EN-1固化剂对土壤抗崩性的影响

郭玉珊, 耿玉清, 张 艳, 张琳琳

(1.北京林业大学 林学院, 北京 100083; 2.沃德兰特(北京)生态环境技术研究院有限公司, 北京 100080)



EN-1固化剂对土壤抗崩性的影响

郭玉珊1, 耿玉清1, 张 艳2, 张琳琳2

(1.北京林业大学 林学院, 北京 100083; 2.沃德兰特(北京)生态环境技术研究院有限公司, 北京 100080)

摘要：[目的] 探讨EN-1固化剂对土壤抗崩性的影响，为固持河岸边坡提供理论依据。 [方法] 应用室内静水崩解试验，研究添加EN-1固化剂比例为0(素土)，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.30%水平时，分别在压实度0.85，0.90和0.95状态下，养护3，7和15 d的崩解量和崩解速率。 [结果] 在试验设计的EN-1固化剂掺入量、养护龄期和压实度范围内，随EN-1固化剂掺入量的增加、养护龄期的延长和压实度的增大，固化土的崩解量较素土显著减小。 [结论] 从固化剂的有效利用率和经济的角度考虑，当EN-1固化剂掺量为0.20%时，养护龄期为7 d及以上时，压实度为0.90及以上时抗崩解固土性能较好。

关键词：EN-1固化剂; 抗崩性; 崩解试验; 崩解量

水土流失是目前最严重的生态环境问题之一。实施水土保持措施是防治水土流失、恢复良好的生态环境的重要途径[1]。土壤崩解是指土块进入水后，由于土壤胶体物质分解，使土粒间失去黏结力进而引起土块的结构破坏或塌落的现象，是衡量土壤水土保持特性的一个重要指标[2]。减少土体崩解是减少水土流失的一个重要途径[3]。采用土壤改良剂已成为改良土壤性质，提高土壤结构体的稳定性，降低土壤侵蚀量的重要技术手段[4-6]。路邦EN-1固化剂是一种在浓缩状态下无挥发性，有强烈刺激性酸味，不燃烧，有腐蚀性，且溶于水的酱黑色酸性液体，经稀释后则是无毒，无公害，无污染，不破坏生态环境的高分子复合材料。在土壤中加入适量的EN-1固化剂，促使土壤中的矿物质和土壤分子分解并重新结晶形成金属盐，同时可胶结土粒，填充土壤孔隙，增强土壤颗粒之间的粘结力，进而保持土壤的持久稳定[7]。EN-1固化剂主要应用于道路交通，近年来作为一种土壤改良剂在黄土固持作用方面开展了研究[8]。其研究结果表明：适量的EN-1固化剂可提高土壤颗粒间的联结力，增强土壤结构体的稳定性，促进植物的生长等[9-11]。

河岸带是指高低水位之间的河床以及高水位之上直至河水影响完全消失为止的地带[12]。因水冲刷引发的河岸带土壤流失，不仅影响水体质量，而且也影响植被恢复及河岸带景观。如何提高河岸带土壤固土性能，减少土壤流失是生态环境领域急切探讨的课题。由于固化剂固土效果受土壤性质如土壤颗粒大小、胶体类型和土壤类型的影响[13]，对黄土地区固持土壤的研究结果是否适合漓江河岸带的土壤，目前还未见相关研究。本研究通过进行室内试验，研究添加不同EN-1固化剂掺入量在不同养护龄期和压实度情况下土壤抗崩解性能的变化，探求EN-1固化剂的合理使用方法，可为固持河岸边坡的有效技术或途径提供理论依据。

1材料与方法

1.1　试验材料

供试土壤取自广西省桂林市冠岩县潜经村漓江河岸带，地理坐标为E110°25′57″，N25°07′00″。该地属中亚热带湿润季风气候区，全年光照充足，平均气温17.8～19.1 ℃，年降雨量1 814～1 941 mm，年蒸发量1 377～1 857 mm，雨热基本同期[14]。按中国土壤分类系统，该区域地带性土壤类型为红壤。但在河岸带由于地形破碎，经过江水的持续冲刷以及土壤的淤积，土层厚度分布不均，土壤性质有一定的改变。供试土壤的基本理化性质见表1。供试的EN-1固化剂，购买于珠海路邦路基工程有限公司(http:∥www.lb9 000.com)。

表1　供试土壤基本理化性质

1.2　试验设计

本试验采用3因素全组合试验方法，设计EN-1掺入量、压实度和养护龄期3个处理。其中EN-1掺入量，设0(为空白试验,以下称素土)，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.30%共6个水平；压实度(以干密度/最大干密度比值计算)设0.85，0.90和0.95共3个水平；养护龄期设3，7，15 d 共3个水平。每个水平进行3次重复。

1.3　崩解试验的方法

1.3.1制样前的准备为保持最优的固化性能，首先测定供试土壤的最优含水率及最大干密度：本试验采用2.5 KG轻型击实仪(上海宏洲试验仪器有限公司)，单位体积击实功约为592.2 kJ/m3，做击实试验[15]。试验前将土壤混匀风干使其通过5 mm筛。在击实试验时，把土壤分3层，每层25击。以土壤含水率(质量比)为横坐标，干密度为纵坐标，绘制土壤含水率—干密度曲线，曲线峰值点对应的横坐标为最优含水率，纵坐标则为最大干密度(见图1)。由图可知，供试土壤的最大干密度为1.71 g/cm3，最优含水率为18%。为确保土壤达到最优含水率，依据供试风干土的含水率，计算并量取应添加的水量。

图1　土壤最大干密度和最优含水率的关系

1.3.2制样与养护依据EN-1固化剂掺入量，在已量取的水中加入相应比例的固化剂，搅拌均匀后用撒壶分层撒入土中，混合均匀后静置于塑封袋中，密封24 h，使土壤水分分布均匀。依据不同的压实度制备土样。计算不同压实度下，应称量混有固化剂的土壤重，以静力压力法将土壤压入长宽高均为5 cm的特制铝盒中，然后把塑料布盖在铝盒表面，在室内条件下养护。

1.3.3崩解量和崩解速率的测定采用土壤静水崩解法，即通过测定固化土在静水中的累计崩解量和崩解速率，比较土壤的抗崩性能的大小[16]。将养护好的土样铝盒置于底部打有小孔，并附有一层滤纸的容器中，容器放于盆中。向盆中加水至水面距离铝盒上沿1 cm处，水从容器底部小孔自下而上浸润固化土12 h直至达到饱和。将饱和的固化土从铝盒中原状取出，放置在边长为5 cm，孔径为1 cm的金属网板上，且网板上垫有孔径为0.3 cm，边长为5 cm的网线(以防金属网板孔径过大，土块因重力作用掉落)。用拉力计将其挂起，迅速置于静水中，同时启动秒表并记录拉力计读数。该读数作为浸水瞬间未崩解时固化土重。分别记录1，2，3，4，5，7，10，15，20，30 min时拉力计读数。崩解量为土样浸水后某一时间段内崩解掉的土粒总量。崩解速率为土样浸水后单位时间内崩解掉的土粒重。

2结果与分析

2.1　EN-1固化剂掺入量对土壤抗崩性的影响

将不同掺入量的EN-1固化剂添加到土壤中，在土壤压实度为0.95的条件下养护至相应天数，对其进行抗崩试验获得的土壤崩解量的结果见表2。从表中可以看出，加入不同掺入量的EN-1固化剂后，在30 min内的土壤崩解量均较素土显著减少(p<0.05)，减少的幅度为4.5%～87.8%。在养护龄期一定时，崩解量随着EN-1固化剂掺入量的增加而减小，当掺入量继续增加到0.20%时，崩解量变化趋于稳定。以养护7 d为例，掺入量为0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.30%时，土壤崩解量比素土分别减少了8.4%，18.9%，39.8%，84.3%和87.2%。其中掺入量为0.05%，0.10%和0.15%时，土壤崩解量显著性达到显著水平，当掺入量为0.20%和0.30%时，土壤崩解量差异未达到显著水平，也就是说当掺入量达到0.20%以上时，固化剂的效果趋于稳定状态。目前对添加EN-1固化剂后土壤抗崩解情况的研究较少。但对添加EN-1固化剂(0，0.01%，0.05%，0.1%，0.15%和0.20%)后土壤抗蚀性能的研究结果表明，当EN-1固化剂在土壤中的掺量为0.15%(0—100 cm土和0—30 cm黄绵土)或0.20%(30—100 cm黄绵土)时，土壤的抗蚀能力最强[5]。这与我们的研究结果比较接近。掺入EN-1固化剂后，不同程度的影响了土壤的水稳性团聚体含量和土壤结构体稳定性。因此，固化土的抗崩性能增强。

表2　固化剂掺入量对土壤崩解量的影响

注:同列不同小写字母表示相同养护龄期下不同固化剂掺入量处理间差异显著(p<0.05)。

2.2　养护龄期对土壤抗崩性的影响

在土壤压实度为0.95的条件下，对不同养护天数，添加不同掺入量的EN-1固化剂所测定的崩解量数据进行加和，结果如图2所示。从图2可知，在养护龄期不同时，总的土壤崩解量随养护龄期的延长而逐渐减小。养护龄期由3 d延长到7 d，15 d时，总崩解量减少的比例分别为22.7%和25.5%。以养护龄期3 d相比，养护龄期7 d时的总土壤崩解量的差异达到显著水平；而养护龄期为7 d与15 d总土壤崩解量差异不显著。这说明养护龄期在7 d时，土壤抗崩解的效果比较理想。目前有关养护龄期抗崩解的研究不多。但对添加EN-1固化剂后不同养护龄期(7，14，21和28 d)土壤饱和导水率的研究表明，随着固化土养护龄期的增加，土样的饱和导水率下降明显，当培养期大于14 d 时，土样的饱和导水率近似为0[13]。本文研究结果与上述结果有一定的差异。张丽萍等[17]对添加SSA固化剂在1，4，7和15 d后固化土的渗透系数研究表明，随养护龄期的延长渗透系数减小。建议在实际应用中，养护龄期至少7 d 以上。这一结果与我们的研究比较接近。土壤中加入一定量的EN-1固化剂后，随着养护龄期的延长土壤抗崩解性能提高的原因是随着时间的增加，固化剂与土壤颗粒反应较充分，但这种反应是有时间限制的，并不是养护龄期越长，效果增长的越显著。

注：不同小写字母表示不同养护龄期下处理间差异显著(p<0.05)

图2养护龄期对土壤总崩解量的影响

2.3　压实度对土壤抗崩性的影响

将不同掺入量的EN-1固化剂添加到土壤中，制备不同压实度的固化土土样。以7 d为例，土壤养护7 d 后对其进行抗崩试验，结果如图3所示。由图3可以看出，土壤添加不同比例EN-1固化剂，养护7 d后，固化土进行抗崩试验时，崩解量均随压实度η的增大而减小。在各个EN-1固化剂掺量下，压实度为0.90和0.95时的崩解量与0.85相比，崩解量均差异显著，压实度为0.90和0.95时，崩解量差异未达到显著水平。养护时间在3 d和15 d时也表现出类似的规律。苏涛对添加EN-1固化剂后砒砂岩固化土的抗剪强度进行了研究。研究结果表明抗剪强度随压实度的增大而增大，压实度为0.80和0.85时与压实度为0.90和0.95时处理间有显著差异[18]。我们认为压实度能提高固化土抗崩性能的现象，与压实度增大后，土壤颗粒间的空隙减小，作用面积增加，固化剂与土壤的反应更快更充分，土壤颗粒表面的相互作用力更强有关[19]。由于土粒之间作用力增强，在用水浸泡固化土时，固化土的结构就不易被破坏，固化土的崩解量也就相应减少。

注：不同小写字母表示相同养护龄期下不同压实度处理间差异显著(p<0.05)

图3在各种固化剂掺量下，不同压实度对土壤崩解量的影响

2.4　EN-1固化剂掺入量、养护龄期与压实度对土壤崩解速率的影响

土壤崩解速率反映土体在水中发生分散的能力，决定给径流携带提供松散物质的多少。土壤固化后崩解时间及崩解速率结果见表3。从试验结果来看，在压实度为0.85，养护龄期为3，7和15 d时，素土分别在7，8和8.5 min内就崩解完毕，崩解速率分别为17.14，15和14.12 g/min。随着固化剂掺入量的增加，崩解时间显著延长，崩解速率逐渐减慢。如在养护7 d时，掺入量为0.05%时的崩解速率为3.05 g/min，其崩解速率是掺入量为0.3%时的近3倍。在压实度为0.90和0.95时，但在不同养护龄期不同的EN-1固化剂掺入量对土壤崩解速率变化的影响与此表相似(未完全列出所有测定数据)。

表3　土壤在不同固化剂掺入量和不同养护龄期时的崩解速率

3结 论

(1) 添加EN-1固化剂后，能有效提高土壤的抗崩性。随着EN-1掺入量的增大和养护龄期的延长，EN-1固化土的崩解量较素土有显著的减小。但并不是EN-1掺入量越大，养护龄期越长，固化土的抗崩能力越好，当掺入量超过0.20%，养护龄期超过7 d 时，固化土崩解量减小的不显著。因此，从固化剂的有效利用率和经济的角度考虑，建议固化剂掺入量为0.20%，养护龄期为7 d及以上。

(2) 添加EN-1固化剂后，土壤的崩解量随压实度的增大而减小，压实度为0.90与0.95时，二者崩解量差异不显著，因此，建议使用中压实度控制在0.90及以上。

(3) 固化土的崩解速率随EN-1固化剂掺入量的增加、养护龄期的延长和压实度的增大，其崩解速率均减小。

由于所做试验有限，不同EN-1固化剂掺入量的研究与土壤性质有关。由于河岸带土壤性质空间变化较大，建议选择更多的土壤样本开展研究。

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Effects of EN-1 Stabilizer on Soil Anti-collapse Ability

GUO Yushan1, GENG Yuqing1, ZHANG Yan2, ZHANG Linlin2

(1.CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;

2.Water-Land(Beijing)EnvironmentTechnologyInstitution,Beijing100080,China)

Abstract：[Objective] To measure the effect of EN-1 soil stabilizer on soil anti-collapse ability in order to provide the theoretical basis for immobilizing the bank slope. [Methods] By utilizing indoor disintegration experiments in static water, disintegration amount and disintegration rate were studied under certain conditions which included the proportion of EN-1 soil stabilizer at 0(pure soil), 0.05%, 0.10%, 0.15%, 0.20%, and 0.30%, the compactness at 0.85, 0.90, and 0.95, and the maintaining period during 3 d, 7 d, 15 d, respectively. [Results] Solidified soil disintegration amount decreased significantly compared with pure soil along with the increasing amount of EN-1 stabilizer and maintaining period which were designed in experimental scheme. [Conclusion] With the view of the effective utilization rate and economy, soil-reinforcement is significant when the appropriate proportion of stabilizer was 0.20%, the maintaining period was at least 7 days, and the compactness was no less than 0.90.

Keywords:EN-1 soil stabilizer; soil anti-collapse ability; disintegration experiment; disintegration amount

文献标识码：A

文章编号：1000-288X(2015)03-0214-04

中图分类号：S152.4， S157.9

通信作者：耿玉清(1965—),女(汉族),河北省衡水市人,博士,副教授,主要从事土壤生态及管理方面的研究。 E-mail:gengyuqing@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-05-07修回日期：2014-07-21

资助项目：“十二五”国家科技支撑计划项目“漓江流域水陆交错带生态修复关键技术与示范”(2012 BAC16 B03)

第一作者：郭玉珊(1988—),女(汉族),天津市宝坻区人,硕士生,研究方向为土壤生态。 E-mail:842899109@qq.com。