黃原膠-黏土復合基材巖坡生態修復試驗研究

宋澤卓，劉瑾，梅紅，卜凡，陳志昊，祁長青

(河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京，211100)

近年來，隨著國民經濟的飛速增長，大量的道路工程、橋梁工程、房屋工程、礦山工程等工程建設迅猛發展。在這些工程實施中，伴隨著大量的挖山活動，嚴重破壞了生態平衡，遺留了一大批裸露的巖質邊坡。這類裸露的巖質邊坡經過風吹日曬后坡面基巖風化嚴重，巖石破碎，在降雨和外部力量作用下，極易發生坍塌、滑坡等地質災害，危害人們的生命與財產安全[1]。這類巖質邊坡由于坡面風化程度過大，水土流失嚴重，缺乏植被生長所需要的土壤與養分，植被幾乎難以生長，對周圍環境造成破壞。為響應國家可持續性發展的號召，生態環境保護體制改革在工程建設中逐漸深入。而傳統的巖質邊坡防護技術(如水泥抹面、噴混凝土等)往往只注重對邊坡本身穩定性的防護，沒有同時考慮生態建設的可行性，導致巖質邊坡綠化覆蓋度低，持續時間短，無法解決目前日益突出的工程防護和生態建設的矛盾[2-3]。因此，有效改善巖質邊坡修復中存在的穩定與生態無法兼顧的問題成為當前重要的研究方向。

客土噴播生態防護技術以其適應性強、綠化效果好、施工便捷、工程造價低、后期養護要求低等優點成為巖質邊坡生態防護的主要手段，得到了廣泛的實踐應用。然而現有的客土基材面對一些較陡的巖質邊坡和極端氣候條件時，其穩定性、抗沖刷能力相對較弱，經常出現客土基材脫落、水土流失等不利狀況，降低了客土噴播的綠化效果和邊坡加固效果[4]。客土基材作為影響客土噴播技術應用效果的重要因素，眾多研究人員針對其性質提升進行了大量的研究[5-7]。水泥作為傳統加固材料，以其成本低、效果好作為黏結劑應用于客土基材中，試驗結果表明：摻入少量的水泥有利于提升客土基材的黏度、強度、穩定性，但水泥含量過高時會導致客土基材的壓實度和pH過高，從而影響植被生長[8]。粉煤灰可以提升客土基材的黏聚力，增強其穩定性，但是粉煤灰的存在會增加客土基材的pH 和Cl、Cu、Zn 污染離子濃度，造成環境污染[9-10]。木質素作為可再生資源之一，成本較低，被應用于客土基材中。木質素通過增加客土基材的黏聚力，提高基材的穩定性和抗沖刷能力，但木質素的使用量較大，不利于生態的可持續發展[11]。

黃原膠又稱黃膠、漢生膠，是一種由黃單胞桿菌發酵產生的細胞外酸性雜多糖。黃原膠作為一種性能優越的生物膠，具有增稠、懸浮、乳化、穩定等特點。周天寶等[12]以黃原膠為固化劑，對西北粉土的固化開展室內試驗，取得了良好的固化效果，并對其固化機理進行分析。LATIFI 等[13]通過一系列宏觀和微觀試驗方法，探討了黃原膠在穩定有機泥炭土中的應用。研究發現，黃原膠可以提高泥炭土的強度，改善泥炭土的孔隙空間結構。CHEN等[14]解釋了干燥處理對黃原膠處理土壤強度的影響，特別是黃原膠在干燥過程中與砂土之間的作用機理。KWON 等[15]通過比較用水泥和黃原膠處理的當地土壤樣本的無側限抗壓強度，驗證了生物聚合物應用于當地土壤穩定的可行性。從整體上看，國內外對于黃原膠在土體中的應用，尤其是在客土基材方面的研究較少，缺乏深入、系統的研究。

本文采用黃原膠與黏土形成黃原膠-黏土復合基材，通過室內試驗研究其強度、蒸發特性、抗沖刷性以及其對植被發芽生長的影響，并利用掃描電子顯微鏡對復合基材的微觀結構進行分析。研究結果可以為巖質邊坡的生態修復提供一定的參考與借鑒。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土體為粉質黏土，取自南京市浦口區翠云山附近。土體為邊坡表層新近沉積土，整體呈黃褐色、灰黃色，硬塑狀態，無特殊性氣味，土體含少量鈣質結核。按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[16]對其基本物理性質進行測定，測定結果如表1和圖1所示。現場對采得土體進行初步敲碎、裝袋，隨后將土體進行風干、粉碎，并過孔徑2 mm篩后使用。

表1 試驗土體基本物理性質Table 1 Basic physical properties of test soil

圖1 試驗土體顆粒粒徑分布曲線Fig. 1 Particle size distribution curve of test soil

試驗中所用的黃原膠為類白色或淡黃色的粉末狀固體物質，具有良好的水溶性、親水性和穩定性，相對分子質量為2×106～2×107，遇水后可形成無色的黏稠狀水溶液，其主要的分子結構如圖2所示。

圖2 黃原膠的分子結構Fig. 2 Molecular structure of xanthan gum

1.2 試驗方法

1.2.1 強度試驗

為研究黃原膠含量對黃原膠-黏土復合基材強度的影響，對不同黃原膠含量條件下的復合基材進行三軸剪切試驗。黃原膠含量CXG定義如下：

式中：CXG為黃原膠含量(質量分數)，%；mXG為黃原膠質量，g；mS為土體質量，g。

試樣采用靜力壓制法進行制備，按設計比例將土體、黃原膠和水混合后壓制為直徑×高39.1 mm×80.0 mm 的試樣。制備好的試樣放入20 ℃恒溫恒濕的養護箱中進行養護，養護齡期為14 d。采用南京寧曦儀器有限公司生產的TSZ 全自動三軸儀，根據GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》[16]，進行不固結不排水三軸剪切試驗，試驗剪切速率為0.8 mm/min，圍壓設置為100、200 和300 kPa。完成試驗后，繪制主應力差與軸向應變的關系曲線，并取曲線上的主應力差分支作為破壞點，繪制不同圍壓狀態下的應力圓包線，以此獲得相關強度參數。

1.2.2 蒸發試驗

為研究黃原膠含量對黃原膠-黏土復合基材蒸發過程的影響，將過篩后的土體與黃原膠進行混合，黃原膠含量CXG設置為0，0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。混合后的土體被配置為含水率50%的泥漿，并均勻振動5 min 以排出泥漿試樣內部的氣泡，將泥漿放置于直徑20 cm、高6 cm的加蓋有機玻璃容器中靜置24 h 以均勻含水率。有機玻璃容器底部使用環氧樹脂粘貼粒度為0.25 mm的砂紙以模擬原狀土體間的界面粗糙度。靜置完成后，開蓋對不同黃原膠復合基材進行蒸發試驗。試驗中，試樣被放置于恒溫(25±2) ℃的養護箱中，每隔120 min 稱試樣質量，以研究不同黃原膠含量復合基材的蒸發特性。同時，使用固定在養護箱中的拍照設備對試樣表面拍照，記錄各試樣表面裂隙發展情況。蒸發速率Re定義如下：

式中：Re為蒸發速率，%；mt-1和mt分別為相鄰兩次稱量的試樣質量，g；t為兩次稱量的間隔時間，min。

1.2.3 沖刷試驗

為研究黃原膠含量對黃原膠-黏土復合基材表層抗沖刷性能的影響，對不同黃原膠含量的復合基材進行沖刷試驗。將配置好的土樣三等分后依次平鋪在長×寬×高為20 cm×15 cm×5 cm 的試樣盒中，每次平鋪后將土體擊實到指定高度，使密度達到1.78 g/cm3。完成養護后的試樣被放置在坡度為65°的自制斜坡模型上進行沖刷，試驗中沖刷強度為3 L/min，沖刷時間為180 min，每隔30 min收集被沖刷的土體，并烘干、稱質量。試樣的沖刷率Ep定義如下：

式中：Ep為沖刷率，%；m為被沖刷的土體烘干后的質量，g；M為試樣的總干質量，g。

1.2.4 植被生長試驗

為研究黃原膠含量對黃原膠-黏土復合基材中植被生長的影響，將過篩后的土體與黃原膠按比例進行混合，黃原膠含量CXG設置為0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。在長20 cm、寬6 cm 的長方形有機玻璃容器中加30%的水配置成的泥漿，后期不再進行灑水等操作。根據氣候條件，本試驗選用的草種為生長周期30 d 左右的黑麥草，將等量種子均勻地撒在土體表面，在試驗過程中觀察草種的生長情況并記錄其生長高度以及植被枯萎時間。

2 試驗結果與討論

2.1 強度試驗

圖3所示為不同黃原膠含量復合基材在三軸剪切試驗中的軸向應力-應變關系曲線。由圖3可知，在軸向應變為0～1%的低應變階段，不含黃原膠試樣的軸向應力基本上呈線性增加，試樣處于彈性變形階段。隨后試樣進入塑性變形階段，試樣的軸向應力保持緩慢的增長。與不含黃原膠試樣相比，黃原膠含量為0.5%試樣的彈性變形階段的曲線斜率呈現出更為陡峭的趨勢，且彈性階段的應變為0～3%。隨著黃原膠含量的增加，試樣彈性階段曲線斜率不斷增加，但增長幅度減緩，說明不同圍壓下，土體的彈性模量均隨黃原膠含量的增加非線性增加；隨著試樣繼續被壓縮，軸向應變增加的速率變緩，試樣處于塑性變形階段，最終達到峰值偏應力。對于曲線峰值不明顯的試樣，選擇應變15%時對應的軸向應力為試樣的峰值偏應力(即試樣發生破壞)。試樣在達到屈服強度后基本趨于穩定，這是由于試樣克服土體之間的膠結作用而發生結構性破壞，但由于圍壓作用，試樣的偏應力趨于穩定，而沒有發生明顯下降。

圖3 不同黃原膠含量復合基材軸向應力-應變關系曲線Fig. 3 Axial stress-strain curves of composite substrate with different xanthan gum content

為深入分析黃原膠含量對復合基材強度特性的影響，對不同圍壓下試樣的峰值偏應力隨黃原膠含量的變化關系進行分析，結果如圖4所示。在不同圍壓作用下，當CXG從0 逐漸增大到2.0%時，試樣的峰值偏應力不斷提高。但隨黃原膠含量的增加，峰值偏應力增加的幅度不斷降低。當黃原膠含量由0 增大到0.5%時，試樣的峰值偏應力提升了81.65%。而當黃原膠含量由0.5%增大到1.0%以及由1.0%增大到1.5%時，試樣的峰值偏應力均僅提升了5%左右。當黃原膠含量由1.5%增大到2.0%時，試樣的峰值偏應力出現小幅度的降低，這表明少量的黃原膠對增強試樣的峰值偏應力具有顯著的效果，但黃原膠含量的增加對峰值偏應力提升效果則較為微弱。

圖4 復合基材峰值偏應力與黃原膠含量的關系Fig. 4 Relationship between peak deviatoric stress and xanthan gum content of composite substrate

圖5所示為復合基材抗剪強度參數與黃原膠含量的關系。由圖5可知，試樣的黏聚力隨著黃原膠含量的增加穩步提升，且在剛摻入黃原膠的階段，提升效果最為明顯。而后隨黃原膠含量的增加，土體顆粒間溶液形成的膠質過多，使得土顆粒間距離增加，試樣黏聚力提升效果下降。隨黃原膠含量的增加，試樣的內摩擦角呈現出逐漸增強的趨勢，這是由于黃原膠溶液在土體顆粒間充分反應，形成了利于提高試樣強度的堅硬膠質，增強了試樣的結構穩定性。

圖5 復合基材抗剪強度參數與黃原膠含量的關系Fig. 5 Relationship between shear strength parameters of composite substrate and xanthan gum content

2.2 蒸發試驗

圖6所示為不同黃原膠含量復合基材的蒸發速率與含水率變化曲線。按照蒸發速率將試樣的蒸發過程分為常速率階段、減速率階段和殘余階段3個階段[17-18]。由圖6 可知，隨著黃原膠含量的增加，各試樣在各階段的變化存在著一定差異。1) 在常速率階段，各試樣的蒸發速率和持續時間基本相同。隨著黃原膠含量從0 增至2.0%，試樣平均蒸發速率從0.48 g/min 下降至0.38 g/min。2) 在減速率階段，各試樣減速率階段的開始時間基本相同。隨著黃原膠含量從0 增至2.0%，減速率階段持續時間從1 680 min增加至3 600 min。3) 在殘余階段，各試樣的平均蒸發率基本為0 g/min，表明試樣已經干燥脫水完畢。而隨著黃原膠含量從0增至2.0%，試樣減速率階段持續時間從1 920 min下降至0 min，當不含黃原膠的試樣的平均蒸發率降至0 g/min 時，其余試樣仍有一定的蒸發速率，這表明黃原膠提升了試樣的保水性。

圖6 不同黃原膠含量復合基材蒸發曲線Fig. 6 Evaporation curve of composite substrate with different xanthan gum contents

圖7所示為不含黃原膠試樣隨蒸發時間變化的裂隙發育情況。由圖7可知，試樣表面出現裂隙的時間約為40 h，此時試樣仍處于常速率蒸發階段，土體含水率相對較高。隨著蒸發時間的逐漸增加，已有的細小的裂隙開始發育并開始向外延展，同時也開始發育新的裂隙。當蒸發時間為52 h 時，試樣裂隙基本發育完全且形態不再變化，而試樣含水率仍然不斷降低，當蒸發時間達76 h 時，試樣的含水率基本不再變化，試樣表面最終發育的裂隙貫穿整個試樣表面。

圖7 不含黃原膠試樣的裂隙發育情況Fig. 7 Crack development of samples without xanthan gum

圖8 所示為0.5%黃原膠試樣隨蒸發時間變化的裂隙發育情況。由圖8可知，在蒸發時間為40 h時，0.5%黃原膠試樣僅出現少量裂隙，試樣處于常速率蒸發階段，土體含水率相對較高。與不含黃原膠試樣不同的是，隨著干燥時間的增加，已有的細小的裂隙開始向外延展但并沒有繼續產生新的裂隙。當蒸發時間為52 h 時，試樣裂隙基本發育完全且形態不再變化，而試樣含水率仍然不斷降低，當蒸發時間達76 h 時，試樣的含水率基本不再變化，試樣表面最終發育的裂隙沒有貫穿試樣表面，其發育裂隙主要集中在試樣的邊界，試樣未開裂部分主要表現為向試驗盒中心縮聚，且裂隙條數明顯較素土試樣的裂隙條數少，但0.5%黃原膠試樣裂隙的寬度明顯較不含黃原膠試樣裂隙的寬度大。

圖8 0.5%黃原膠試樣的裂隙發育情況Fig. 8 Crack development of samples with 0.5% xanthan gum content

圖9所示為不同黃原膠含量試樣在蒸發試驗后的裂隙發育對比。由圖9 可知，黃原膠含量高于0.5%的試樣在蒸發試驗中基本不發育裂隙，表現為試樣整體隨著開裂試驗的進行呈圓餅狀與邊界分離并向試樣中心縮聚。隨著黃原膠含量的增加，試樣整體的收縮程度變大。這是由于在蒸發過程中，孔隙水在土體顆粒之間由于毛細作用形成彎液面，且其表面存在表面張力，隨含水率的降低，土體中逐漸產生較強的張拉應力，土體顆粒相互靠攏，宏觀上表現為土體收縮變形。當在收縮變形的過程中產生的張拉應力大于土體的抗拉強度時，土體產生裂隙。隨著黃原膠含量的增加，土體顆粒與黃原膠分子形成的離子鍵作用力使得土體的抗拉強度明顯高于因失水產生的張拉應力，土體本身不再發育裂隙，宏觀上表現為克服土體底部與砂紙間的摩擦力，試樣整體向中心縮聚，且黃原膠含量越高，離子鍵作用就越強，使得土體收縮越明顯。

圖9 不同黃原膠含量試樣蒸發試驗后裂隙發育情況Fig. 9 Crack development of samples with different xanthan gum content after evaporation test

2.3 沖刷試驗

不同黃原膠含量試樣的沖刷率的變化曲線如圖10所示。由圖10可知，不含黃原膠試樣與其余試樣的沖刷率隨沖刷時間變化具有很大的差異性。隨著雨水的沖刷，不含黃原膠試樣表面在雨水的淋濾和沖蝕作用下含水率不斷增加，土體顆粒間自由水不斷增加，顆粒間聯結能力大大降低，宏觀上表現為試樣的沖刷率隨沖刷時間的增加整體呈線性增加。土體中摻入黃原膠后，黃原膠分子中的陰離子與土體顆粒表面富含的陽離子形成的離子鍵作用大大增強了土體顆粒間的聯結能力。當黃原膠含量為0.5%時，試樣的沖刷率明顯降低。隨著黃原膠含量的繼續增加，不同沖刷時間下的沖刷率均不斷下降。當黃原膠含量由0.5%增至2.0%時，土體抗沖刷性能的改善程度明顯低于黃原膠含量由0 增至0.5%時的改善程度。對比各試樣最終沖刷率可知，在經歷180 min 的降雨沖刷后，不含黃原膠試樣的最終沖刷率為49.56%；0.5%黃原膠試樣的最終沖刷率僅為7.20%，試樣的沖刷率明顯降低。當黃原膠含量為1.0%時，試樣的最終沖刷率為5.07%。當黃原膠含量由0.5%增至1.0%時，沖刷率降低了1.13%，低于黃原膠含量由0 增至0.5%時沖刷率的降低程度，表明黃原膠的存在使得試樣沖刷率降低十分明顯。

圖10 復合基材沖刷率隨時間變化曲線Fig. 10 Variation curve of scouring rate of composite substrate with time

圖11 所示為不同黃原膠含量試樣的沖刷破壞形態。由圖11 可知，不含黃原膠試樣在經歷180 min 的模擬強降雨沖刷后，試樣表面有明顯的沖蝕破壞痕跡，沖溝明顯，而其余試樣整體結構仍較為完整，沖蝕程度較低，沒有明顯發育沖溝，僅有部分水流沖擊留下的細微水坑，且隨著黃原膠含量的增加，水坑明顯縮小，這表明黃原膠的摻入可以明顯改善土體的抗沖刷性能。

圖11 不同黃原膠含量復合基材沖刷破壞形態Fig. 11 Erosion failure mode of composite substrate with different xanthan gum contents

2.4 植被生長試驗

在完成試樣的準備后，對試樣進行為期30 d的植被培養，每天記錄各試樣中種子發芽數量和植被生長情況。觀察植被生長情況可知，在含2.0%黃原膠的土體中，種子在培養30 d 后仍未發芽。在不含黃原膠的土體中，種子在11 d 時開始發芽，在含0.5%、1.0%和1.5%黃原膠的土體中，種子在8 d 時發芽。在試驗15 d、20 d 和30 d 時含0、0.5%、1.0%和1.5%黃原膠土體培養的種子的生長狀態如圖12所示。由圖12可知，在生長試驗15 d 時，4 種土體中種子的發芽生長狀態有所區別，發芽生長狀態由優至差依次為1.0%黃原膠土體、0.5%黃原膠土體、1.5%黃原膠土體樣、不含黃原膠土體樣，說明隨著黃原膠含量的增加，植被的稠度存在先增大后減小的規律。在生長試驗20 d、30 d時，植被的生長狀態隨黃原膠含量的變化趨勢與15 d 時的基本相同，在1.0%黃原膠土體中，植被生長狀態最佳。

圖12 不同黃原膠含量試樣中植被生長情況Fig. 12 Vegetation growth of samples with different xanthan gum contents

植被生長經歷初期生長階段、中期拔高階段以及穩定階段3個階段。初期生長階段，植被出芽后慢慢生長但整體速率較小；試驗15 d 時，試樣高度變化明顯，高度增長的速度增快；生長試驗25 d 后，試樣的植被增長速率均趨于穩定。圖13所示為試驗結束時發芽試樣的狀態。由圖13可知，不含黃原膠試樣的植株出現一定程度的倒伏，植被葉片寬度也較窄。造成這一現象的主要原因可能是不含黃原膠試樣的保水性較差，當達到穩定階段的中后期時，沒有充足的水分滿足植被生長的需要。植被的生長需要一定的碳氮比，黃原膠作為一種骨架與纖維素基本相同的多糖類物質，在植被生長過程中可以作為碳源，給植物的生長提供養分，促進植被的生長。黃原膠提升了土體的保水性，以及提供少量養分等原因使得種子的發芽時間提前，植被生長的更加茂盛，植株強壯，葉片寬厚。當黃原膠含量過大時，土體的整體結構緊密，缺少一定的空間以保證種子的發芽以及植被的生長。

圖13 試驗30 d發芽試樣的生長情況Fig. 13 Growth of germinated samples grow for 30 d

2.5 復合基材微觀機構分析

為研究黃原膠-黏土復合基材的微觀機構，采用捷克泰思肯公司制造的TESCAN MIRA3 掃描電子顯微鏡對不同黃原膠含量的復合基材進行微觀觀察。圖14(a)所示為不含黃原膠試樣在不同倍率下SEM照片。由圖14(a)可知，不含黃原膠試樣的微觀結構整體出現較多孔隙，顆粒間無明顯膠結。土體顆粒較為分明，表面存在一些裂痕和孔隙，且裂痕自下而上出現貫通，無明顯的膠結物，整體結構不夠緊密。

圖14 不同黃原膠含量復合基材在不同倍率下的SEM照片Fig. 14 SEM images of composite substrates with different xanthan contents at different magnification

黃原膠對黏土的改良作用可以歸納為包裹、連結和填充。黃原膠遇水后會形成大量的凝膠狀物質，這些凝膠狀物質一部分會在黏土顆粒表面形成一層網狀薄膜，將黏土顆粒進行包裹。另一部分會進入黏土顆粒之間的孔隙，填充顆粒之間的孔隙。兩部分的凝膠狀物質共同作用將相鄰的黏土顆粒連結為一個整體，提升復合基材的整體性。圖14(b)所示為2.0%黃原膠試樣在不同倍率下SEM 照片。由圖14(b)可知，相較于不含黃原膠試樣，2.0%黃原膠試樣中可以發現土顆粒表面覆蓋大量的黃原膠形成的網狀薄膜，黏土顆粒之間的孔隙也被黃原膠形成的凝膠狀物質填充。網狀薄膜與填充在孔隙中的凝膠狀物質共同作用能夠有效提升復合基材的力學性能和抗沖刷、抗開裂能力。同時，網狀薄膜的存在也使得一部分的水分可以儲存在網狀薄膜中，延緩土體的蒸發過程，為植被的生長提供充足的水分。除此之外，凝膠狀物質具有較好的延展性。顆粒間的孔隙之間存在一些拉絲狀的連結，這些連結有效提升了土體的黏結程度及結構穩定性，使得復合基材的整體結構更加緊密。

3 結論

1) 黃原膠可以有效改善復合基材的強度特性。隨著黃原膠含量的增加，復合基材的峰值偏應力不斷增加。復合基材的黏聚力隨著黃原膠含量的增加得到一定程度的提升，總體呈現先增大后趨向于穩定的趨勢。隨著黃原膠含量的增加，復合基材的內摩擦角不斷地增加。

2) 黃原膠可以有效改善復合基材的蒸發特性和抗沖刷特性。隨黃原膠含量的增加，土體的平均蒸發速率明顯降低，蒸發曲線中的減速率階段逐漸延長，殘余階段逐漸消失。黃原膠在一定程度上增強了土體的保水性，使得土體在蒸發過程中，開裂現象得到明顯改善。隨著黃原膠含量的增加，土體的沖刷率不斷地降低，在黃原膠含量由0增至0.5%時，沖刷率降低程度最為明顯。

3) 黃原膠可以促進植被的生長。黃原膠增強了土體的保水性，以及提供少量養分等原因使得種子的發芽時間提前，植被生長更加茂盛，植株強壯，葉片寬厚。當黃原膠含量過大時，土體的整體結構緊密，缺少一定的空間以保證種子的發芽以及植被的生長。

4) 黃原膠可以在復合基材內部的形成大量的薄膜，填充土顆粒表面以及土顆粒之間的孔隙和裂縫，將土顆粒鏈接為一個整體，有效提升了土體的黏結程度及結構穩定性，使得復合基材的整體結構更加緊密。