羧甲基纖維素鈉對寬葉雀稗生長與固土能力的影響

江世雄,李 熙,陳 垚,翁孫賢,王重卿,陳志波,戴夢蘭,郭學文

(1.國網福建省電力有限公司電力科學研究院,福建 福州 350007;2.福州大學 紫金地質與礦業學院 巖土與地質工程系,福建 福州 350116;3.福建省智能環境巖土工程閩臺科技合作基地,福建 福州 350116)

邊坡防護工程中,傳統護坡技術以水泥、石灰、粉煤灰等為主要材料[1-3],僅從安全、經濟的角度來提高邊坡穩定性,不利于生態恢復。近年來,新型綠色建筑材料引起廣泛關注,其中應用效果較好的是高分子聚合物[4-5]。羧甲基纖維素鈉(CMC)是一種具有羧甲基結構的高分子聚合物,可以團聚散亂的土顆粒,使天然形成的團聚體更加穩定,從而改善土體結構,在工程實踐中被廣泛應用[6]。眾多學者研究發現,在土中加入CMC可以使團聚體含量有所增多,且土體的滲透性明顯降低,但是土體的持水能力有所提高[7]。同時,CMC對土體的無側限抗壓強度和抗拉強度有一定的增強效果,并且能夠改善土體的團粒結構[8-9]。刑磊等[10]研究發現CMC不僅能增強土顆粒間的黏聚力,減少水土流失量,而且能夠達到保水保肥的效果。王永杰等[11]通過一系列實驗發現,CMC-K可以顯著提高土體含水率、溫度,減少養分的淋溶。楊世琦等[12]通過田間定位試驗發現,CMC-Na可提高土壤水分,并促進養分吸收利用,從而提高作物產量。寬葉雀稗不僅是一種多用于熱帶亞熱帶地區草地改良的優良牧草之一,而且具有生長速度快、根系發達、生命力旺盛、植被覆蓋密度大而廣、適應性強、有較強的防沖刷力等特點而應用于固土護坡[13]。目前鮮見研究CMC含量對寬葉雀稗生長以及固土能力的影響。本研究在土中加入不同CMC含量,研究其對土的抗剪強度以及寬葉雀稗的生長高度、根系長度和固土能力的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

(1) 試驗土樣。試驗土樣取自于某變電站邊坡工程,為粉質黏土,其物理參數如表1所示,土樣經過風干、碾碎后過2 mm篩。

表1 試驗土樣的物理力學參數[14]

(2) 羧甲基纖維素鈉。試驗所用羧甲基纖維素鈉(CMC)為白色粉末狀,易溶于水,無毒并且具有較好的吸濕性。

1.2 試樣制備與試驗方案

CMC的使用方法大致可以分為兩種:1)拌入法:將干粉直接摻入土中[8,12-16];2)噴灑法:將干粉配制溶液,而后噴灑在土中進行攪拌[9,17-18]。基于本團隊前期的對比研究,拌入法相較于噴灑法能夠獲得更高的均勻度和更優異的加固效果,因此,本研究選用拌入法制備土樣,即將CMC干粉按設計摻量與風干土樣混合均勻,而后用噴霧器噴灑至預設的加水量,再次攪拌均勻后密封靜置24 h備用。

本文的每組試驗都進行了三次重復,并且采用SPSS軟件對試驗結果進行了顯著性分析,分析結果并在圖表中進行了標注。

(1)顆分試驗:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的土樣,密封放置24 h。取土樣100 g,讓其自然風干,過篩后稱重,繪制顆粒級配曲線。

根據規范,當不均系數Cu大于等于5,曲率系數Cc在1至3之間時為級配良好;不同時滿足上述兩條件為級配不良。

(2)土壤酸堿度測試:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的改良土,自然風干后取風干試樣10 g,置于100 ml廣口瓶中,加50 ml無二氧化碳純水(土水比為1∶5)。在振蕩器上振蕩3 min,靜止30 min,取土懸液測pH值,多次測試,取平均值,分析CMC含量對土壤酸堿度的影響。

(3)田間持水率測試:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的改良土,分別加入盆栽中,將盆栽浸入水中,保持水面和土壤表面持平。浸盆12 h后,取盆栽中的土測含水率。測完含水率后,將土壤重新放入盆栽中,表面用保鮮膜封住,靜置5 d～6 d,再次取出,測試此時土壤的含水率,分析CMC含量對田間持水率的影響。

(4)直剪試驗:在軸向壓力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa下進行不同CMC含量下改良土的直剪試驗,分析CMC含量對土的抗剪強度的影響。

(5)植物生長試驗與拉拔試驗:前期采用狗牙根、百喜草、黑麥草和寬葉雀稗4種不同類型的植物開展預研試驗,試驗結果顯示寬葉雀稗長勢最好。因此,本文試驗選用寬葉雀稗作為試驗植物。分別配制不同CMC含量(0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%)的改良土,播種1 g種子,表層覆一層薄土。在播種后的第三天寬葉雀稗開始發芽,每天按時按量澆水,并記錄植物生長高度、發芽量、根系生長長度。在寬葉雀稗發芽一個月后,進行拉拔試驗,分析寬葉雀稗根系固土能力。

2 結果與分析

2.1 CMC對土壤性質的影響

2.1.1 CMC含量對土壤團聚體的影響

圖1為不同CMC含量條件下土的顆粒級配曲線。從圖中可看出,隨著CMC含量的增加,土中大顆粒的含量有所增加,CMC含量為4%和8%時,大顆粒增加的比較明顯。圖2為顆粒級配曲線不均勻系數Cu和曲率系數Cc隨CMC含量增大的變化規律。其中,Cu越大,表示土越不均勻。從圖2中可看出,隨著CMC含量的增加,Cu值呈現增長的趨勢,說明CMC的摻入增加了土的不均勻程度。

圖1 不同CMC含量條件下土的顆粒級配曲線

圖2 不均勻系數Cu和曲率系數Cc隨CMC含量增大的變化曲線

圖2結果中還顯示,不同CMC含量土的曲率系數Cc均大于1小于3,表示級配連續,同時不同CMC含量土的Cu<5,表明不同CMC含量的土的級配不良,土顆粒尺寸分布均勻,土中的孔隙較多,有利于透氣透水。

2.1.2 CMC含量對土壤酸堿度的影響

酸堿度是影響土壤養分有效性的重要因素之一。當土壤pH值處于中性時,養分的有效性最高。圖3為不同CMC含量條件下土壤的pH值。圖中不同小寫字母表示不同CMC含量間差異顯著(P<0.05),下圖同。從圖中可看出,不添加CMC的土樣為酸性土(pH值為4.2),隨著CMC含量的增加,土壤pH值逐漸增加,當CMC添加量為8%時,土樣的pH值為5.1,由此可見,CMC能中和土樣酸性,提升土壤養分有效性。

圖3 不同CMC含量土壤的pH值變化

2.2 CMC對植物生長情況的影響

2.2.1 CMC含量對土壤田間持水率的影響

田間持水率是土壤中所能保持懸著水的最大值,也是對作物有效的最高的土壤含水量[18]。圖4為不同CMC含量條件下土壤最大含水率、田間持水率和養護盆栽含水率的變化,從圖中可看出,最大含水率和田間持水率的變化趨勢基本相同。同時,隨著CMC含量的增加,最大含水率和田間持水率的差值逐漸減小,可能由于CMC有吸濕性,能夠減少土壤中的水分流失。當CMC含量為8%時,兩者差值最小,表明土壤中CMC含量越高,土壤保水性越好,從而對植物的生長越好,所以適當添加CMC有益于植物生長。

圖4 不同CMC含量土壤的最大含水率和田間持水率

根據規范[18],盆栽種植的含水率為實測田間持水率的60%～70%。本文試驗取田間持水率的65%,得到盆栽種植的含水率如圖4所示。

2.2.2 CMC含量對植物發芽率的影響

圖5為寬葉雀稗的發芽量隨著時間的變化情況。從圖中可看出,CMC含量為0%、0.25%、0.5%、1%的土樣中種植的寬葉雀稗在播種后的第三天開始發芽,而CMC含量為1.5%和2%的土樣中種植的寬葉雀稗在第四、五天才開始發芽,說明較高的CMC含量對植物發芽有輕微的抑制作用。開始發芽后的一周內,CMC含量為0%和0.25%的土樣中的植物發芽量增長比較快,而CMC含量為0.5%、1%、1.5%、2%的土樣中植物發芽量增長比較緩慢。

圖5 不同CMC含量條件下植物發芽量隨時間變化情況

圖6為不同CMC含量條件下寬葉雀稗的發芽率,從圖中可看出,CMC含量為0.25%時,寬葉雀稗的發芽率與CMC含量為0%的發芽率相近(僅差4%),而CMC含量增大為0.5%時,發芽率呈現較大幅度下降,并隨著含量的增加呈小幅度下降的趨勢,說明CMC含量較低(為0.25%)時,寬葉雀稗的發芽情況相對較好。

圖6 不同CMC含量對植物發芽率(量)的影響

2.2.3 CMC含量對植物生長長度的影響

在寬葉雀稗開始發芽后,每天測量記錄植物生長高度。圖7為寬葉雀稗的生長高度隨時間的變化情況,從圖中可看出,隨著種植時間的增加,不同CMC含量下的寬葉雀稗生長高度均不斷增加,但在18 d以后都趨于穩定。

圖7 不同CMC含量條件下植物生長高度隨時間變化情況

圖8為不同CMC含量條件下寬葉雀稗的生長高度變化情況,從圖中可以看出,寬葉雀稗的生長高度隨CMC含量增加而不斷減小,CMC含量為0.25%時,其生長高度與CMC含量為0%時的生長高度比較接近,僅相差1.5 cm,CMC含量再增加后其生長高度減小較明顯。

圖8 不同CMC含量對植物生長高度的影響

2.2.4 CMC含量對植物根系生長長度的影響

在寬葉雀稗開始發芽后,每天測量記錄植物根系的生長長度,得到的結果如圖9、圖10所示。

圖9 不同CMC含量條件下植物根系生長長度隨時間變化情況

圖10 不同CMC含量對植物根系生長長度的影響

圖9為寬葉雀稗根系生長長度隨時間的變化情況,從圖中可看出,CMC含量為0.25%和0.5%時,寬葉雀稗根系生長速度與CMC含量為0%時的根系生長速度相近。在寬葉雀稗發芽的第一周,CMC含量為0%、0.25%、0.5%、1%時,寬葉雀稗根系生長速度明顯比CMC含量為1.5%和2%的快。14 d后,根系生長長度均達到穩定。

圖10為不同CMC含量條件下寬葉雀稗根系生長長度的變化情況,從圖中可看出,CMC含量為0.25%和0.5%時,寬葉雀稗根系生長長度與CMC含量為0%時的根系生長長度僅相差0.5 cm,CMC含量再增加后根系生長長度降低快。

李樹化（1901—1991），祖籍廣東梅縣人，出生于泰國北柳的一個華僑家庭。1919年到法國勤工儉學，1921年入里昂國立音樂院學習鋼琴，1925年畢業后回國，在北京“藝專”和北京師范學校藝術科教授鋼琴，是老志誠的鋼琴老師。1928年，他和同鄉兼摯友、畫家林風眠一起到杭州，參與組建杭州“國立”藝術院的活動。1930年，藝術院改為杭州藝術專門學校，李樹化任教授和音樂系主任。這時他曾教過洪士銈、張權、莫桂新等人。②

2.3 CMC對植物根系固土能力和土的抗剪強度的影響

植物根系的固土能力主要體現在根系的抗拉拔強度,根系的生長發育能提高根-土的粘結作用,從而提高植物根系的拉拔強度[19]。

圖11為不同CMC含量對植物拉拔力和發芽率的影響情況,從圖中可看出,隨著CMC含量的增加,植物發芽率逐漸減小,拉拔力也逐漸隨之減小。

圖11 不同CMC含量對植物拉拔力和發芽率的影響

為了更好研究拉拔力與發芽率之間關系,將拉拔力和發芽率進行歸一化處理。拉拔力與發芽率的比值為平均單根拉拔力的作用效果,CMC含量為0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%的拉拔力與發芽率比值與CMC含量為0%的比值相比,得到的結果如圖12所示。圖12為不同CMC含量條件下,植物拉拔力與植物發芽率的歸一化處理結果,從圖中可以看出,數值呈現先增長后減小的趨勢,可以明顯看出CMC含量為0.5%、1.5%、1.5%時,得到的比值結果大于1,說明CMC含量0.5%、1.5%、1.5%時植物抗拉拔能力最好,即根系固土能力最強。

圖12 不同CMC含量條件下拉拔力與發芽率的歸一化變化情況

表2為在不同法向應力下,不同CMC含量的土體抗剪強度,從表中可看出,在較低法向應力下(100 kPa、200 kPa),CMC對土體抗剪強度的增強效果較為明顯,尤其在100 kPa法向應力下,CMC為2%的土體抗剪強度相對于CMC為0%時提高為19.2 kPa,在較高法向應力(300 kPa、400 kPa)下,峰值抗剪強度變化趨勢不是很顯著。相較于未加入CMC的土樣, CMC對土體的抗剪強度有一定的提高效果。

表2 加入不同CMC含量的土體抗剪強度

根據表2的數據進行擬合,擬合曲線的相關系數R2均大于0.9,且接近于1,表示擬合曲線的相關性較高,說明計算得到的抗剪強度參數較準確。

圖13為抗剪強度參數隨CMC含量的變化趨勢,從圖中可看出,隨著CMC含量的增加,黏聚力呈現增長的趨勢,而內摩擦角呈現減小的趨勢,分析其原因可能是加入CMC使得顆粒間因膠結而形成大團聚體,引起土顆粒級配發生改變,導致土顆粒體積膨脹、顆粒間接觸數及面積減小,進而導致內摩擦角降低。

圖13 抗剪強度參數隨CMC含量的變化曲線

3 結 語

(1) CMC對土壤不均勻性有一定影響,隨著CMC含量的增加,土壤中大顆粒的含量有所增加,CMC含量為4%和8%時,大顆粒增加的比較明顯。CMC含量的增加使得顆粒間團聚膠結不斷形成大團聚體改變了土壤的顆粒級配,從而體積膨脹減少了顆粒間的相互接觸導致內摩擦角降低。

(2) CMC含量為0.25%和0.5%時,寬葉雀稗的發芽率、生長高度和根系長度較好,然后隨著CMC含量的增加逐漸減小。

(3) 隨著CMC含量的增加,土的抗剪強度有一定的提高,在低法向應力下強度提升更為顯著,而內摩擦角出現小幅降低。植物的拉拔力隨著CMC含量的增加有所減小,CMC含量越高,植物覆蓋率越低。對拉拔力與發芽率的歸一化處理發現,CMC含量0.5%、1.0%、1.5%時植物抗拉拔能力最好。

(4) 綜合考慮,CMC含量在0.25%～0.5%之間,植物發芽率較高、植物根系生長長度適中、根系固土能力也較強、土體的抗剪強度也有所增強,CMC含量0.5%～1.5%時植物抗拉拔能力較好,所以在進行生態護坡時,CMC含量選擇0.5%時最優。