植物纖維加筋對植被混凝土抗凍耐久性的影響

陳毅　梁永哲　劉大翔等

摘要：為了修復雅礱江兩河口水電站工區受損陸地邊坡，通過對植被混凝土摻入不同質量配比的棕纖維和黃麻纖維進行凍融循環試驗。結果表明，植被混凝土的質量損失率隨凍融循環次數的增加呈線性增加，相對質量損失率隨凍融循環次數的增加呈先增大后減小的趨勢；質量損失率和相對質量損失率隨著摻入纖維質量比的增加均呈先增大后減小的趨勢，當棕纖維和黃麻纖維的質量配比分別為0.6%和0.9%時，損失均最小；同時對植被混凝土的質量損失率和相對質量損失率的計算結果分別對兩種纖維做敏感性分析，表明棕纖維的敏感性高于黃麻纖維。

關鍵詞：植物纖維；凍融循環；植被混凝土；最優配比

中圖分類號：TU528.572 文獻標識碼：A 文章編號：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

雅礱江兩河口水電站工區由于受工程擾動影響，毀損了大面積原有的邊坡植被，造成眾多巖石裸露邊坡亟待修復。當前，國內外修復巖質邊坡一般先在坡面鋪設生態基材，營造植物生長環境，然后再進行植被修復。受當地氣候以及地理位置所限，工區高差巨大，冬季邊坡土壤存在明顯凍融現象，生態基材也難以避免。在凍融循環過程中，由于生態基材中的水分不斷結晶、融化以及遷移，引起基材體積發生脹縮演替，造成其內部以及表觀一系列的微裂，進而使基材不斷地剝落，最終導致生態基材內部結構失穩[1，2]。

為提高生態基材或邊坡土體結構的整體穩定性，國內外學者對此做了大量研究[3-9]，從已有研究成果可以看出，土體中摻入纖維可以明顯改善其物理特性，雖然國內外學者對此研究比較多，但是在凍融循環條件下，纖維加筋對土體結構的影響以及合理的摻量卻并不多見，而對于生態基材影響這方面的報道幾乎沒有。為此，針對雅礱江兩河口水電站工程擾動區邊坡的生態修復問題，本文以植被混凝土生態基材為研究對象，以雅礱江兩河口水電站工區的情況為例，探討棕纖維和黃麻纖維在不同摻入量條件下對植被混凝土質量損失率的影響，旨在為雅礱江兩河口水電站地區受損陸地邊坡的植被修復提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗所用植被混凝土試樣配比為干土∶水泥∶有機質∶綠化添加劑=100.0∶8.0∶4.5∶6.5（質量比，以干土質量為計算基數）。土樣取自雅礱江兩河口水電站地區種植土，剔除碎石、木塊等其他雜質并過2 mm篩，其物理指標見表1；水泥為從市場購置的32.5 R普通硅酸鹽水泥；有機質采用木材加工廠生產的實木鋸末，過2 mm篩，剔除較大體積的木屑；綠化添加劑為宜昌綠野環保工程有限責任公司生產的LV-2型產品。植被混凝土制備方法遵循植被混凝土生態護坡技術設計規程[13]，并加適量水制備。

在制備好的植被混凝土中摻入不同配比的棕纖維和黃麻纖維，根據經驗梯度設置質量比，令纖維質量分別為干土質量的0.3%、0.6%、0.9%。棕纖維和黃麻纖維分別以0.3%+0.3%、0.3%+0.6%、0.3%+0.9%等不同配比的摻量作全交試驗，編號分別為DR1～DR9，以不加纖維的作空白對照（CK），共10組。棕纖維和黃麻纖維購自市場，剪裁成3 cm左右，并拆分為單根，直徑約0.3 mm，與植被混凝土充分攪拌，分別裝入100 mm×100 mm×100 mm的標準鋼模，每組試樣均制作3個重復樣；置于20 ℃、濕度為90%的環境下養護7 d。

1.2 方法

由于植被混凝土的主要功能是營造邊坡植物生長環境，在實際應用中所承受的外部荷載作用力很小，由此所引起的壓縮沉降幾乎為零，因而試樣損失僅由融化沉降單獨構成[10]，而在國內外對于該類生態基材的抗凍性檢測也沒有形成統一的方法與標準，因此結合實際情況，參考GB/T 50082-2009[11]和GB/T 50123-1999[12]，凍融循環采用慢凍法。在進行凍融循環試驗之前，將養護好的試樣置于水溫20 ℃的水槽中，放在電熱恒溫培養箱HPX-9272MBE中養護48 h。浸泡完畢后，取出試件用濕布擦去表面水分，稱重，編號后放入冷凍箱做抗凍試驗。抗凍試驗凍結時溫度保持在-20 ℃，冷凍12 h即停止，取出試樣稱重并立即放入電熱恒溫培養箱的水槽中融化，溫度保持在20 ℃，試件在水中融化12 h，融化完畢即為該次凍融循環結束，取出試件稱重并放入冷凍箱進行下一次循環試驗。如試件崩解無法稱重，即停止該組試樣試驗；如整體試樣的平均失重率超過40%，即可停止凍融循環試驗。

2 結果與分析

2.1 基本評價指標

2.2 凍融次數對試樣質量損失率的影響

從表2可以看出，經過1次凍融循環后，有4組試樣的平均質量損失率呈現負值，這是由于在第一凍融循環之前，這些試樣中存在不同程度的孔隙率，經過1次凍融后，試樣基本保持完整且充分吸水，因此質量變大。從表2中還可以看出，不加纖維的空白樣在凍融3次后即崩解；DR1～DR9在凍融5次后，試樣質量有不同程度的損失。隨著凍融循環次數不斷增加，各種纖維配比的質量損失率的增長幅度也不一樣，除去崩解的空白樣，其中DR6試樣平均質量損失率最小，僅為22.37%，試樣相對比較完整，DR1試樣質量平均損失率最大，達95.94%，接近崩解狀態。

由此可以得出，在高寒地區，植被混凝土中摻入的棕纖維和黃麻纖維，在基材結構中起到聯結、約束和控制作用，使其在產生微裂紋時，能及時將應力集中并予以擴散，從而抑制了微裂縫的快速發展，有效改善生態基材的內部結構，其抗凍性得到一定的改善與提高，防止生態基材在凍融作用下不斷地流失。同時每一組試樣隨著凍融次數的增加，其質量損失率呈線性增長，如圖1所示。

2.3 凍融次數對相對質量損失率的影響

經過5次凍融循環后，植被混凝土摻入不同配比纖維的相對質量損失率結果如表2所示，曲線圖如圖2所示。從圖2可以看出，除去已經崩解的空白樣，在前4次凍融作用影響下，相對質量損失率呈增大趨勢，第4次后卻呈下降趨勢。在第4次凍融循環后，DR1試樣相對質量損失率最大，為31.99%，DR9試樣相對質量損失率最小，為7.22%；第5次凍融循環后，DR1試樣相對質量損失率最大，為26.41%，DR6試樣相對質量損失率最小，僅為4.91%。

由此分析可以得出，所配制的基材試樣前4次受凍融作用影響最大。這是因為，試樣在進行凍融試驗開始表面積最大，剝落相對比較嚴重；后期隨著試樣的剝落表面積縮小，因此呈下降趨勢。所以，在實際工程中，特別是高寒地區，應特別注意前期的養護工作，為生態基材營造一個良好的環境。

2.4 纖維含量與配比對植被混凝土耐久性的影響

由凍融次數對試樣質量損失率和相對質量損失率綜合分析來看，隨著纖維總摻量的增大，相對應的試樣質量損失率呈先減小后增大的趨勢。如表2所示，取第5次凍融循環后質量損失率的數據，DR1、DR2試樣所對應的質量比為0.3%+0.3%和0.3%+0.6%，質量損失率分別為95.94%、66.21%；DR3和DR7對應的質量比為0.3%+0.9%和0.9%+0.3%，質量損失率分別為59.71%、45.73%；DR6對應的質量比為0.6%+0.9%，質量損失率為22.37%；DR9對應的質量比為0.9%+0.9%，質量損失率反而上升，為28.87%。取第4次凍融循環后相對質量損失率的數據，有類似的現象。

這是由于在植被混凝土中增加纖維起到三維加筋的作用，利用纖維與植被混凝土之間的摩阻力，增大了植被混凝土整體的粘聚力，有效防止了植被混凝土在凍融作用下的不斷流失；但是試驗表明纖維摻量并不是越多越好，纖維摻量存在一個最優質量比，當纖維質量超過最優質量比時，植被混凝土與纖維之間沒有很好的接觸，反而降低了根土之間的摩阻力，不利于植被混凝土整體的穩定。有的學者在非凍融條件下探討了纖維對土體的影響得到類似的結論。如張小平等[14]指出添加纖維可以改善石灰土的整體性能，若添加單絲纖維和短的網狀纖維，其最佳含量為0.4%；而摻長網狀纖維，最佳含量應為0.2%～0.3%。Miller等[15]通過研究纖維加筋對壓實黏土襯墊材料收縮裂隙的抑制作用，發現當纖維摻量介于0.4%～0.5%時能達到比較理想的裂隙減少率，當纖維摻量達到0.8%時能減少約90%的裂隙。而在凍融條件下，纖維的摻入量對于生態基材或者水泥土等物理特性的影響，國內外學者對此研究并不多見，其作用機理仍待進一步研究。但在這里初步分析可以得出，植被混凝土中摻入棕纖維和黃麻纖維的最優質量比在0.6%+0.9%附近。

2.5 兩種纖維對植被混凝土影響的敏感性分析

由表2中質量損失率和相對質量損失率計算結果分別對兩種纖維作敏感性分析。如圖3所示，當控制棕纖維配比不變，黃麻纖維配比作變量時，隨著黃麻纖維質量配比的增大，試樣質量損失率均呈下降趨勢；當控制黃麻纖維配比不變，棕纖維配比作變量時，棕纖維質量比大于0.6%時，試樣質量損失率和相對質量損失率有增大趨勢。由此可以得出，棕纖維最優質量配比在0.6%附近，而黃麻纖維最優質量配比應在0.9%。對兩種纖維質量配比控制在相同水平時，對比可以看出，隨著纖維質量比增加，棕纖維對應的質量損失率下降趨勢明顯比黃麻纖維小。因此可以得出，對于植被混凝土抗凍耐久性的影響，棕纖維的敏感性要高于黃麻纖維，這是由于棕纖維莖干外圍有一層葉鞘形成的層網狀棕衣纖維，增大了與基材的接觸面積，相比黃麻纖維表面更加粗糙，與土壤接觸形成的摩阻力比黃麻纖維大。結合纖維的力學性能，黃麻纖維相比棕纖維斷裂伸長率小，斷裂強度大，因此有較好的力學性能，同時具有較好的耐久性[16，17]。因此在實際工程中，選取這兩種常見纖維作為土體加筋材料有比較好的抗凍耐久性效果。