南方高海拔山區新型無機類生態穩定土壤的耐久性能分析

呂 荔 炫

(福州市規劃設計研究院， 福建 福州 350000)

福建省北部高海拔山區具有夏季高溫、高濕、 輻射，冬季短時凍融頻繁(屬于短時凍區，凍結時間在數小時至數日)的區域特性。受征地拆遷困難等原因，公路沿線存在大量高陡殘積土類裸露邊坡(坡度超過1∶0.5)，在上述不利環境下，每年產生大量坡面淺層剝落現象，嚴重影響公路的運營安全。現場調查發現存在一個特殊現象：即在冬春少雨的季節，仍有大量坡面淺層剝落現象，可見其原因與地區屬于典型的短時凍區息息相關。如福建省武夷山高海拔地區S303線，沿線33 km共36處土坡出現了冬季短時凍融剝落現象。對于此類邊坡生態治理，存在以下困難或難點：邊坡的高陡以及特殊的氣候限制了一些傳統掛網客土噴播類等防護形式；植被混凝土技術雖然適用于高陡邊坡，但存在造價高等問題[1-4]。生態型穩定土技術由于其無污染、造價低、施工簡便等優點，是近年來逐漸新興的邊坡綠化技術，日益運用廣泛。常見的生態土壤穩定劑類型包括有機類(W-OH、PAM等)、無機類(水泥、石灰等)和離子類(EN-1、ISS等)[5-12]。綠化高陡土質邊坡表層，有機類土壤穩定劑或是無法有效滲入坡體，或是不能很好與土體較好粘合；傳統無機類土壤穩定劑生態性較差，存在與植被不能很好相容等問題；離子類土壤穩定劑存在選擇性較大效果不穩定等問題。同時，以上各類穩定劑大多適用于西北或長江以北等氣候，對于存在夏季高溫、高濕、高輻射，冬季短時凍融頻繁特殊氣候的福建閩北高海拔地區是否適宜仍未可知。因此，迫切需要尋求一種適用于本地區氣候條件高陡邊坡防護的生態型土壤穩定劑。

新型生態土壤穩定劑JCDK-1是一種無機類土壤穩定劑[13]，相比于其他化學類穩定劑，具有以下幾個鮮明特點：(1) 可改變土壤團粒結構以提高基質附著力，特別適用于殘積砂土類高陡邊坡坡面綠化；(2) 與土壤發生化學反應快，固化時間短(通常十幾分鐘內)，固化形成強度高，施工速度快；(3) 提高土壤保水蓄水能力、調節土壤pH值以及耐久性強等。雖然JCDK-1具有以上特點，但對于存在夏季高溫、高濕、高輻射，冬季短時凍融頻繁特殊氣候的福建閩北高海拔地區的適應性仍不可知。

鑒于此，本文以福建省閩北地區典型殘積砂土類邊坡為例，通過室內宏細觀試驗以及現場試驗，分析新型無機類生態穩定土壤(JCDK-1穩定土)的性能及耐久性能，為新型無機類生態穩定劑在南方高海拔山區殘積砂土類高陡邊坡的實踐應用提供依據。

1 試驗方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗用土

試驗用土取自福建省閩北地區省道S303線K366+500處殘積砂性土類邊坡，基本物理性質如表1、表2所示。

表1 典型殘積土顆粒級配

表2 典型殘積土基本物理性質

1.1.2 土壤穩定劑

JCDK-1是一種以天然礦物為主原料的綠色環保土壤改良劑，具有保濕保肥、促進生物生長、防止水土流失以及分解土壤中重金屬等功能。購自北京中通四維公路橋梁技術咨詢有限責任公司，呈灰色粉末狀(見圖1)，可被土壤微生物分解，不會造成環境負荷。

圖1 JCDK-1型土壤穩定劑

1.2 試驗方案設計

(1)目X射線粉末衍射(XRD)。采用福州大學測試中心的荷蘭PANalytical公司的X/Pert3 PRO型X射線粉末衍射儀，本試驗主要用于測試穩定土體中所含有的礦物元素[14]。

(2) 無側限抗壓強度。將JCDK-1土壤穩定劑分別按照干土質量的0.2%、0.3%、0.4%先與干土均勻拌合后，按照含水率17.5%配制土樣，再均勻拌合，密封靜置12 h后，按照干密度1.56 g/cm3分兩層裝入尺寸為Φ39.1 mm×120 mm的模具內進行成型，利用定位圓柱體制作成Φ39.1 mm×80 mm的測試試樣(見圖2)。室內自然養護后，利用WDW-10型微機控電子式制式萬能試驗測定穩定土體的抗壓強度[15]。

圖2 試樣制作

(3) 紫外線老化。采用兩個ULTRA-VITALUX 230V型號紫外線老化燈(功率為 300 W)連續照射[16]的方法進行試驗，照射時間分別為1 d、3 d、6 d、9 d、12 d、15 d。照射完畢后對土樣進行無側限抗壓強度試驗。

(4) 凍融循環。設置1個凍融循環為在-15℃凍12 h，然后在+25℃融化12 h[17]。采用全自動低溫凍融試驗機，每3個凍融循環測試一次抗壓強度，共測試18個循環。為了防止土樣含水率變化，采用保鮮膜將土樣包裹密實，如圖3所示。凍融后對試樣進行無側限抗壓強度試驗。

圖3 凍融循環試樣

(5) 干濕循環。設置1個干濕循環為放入水中浸泡1 d，放入烘箱50℃下烘1 d。循環次數分別為1、2、3、4、5、10、15、20。將試樣兩端分別放置一塊透水石，并用保鮮膜包裹試樣側邊，使土樣從上下端進水而達到飽和現象[18-19](見圖4)。到達指定循環次數后，進行無側限抗壓強度試驗。

圖4 干濕循環試樣

(6) 崩解試驗。殘積土具有泡水軟化的特點，進行崩解試驗檢驗穩定土體的水穩定性[20]。參考《土工試驗規程》[20](SL 237—1999)，采用簡易的濕化裝置(見圖5)，“1”為量程250 mL的量筒，“2”為10 cm×10 cm的網板，網孔1 cm×1 cm。試驗時，試樣放置于網板中央，勻速放入水槽中，并立即記下量筒穩定瞬間的刻度，并記錄刻度穩定所用時間，試驗進行30 min結束，未崩解部分從網板取出后繼續浸入水中，觀察3 d后試樣的變化。測試未養護(試樣成型)和室內自然養護3 d穩定土體的水穩定性。

(7) 比表面積。采用福州大學測試中心的美國Micrometric公司的ASAP 2020M[21]，分別測試穩定土樣在紫外線老化6 d、15 d，凍融循環6次、18次，干濕循環5次、20次后的比表面積。

(8) 掃描電鏡。采用福州大學測試中心的日本Hitachi公司的S-4800型場發射掃描電子顯微鏡，分別對經過紫外線老化、凍融循環、干濕循環后的穩定土體進行掃描電鏡測試[15]。

圖5 崩解試驗裝置

2 試驗結果分析

2.1 XRD測試結果

圖6為JCDK-1土壤穩定劑和穩定土樣的XRD圖譜。由圖6可見：

(1) JCDK-1穩定劑衍射圖譜中SiO2、鈣鋁氧化物、鈣鋅鋁氧化物等特征衍射峰較明顯，表明穩定劑中含有二氧化硅、鈣鋁氧化物、鈣鋅鋁氧化物等天然礦物質。

圖6 JCDK-1穩定劑和穩定土體的X射線粉末衍射圖譜

(2) 穩定土樣中SiO2的衍射峰很強，且出現鈣長石CaAl2Si2O8·4H2O的特征衍射峰，表明土壤內含有石英、長石等礦物；同時含有較明顯的高嶺石Al2Si2O5(OH)4的衍射峰，是長石和其他硅酸鹽礦物蝕變的產物，而且含有硅酸鈣Ca2SiO4和鋁酸鈣Al2CaO4等礦物質是花崗巖的重要成分。由此可知，該土壤主要含有石英、長石、花崗巖等礦物。

(3) 不同摻量的穩定土體和素土樣的XRD圖譜中特征衍射峰的位置基本一致，沒有新的衍射峰出現，說明未產生新的礦物，但不同礦物的衍射峰的峰強稍有區別。

2.2 耐久性試驗結果

圖7—圖9分別為紫外線老化時間、凍融循環次數、干濕循環次數與JCDK-1型生態穩定土樣強度的關系。其中，J-0.2%、J-0.3%、J-0.4%分別表示JCDK-1摻量0.2%、0.3%、0.4%時的穩定土樣。

圖7 紫外線老化時間與穩定土樣抗壓強度的關系

圖8 凍融循環次數與穩定土樣抗壓強度的關系

圖9 干濕循環次數與穩定土樣抗壓強度的關系

由圖7—圖9可知：

(1) 相比較于素土，0.2%、0.3%、0.4%摻量下的JCDK-1穩定土樣在三種耐久性(紫外線老化15 d、凍融循環18次以及干濕循環20次)試驗后，其抗壓強度依次為：提高了13.81%、12.47%、11.4%；損失了27.67%、26.08%、29.92%；損失了23.33%、20.74%、18.63%。表明穩定土抗紫外老化、抗凍融循環、抗干濕循環能力良好，且明顯優于素土。

(2) JCDK-1型穩定土體的抗壓強度隨老化時間的增長而增加直至趨于平穩，但隨凍融循環和干濕循環次數的增加，呈現先降低后增長再降低直至趨于平穩的趨勢。造成以上原因是紫外線燈光照射后土樣的水分不斷蒸發而導致其抗壓強度不斷增加；對于凍融和干濕循環，土樣的強度變化主要受兩個因素控制：穩定土體強度隨齡期的增加以及凍融和干濕循環導致土體的損傷，不同時期兩者對于強度的貢獻不同，因而導致土樣的強度隨時間/次數的不同不斷變化。如在凍融和干濕循環初期，前者因素小于后者因素，因而穩定土強度呈現下降趨勢；隨著時間/次數增加，前者因素占主導地位，導致穩定土強度呈現上升趨勢；當時間/次數不斷增加，后者因素再次占主導地位，穩定土強度再次下降直至趨于平穩。紫外老化6 d、凍融循環12次、干濕循環10次后土樣強度趨于穩定。

2.3 崩解試驗結果

表3為穩定土體的崩解情況。由表3可知：JCDK-1穩定土體的水穩性隨著穩定劑摻量的增加而增強，且明顯優于素土。如JCDK-1穩定劑摻量為0.2%、0.3%、0.4%時，崩解時長分別增長1.70倍、3.43倍、4.10倍。養護3 d后的穩定土體的崩解速度更快，其崩解時間分別為JCDK-1穩定土體未養護時的89%、67%、86%。原因是自然養護過程中水分散失，造成試樣飽和度下降，使其崩解速度加快。

2.4 比表面積測試結果

表4為JCDK-1型穩定劑摻量為0.3%時，三種耐久性試驗后穩定土體比表面積的測試結果。

表3 穩定土體崩解試驗結果

表4 耐久性試驗后各穩定土體比表面積的結果匯總 單位：m2/g

由表4可知：穩定土體的比表面積基本上隨著各種耐久性試驗的時間/次數增長而增大，且變化量均集中在前期。其中，相較于紫外線老化和凍融循環，干濕循環對穩定土體比表面積影響較大。

2.5 掃描電鏡測試結果

圖10為JCDK-1型穩定劑摻量為0.3%時，三種耐久性試驗后穩定土體的掃描電鏡圖。

圖10 JCDK-1摻量為0.3%時穩定土體的掃描電鏡圖

由試驗結果可知，JCDK-1穩定土體的土顆粒排列非常緊密，密實性好，土顆粒間形成一個整體。紫外線老化和干濕循環對JCDK-1穩定土體的形貌影響很小，而凍融循環后土樣的形貌產生了較大變化，呈鱗片狀。

2.6 與其他穩定劑穩定土體耐久性試驗結果對比

表5為有機類穩定劑PAM、離子類穩定劑EN-1進行同樣耐久性試驗的結果。

從表5可得，JCDK-1、PAM、EN-1穩定土體紫外線老化后較素土強度分別平均提高了20.33%、38.33%、13%；凍融循環分別平均損失了170%、258.33%、206%；干濕循環分別平均損失了67.67%、108.67%、59%。由此可得，有機物類PAM穩定土體雖然表現出較好的抗干濕循環和崩解能力，但是抗紫外線老化能力較弱；離子類EN-1穩定土體在強度提高方面表現一般，且抗崩解能力最差。綜合抗凍融、干濕、老化等耐久性方面考慮，JCDK-1穩定土體效果最好。

表5 PAM、EN-1穩定土體的耐久性試驗結果

3 現場試驗

現場試驗點位于福建省閩北境內省道S303線K366+500處邊坡，該處屬于高海拔地區(海拔約1 400 m)，具有夏季濕熱而凍季凍融頻繁的特征(年降雨約2 430.9 mm，夏季極端高溫41℃左右，冬季有多達18次以上短時凍融循環，最低溫達-8℃)。邊坡坡度為1∶0.75，淺層溜坡、水土流失嚴重(見圖11(a))。試驗面積約200 m2，材料為草種、肥料、土壤、水、JCDK-1土壤穩定劑等，采用液壓噴射法進行現場施工，施工步驟為坡面整平→掛鍍鋅鐵絲網→噴灑第一層種植基層(2 cm～3 cm)→噴灑第二層種植基層(2 cm～3 cm)→噴灑第三層種植基層(3 cm～4 cm)→養護。本次試驗為2016年4月施工完成。圖11為JCDK-1型穩定劑護坡施工前和施工后對比。

圖11 JCDK-1穩定劑護坡現場效果

由圖11可見，經歷一個濕熱季和一個短時凍季后，JCDK-1穩定邊坡植被生長旺盛，植被覆蓋率很高，且坡底溜土非常少。說明噴播JCDK-1型穩定劑后的邊坡保水、保肥效果良好，表現出良好的生態性，可有效防止大雨沖刷造成邊坡表層沖溝、溜坡等災害以及短時凍融循環誘發邊坡淺層剝落。

4 結 論

(1) JCDK-1為含有二氧化硅、鈣鋁氧化物、鈣鋅鋁氧化物等天然礦物質的無機類土壤穩定劑，不含有害礦物質，且穩定土體中沒有新的礦物產生。

(2) 不同JCDK-1摻量下穩定土體的抗壓強度分別在紫外線老化6 d、凍融循環12次、干濕循環10次后趨于穩定，其中紫外線老化強度增長11%以上，凍融循環強度保留率76%，干濕循環強度保留率75%以上，顯示出良好的耐久性性能。

(3) JCDK-1穩定土體的水穩性隨著穩定劑摻量的增加而增強，崩解時長增長1.70倍以上，明顯優于素土，可有效改善殘積土易崩解的缺點。

(4) 穩定土體的比表面積基本上隨著各種耐久性試驗的時間/次數增長而增大，干濕循環對穩定土體比表面積影響較大。紫外線老化和干濕循環對JCDK-1穩定土體的形貌影響很小，而凍融循環后土樣的形貌產生了較大變化，呈鱗片狀。

(5) 綜合抗凍融、干濕、老化等耐久性方面考慮，JCDK-1穩定劑比EN-1型、PAM型穩定劑固土效果更好。現場試驗表明噴播JCDK-1型穩定劑表現出良好的生態性，能有效地滿足南方高海拔山區夏季高溫、高輻射、高濕度，冬季凍融頻繁等氣候特點。