植被混凝土凍融過程中水分遷移試驗(yàn)研究

鄧瑋瑋 劉德玉 許文年

摘要：以植被混凝土生態(tài)基材為研究對象，探討了植生土類型和初始含水率兩個(gè)因素對其在凍融過程中水分遷移的影響。通過試驗(yàn)對凍融過程中進(jìn)行溫度場以及凍融前后含水量的變化進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：植被混凝土中的水完全凍結(jié)的時(shí)間受初始含水率和植生土類型的影響，初始含水率越大，凍結(jié)到底所需的時(shí)間越長;土樣凍結(jié)后在試樣頂部會(huì)出現(xiàn)含水量明顯增大的土層，初始含水率越大，水分聚集的越多。

Abstract： Taking the vegetation concrete ecological substrate as the research object， the effects of planting soil type and initial moisture content on water migration during freezing and thawing were discussed. The temperature field during the freeze-thaw process and the change of water content before and after freezing and thawing were analyzed by experiments. The results show that the time of complete freezing of water in vegetation concrete is affected by the initial water content and the type of planting soil. The larger the initial water content， the longer the time required for freezing. After the soil sample is frozen， there will be a soil layer with a significant increase in water content at the top of the sample.The greater the initial moisture content， the more water is accumulated.

關(guān)鍵詞：植被混凝土;溫度場;含水率;水分遷移

Key words： vegetation concrete;temperature field;water content;water migration

中圖分類號(hào)：TU411? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2019）26-0285-03

0? 引言

植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)[1]自成功發(fā)明以來，受到廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。該技術(shù)應(yīng)用的大部分區(qū)域?yàn)槿A南、華中等地區(qū)，這些地區(qū)的氣溫條件一般較高，一般不會(huì)發(fā)生凍融現(xiàn)象，生態(tài)修復(fù)與邊坡防護(hù)功能也不會(huì)受較大影響。但是目前有許多西部高寒地區(qū)邊坡裸露工程急需修復(fù)，高寒地區(qū)氣候條件較為惡劣，常年處于低溫狀態(tài)。在這種溫度條件下，土中的水分會(huì)凍結(jié)成冰，形成冰晶體，產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，而當(dāng)溫度高于凍結(jié)溫度的時(shí)候，冰晶體會(huì)融化成水，會(huì)造成融沉現(xiàn)象，由于多次的凍融循環(huán)，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭受破壞，土體就會(huì)坍塌和破壞。植被混凝土生態(tài)防護(hù)技術(shù)是將人工生態(tài)基材噴射到邊坡的表層，基材中也不可避免的含有水分，從而也會(huì)受到凍融現(xiàn)象的影響，這也是目前該技術(shù)在高寒地區(qū)工程建設(shè)中面臨的主要問題，嚴(yán)重影響生態(tài)恢復(fù)的質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益，為此，研究植被混凝土生態(tài)基材凍融過程中水分的遷移情況十分必要。

目前有很多學(xué)者對不同類型的土進(jìn)行了不同方法的研究。趙剛等[2-3]通過改變溫度模式和初始含水率，研究原狀土和重塑土在凍融作用下水分遷移的情況。魏厚振等[4]對飽和粉土通過改變試樣高度和邊界溫度進(jìn)行了試驗(yàn)，得出了土樣高度影響水分遷移量和凍脹量，土樣越高，凍脹量越小，凍土含水率增量越小，但水分增量分布區(qū)域越分散，且起始凍脹時(shí)間越長的結(jié)論。曹成等[5]對黏土進(jìn)行了單向凍結(jié)的試驗(yàn)，研究了不同飽和度、不同溫度梯度、不同凍結(jié)速率及不同補(bǔ)水條件下土體中水分遷移的現(xiàn)象。張婷等[6]對非飽和土進(jìn)行了單向凍結(jié)試驗(yàn)，研究了不同含水率、干密度以及凍結(jié)時(shí)間對土中水分遷移特性的影響。童標(biāo)、張琳瑤等[7-8]等研究了凍融循環(huán)作用對植被混凝土養(yǎng)分及其固持能力和微生物數(shù)量變化規(guī)律的影響。周明濤等[9-10]研究了凍融作用對植被混凝土抗剪強(qiáng)度和凍脹效應(yīng)的影響。

目前，對于植被混凝土單向凍融過程中水分遷移的問題研究的較少，因此，本文以植被混凝土為對象，以初始含水率和植生土類型作為變量，開展了室內(nèi)水分遷移試驗(yàn)。

1? 材料與方法

1.1 主要試驗(yàn)儀器

本文所采用的試驗(yàn)儀器主要由NQ-408-TE型可程式恒溫恒濕箱、數(shù)字采集系統(tǒng)、Type-T熱電偶、烘箱和電子天平等試驗(yàn)儀器組成。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

植被混凝土中植生土是主要的組成部分，其性質(zhì)是植被混凝土凍融效應(yīng)的重要指標(biāo)，因此，植生土類型是本試驗(yàn)的影響因素之一。溫度梯度和初始含水率是影響土中水分在凍融過程中遷移的眾多因素中最突出的兩個(gè)因素[11-13]。根據(jù)以上分析，試驗(yàn)研究的重點(diǎn)設(shè)定如下：

①對相同初始含水率的土樣，采用不同植生土類型制備植被混凝土試樣，測量試樣中水分的遷移結(jié)果;

②采用相同植生土類型制備植被混凝土試樣，對不同初始含水率的試樣，進(jìn)行水分遷移試驗(yàn);

③研究試樣完全凍結(jié)后水分場的分布情況;

④研究試樣凍融完成后水分場的分布情況。

試驗(yàn)條件具體設(shè)計(jì)如表1所示。

試驗(yàn)共分為4組，每一組2個(gè)試樣，共制備8個(gè)試樣，采用2種植生土類型，進(jìn)行了2種初始含水率的水分遷移試驗(yàn)。1-4號(hào)植被混凝土試樣制備采用沙壤土，5-8號(hào)植被混凝土試樣制備采用粘性土，凍融溫度模式為-20℃～20℃。

1.2.1 試樣的制備

植被混凝土制備嚴(yán)格按照現(xiàn)行國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程陡邊坡植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)規(guī)范》NB/T 35082-201614，具體配比見表2。

植生土取自湖北省宜昌市西陵區(qū)，土料取回風(fēng)干并過2mm篩。有機(jī)物料采用木材加工廠生產(chǎn)的實(shí)木鋸末為有機(jī)物料，將其晾曬風(fēng)干再過2mm細(xì)篩，以剔除體積較大的木屑。活化添加劑來自三峽大學(xué)專利成果轉(zhuǎn)讓產(chǎn)品（專利號(hào)：01138343.7）。水泥購于三峽牌P.O.42.5普通硅酸鹽水泥。

植被混凝土各材料配比如表2所示。

1.2.2 試驗(yàn)步驟

將制備好的制樣裝入保溫裝置內(nèi)并養(yǎng)護(hù)試樣7d。

校準(zhǔn)溫度采集儀使其與環(huán)境溫度一致。開始凍結(jié)試驗(yàn)，測試試樣不同高度各中心點(diǎn)的溫度。凍結(jié)到底后，取出其中一個(gè)試樣分層切片（每層2cm），用烘干法測試各層含水率。開始融化試驗(yàn)，等到不同高度中心點(diǎn)的溫度大致相同并沒有太大的波動(dòng)時(shí)，停止試驗(yàn)，取出另一個(gè)試樣分層切片（每層2cm），測試各層含水率。

2? 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試樣凍融過程中溫度場變化分析

圖1和給出了試樣2、試樣6和試樣8的溫度隨時(shí)間變化曲線。

從圖1可以得出，不同植生土類型、不同初始含水率條件下，試樣不同高度各中心點(diǎn)溫度的變化趨勢是基本相同的，凍結(jié)試驗(yàn)時(shí)，溫度線快速下降至一個(gè)穩(wěn)定的負(fù)值，然后溫度緩慢的下降至設(shè)定的溫度值并持續(xù)一段時(shí)間。融化試驗(yàn)時(shí)，溫度快速上升至一個(gè)較小的負(fù)值，然后緩慢的上升到設(shè)定的溫度值并經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在初始含水率相同的情況下，采用粘性土制備的植被混凝土試樣凍結(jié)到底的時(shí)間長。圖1（a）中，試樣的初始含水率是18%，植生土類型為沙壤土，試樣凍結(jié)到底所需時(shí)間為43h;圖1（b）中，試樣的初始含水率為18%，植生土類型為粘性土，試樣凍結(jié)到底所需時(shí)間為50h。

在植生土類型相同的情況下，試樣初始含水率越大，凍結(jié)到底的所需的時(shí)間越長。圖1（b）中，試樣的初始含水率是18%，植生土類型為粘性土，試樣凍結(jié)到底需要的時(shí)間為50h;圖1（c）中，試樣的初始含水率是20%，植生土類型為粘性土，試樣凍結(jié)到底所需的時(shí)間為60h。

2.2 試樣凍融過程中含水率變化分析

為了研究初始含水量對試樣中水分遷移的影響，分析第1組和第4組試驗(yàn)，每組有2個(gè)相同的試樣：一個(gè)用于凍結(jié)后測試含水量，另一個(gè)用于測試凍結(jié)到底然后完全融化的含水量。1組的含水量沿深度方向的分布曲線如圖2所示。從圖2可以看出：

①試樣完全凍結(jié)后，上部土層的含水率有顯著的增加，底部測圖的含水率明顯減少。并且在頂面土層出現(xiàn)一個(gè)最大值。兩組試驗(yàn)的含水量變化趨勢相同，只是增加的含量不一樣。在土層上部含水量增大;隨初始含水量增大，該土層凍結(jié)后含水量增加，初始含水量對凍結(jié)過程中出現(xiàn)含水量增大土層的位置影響不明顯。含水量在上部土層的變化是有波動(dòng)的，在下部土層的減小基本上是線性的。

②在凍結(jié)過程中，試樣中上部土層中出現(xiàn)較大的含水量，在融化結(jié)束后試樣也是上部土層含水量較大，但較凍結(jié)后增加的含水量小，即融化過程中水分遷移比凍結(jié)過程中水分遷移量小。

3? 結(jié)論

在植生土類型相同的情況下，初始含水率越高，試樣凍結(jié)到底所需的時(shí)間越長。

①凍結(jié)后試樣上部土層的含水量增加，下部減少，并且在頂面土層出現(xiàn)1個(gè)較大值。

②融化后試樣也是上部含水量較大，下部較少，但較凍結(jié)后試樣含水量增加較小。

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