植被混凝土基材崩解特性試驗研究

張 博，許文年，周正軍

(三峽大學土木與建筑學院，湖北宜昌 443002)

崩解，土工上叫濕化，是指土壤在靜水中發生分散、碎裂、塌落或強度減弱的現象。崩解試驗是研究土壤侵蝕機理的方法之一，而崩解的情況是評價土壤侵蝕嚴重程度的一項很重要的指標。植被混凝土技術是一種應用較廣的生態護坡技術，相關學者曾對其做過防沖刷試驗，但對其抗崩性卻鮮有嘗試。筆者試在植被混凝土基材生態護坡技術抗崩性方面做一些基礎性的研究工作，希望能夠進一步探究植被混凝土基材的抗蝕機理，并為有效提高植被混凝土基材的應用效果提供理論基礎。

1 植被混凝土基材崩解機制及影響因子

植被混凝土基材是水泥顆粒與土壤顆粒之間發生理化反應產生的一種新化合物，這種物質改變了原土料的性質，土壤在植被混凝土基材中起骨架作用，混凝土起膠凝作用［1］。經試驗驗證，植被混凝土基材的崩解機制及影響因子與土壤相同。

土壤的崩解過程具有明顯的階段性。崩解的第一階段為浸濕階段，以崩離作用為主;第二階段為軟化階段，以迸離作用為主;最后是以解離作用為主的第三階段［2］。在第一階段浸濕過程中，樣品中有較多氣泡溢出，依附在土壤表面及較大孔隙表面的部分土壤顆粒以單粒形式陸續崩離母體，即以崩離作用為主;第二階段是樣品的軟化階段，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迸散而剝離母體，即發生所謂的“迸離作用”，此時在浸水面上仍伴有崩離現象發生;第三階段樣品浸水面已完全被水充滿，被充分浸潤軟化，開始出現一些呈黏塑態塊體以塌落的形式與母體發生解離，此時崩解形式以解離作用為主。

已有研究表明，土壤的崩解速率隨其天然含水率的增大而減小，當含水率增加到一定程度后，崩解性幾乎消失［3］。另外，影響崩解的因素還有土壤的顆粒結構和孔隙率。由于試驗用植被混凝土基材采用統一的土料與加工程序制作而成，設定含水率為30%，所以主要的崩解影響因素是基材的孔隙率。

2 試驗設計

2.1 樣品的制作

試驗用土取自三峽大學附近，天然密度1.832 g/cm3，干密度為2.624 g/cm3，天然含水率19%。經過篩分得到土壤顆粒組成為:小于0.075 mm的占干土總量的14.7%，小于0.25 mm的占 91.1%。

將土樣烘干，用橡皮錘或木錘搗碎，并過2 mm篩存儲備用。取與土壤質量相同的有機質烘干摻入土壤中，然后摻入水泥，采用機械攪拌，攪拌時間為2～3 min，拌勻后裝入模具并搗實成型，按照植被混凝土基材的工藝［4］進行養護。

已有關于植被混凝土的研究表明，當水泥摻入比大于12%時，植物在基質中不能良好生長;植被混凝土基材強度小于100 kPa時，不能滿足抗沖刷要求。故水泥摻入比按4%、8%、12%選取。本試驗中采用的立方體試塊長、寬、高均為5 cm，每組3個。

2.2 試驗裝置

參考蔣定生［5］的土壤崩解試驗裝置自制一套測定植被混凝土基材崩解的簡易儀器。該儀器主要由玻璃缸、浮筒、網板三部分組成(圖1)。浮筒高200 mm、直徑60 mm，底部掛由鋼絲加工制作成的網板，用于放置樣品;玻璃缸高50 cm，滿足5 cm×5 cm×5cm的立方體試塊試驗，側壁上標有刻度(最小分度為1 mm)。網板上有孔眼，孔眼尺寸為0.5 cm×0.5 cm。保證制作的崩解儀內壁與試塊間至少有1～2 cm間隙。

圖1 土壤崩解簡易裝置示意

2.3 試驗方法

試驗中，每次樣品的用水均為等量的清水，當浮筒掛上網板浸入水中時，將浮筒在水面處刻度讀數核準為原始刻度;當網板上放上樣品浸入水中時，樣品未崩解瞬間浮筒的刻度讀數為初始刻度線。

操作步驟按水利部《土工試驗操作規程》中的濕化試驗規定進行。試驗最長觀測時間定為30 min。讀數時間分0、0.5、1、2、5、10、15、20、30 min。土壤崩解速率計算公式為

式中:v為單位時間內崩解的樣品體積，cm3/min;l0為樣品浸入水中時玻璃缸水位的起始讀數;lt為不同觀測時間玻璃缸水位的讀數;t為樣品崩解過程所用時間，未崩解完則按最長觀測時間30 min計;a為體積換算系數，本裝置為a=1.734。

2.4 植被混凝土孔隙率

植被混凝土基材與土壤孔隙率基理相同，采用普通混凝土孔隙率的測定方法來測定植被混凝土基材的總孔隙率(P1)和連通孔隙率(P2)。植被混凝土基材總孔隙率和連通孔隙率計算公式為

式中:ρ為常溫下試驗用水的密度;V為樣品體積;w1為樣品烘干至恒重后的質量;w2為樣品完全飽和后的質量;w3為樣品在標準養護下的質量。

3 試驗現象及結果

3.1 崩解現象及結果

樣品放入清水中后，周圍立即變得混濁，緊接著有大量氣泡溢出，然后樣品表面開始崩解。開始時崩解的速度相對較快，過一會逐漸減慢。隨著土壤結構的逐漸破壞，土壤的崩解速率會出現一個穩定期，但很快又變為緩慢遞減，直至完全崩解。

通過30 min的試驗觀察，不同水泥摻入比的崩解試驗結果見表1。

表1 植被混凝土基材崩解量 cm3

3.2 孔隙率測定結果

根據孔隙率的測定方法，將測定數據取平均值后得出基材孔隙率，見表2，基材總孔隙率與連通孔隙率隨摻入水泥比的增加均呈遞減趨勢，說明水泥摻入比與基材的孔隙率呈負相關。

表2 植被混凝土基材孔隙率 %

4 結果分析

4.1 不同水泥摻入比基材抗崩速率

通過對崩解數據進行分析，我們得出基材在各時間段的崩解速率，如圖2所示，在剛入水的前幾分鐘，未摻水泥樣品的崩解速率明顯大于摻入水泥的樣品。雖然植被混凝土基材的崩解速率與未摻水泥樣品相差較大，但都是迅速崩解，基本是隨著水泥摻入比的增加，樣品的崩解速率成比例下降，原因多為土壤表面吸水土體膨脹，土壤顆粒以散粒或鱗片狀的單粒形式陸續崩離母體。在土壤膨脹過程中，因土壤內產生的膨脹壓和孔隙中閉塞的空氣外逸產生的壓力不同，致使崩解首先發生在土壤結構脆弱處。隨著時間的推移，約在15 min后崩解速率開始趨于穩定，各樣品之間的差異也變得較小。

圖2 基材崩解速率與水泥摻入比的關系

參照表1進行崩解速率分析，把相同水泥摻入比樣品的崩解速率做平均化處理，得出摻入比越高的平均崩解速率越小，崩解速率與水泥摻入比呈明顯的負相關，摻入比為4%、8%、12%的崩解速率分別為 0.597、0.340、0.073 cm3/min;未摻水泥樣品與摻入水泥樣品的崩解速率有明顯差異，4%摻入比的樣品與未摻水泥樣品相比，崩解速率降低了約50%，而12%摻入比樣品的平均崩解速率僅為未摻水泥樣品的1/14。

4.2 水泥摻入比對基材孔隙率的影響

圖3 水泥摻入比與基材孔隙率的關系

對試驗所得數據進行分析，如圖3，水泥摻入比與基材的兩種孔隙率均呈負相關。隨著水泥摻入比的增加，總孔隙率變化明顯，連通孔隙率變化相對較為平緩。結合植被混凝土基材的微觀構成機理與前文對樣品崩解速率的分析可知，水泥的摻入比對基材總孔隙率的影響是基材崩解前期差異較大的主要原因。

4.3 基材崩解試驗分析

植被混凝土基材樣品的崩解主要發生在前15 min左右，參照鄒翔等［6］關于土壤抗崩性試驗的理解，可以分析得出如下結論:

(1)樣品表面存在一些浮土或結構不穩定顆粒，在初受水浸泡時，浮土與不穩定顆粒迅速脫落，導致開始時崩解量較大。由于水泥摻入比對基材總孔隙率的影響較大，所以前期的崩解速率差異明顯。

(2)在基材樣品趨于飽和的過程中，土壤顆粒間的崩解主要發生在微小孔隙中及連通性孔隙中，而水泥摻入比對連通孔隙率的影響相對較小，這是基材后期崩解速率差異小的主要原因。

5 結語

(1)水泥摻入比對崩解作用具有明顯的抑制作用，對植被混凝土基材的崩解速率具有規律性影響。

(2)在植被混凝土基材中土壤起骨架作用，水泥起膠凝作用，所以植被混凝土基材崩解性的物質基礎是原土料中的黏土礦物，而水泥的摻入所產生的理化變化使得原土料孔隙率發生變化，從而降低了原土料中黏土礦物遇水產生的膨脹力、孔隙中氣泡溢出產生的推力、水膜楔入力及浮重力等，從而起到抗崩作用。

(3)鑒于植被混凝土基材中崩解的物質基礎是原土料，因此可以在摻入土料的選擇上進行改進試驗，選用崩解速率較低的土壤作為原有土料，可以增強其抗崩性能。

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

［2］李喜安，黃潤秋，彭建兵.黃土崩解性試驗研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(z1):3207 －3213.

［3］李家春，崔世富，田偉平.公路邊坡降雨侵蝕特征及土的崩解試驗［J］.長安大學學報:自然科學版，2007，27(1):23－26，49.

［4］許文年，王鐵橋，葉建軍.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.

［5］蔣定生.黃土高原水土流失與治理模式［M］.北京:中國水利水電出版社，1997:60.

［6］鄒翔，張平倉，陳杰.小江流域土壤抗崩性試驗研究［J］.水土保持研究，2008，15(1):244 －246.