植被混凝土-石界面强度及基材pH值研究

李 准， 杨智勇,2， 詹 向， 王瀚文

(1 湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068； 2 湖北省生态道路工程研究中心， 湖北 武汉 430000)

植被混凝土是一种具有一定孔隙率的特殊混凝土。在该混凝土孔隙中填入植物种子以及植物生长所需要的营养物质，则植物可通过依附该混凝土，于孔隙中生根发芽，进而在这种特殊的混凝土中生长[1]。待植物覆盖坡面，根系包裹土壤，使得植物、植被混凝土和生态待修复区域连接成为一个整体，从而达到生态修复的目的，并起到护坡固土的作用[2]。很多学者对植被混凝土基材的力学性能进行了研究，已有的研究表明植被混凝土的强度受到很多因素的影响。许文年[3]等的直剪试验发现水泥掺入比和龄期对植被混凝土的模量和应力峰值有影响。夏振尧[4]等分析了水泥比、有机质掺量和水泥对植被混凝土基材早期强度的影响。张少彪[5]等研究了水胶比对植被混凝土基材强度的影响。郗红超[6]等以秸秆纤维素为改良剂，研究了秸秆掺入物对植被混凝土强度的影响。丁向群[7]等，吴光军[8]等向植被混凝土中添加矿物掺合料，以研究矿物对其强度的影响。

近年来，随着植被混凝土研究的深入，对向植被混凝土中添加有机质掺入物、矿物掺合料、胶凝材料等物质以探究其强度变化的研究也越来越深入[9]。在实际工程中，植被混凝土技术常用于边坡的生态防护工程中，通常作为基材并混合植物种子喷播于边坡表面，起到边坡防护的作用，而作用于岩质边坡的植被混凝土最容易发生剪切破坏的地方则是位于植被混凝土与岩质边坡的界面之间。因此，研究界面间的力学特性有助于提高植被混凝土的应用效果，所以需就此方向展开研究，但有关于植被混凝土与岩质边坡界面间强度的研究还比较少。因此本文以直剪试验来探究不同影响因素下植被混凝土与岩质边坡界面间的强度变化，同时利用pH测试探究界面强度变化与植物生长条件间的相适应性，并为植被混凝土生态修复技术的应用提供参考。

1 试验方法

1.1 试验条件

试验选用武汉市的普通黏土，采用标准普氏击实试验方法，得到该黏土的最优含水率为23%，最大干密度为1.52 g/cm3。掺合料选用水泥和绿化添加剂，其中水泥选用32.5的普通硅酸盐水泥，其主要成分包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，pH值为10～11。绿化添加剂主要成分包括固氮菌剂、解磷菌剂、硅酸盐细菌菌剂，pH值为3～4。黏土的物理指标为：相对密度，2.65；密度，1.88 g/cm3；干密度，1.52 g/cm3；液限，30.2%；塑限，12.5%；塑性指数，16.6%。

1.2 试样制备

根据《土工试验规范》及《GB7859-1987-森林土壤pH值的测定》制备试样。

1)直剪试样的制备。将普通黏土、水泥、绿化添加剂按照不同的掺量进行混合配置：水泥掺量为0、2%、6%、10%(掺量为水泥质量与普通黏土质量之比)；绿化添加剂掺量为0、50%、75%(掺量为绿化添加剂质量与水泥质量之比)。按照25%的含水率与掺合料混合制成母样。

2)从母样中取出部分土样，与透水石一起放入击实仪中制样。制得的试样上部尺寸是直径为61.8 mm，高为10 mm的土样，下部尺寸是直径为61.8 mm，高为10 mm的透水石。组合整体尺寸是直径为61.8 mm，高为20 mm的试样(图1)。

图 1 试验试样图

3)将试样与母样放置于混凝土放入标准养护室内(养护温度为 20±2℃)，养护相对湿度≥ 95% 至相应的龄期后，可将试样取出进行直剪试验。

4)pH试样的制备。从母样中取出约25 g的土样，风干至恒重后，碾压过筛。筛下的样品再放置于研钵中细磨，通过100目的尼龙筛，混合均匀后放入密封塑料袋中贮藏备用，避免样品受到污染。重复上述步骤，一个母样中共制出三组备用样品。

1.3 直剪试验方案设计

参考不同的接触面直剪试验[10-14]，透水石作为必不可少的实验用品参与试验的全过程。透水石也是岩质材料，和岩质边坡有一定的相似性，而且透水石方便易得，制样时，植被混凝土与透水石制成的土-石试样能较好的契合直剪仪的尺寸。因此本试验将用透水石模拟岩质边坡。

试验中， 为研究水泥掺量、 绿化添加剂掺量对植被混凝土与岩质边坡界面间强度的影响， 设计了多组试验， 每组施加4种不同的法向应力， 分别为50 kPa、 100 kPa、 150 kPa、 200 kPa。 本试验所用仪器为DSJ-3四联应变式直剪仪， 该仪器所提供的的剪切速率为2.4 mm·min-1、 0.8 mm·min-1、 0.1 mm·min-1、 0.02 mm·min-1。试验过程中，剪切速率选择0.8 mm·min-1。在上述条件下对试样进行直剪试验，在试样破坏时得到的剪切应力，可获得植被混凝土石界面抗剪强度随法向应力的变化，并通过拟合得到抗剪强度指标-黏聚力和内摩擦角。

1.4 pH值测试方案设计

在工程实践中，应用植被混凝土的目的之一是使裸露的边坡生态得以恢复，所以植被混凝土的土体必须满足生物生长的条件。因为掺入水泥和绿化添加剂会使土体pH发生变化，可能不利于植物生长，所以必须要对植被混凝土进行pH测试。

将养护中的母样每隔一周进行一次取样并制成待用样品贮藏于密封塑料袋中备用。将三组样品分别取出10 g放入三个不同标号的烧杯中，然后向烧杯中倒入25 mL的纯水，并用玻璃棒搅拌2～3 min。搅拌完毕后，放置平台上沉淀30 min，使其澄清后进行测定。为减小误差，将三组平行试验的pH测试结果取平均值，并将其作为最终结果。 pH测试选用的仪器为pH-B4型pH计。

2 试验结果及分析

2.1 直剪试验结果

在不同法向应力条件下，进行植被混凝土-石界面的直剪试验，得出界面抗剪强度随法向应力变化的拟合图(图2),并将试验结果绘制成表2。

表2 抗剪强度试验结果

图 2 界面抗剪强度-法向应力变化拟合图

图2中A1表示τ=0.4454σ+16.25; B1表示τ=0.475σ+31.49；B2表示τ=0.549σ+26.51; B3表示τ=0.576σ+20.19；C1表示τ=0.5319σ+32.81; C2表示τ=0.5737σ+29.34；C3表示τ=0.8128σ+26.04；D1表示τ=0.6825σ+37.74；D2表示τ=0.7445σ+36.24; D3表示τ=0.576σ+36.53。从图2及表2中可以发现，与不添加任何材料的普通黏土相比，在土中加入水泥与绿化添加剂后，从整体上看，植被混凝土-石界面之间的抗剪强度指标：黏聚力与内摩擦角的大小均有提高，具体变化为：相较于普通黏土-石界面，植被混凝土-石的界面间的黏聚力提高的增量为3.94～21.49 kPa，提高的比例为24.2%～132%，内摩擦角提高的增量为1.43°～15.1°，提高的比例为6%～63%。

2.2 水泥掺量对土-石界面间黏聚力的影响分析

图3为水泥掺量对界面间黏聚力的影响关系曲线。由图可知，在水泥掺量为0(绿化添加剂掺量同为0)的普通黏土-石界面间本来就存在一定的黏聚力。当绿化添加剂掺量一定时，随着水泥掺量的增量从2%→6%→10%的递增过程中，水泥增量间黏聚力增长的幅度逐渐增大。其中，当绿化添加剂掺量为75%时，水泥掺量由6%提高到10%时，黏聚力由26.04 kPa提高到35.53 kPa，其增长幅度较大，可达到15%。从整体上看，在绿化添加剂掺量相同时，植被混凝土-石界面间的黏聚力随着水泥掺量的增加而增大。

图 3 水泥对黏聚力的影响

2.3 水泥掺量对土-石界面间内摩擦角的影响分析

图4为在不同的绿化添加剂掺量下，水泥掺量对界面间内摩擦角的影响关系曲线。

图 4 水泥掺量对内摩擦角的影响

由图4可知，植被混凝土在不掺水泥和绿化添加剂时，植被混凝土-石界面间的内摩擦角为24°。随着水泥掺量的增加，不同绿化添加剂掺量下界面的内摩擦角均呈现增大的趋势。其中，当绿化添加剂掺量为75%时，水泥掺量从2%增加到6%时，内摩擦角增长幅度可达18%以上。

2.4 绿化添加剂掺量对土-石界面间黏聚力的影响分析

图5为绿化添加剂掺量对界面间黏聚力的影响关系曲线。由图可知，随着绿化添加剂掺量的增加，植被混凝土-石界面间的黏聚力逐渐减小。当水泥掺量为2%时，随着绿化添加剂掺量由0增加到75%，界面间黏聚力由31.49 kPa减小至20.019 kPa，减小幅度达到56%；当水泥掺量为6%时，随着绿化添加剂掺量由0增加到75%，界面间黏聚力由32.81 kPa减小至26.05 kPa，减小幅度达到26%；当水泥掺量为10%时，随着绿化添加剂掺量由0增加到75%，界面间黏聚力由37.741 kPa减小至35.531 kPa，减小幅度达到6.9%。在水泥掺量为10%时，相较于水泥掺量为2%或6%的情况，随着绿化添加剂掺量的增加，黏聚力减小的幅度降低，降低趋势趋于平缓。这也说明水泥掺量的增加，会抵消部分因绿化添加剂带来的负面影响，降低界面间黏聚力减小的程度。植被混凝土中加入的绿化添加剂呈强酸性，能中和水泥水化反应过程中产生的碱性，但也在一定程度上降低了植被混凝土-石接触面间的黏聚力。

图 5 绿化添加剂对黏聚力的影响

2.5 绿化添加剂掺量对土-石界面间内摩擦角的影响分析

图6为在不同的绿化添加剂掺量下，绿化添加剂掺量对界面间内摩擦角的影响关系曲线。

图 6 绿化添加剂对内摩擦角的影响

由图6可知，不论水泥掺量是2%、6%还是10%，随着绿化添加剂掺量从50%增加至75%，界面间的内摩擦角都随着增大。当水泥掺量为2%，绿化添加剂掺量从50%增至75%，界面内摩擦角最终增大的差值为1.16，最终增大幅度为4%。当水泥掺量为6%，绿化添加剂掺量从50%增至75%，界面内摩擦角最终增大的差值为7.04，最终增大幅度为23.6%。当水泥掺量为10%，绿化添加剂掺量从50%增至75%，界面内摩擦角最终增大的差值为0.57，最终增大幅度为1.5%。因此绿化添加剂掺量对界面内摩擦角变化有影响，整体表现为随着绿化添加剂掺量的增加，植被混凝土-石界面间的内摩擦角也随之增大。

2.6 pH测试结果

将不同配比的植被混凝土进行pH测试，并将试验结果制成表3及图7、图8。

表3 pH测试试验结果

图 7 绿化添加剂对pH的影响

图 8 水泥掺量对pH的影响

通过pH测试可知，本试验中植被混凝土所选用的土壤为pH值在7左右的中性土壤。从图7及图8可以看出，除了对照组(不添加水泥和绿化添加剂)pH值的变化基本呈现稳定状态外，其他配比类型的pH值整体上存在下降的趋势。B1、C1、D1均为只掺入水泥不掺入绿化添加剂的三类配比，对比三类配比的pH值可以发现，随着水泥掺量的增加，基材的pH值也随之升高。在三种不同水泥掺量的基材中分别掺入50%和75%的绿化添加剂。结果表明，随着绿化添加剂的掺入，不同基材的pH值从整体上呈现下降的趋势。

当水泥掺量为2%时，绿化添加剂掺量为50%，基材的pH值在第28 d降低至7.87；绿化添加剂掺量为75%，基材的pH值在14 d养护期时降低至7.79，随后继续缓慢降低直至7.69。对比相同绿化添加剂掺量下，当水泥掺量为6%，养护期到达第28 d，基材的pH分别降至8.65和8.44；当水泥掺量为10%，养护期到达第28 d时，基材的pH分别降至9.17和9.17。

当绿化添加剂掺量为50%，水泥掺量为2%时，基材的pH在21 d内由8.30下降到7.87，差值为0.43，下降幅度达到5.2%；当绿化添加剂掺量为50%，水泥掺量为6%时，基材的pH在21d内由8.78下降到8.65，差值为0.13，下降幅度达到1.5%；当绿化添加剂掺量为50%，水泥掺量为10%时，基材的pH在21 d内由9.42下降到9.17，差值为0.25，下降幅度达到2.7%。

当绿化添加剂掺量为75%，水泥掺量为2%时，基材的pH在21 d内由8.03下降到7.69，差值为0.34，下降幅度达到4.2%；当绿化添加剂掺量为75%，水泥掺量为6%时，基材的pH在21 d内由8.56下降到8.44，差值为0.12，下降幅度达到1.4%；当绿化添加剂掺量为50%，水泥掺量为10%时，基材的pH在21 d内由9.15下降到9.10，差值为0.05，下降幅度达到0.5%。

这些结果表明，在基材中掺入水泥后，通过掺入绿化添加剂可以达到降低基材pH的目的，且水泥掺量为2%和6%，绿化添加剂掺量为50%和75%时，都能将基材的pH降低到7.69到8.65的范围内。但随着水泥掺量的增加，初始pH过高，绿化添加剂掺量对基材pH的降低作用有限，如水泥掺量为10%时，掺入75%的绿化添加剂，在21 d内只能将基材的pH下降0.05。

大多数护坡植物所能适应的土壤pH值范围很广，能适一定的碱性土壤，但无法适应强碱性土壤。综合来说其适应pH范围为4.7～8.6。因此，在10组试验中，A1、B1、B2、B3、C2、C3的试验结果显示其pH值能满足植物的生长，C1、D1、D2、D3的试验结果显示其pH值不满足植物生长的条件。

3 结论

基于植被混凝土-石界面直剪试验以及pH测试，可以得出以下结论

1)普通黏土土-石界面间已经具有一定的抗剪强度，而掺入水泥及绿化添加剂的植被混凝土-石界面的抗剪强度相较于土-石界面的抗剪强度发生变化，证明水泥及绿化添加剂对其界面的抗剪强度有影响。

2)水泥掺量对界面间抗剪强度影响较为显著。当绿化添加剂掺量相同时，界面间的黏聚力和内摩擦角都随水泥掺量的增加而增大。

3)绿化添加剂对界面间的黏聚力和内摩擦角具有不同的影响。当水泥掺量相同时，随着绿化添加剂的掺量的增加，界面间的黏聚力随之降低。

4)水泥和绿化添加剂都能影响植被混凝土的pH值。水泥的掺入是植被混凝土pH值升高的主要因素，而绿化添加剂则能降低因水泥引起的pH值升高。

5)本实验中，水泥的最佳掺量为6%，绿化添加剂的最佳掺量范围为50%～75%，如此既能提高界面间的黏聚力与内摩擦角，又可以满足植物生长的pH条件。