植物纤维加筋对植被混凝土抗冻耐久性的影响

陈毅　梁永哲　刘大翔等

摘要：为了修复雅砻江两河口水电站工区受损陆地边坡，通过对植被混凝土掺入不同质量配比的棕纤维和黄麻纤维进行冻融循环试验。结果表明，植被混凝土的质量损失率随冻融循环次数的增加呈线性增加，相对质量损失率随冻融循环次数的增加呈先增大后减小的趋势；质量损失率和相对质量损失率随着掺入纤维质量比的增加均呈先增大后减小的趋势，当棕纤维和黄麻纤维的质量配比分别为0.6%和0.9%时，损失均最小；同时对植被混凝土的质量损失率和相对质量损失率的计算结果分别对两种纤维做敏感性分析，表明棕纤维的敏感性高于黄麻纤维。

关键词：植物纤维；冻融循环；植被混凝土；最优配比

中图分类号：TU528.572 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）19-4840-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.048

Abstract： In order to repair the damaged slope land in Yalong River Lianghekou hydropower station work area， the freeze-thaw cycle experiment was conducted through mixing the vegetation-growing concrete with palm fiber and jute fiber of different quality ratio. The results showed that mass loss rate of the vegetation-growing concrete linearly increased with the increase of freeze-thaw cycles， relative mass loss rate with the increase in the number of freeze-thaw circulation firstly increased and then decreased； mass loss rate and relative mass loss firstly increased and then decreased with the increase of doped fiber quality， when the quality ratio of paln fiber and jute fiber were 0.6% and 0.9% respectively， losses were minimal. At the same time， by the quality of the vegetation-growing concrete loss rate and relative mass loss of the calculation results， the sensitivity analysis for two kinds of fibers were conducted， the results showed that the sensitivity of the palm fiber was higher than that of jute fiber.

Key words： plant fiber； freeze-thaw cycle； vegetation-growing concrete； optimal ratio

雅砻江两河口水电站工区由于受工程扰动影响，毁损了大面积原有的边坡植被，造成众多岩石裸露边坡亟待修复。当前，国内外修复岩质边坡一般先在坡面铺设生态基材，营造植物生长环境，然后再进行植被修复。受当地气候以及地理位置所限，工区高差巨大，冬季边坡土壤存在明显冻融现象，生态基材也难以避免。在冻融循环过程中，由于生态基材中的水分不断结晶、融化以及迁移，引起基材体积发生胀缩演替，造成其内部以及表观一系列的微裂，进而使基材不断地剥落，最终导致生态基材内部结构失稳[1，2]。

为提高生态基材或边坡土体结构的整体稳定性，国内外学者对此做了大量研究[3-9]，从已有研究成果可以看出，土体中掺入纤维可以明显改善其物理特性，虽然国内外学者对此研究比较多，但是在冻融循环条件下，纤维加筋对土体结构的影响以及合理的掺量却并不多见，而对于生态基材影响这方面的报道几乎没有。为此，针对雅砻江两河口水电站工程扰动区边坡的生态修复问题，本文以植被混凝土生态基材为研究对象，以雅砻江两河口水电站工区的情况为例，探讨棕纤维和黄麻纤维在不同掺入量条件下对植被混凝土质量损失率的影响，旨在为雅砻江两河口水电站地区受损陆地边坡的植被修复提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用植被混凝土试样配比为干土∶水泥∶有机质∶绿化添加剂=100.0∶8.0∶4.5∶6.5（质量比，以干土质量为计算基数）。土样取自雅砻江两河口水电站地区种植土，剔除碎石、木块等其他杂质并过2 mm筛，其物理指标见表1；水泥为从市场购置的32.5 R普通硅酸盐水泥；有机质采用木材加工厂生产的实木锯末，过2 mm筛，剔除较大体积的木屑；绿化添加剂为宜昌绿野环保工程有限责任公司生产的LV-2型产品。植被混凝土制备方法遵循植被混凝土生态护坡技术设计规程[13]，并加适量水制备。

在制备好的植被混凝土中掺入不同配比的棕纤维和黄麻纤维，根据经验梯度设置质量比，令纤维质量分别为干土质量的0.3%、0.6%、0.9%。棕纤维和黄麻纤维分别以0.3%+0.3%、0.3%+0.6%、0.3%+0.9%等不同配比的掺量作全交试验，编号分别为DR1～DR9，以不加纤维的作空白对照（CK），共10组。棕纤维和黄麻纤维购自市场，剪裁成3 cm左右，并拆分为单根，直径约0.3 mm，与植被混凝土充分搅拌，分别装入100 mm×100 mm×100 mm的标准钢模，每组试样均制作3个重复样；置于20 ℃、湿度为90%的环境下养护7 d。

1.2 方法

由于植被混凝土的主要功能是营造边坡植物生长环境，在实际应用中所承受的外部荷载作用力很小，由此所引起的压缩沉降几乎为零，因而试样损失仅由融化沉降单独构成[10]，而在国内外对于该类生态基材的抗冻性检测也没有形成统一的方法与标准，因此结合实际情况，参考GB/T 50082-2009[11]和GB/T 50123-1999[12]，冻融循环采用慢冻法。在进行冻融循环试验之前，将养护好的试样置于水温20 ℃的水槽中，放在电热恒温培养箱HPX-9272MBE中养护48 h。浸泡完毕后，取出试件用湿布擦去表面水分，称重，编号后放入冷冻箱做抗冻试验。抗冻试验冻结时温度保持在-20 ℃，冷冻12 h即停止，取出试样称重并立即放入电热恒温培养箱的水槽中融化，温度保持在20 ℃，试件在水中融化12 h，融化完毕即为该次冻融循环结束，取出试件称重并放入冷冻箱进行下一次循环试验。如试件崩解无法称重，即停止该组试样试验；如整体试样的平均失重率超过40%，即可停止冻融循环试验。

2 结果与分析

2.1 基本评价指标

2.2 冻融次数对试样质量损失率的影响

从表2可以看出，经过1次冻融循环后，有4组试样的平均质量损失率呈现负值，这是由于在第一冻融循环之前，这些试样中存在不同程度的孔隙率，经过1次冻融后，试样基本保持完整且充分吸水，因此质量变大。从表2中还可以看出，不加纤维的空白样在冻融3次后即崩解；DR1～DR9在冻融5次后，试样质量有不同程度的损失。随着冻融循环次数不断增加，各种纤维配比的质量损失率的增长幅度也不一样，除去崩解的空白样，其中DR6试样平均质量损失率最小，仅为22.37%，试样相对比较完整，DR1试样质量平均损失率最大，达95.94%，接近崩解状态。

由此可以得出，在高寒地区，植被混凝土中掺入的棕纤维和黄麻纤维，在基材结构中起到联结、约束和控制作用，使其在产生微裂纹时，能及时将应力集中并予以扩散，从而抑制了微裂缝的快速发展，有效改善生态基材的内部结构，其抗冻性得到一定的改善与提高，防止生态基材在冻融作用下不断地流失。同时每一组试样随着冻融次数的增加，其质量损失率呈线性增长，如图1所示。

2.3 冻融次数对相对质量损失率的影响

经过5次冻融循环后，植被混凝土掺入不同配比纤维的相对质量损失率结果如表2所示，曲线图如图2所示。从图2可以看出，除去已经崩解的空白样，在前4次冻融作用影响下，相对质量损失率呈增大趋势，第4次后却呈下降趋势。在第4次冻融循环后，DR1试样相对质量损失率最大，为31.99%，DR9试样相对质量损失率最小，为7.22%；第5次冻融循环后，DR1试样相对质量损失率最大，为26.41%，DR6试样相对质量损失率最小，仅为4.91%。

由此分析可以得出，所配制的基材试样前4次受冻融作用影响最大。这是因为，试样在进行冻融试验开始表面积最大，剥落相对比较严重；后期随着试样的剥落表面积缩小，因此呈下降趋势。所以，在实际工程中，特别是高寒地区，应特别注意前期的养护工作，为生态基材营造一个良好的环境。

2.4 纤维含量与配比对植被混凝土耐久性的影响

由冻融次数对试样质量损失率和相对质量损失率综合分析来看，随着纤维总掺量的增大，相对应的试样质量损失率呈先减小后增大的趋势。如表2所示，取第5次冻融循环后质量损失率的数据，DR1、DR2试样所对应的质量比为0.3%+0.3%和0.3%+0.6%，质量损失率分别为95.94%、66.21%；DR3和DR7对应的质量比为0.3%+0.9%和0.9%+0.3%，质量损失率分别为59.71%、45.73%；DR6对应的质量比为0.6%+0.9%，质量损失率为22.37%；DR9对应的质量比为0.9%+0.9%，质量损失率反而上升，为28.87%。取第4次冻融循环后相对质量损失率的数据，有类似的现象。

这是由于在植被混凝土中增加纤维起到三维加筋的作用，利用纤维与植被混凝土之间的摩阻力，增大了植被混凝土整体的粘聚力，有效防止了植被混凝土在冻融作用下的不断流失；但是试验表明纤维掺量并不是越多越好，纤维掺量存在一个最优质量比，当纤维质量超过最优质量比时，植被混凝土与纤维之间没有很好的接触，反而降低了根土之间的摩阻力，不利于植被混凝土整体的稳定。有的学者在非冻融条件下探讨了纤维对土体的影响得到类似的结论。如张小平等[14]指出添加纤维可以改善石灰土的整体性能，若添加单丝纤维和短的网状纤维，其最佳含量为0.4%；而掺长网状纤维，最佳含量应为0.2%～0.3%。Miller等[15]通过研究纤维加筋对压实黏土衬垫材料收缩裂隙的抑制作用，发现当纤维掺量介于0.4%～0.5%时能达到比较理想的裂隙减少率，当纤维掺量达到0.8%时能减少约90%的裂隙。而在冻融条件下，纤维的掺入量对于生态基材或者水泥土等物理特性的影响，国内外学者对此研究并不多见，其作用机理仍待进一步研究。但在这里初步分析可以得出，植被混凝土中掺入棕纤维和黄麻纤维的最优质量比在0.6%+0.9%附近。

2.5 两种纤维对植被混凝土影响的敏感性分析

由表2中质量损失率和相对质量损失率计算结果分别对两种纤维作敏感性分析。如图3所示，当控制棕纤维配比不变，黄麻纤维配比作变量时，随着黄麻纤维质量配比的增大，试样质量损失率均呈下降趋势；当控制黄麻纤维配比不变，棕纤维配比作变量时，棕纤维质量比大于0.6%时，试样质量损失率和相对质量损失率有增大趋势。由此可以得出，棕纤维最优质量配比在0.6%附近，而黄麻纤维最优质量配比应在0.9%。对两种纤维质量配比控制在相同水平时，对比可以看出，随着纤维质量比增加，棕纤维对应的质量损失率下降趋势明显比黄麻纤维小。因此可以得出，对于植被混凝土抗冻耐久性的影响，棕纤维的敏感性要高于黄麻纤维，这是由于棕纤维茎干外围有一层叶鞘形成的层网状棕衣纤维，增大了与基材的接触面积，相比黄麻纤维表面更加粗糙，与土壤接触形成的摩阻力比黄麻纤维大。结合纤维的力学性能，黄麻纤维相比棕纤维断裂伸长率小，断裂强度大，因此有较好的力学性能，同时具有较好的耐久性[16，17]。因此在实际工程中，选取这两种常见纤维作为土体加筋材料有比较好的抗冻耐久性效果。