改性植被混凝土基材力学与植生试验研究

杨 钊，王晓梅，周云艳

(1.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074;2.凯里学院建筑工程学院，贵州 凯里 556011)

目前，植被护坡技术在边坡的防护和治理方面取得了显著的成效，采用植被护坡既能保持水土，也能修复边坡生态环境，因此在大量基础工程建设中被广泛使用。针对岩质边坡坡度大、植被生存难等问题，许文年等[1]提出了植被混凝土技术，该技术将水泥与保水剂、种植土、肥料等按比例混合的基材连同植物种子喷射到边坡上，随着植物生长达到固土护坡的目的。水泥含量越高，植被混凝土基材的力学性能越好，但是水泥含量较大时会导致植被混凝土基材的渗透性变差、pH升高，不利于植被的生态发展[2]，常存在植物生长不稳定、长期养护效果不明显等缺点[3]。因此，探究在不增加水泥含量的情况下，利用有机改良剂，改善植被混凝土基材的力学和植生性能，对植被混凝土技术的工程应用具有重要的意义。

针对植被混凝土生态护坡基材的力学强度与植物生长性能问题，夏振尧等[4]通过无侧限抗压试验研究了植被混凝土生态护坡基材的初期强度特性，结果表明植被混凝土生态护坡基材的初期强度随水泥掺量的增加而增大，但水泥掺量较大时植物的生长性能变差；Chen等[5]通过植生试验探究了水泥含量对3种草本植物生长性能的影响，结果表明当水泥含量为8%时，3种植物均能够正常生长，且随水泥掺量的增加植物生长性能逐渐变差；肖衡林等[6]通过正交试验研究了水泥泥炭与纤维基干喷生态护坡基材配方的优化，结果表明当水泥对植物生长性能的抑制作用最大。如何在保持水泥含量8%不变、保证植物正常生长的前提下，对植被混凝土基材进行改良，以提高其力学性能是亟待解决的问题。羧甲基纤维素钠(CMC)等高分子有机材料易溶于水，溶解后会形成透明的黏稠溶液[7]，在土壤改良方面已取得了一定的成效。董金梅等[8]、裴向军等[9]的研究表明，随着CMC浓度的增加，改良土壤的保水性增强、渗透性降低、抗剪强度得到了一定的提升；陆绍娟等[10]、Diacono等[11]研究表明,与CMC相似性能的高分子有机材料能改善改良土壤的物理性状，增强其水稳定性能、保水性，提高作物产量；吴军虎等[12]的研究表明，CMC能提高改良土壤的水稳定性能，增强土壤颗粒的团聚稳定性；杨晴雯等[13]采用CMC改良粉砂土，结果表明CMC能够有效增强粉砂土的力学性能，提高其抗冲刷性；王芮芮等[14]的研究也表明，改性材料的加入能显著提高黄土的抗水蚀与力学性能。另外，也有研究表明，植被混凝土基材中加入一定含量的纤维，能够增大基材的强度与孔隙率，促进植物生长。潘波等[15]探究了棕纤维和玄武岩纤维对植被混凝土基材力学性能的影响，结果表明适量的纤维掺量能有效提高基材的强度。

综上所述可知:植被混凝土基材中水泥含量与力学性能呈正相关，与植物的生长性能呈负相关，水泥含量8%时植被混凝土基材的力学与植生性能协调性较好;CMC不仅能增强土壤的抗侵蚀性能，还能提高作物的产量;植物纤维能增大植被混凝土基材的孔隙率，改善其渗透性差等缺点，并促进植物生长。因此，本文选用CMC和麦秸秆纤维作为植被混凝土基材的改良剂，即在维持水泥含量8%的基础上，对不同掺量的CMC、麦秸秆纤维植被混凝土基材进行了直剪试验和黑麦草植生试验研究，分析不同掺量改良剂对植被混凝土基材直剪力学性能与黑麦草生长性能的影响规律。

1 试验材料与方案

1.1 试验材料

试验材料为改性植被混凝土基材(以下简称基材)，由羧甲基纤维素钠(CMC)、麦秸秆纤维、水泥、土壤等材料组成。其中，CMC为白色粉末状，具有吸湿性、无毒性，溶于水后呈透明胶状液体；水泥为P.C32.5复合硅酸盐水泥；纤维采用剪成长3 cm左右的麦秸秆；黑麦草抗病能力强、生长速度快、耐寒性好，根据试验季节要求选用黑麦草进行植生试验；土壤取自中国地质大学(武汉)南望山脚下，将土壤进行晾晒风干、除去杂物、碾碎处理后，过2.5 mm孔径的筛，并测定其含水率，得到土壤的基本物理性能指标，见表1。

表1 土壤的基本物理性能指标

1.2 试验方案设计

本试验分别考虑麦秸秆纤维(以下简称纤维)、CMC两种掺量因素对基材剪切强度特性和黑麦草生长的影响。设置CMC与纤维掺量分别为0%、0.5%、1.0%、1.5%，共16种配比类型，其他材料掺量取固定值：8%水泥、4%泥炭、0.2%保水剂、1.0%复合肥料。上述材料掺量均以干土质量为基础的质量百分比表示，另外以纯土壤作为空白对照组。

改性植被混凝土基材的具体配比方案见表2，按照表2中各基材的配比方案进行快剪直剪试验与黑麦草的植生试验，分析直剪试验结果的规律性，观测记录黑麦草种植10 d、50 d的出芽和长势情况，并对试验结果进行综合分析，探究不同CMC、纤维掺量对基材力学性能与植物生长的影响规律。

表2 改性植被混凝土基材的配比方案

2 试验过程与方法

2.1 直剪试验

直剪试验制样时，先将CMC、水泥、土壤等材料按照配比称量后拌匀，再加入纤维，按25%的质量含水率分批加水拌匀，用分层压实法控制试样质量为110 g，制成直径为6.18 cm、高为2 cm的试样，放入标准养护箱中养护72 h后，采用应变控制直剪仪进行剪切试验，剪切速度控制为0.8 mm/min，手轮每转一圈，记录量力环读数。分别在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa的竖向压力下对试样进行剪切试验，以试验峰值剪应力作为抗剪强度值，得到剪切后的试样，见图1。上述试验严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行操作。

图1 剪切后试样

2.2 黑麦草植生试验

黑麦草的植生试验采用边长15 cm的立方体模具进行，在模具底部钻漏水孔，将每组试样所需各种材料搅拌均匀后，分批加入试验模具内。每个模具内黑麦草播种量为400颗，2019年11月4日播种完成(11月10号发芽)，每天早晚进行浇水，定期观测植物长势，并记录各种组分试样黑麦草种植株数量和高度，黑麦草50天长势情况见图2。

图2 黑麦草生长情况

3 试验结果与分析

3.1 直剪试验结果与分析

3.1.1 基材剪切应力-位移关系分析

根据试验结果，可得到各基材配比在不同竖向压力下的剪应力-位移关系曲线，其中0.5%纤维掺量下，0%、0.5%、1.0%、1.5%CMC掺量的改性植被混凝土基材的剪应力-位移关系曲线，见图3。

由图3可以看出：

图3 不同CMC掺量下改性植被混凝土基材的剪应力-位移关系曲线

(1) 随着剪切位移的增加，基材剪应力到达峰值后逐渐下降，表现为软化型应变特征。

(2) 基材峰值剪应力所对应的剪切位移总体上随着竖向压力的增加呈现非线性增大。

(3) 通过对比分析各曲线可知，在竖向压力相同和0.5%纤维掺量固定的情况下，添加CMC的基材峰值剪应力所对应的剪切位移较未添加CMC的基材有大幅度的提高；在100 kPa竖向压力下，添加0.5%、1.0%、1.5%CMC的基材峰值剪应力所对应的剪切位移值分别为4.0 mm、4.7 mm、3.6 mm，较未添加CMC的基材(2.4 mm)分别提高了66.7%、95.8%、50.0%。

(4) 对比图3(a)与图3(c)可直观地发现，掺入1.0%CMC后基材的峰值剪应力所对应的剪切位移均有大幅提高，说明添加CMC改良后植被混凝土基材的剪切变形能力得到了显著提升，这将有利于提高生态护坡基材的稳定性。

不同CMC与纤维掺量下改性植被混凝土基材的抗剪强度关系曲线见图4，不同CMC与纤维掺量下部分改性植被混凝土基材的剪应力-位移关系曲线见图5。

图4 不同CMC与纤维掺量下改性植被混凝土基材的抗剪强度关系曲线

图5 不同CMC与纤维掺量下部分改性植物混凝土基材的剪应力-位移关系曲线

由图4(a)可见：在0.5%纤维掺量固定情况下，随CMC掺量的增加基材抗剪强度呈先增后减的变化趋势；当CMC掺量为0.5%时，基材的抗剪强度达到峰值，超过0.5%后基材的抗剪强度开始下降;在400 kPa压力下，0%、0.5%、1.0%CMC掺量的基材抗剪强度分别为301.2 kPa、346.5 kPa、290.4 kPa，1.5%CMC掺量的基材抗剪强度(194.7 kPa)较0%、0.5%、1.0%CMC掺量的基材抗剪强度分别降低了35.4%、43.8%、32.9%。因此，添加适量CMC能有效增强基材的剪切强度，这与杨晴雯等[13]改性CMC加固粉砂土的试验结论类似。但过多的CMC会吸收土颗粒间的水分形成黏稠状液体，而使土颗粒被CMC黏液分割，颗粒间的滑动摩擦力降低，且剩余部分CMC未完全溶于水，无法胶结土颗粒，造成基材的抗剪强度随之降低。

由图4(b)可见：在1.0%CMC掺量固定的情况下，随纤维掺量的增加基材抗剪强度呈近似线性增长趋势；在200 kPa压力下，0.5%、1.0%、1.5%纤维掺量的基材峰值剪应力分别为165.3 kPa、183.6 kPa、216.3 kPa，较0%纤维掺量的基材峰值剪应力(136.5 kPa)分别增加了21.1%、34.5%、58.5%。

此外，通过对比图3(b)、图5(b)与图5(a)也可知，添加0.5%、1.5%纤维的基材较未添加纤维的基材剪应力显著提高，且峰值剪应力所对应的剪切位移明显增大，基材的延性增强。这与郗红超等[16]的研究结论类似，麦秸秆纤维作为植物纤维，在基材养护初期能够显著提高基材的强度，确保基材在边坡上的稳固，而随着养护时间的延长，植物逐渐生长，基材的强度也逐渐提升，而纤维逐渐腐化，达到良好的生态护坡效果。

通过对比图5(c)与图5(d)分析可知，当CMC与纤维掺量分别为1.0%时，添加纤维较CMC对基材的剪应力提升更大，而添加CMC较纤维对基材的剪切位移提升更大，如在400 kPa压力下，添加1.0%CMC与纤维的基材峰值应力所对应的剪切位移分别为5.79 mm、3.74 mm；而通过对比图5(a)与图3(a)也能够直观地看出，在CMC与纤维掺量相同的情况下，纤维对基材抗剪强度的提升较CMC更大，这是因为纤维主要通过加筋作用来提升基材的剪切强度[17]，纤维的抗拉强度大，当施加竖向压力后土颗粒与纤维被挤压密实，受到水平剪力时纤维承受拉力从而提升了基材的抗剪强度；而CMC主要通过胶结作用形成团聚体增强基材的抗剪强度，因而对基材的抗剪强度提升相对较差，对基材延性的提升较好。

综上分析可知，相较传统的植被混凝土基材配比[1]，基材中掺入适量的CMC与麦秸秆纤维改良后，在8%水泥掺量不变的情况下，改性植被混凝土基材的抗剪切变形能力与抗剪强度得到了显著提升，说明CMC、纤维与水泥具有良好的适应性，能够达到良好的协同增强作用效果。

3.1.2 基材抗剪强度参数分析

根据直剪试验结果进行了拟合分析，可得到不同CMC与纤维掺量下改性植被混凝土基材的黏聚力(с)和内摩擦角(φ)的变化情况，见图6、图7和表3。

表3 改性植被混凝土基材的内摩擦角φ(°)

图6 改性植被混凝土基材黏聚力随CMC掺量的变化曲线

图7 改性植被混凝土基材黏聚力随纤维掺量的变化曲线图

由图6可见:在纤维掺量一定的情况下，基材的黏聚力随CMC掺量的增加呈近似线性增长趋势；当纤维掺量为0%时，0.5%、1.0%、1.5%CMC掺量的基材较0%CMC掺量的基材黏聚力分别增加了97.8%、143.7%、162.7%，说明CMC的掺入能显著提高基材的黏聚力；当CMC掺量在0%～1.0%之间时，基材的黏聚力增长速率较快，但当CMC掺量超过1.0%后，基材黏聚力增长速率有所减弱。这是因为CMC溶于水后具有较高的黏性，能够胶结土颗粒，形成团聚体改变土颗粒间的结构，使基材的黏聚力增大。

由图7可见：在CMC掺量一定的情况下，当纤维掺量在0%～1.5%之间时，基材的黏聚力随纤维掺量的增加呈先升后降的变化趋势，其中纤维掺量为1.0%左右时基材的黏聚力达到峰值，这与其他学者的研究结论较吻合；当CMC掺量为0.5%时，0.5%、1.0%纤维掺量的基材较0%纤维基材的黏聚力增加了19.9%、63.6%，说明添加纤维能有效增加基材的黏聚力；但当纤维掺量大于1.0%后，基材的黏聚力呈现下降趋势。这是因为基材中掺入适量的纤维能够抑制剪切裂缝的延伸和扩展，同时由于纤维的加筋作用，基材的黏聚力和韧性得到了提高；但纤维掺量较大，且超过1.0%时，基材中的土颗粒骨架结构被大量纤维阻隔，其内部孔隙增加，纤维与水泥、土颗粒之间的胶结力降低，使基材的整体性容易遭到破坏[18]，造成其黏聚力降低。本试验结果也验证了潘波等[15]关于纤维加筋作用对混凝土基材力学性能呈先增后减影响的结论。同时，麦秸秆纤维作为天然植物纤维，在湿热的环境下容易腐化分解，导致基材在养生后抗剪强度出现一定的弱化。

由表3可知：在CMC掺量相同的情况下，随着纤维掺量的增加，基材的内摩擦角φ总体上呈先增后减的变化规律，但变化幅度不大；在纤维掺量相同的情况下，基材的内摩擦角φ随CMC掺量的增加呈降低的变化趋势，其中CMC掺量为1.5%时基材的内摩擦角φ降低幅度较大；当纤维掺量为0%时，1.5%CMC掺量的基材内摩擦角较0%、0.5%、1.0%CMC掺量的基材内摩擦角分别降低2.42°、2.48°、1.51°，说明当CMC掺量较大时，基材的内摩擦角显著降低，这是因为基材的内摩擦角与土颗粒的滑动及颗粒重新排列等因素有关[19]，而纤维在基材中主要为加筋作用，当土颗粒间发生相对滑动或位移时，纤维能够提供一定的阻力，但纤维并未改变基材内部土颗粒的排列形式与接触特征，所以纤维可提升基材的内摩擦角，但提升幅度不大；当CMC掺量过多时基材的内摩擦角显著降低，这是因为CMC黏液包裹住土颗粒形成团聚体，虽然有一定的团聚力作用，但CMC黏液阻隔了土颗粒间的接触，降低了土颗粒间的相对滑动力，改变了土颗粒间的接触方式，从而使基材的内摩擦角降低。

3.2 植生试验结果与分析

根据黑麦草植生试验结果，以基材编号为横坐标，黑麦草发芽数、生长50 d后的生长高度为纵坐标，建立不同基材配比对黑麦草生长性能的柱状关系图，见图8和图9。

图8 改性植被混凝土基材的黑麦草出芽情况

图9 改性植被混凝土基材的黑麦芽生长高度情况

由图8可见，10号基材的黑麦芽发芽数最大为335颗，4号基材的黑麦芽发芽数最小为245颗，1～16号基材的黑麦芽平均发芽数为287颗，最高发芽数与最低发芽数之比为1.37，说明不同基材配比的黑麦草发芽数有较大差别，其中2、6、10、11号基材配比的黑麦芽发芽数较高，4、8、12号基材的黑麦芽发芽数较低。

由图9可见，不同基材的黑麦草50 d的平均生长高度为14.3 cm，最高生长高度与最低生长高度之比为2.1。此外，由图2也可以明显地看出，不同基材配比对黑麦草生长性能的影响较大。

3.2.1 纤维掺量对黑麦草生长性能的影响

黑麦草生长性能与纤维掺量的关系曲线，见图10和图11。

图10 黑麦草发芽率与纤维掺量的关系曲线

由图10可见，随纤维掺量的增加黑麦草的发芽率变化不显著，这是因为黑麦草种子的萌发还与土壤的pH值、温度、湿度、孔隙度等因素有关，所以纤维掺量的影响不显著。由图11可见，黑麦草50d的平均生长高度随纤维掺量的增加有所增加，这是因为基材中加入水泥后使土壤变得坚硬、板结、孔隙减少，不利于植物的生根发芽，而加入麦秸秆纤维能使土壤更加疏松多孔，有利于黑麦草的生根与吸收养分，同时随着纤维的逐渐腐烂，也能提供一定的养分。

图11 黑麦草生长高度与纤维掺量的关系曲线

3.2.2 CMC掺量对黑麦草生长性能的影响

黑麦草生长性能与CMC掺量的关系曲线，见图12和图13。

图12 黑麦草发芽率与CMC掺量的关系曲线

图13 黑麦草生长高度与CMC掺量的关系曲线

由图12可见：随CMC掺量的增加黑麦草的发芽率呈先增后减的变化趋势，当CMC掺量为0.5%时，黑麦草的发芽率出现峰值；当CMC掺量超过0.5%后，对黑麦草的发芽表现为抑制作用，说明加入适量的CMC将有利于黑麦草种子的发芽与生长，也验证了其他学者的相关研究结论。由图13可见：随CMC掺量的增加黑麦草50 d的平均生长高度也呈先增后降的变化趋势，这是因为当CMC掺量过多时，溶于水后形成的黏稠液体会填充土颗粒间的孔隙，使土壤透气性变差，同时裹住黑麦草种子，不利于种子的萌发。

综上分析可知，植被混凝土基材中掺入适量的CMC与纤维改良后，均能在一定程度促进黑麦草的生长发育。其中，当掺入0.5%CMC时对黑麦草的发芽率与生长高度均有促进作用，说明适量的CMC与纤维作为改良剂能有效地改善植被混凝土基材的植物生长性能。

4 结 论

本文对添加CMC和麦秸秆纤维的改性植被混凝土基材进行直剪试验和黑麦草植生试验，分析了CMC与纤维对改性植被混凝土基材的剪切强度、内摩擦角、黏聚力、黑麦草生长性能的影响规律，得到以下结论：

(1) 添加纤维与CMC后改性植被混凝土基材的延性增加，主要为塑性剪切变形，CMC较纤维对基材的延性提升更加显著，而纤维对基材剪切强度的提升更显著；在0%～1.5%掺量内，基材的剪切强度随CMC掺量的增加呈先增后减的变化趋势，0.5%CMC掺量时出现基材剪切强度峰值，而随纤维掺量的增加基材的剪切强度呈近似线性增长趋势，无明显峰值出现。

(2) 添加纤维与CMC均能显著提高改性植被混凝土基材的黏聚力。基材的黏聚力随CMC掺量的增加呈近似线性增长的变化趋势，而其随纤维掺量的增加呈先上升后下降的变化趋势，当纤维掺量为1.0%左右时基材黏聚力出现峰值，而后逐渐降低，这也验证了纤维加筋作用能使基材力学性能呈先增后减的变化规律。随纤维掺量的增加基材的内摩擦角呈先增后减的变化趋势，当纤维掺量为1.0%左右时基材内摩擦角出现峰值，而其随CMC掺量的增加呈减少的变化趋势，特别当CMC掺量达到1.5%时，基材的内摩擦角显著降低。

(3) 添加适量的纤维与CMC对黑麦草的萌发与生长有一定程度的促进作用，但当CMC掺量超过0.5%后，对黑麦草的生长表现为抑制作用。

综合上述结论，在维持水泥掺量为8%时，掺入0.5%CMC、1.0%麦秸秆纤维，可使改性植被混凝土基材的力学性能与黑麦草的生长性能达到最佳。