植被混凝土有機質類型與配比的合理選取

劉大翔,李少麗,許文年,程尊蘭

(1.中國科學院?水利部成都山地災害與環境研究所山地災害與地表過程重點實驗室,四川 成都 610041;2.中國科學院研究生院,北京 100049;3.三峽大學三峽庫區地質災害教育部重點實驗室,湖北 宜昌 443002)

水電建設工程擾動區的生態修復是環境保護的重要內容,從地形地貌的角度看,擾動區可分為平地和邊坡兩大類型。針對平地的生態修復,可參考城市綠地工程,目前國內相關技術理論均很成熟;但擾動區內邊坡(開挖邊坡、棄渣地、消落帶等)的生態修復在我國尚處于發展的初期階段,應用較多的典型技術有植被混凝土生態防護技術[1-2]、厚層基材噴射技術[3]、液壓噴播植草技術[4]等。上述技術的核心是基材,因此基材特性一直是研究重點和技術瓶頸。

植被混凝土是把水泥、土、有機質、植被混凝土綠化添加劑(專利產品)、混合植綠種子按特定的組成比例,并添加一定量的水充分攪拌后形成的混合物,用于邊坡生態防護工程。實際工程中發現,植物根系大多集中在表層,其原因主要是植被混凝土孔隙率較低,導致根系難以深入。為改善此狀況,可在植被混凝土中增加有機質,因為有機質自身是疏松的多孔體,同時又能形成可改良土壤結構的團聚體膠結劑[5-6]。但有機質配比與基材強度成反比,因此需分別研究有機質對植被混凝土孔隙率和力學性能的影響,進而得到有機質的合理類型與配比,此舉可進一步完善植被混凝土的技術體系,對水電工程擾動區生態環境重建具有積極意義。

本研究在借鑒前人研究成果的基礎上,通過室內試驗研究4種常見的富含有機質材料(稻殼、鋸末、玉米酒糟、稻谷酒糟)在不同摻入量條件下,分別對植被混凝土孔隙率和無側限抗壓強度的影響,以期獲得植被混凝土有機質合理類型和配比。為方便起見,文中對富含有機質的材料簡稱為有機質。

1 試樣制作與試驗方法

1.1 試樣制作

生態護坡工程實施過程中,原材料在滿足性能要求的前提下應價格低廉、來源廣泛。經綜合考慮,選取了稻殼、鋸末和釀酒后的下腳料——酒糟(玉米酒糟和稻谷酒糟)共4種材料作為試驗用有機質。4種有機質在使用前均經過干燥處理。

試驗所用植被混凝土試樣配比(質量比,以干土質量為計算基數)如下:水泥質量為干土質量的8%;植被混凝土綠化添加劑質量為干土質量的4%;有機質配比變化梯度則依據經驗設計,分別為干土質量的3%,5%,7%,9%,11%;水質量為干土質量的30%。各材料特性如下:植生土為黏土,干密度為1.71 g/cm3,天然含水率為25.3%,塑限為22.5%,液限為 40.4%,內摩擦角為 14°,黏聚力為18 kPa;水泥為宜昌華新水泥廠生產的32.5級普通硅酸鹽水泥;植被混凝土綠化添加劑為宜昌綠野環保工程有限公司添加劑廠生產的專利產品LY-2型混凝土綠化添加劑;稻殼取自宜昌市西陵區維民米廠,厚度14～30μm;鋸末為宜昌市夜明珠木材加工廠生產的松木鋸末;酒糟為宜昌稻花香釀酒廠釀酒后剩余的含可溶物干玉米酒糟和稻谷酒糟;水為自來水。

孔隙率試驗試樣尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm,無側限抗壓強度試驗試樣尺寸為150mm×150mm×150mm,試樣制作以實際工程中植被混凝土的密度為控制標準,合格試樣的密度應為1.55～1.70g/cm3。每組試樣均含兩個重復樣,養護齡期為7d。

1.2 試驗方法

1.2.1 孔隙率試驗方法

由于植被混凝土是由多種材料混合而成的,普通土壤的孔隙率測試方法不適用于植被混凝土孔隙率的測試,通過查閱國內外相關文獻,最終參考普通混凝土孔隙率的測定方法來測試植被混凝土的總孔隙率和連通孔隙率[7]。物體內相互連通的微小空隙的總體積與該物體的外表體積的比值稱連通孔隙率或有效孔隙率;物體內相通的和不相通的所有微小空隙的總體積與該物體的外表體積的比值稱總孔隙率或絕對孔隙率。

1.2.2 無側限抗壓強度試驗方法

植被混凝土與土木工程中常用的水泥土存在許多相似點[8]:①土和水泥均是二者的主要材料,且水泥含量接近,水泥土中水泥質量為土的10%左右,植被混凝土中水泥質量為土的6%～8%;②都將混合物充分攪拌后再加以應用;③二者的力學性能均與水泥摻入比、養護齡期和土質密切相關。因此,在國內外無相關力學試驗標準的情況下,參考土工試驗及混凝土試驗等相關規程,對植被混凝土開展試驗研究是可行和必要的。綜合其他關于水泥土試驗文獻所用的參考規范,試驗的參考依據有SL 237—1999《土工試驗規程》、GB/T 50123—1999《土工試驗方法標準》和《建筑工程常用材料試驗手冊》[9]。

試驗所用儀器為濟南試金集團有限公司生產的WAW-Y1000C型微機控制電液伺服萬能試驗機。加載采用控制行程的方式,試樣加載速率為0.6～1.2mm/min,但每組試樣加載速率一致。

2 孔隙率試驗結果與分析

2.1 總孔隙率與連通孔隙率間的聯系

各試樣孔隙率與配比間的關系見圖1,可見總孔隙率P1與連通孔隙率 P2隨有機質配比變化的趨勢線基本保持平行,即同種有機質條件下,二者間的差值為定值。此定值也可通過理論分析得出。

圖1 孔隙率隨有機質配比變化

文獻[7]中提供的總孔隙率P1計算公式和連通孔隙率P2計算公式分別為

式中:W1為試樣在水中浸泡24h后在水中稱得的質量;W2為試樣烘干至恒重后在空氣中稱取的質量;W3為試樣在標準養護條件下放置24h后在空氣中稱得的質量;V為試樣總體積;V內為試樣內部孔隙體積;ρ水為水在 4℃時的密度。因 V內,V和ρ水均為定值,所以P1-P2是定值,說明理論分析和試驗結果一致。

2.2 總孔隙率分析

圖1中稻殼試樣孔隙率隨配比單調遞增,且遞增的速度逐步減小;鋸末試樣孔隙率總體上隨鋸末配比的增加而單調遞增,當配比在7%～9%之間時基本保持不變;玉米酒糟試樣隨有機質配比變化的趨勢線接近于直線;稻谷酒糟試樣變化規律與鋸末試樣相似。

總孔隙率是植被混凝土中連通與非連通的孔隙率之和,植物根系生長不僅穿過連通孔隙,而且會打通非連通孔隙,總孔隙率大小對植被根系的生長起著重要作用。同時前文的理論與試驗分析表明總孔隙率與連通孔隙率間差值為定值,因此此處研究僅針對總孔隙率。

玉米酒糟試樣孔隙率一直最高,說明在有機質配比相同的情況下,其對基材總孔隙率的貢獻最大。觀察有機質配比由3%提高到11%時總孔隙率的增幅,發現增幅由大至小依次為:稻殼試樣、稻谷酒糟試樣、鋸末試樣、玉米酒糟試樣。雖然一開始稻殼對植被混凝土總孔隙率的影響最小,但其增幅最大;而一開始玉米酒糟對植被混凝土總孔隙率的影響最大,但其增幅最小。有機質配比為3%時,4種有機質對應的植被混凝土總孔隙率之間的差值較大,但配比達到11%時,4者間的差值明顯縮小。

所有試樣當有機質配比從3%增加到5%時,總孔隙率增量最大。隨著有機質配比的增加,總孔隙率增量總體上呈現逐漸減小的變化趨勢,說明配比較小時,有機質對孔隙率的影響較大。比較4種不同有機質試樣,稻谷酒糟試樣的總孔隙率前期增幅最大,達到10.35%;玉米酒糟試樣增幅最小,總孔隙率增量僅為3.40%。

3 無側限抗壓強度試驗結果與分析

3.1 有機質配比對無側限抗壓強度的影響

由表1可知,玉米酒糟試樣的無側限抗壓強度明顯低于其他3種試樣,原因是在試樣制作過程中摻入的是曬干后的玉米酒糟,在試樣養護過程中玉米酒糟吸水膨脹,使試樣內部產生很多細小裂紋,降低了其強度。隨有機質配比的增加,稻殼試樣、鋸末試樣、稻谷酒糟試樣的無側限抗壓強度均逐漸降低。有機質配比由3%增加到5%時,無側限抗壓強度降低緩慢;而有機質配比達到5%后,降低速度加快。由以上分析可知,配比較小時,有機質對試樣無側限抗壓強度的影響較小。

表1 無側限抗壓強度試驗中各試樣峰值應力

對稻殼試樣、鋸末試樣、稻谷酒糟試樣在不同有機質配比情況下的強度進行分析,其強度比值q11%/q3%分別為0.509,0.630,0.581,即鋸末試樣無側限抗壓強度降低速度較慢,稻谷酒糟試樣次之,稻殼試樣降低速度最快。當有機質配比為11%時,鋸末試樣的無側限抗壓強度仍超過0.3MPa,基本能滿足植被護坡要求。

3.2 應力-應變分析

圖2 有機質配比為9%時4種試樣的應力-應變關系曲線

選取有機質配比為9%時各試樣的應力-應變關系曲線進行分析。由圖2(圖中3條曲線表示同組試樣中3個平行試樣的應力-應變關系)可知,一些試樣的應力-應變關系曲線在初始階段都呈波浪線狀態,在于試樣表面與試驗機未完全接觸,受力不均,系統處于調整階段,待調整完畢,試樣受力均勻以后,曲線就變得平滑。而玉米酒糟試樣的應力-應變關系曲線幾乎全為波浪狀,而非平滑曲線,主要原因在于玉米酒糟試樣在測試之前內部已經存在很多細小裂紋,加載過程困難。

植被混凝土應力-應變曲線與普通混凝土類似,即有脆性材料的性質[9]。植被混凝土的應力-應變過程根據應力的大小,可分成5個階段。階段Ⅰ,由于試樣表面不完全平整,不能與儀器完全接觸,應力應變關系曲線有一個自動調整的階段;階段Ⅱ,當調整平整后,應力介于(30%～70%)σmax之間時,應力-應變曲線趨于線性上升,此時植被混凝土處于彈性階段,彈性變形是主要變形,同時伴隨極小的塑性變形,主要是局部拉應力引發了極少的新生微裂縫;階段Ⅲ,當應力介于-(70%～90%)σmax之間時,應力應變關系曲線曲率變小;階段Ⅳ,應力繼續增大達到峰值后,植被混凝土承載能力急劇下降,新生裂縫范圍與深度迅速擴大;階段Ⅴ,根據水泥土與普通混凝土的應力-應變變化規律,應變繼續增長,試樣將依靠摩擦力抵抗殘余應力。

由于幾組試樣的變化規律相似,因此選擇鋸末試樣分析應力-應變關系曲線隨有機質配比增加的變化規律。由圖3可知,隨著有機質配比的增加,曲線初始直線段的斜率減小,彈性模量減小,所達到的峰值應力也逐漸減小,應力達到峰值時的應變逐漸增加,說明植被混凝土隨著有機質配比的增加脆性逐漸減弱。

圖3 不同配比鋸末試樣應力-應變關系曲線

4 有機質類型與配比的合理選取

據鄭碧仿等[10]的研究,最適宜植物生長的典型土壤的三相分布應為:土壤中固體部分約占土壤總體積的1/2,水分和空氣各約占1/4,且土壤固體中礦物質占固相總量95%,有機質占5%。但周德培等[11]通過對厚層基材的研究,認為大部分生態基材的三相分布并不滿足以上條件,但植物仍生長良好。通過有機質對植被混凝土孔隙率的影響試驗,以及植被混凝土無側限抗壓強度試驗,可以得出植被混凝土的孔隙率和強度是成反比的,即有機質配比增加,孔隙率增加,無側限抗壓強度降低。因此可綜合考慮雙方面因素,在滿足強度要求的前提下盡量增大基材孔隙率,得出植被混凝土有機質較為合理的配比范圍為7%～9%,在此范圍內,植被混凝土無側限抗壓強度大于0.34 MPa。根據已有研究成果[12],認為植被混凝土的無側限抗壓強度大于0.3MPa,就能滿足大部分邊坡的強度及抗沖刷要求;同時,此配比范圍內的植被混凝土總孔隙率在39.55%～44.65%之間,連通孔隙率在-36.15%～41.00%之間,而生態防護基材孔隙率在30%～44%之間,植物就能較好生長。可見,此配比既能令基材滿足力學性能要求,同時又能形成植被生長所需的物理結構,達到了試驗預期目的。需要說明的是,在生態防護工程實施中,有機質配比還需根據實際情況而定,當坡度較緩時可適當增加摻入量;當所選土壤有機質含量較高時,可適當降低摻入量。

5 結 論

a.植被混凝土孔隙率隨有機質配比增加而增加,但其增幅隨有機質配比增加逐漸減小,總孔隙率與連通孔隙率的差值為定值。

b.隨著有機質配比的增加,植被混凝土的無側限抗壓強度逐漸下降,且降低速度加快。

c.鋸末試樣在強度試驗中表現最好,當有機質配比為11%時,其無側限抗壓強度仍超過0.3MPa,基本能滿足植被護坡要求。

d.玉米酒糟試樣的總孔隙率和連通孔隙率明顯高于其他3種試樣,而無側限抗壓強度卻相反,因此大粒徑材料不宜作為植被混凝土的有機質,若選擇用大粒徑有機質,應將其充分磨碎,以免大粒徑有機質使生態防護基材產生裂紋,使基材力學性能顯著降低。

e.綜合有機質對植被混凝土孔隙率及無側限抗壓強度的影響,得出植被混凝土有機質合理配比范圍為7%～9%。

[1]王鐵橋,許文年,葉建軍,等.挖方巖石邊坡綠化技術與方法探討[J].三峽大學學報:自然科學版,2003,25(2):101-104.

[2]許文年,王鐵橋,李建林,等.巖石邊坡護坡綠化技術應用研究[J].水利水電技術,2002,33(7):35-37.

[3]張俊云,周德培.厚層基材噴射植被護坡基材混合物的收縮恢復性研究[J].巖石力學與工程學報,2004,23(7):1203-1208.

[4]劉德榮,馬永林,韓烈保,等.坡面液壓噴播綠化草種及組合的篩選[J].北京林業大學學報,2000,22(2):41-45.

[5]張俊華,常慶瑞,賈科利,等.黃土高原植被恢復對土壤肥力質量的影響研究[J].水土保持學報,2003(4):38-41.

[6]孫超,許文年,夏振堯,等.巖質邊坡植被混凝土肥力時間變異性研究[J].中國水土保持,2009(4):32-34.

[7]YANG Jing,JIANG Guo-liang.Experimental study on properties of pervious concrete pavementmaterials[J].Cement and Concrete Research,2003,33(3):381-386.

[8]許文年,夏振堯,周宜紅,等.植被混凝土無側限抗壓強度試驗研究[J].水利水電技術,2007,38(4):51-54.

[9]項翥行.建筑工程常用材料試驗手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,1998.

[10]鄭碧仿,張俊云,李紹才,等.巖石邊坡植被護坡技術(4):厚層基材基本特性研究[J].路基工程,2001(3):1-4.

[11]周德培,張俊云.植被防護工程技術[M].北京:人民交通出版社,2003:15-26.

[12]許文年,葉建軍,周明濤,等.植被混凝土護坡綠化技術若干問題探討[J].水利水電技術,2004,35(10):50-52.