纖維含量對植被混凝土抗崩解性能的影響研究

蔣必鳳，凌 毅，王浩屹，梁安銘

(1.三亞學院，海南 三亞 572022；2.海南陽光鑫海發展有限公司，海南 三亞 572000)

在鐵路、隧道、公路、水利、電力、采礦等基礎工程建設中常常伴隨著大量的邊坡開挖，從而形成大量裸露的山體坡面，不僅會使景觀不協調，還會導致水土流失，甚至產生山體滑坡和泥石流等自然災害，威脅人類安全[1-2]。如采用錨噴支護、框格梁、漿砌片石等方式，雖能保持邊坡的穩定，但是這些護坡方式的生態環境效益較差。目前常采用的邊坡生態防護技術有植被混凝土生態防護技術、厚層基材植被護坡技術、三維植被固土護坡技術等，這些集邊坡防護與生態治理保護于一體的生態修復技術越來越受到青睞。

植被混凝土技術是一種應用較廣的生態護坡技術，是農學、力學、水文地理學、風景園林學、生態工程學等許多學科相互融會貫通的結合，以低成本、高收益為核心，對裸露巖土進行修復，營造一種可持續發展的生態平衡系統，從而達到保持水土、美觀綠化的作用。相關學者對植被混凝土進行了研究，張博等[3]研究了不同水泥摻量對植被混凝土基材崩解的影響；許文年等[4]研究了植被混凝土無側限抗壓強度的試驗方法和過程，并研究了水泥摻入比和齡期對無側限抗壓強度的影響；李燦等[5-7]研究了地形和降雨因素對植被混凝土邊坡侵蝕量的影響并進行了不同沖刷模型對邊坡的沖刷對比研究；楊奇等[8]選取不同水泥含量的植被混凝土進行了抗雨水沖刷試驗研究。植被混凝土護坡前期，植被還沒有完全長成且根系不發達，如果能在植被混凝土中添加纖維代替植被根系抵抗雨水沖刷，將提高植被混凝土的護坡效果。

1 植被混凝土崩解機理

崩解試驗又叫濕化試驗，是指試樣在靜水中發生分解、碎裂、塌落或者強度減小的現象[3]。崩解試驗是研究土壤侵蝕的方法之一，經常采用崩解量、崩解速率等指標來衡量土體的抗崩解性能。

植被混凝土是水泥與土壤之間發生反應后產生的一種新化合物，這種物質不同于單純土體的性質，土壤在植被混凝土中起骨架作用，水泥起膠凝作用。植被混凝土的崩解機理與土壤崩解機理基本一樣[4]。

土壤的崩解過程具有明顯的階段性，分為三個階段。在第一階段浸濕過程中，試樣中有較多氣泡溢出，依附在試樣表面及較大孔隙表面的一部分土壤顆粒以單粒狀形式開始崩離母體；第二階段是試樣的軟化階段，崩解主要發生在微孔隙中，土壤顆粒在氣泡的推動下或膨脹力的作用下崩裂而脫離母體，此時在浸水面上仍伴有崩離現象發生；第三階段試樣浸水面已完全被水充滿，被充分浸潤軟化，試樣開始出現一些呈黏塑狀態的塊體并以塌落的形式與母體發生解離[3,9]。

2 試樣制備與試驗方法

2.1 試驗材料

本崩解試驗所用土壤來自野外采集的海南常見的紅黏土，用直徑2 mm篩進行篩分后用鼓風干燥機連續烘干24 h；試驗用水采用一般的自來水；水泥采用42.5R普通硅酸鹽水泥；試驗用纖維采用海南椰殼纖維，屬椰工業加工的副產品，纖維自然風干后進行試驗。

2.2 試驗儀器

目前，國內有很多學者在崩解方面做了相關的研究，在試驗儀器制作方面也各有不同，但大多數崩解儀器都是在蔣定生設計的土壤崩解儀的基礎上進行的改進。本試驗也參照蔣定生崩解試驗儀器，采用JY5001型電子靜水天平，自制孔大小為1 cm×1 cm的方格網進行崩解試驗。儀器如圖1所示。

圖1 崩解試驗儀器

2.3 試樣制作

本崩解試驗采用100 cm3的環刀進行試樣制作，環刀直徑為50.46 mm，高度為50 mm。首先稱取160 g干土、6.4 g水泥，椰纖維含量設計為0(不添加)和分別為干土質量的1‰(0.16 g)、2‰(0.32 g)、3‰(0.48 g)、5‰(0.80 g)、7‰(1.12 g)共6種水平，然后加水32 g，將所有材料分別進行混合，將椰纖維均勻地分散在水泥土中，利用環刀制作成100 cm3的試樣，每一配合比設計3個平行試樣，進行崩解試驗。

2.4 試驗方法

參照土工試驗規范相關要求進行崩解試驗，試驗步驟具體如下：①按照試驗設計要求制作好試樣，放在鋁盒中；②調整好天平儀器，懸掛好方格網，并在桶中加入水，每組試驗用水量保持相同；③將制作好的試樣馬上放置在方格網中央，保持方格網水平，立即記錄試樣在水中的天平讀數，即崩解時間為0時刻的讀數，并開始記錄崩解時間；④以分鐘為單位，記錄崩解0、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30 min時天平的讀數，并觀察試樣在水中的崩解情況；⑤試驗結束后，整理試驗結果，計算土體在每一個讀數時刻的累計崩解百分比和崩解速率，計算公式為

(1)

(2)

上二式中：Bt為試樣在t時刻的累計崩解百分比，%；Dt為試樣崩解時靜水天平在t時刻顯示的實時讀數，g；D0為試樣在放入水中時靜水天平顯示的初始度數，g；Dt-1為試樣崩解時靜水天平在t時刻的前一時刻顯示的讀數，g；Vt為t時刻崩解速率，即試樣在單位時間內崩解的體積，cm3/min；s為t時刻與前一時刻的間隔時間，min。

3 試驗現象及試驗結果分析

3.1 試驗現象

當試樣放入清水中，試樣周圍開始產生渾濁，有一定量的氣泡冒出，試樣表面松散的土體開始脫落。之后水開始慢慢通過表面孔隙滲透到試樣內部，在水的作用下，土體開始發生崩解，剛開始的崩解速率相對較慢，然后慢慢開始加快，在崩解過程中，會出現突然崩落一大塊的現象。當試樣表面土體崩落后，試樣中的纖維露出，纖維的張拉纏繞對試樣的崩解具有較強的抑制作用。隨著時間延長，水泥凝結硬化，試樣的崩解量幾乎保持在一個水平不變。

3.2 結果分析

3.2.1 纖維含量對試樣崩解速率的影響

根據試驗結果，繪制不同纖維含量試樣的崩解速率曲線(圖2)。由圖2可知，纖維含量為0和7‰的試樣崩解速率曲線較為相似，均在8 min和20 min時出現峰值，20 min以后崩解速率降低。纖維含量為0的試樣，由于沒有纖維的作用，30 min后仍然在發生崩解，直至最終試樣全部崩解；而纖維含量為7‰的試樣，由于纖維的作用，30 min時崩解速率降低為0。

圖2 不同纖維含量的試樣崩解速率

纖維含量為1‰、2‰和3‰的試樣崩解速率曲線較為相似，在7～15 min之間出現崩解速率的峰值，之后逐漸降低，30 min后崩解速率已經非常低，其中纖維含量為3‰的試樣在30 min時崩解速率降低為0。

纖維含量為5‰的試樣崩解速率在7 min左右出現最高峰值，之后雖然在9 min和15 min又出現小峰值，但從整體上看，試樣的崩解速率呈下降趨勢，25 min時試樣崩解速率降低為0。

3.2.2 纖維含量對試樣累計崩解百分比的影響

根據試驗數據，不同纖維含量試樣的最終累計崩解百分比見表1，不同纖維含量的試樣隨時間變化的崩解累計百分比見圖3。

表1 不同纖維含量試樣的最終累計崩解百分比

圖3 不同纖維含量試樣的累計崩解百分比

根據表1可知，隨著纖維含量的增加，試樣的最終累計崩解百分比呈現先降低后增加的趨勢。當不添加纖維時，在30 min內試樣發生了全部崩解，而添加少量的纖維便能提高試樣的抗崩解能力。當纖維含量為1‰時，試樣的最終累計崩解百分比降低到65.85%；當纖維含量為3‰時，試樣的最終累計崩解百分比降到最低，只有54.38%，減少了近一半的崩解量；當纖維含量為5‰時，最終累計崩解百分比較纖維含量為3‰時有一定量的增加，但增加不多；當纖維含量為7‰時，最終累計崩解百分比增加較多，達到了87.97%。

根據圖3可知，不添加纖維的試樣一開始崩解量較小，比添加纖維的試樣崩解量低，但20 min之后，由于沒有纖維的纏繞作用，崩解量增加較多，并一直持續上升，直至全部崩解。而添加纖維的試樣，在含水率相同時，因為纖維會吸收一定的水分，且添加纖維后試樣的密實度降低，所以前期的崩解量較不添加纖維的試樣增多，但是當試樣在水中慢慢吸水飽和后，纖維的交織作用及水泥的凝結硬化作用使試樣的崩解速度慢慢降低，累計崩解百分比保持在一定水平不變，最終其崩解量低于不含纖維的混凝土試樣。

4 結 論

(1)椰纖維的添加對植被混凝土的崩解具有較為明顯的影響，當添加一定量的椰纖維時，纖維在混凝土體中交織形成網狀，抵抗水對試樣的沖蝕，提高了土體的穩定性，對試樣的崩解有顯著的抑制作用。根據試驗可知，少量的纖維含量便能顯著提高混凝土的抗崩解性能，隨著纖維含量增加，植被混凝土抗崩解能力先增加后降低，但抗崩解能力均高于不添加椰纖維的混凝土。

(2)添加椰纖維的植被混凝土試樣剛置于水中時，試樣崩解速率相對較低，隨著水慢慢滲入試樣內部，崩解速率逐漸提高，一般會在7 min及以后出現崩解速率的峰值，最后崩解速率趨近于0。

在植被混凝土中添加椰纖維，提高了植被混凝土的強度和保水性能、植生性能、抗沖蝕性能，將其用于護坡工程時，在植被沒有成型且根系較弱的前期，椰纖維可以代替植物根系增強坡面土體的穩定性，減輕雨水對坡面的沖蝕，減少水土流失，同時兼具保溫保濕的功能。隨著時間的推移，椰纖維在土體中慢慢腐爛，還能為植被的生長提供養分。該材料對環境沒有污染，是可應用于植被混凝土中的一種良好添加劑。