总孔隙率和连通孔隙率计算公式为

式中:ρ为常温下试验用水的密度;V为样品体积;w1为样品烘干至恒重后的质量;w2为样品完全饱和后的质量;w3为样品在标准养护下的质量。

3 试验现象及结果

3.1 崩解现象及结果

样品放入清水中后，周围立即变得混浊，紧接着有大量气泡溢出，然后样品表面开始崩解。开始时崩解的速度相对较快，过一会逐渐减慢。随着土壤结构的逐渐破坏，土壤的崩解速率会出现一个稳定期，但很快又变为缓慢递减，直至完全崩解。

通过30 min的试验观察，不同水泥掺入比的崩解试验结果见表1。

表1 植被混凝土基材崩解量 cm3

3.2 孔隙率测定结果

根据孔隙率的测定方法，将测定数据取平均值后得出基材孔隙率，见表2，基材总孔隙率与连通孔隙率随掺入水泥比的增加均呈递减趋势，说明水泥掺入比与基材的孔隙率呈负相关。

表2 植被混凝土基材孔隙率 %

4 结果分析

4.1 不同水泥掺入比基材抗崩速率

通过对崩解数据进行分析，我们得出基材在各时间段的崩解速率，如图2所示，在刚入水的前几分钟，未掺水泥样品的崩解速率明显大于掺入水泥的样品。虽然植被混凝土基材的崩解速率与未掺水泥样品相差较大，但都是迅速崩解，基本是随着水泥掺入比的增加，样品的崩解速率成比例下降，原因多为土壤表面吸水土体膨胀，土壤颗粒以散粒或鳞片状的单粒形式陆续崩离母体。在土壤膨胀过程中，因土壤内产生的膨胀压和孔隙中闭塞的空气外逸产生的压力不同，致使崩解首先发生在土壤结构脆弱处。随着时间的推移，约在15 min后崩解速率开始趋于稳定，各样品之间的差异也变得较小。

图2 基材崩解速率与水泥掺入比的关系

参照表1进行崩解速率分析，把相同水泥掺入比样品的崩解速率做平均化处理，得出掺入比越高的平均崩解速率越小，崩解速率与水泥掺入比呈明显的负相关，掺入比为4%、8%、12%的崩解速率分别为 0.597、0.340、0.073 cm3/min;未掺水泥样品与掺入水泥样品的崩解速率有明显差异，4%掺入比的样品与未掺水泥样品相比，崩解速率降低了约50%，而12%掺入比样品的平均崩解速率仅为未掺水泥样品的1/14。