南方高海拔山区新型无机类生态稳定土壤的耐久性能分析

吕 荔 炫

(福州市规划设计研究院， 福建 福州 350000)

福建省北部高海拔山区具有夏季高温、高湿、 辐射，冬季短时冻融频繁(属于短时冻区，冻结时间在数小时至数日)的区域特性。受征地拆迁困难等原因，公路沿线存在大量高陡残积土类裸露边坡(坡度超过1∶0.5)，在上述不利环境下，每年产生大量坡面浅层剥落现象，严重影响公路的运营安全。现场调查发现存在一个特殊现象：即在冬春少雨的季节，仍有大量坡面浅层剥落现象，可见其原因与地区属于典型的短时冻区息息相关。如福建省武夷山高海拔地区S303线，沿线33 km共36处土坡出现了冬季短时冻融剥落现象。对于此类边坡生态治理，存在以下困难或难点：边坡的高陡以及特殊的气候限制了一些传统挂网客土喷播类等防护形式；植被混凝土技术虽然适用于高陡边坡，但存在造价高等问题[1-4]。生态型稳定土技术由于其无污染、造价低、施工简便等优点，是近年来逐渐新兴的边坡绿化技术，日益运用广泛。常见的生态土壤稳定剂类型包括有机类(W-OH、PAM等)、无机类(水泥、石灰等)和离子类(EN-1、ISS等)[5-12]。绿化高陡土质边坡表层，有机类土壤稳定剂或是无法有效渗入坡体，或是不能很好与土体较好粘合；传统无机类土壤稳定剂生态性较差，存在与植被不能很好相容等问题；离子类土壤稳定剂存在选择性较大效果不稳定等问题。同时，以上各类稳定剂大多适用于西北或长江以北等气候，对于存在夏季高温、高湿、高辐射，冬季短时冻融频繁特殊气候的福建闽北高海拔地区是否适宜仍未可知。因此，迫切需要寻求一种适用于本地区气候条件高陡边坡防护的生态型土壤稳定剂。

新型生态土壤稳定剂JCDK-1是一种无机类土壤稳定剂[13]，相比于其他化学类稳定剂，具有以下几个鲜明特点：(1) 可改变土壤团粒结构以提高基质附着力，特别适用于残积砂土类高陡边坡坡面绿化；(2) 与土壤发生化学反应快，固化时间短(通常十几分钟内)，固化形成强度高，施工速度快；(3) 提高土壤保水蓄水能力、调节土壤pH值以及耐久性强等。虽然JCDK-1具有以上特点，但对于存在夏季高温、高湿、高辐射，冬季短时冻融频繁特殊气候的福建闽北高海拔地区的适应性仍不可知。

鉴于此，本文以福建省闽北地区典型残积砂土类边坡为例，通过室内宏细观试验以及现场试验，分析新型无机类生态稳定土壤(JCDK-1稳定土)的性能及耐久性能，为新型无机类生态稳定剂在南方高海拔山区残积砂土类高陡边坡的实践应用提供依据。

1 试验方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验用土

试验用土取自福建省闽北地区省道S303线K366+500处残积砂性土类边坡，基本物理性质如表1、表2所示。

表1 典型残积土颗粒级配

表2 典型残积土基本物理性质

1.1.2 土壤稳定剂

JCDK-1是一种以天然矿物为主原料的绿色环保土壤改良剂，具有保湿保肥、促进生物生长、防止水土流失以及分解土壤中重金属等功能。购自北京中通四维公路桥梁技术咨询有限责任公司，呈灰色粉末状(见图1)，可被土壤微生物分解，不会造成环境负荷。

图1 JCDK-1型土壤稳定剂

1.2 试验方案设计

(1)目X射线粉末衍射(XRD)。采用福州大学测试中心的荷兰PANalytical公司的X/Pert3 PRO型X射线粉末衍射仪，本试验主要用于测试稳定土体中所含有的矿物元素[14]。

(2) 无侧限抗压强度。将JCDK-1土壤稳定剂分别按照干土质量的0.2%、0.3%、0.4%先与干土均匀拌合后，按照含水率17.5%配制土样，再均匀拌合，密封静置12 h后，按照干密度1.56 g/cm3分两层装入尺寸为Φ39.1 mm×120 mm的模具内进行成型，利用定位圆柱体制作成Φ39.1 mm×80 mm的测试试样(见图2)。室内自然养护后，利用WDW-10型微机控电子式制式万能试验测定稳定土体的抗压强度[15]。

图2 试样制作

(3) 紫外线老化。采用两个ULTRA-VITALUX 230V型号紫外线老化灯(功率为 300 W)连续照射[16]的方法进行试验，照射时间分别为1 d、3 d、6 d、9 d、12 d、15 d。照射完毕后对土样进行无侧限抗压强度试验。

(4) 冻融循环。设置1个冻融循环为在-15℃冻12 h，然后在+25℃融化12 h[17]。采用全自动低温冻融试验机，每3个冻融循环测试一次抗压强度，共测试18个循环。为了防止土样含水率变化，采用保鲜膜将土样包裹密实，如图3所示。冻融后对试样进行无侧限抗压强度试验。

图3 冻融循环试样

(5) 干湿循环。设置1个干湿循环为放入水中浸泡1 d，放入烘箱50℃下烘1 d。循环次数分别为1、2、3、4、5、10、15、20。将试样两端分别放置一块透水石，并用保鲜膜包裹试样侧边，使土样从上下端进水而达到饱和现象[18-19](见图4)。到达指定循环次数后，进行无侧限抗压强度试验。

图4 干湿循环试样

(6) 崩解试验。残积土具有泡水软化的特点，进行崩解试验检验稳定土体的水稳定性[20]。参考《土工试验规程》[20](SL 237—1999)，采用简易的湿化装置(见图5)，“1”为量程250 mL的量筒，“2”为10 cm×10 cm的网板，网孔1 cm×1 cm。试验时，试样放置于网板中央，匀速放入水槽中，并立即记下量筒稳定瞬间的刻度，并记录刻度稳定所用时间，试验进行30 min结束，未崩解部分从网板取出后继续浸入水中，观察3 d后试样的变化。测试未养护(试样成型)和室内自然养护3 d稳定土体的水稳定性。

(7) 比表面积。采用福州大学测试中心的美国Micrometric公司的ASAP 2020M[21]，分别测试稳定土样在紫外线老化6 d、15 d，冻融循环6次、18次，干湿循环5次、20次后的比表面积。

(8) 扫描电镜。采用福州大学测试中心的日本Hitachi公司的S-4800型场发射扫描电子显微镜，分别对经过紫外线老化、冻融循环、干湿循环后的稳定土体进行扫描电镜测试[15]。

图5 崩解试验装置

2 试验结果分析

2.1 XRD测试结果

图6为JCDK-1土壤稳定剂和稳定土样的XRD图谱。由图6可见：

(1) JCDK-1稳定剂衍射图谱中SiO2、钙铝氧化物、钙锌铝氧化物等特征衍射峰较明显，表明稳定剂中含有二氧化硅、钙铝氧化物、钙锌铝氧化物等天然矿物质。

图6 JCDK-1稳定剂和稳定土体的X射线粉末衍射图谱

(2) 稳定土样中SiO2的衍射峰很强，且出现钙长石CaAl2Si2O8·4H2O的特征衍射峰，表明土壤内含有石英、长石等矿物；同时含有较明显的高岭石Al2Si2O5(OH)4的衍射峰，是长石和其他硅酸盐矿物蚀变的产物，而且含有硅酸钙Ca2SiO4和铝酸钙Al2CaO4等矿物质是花岗岩的重要成分。由此可知，该土壤主要含有石英、长石、花岗岩等矿物。

(3) 不同掺量的稳定土体和素土样的XRD图谱中特征衍射峰的位置基本一致，没有新的衍射峰出现，说明未产生新的矿物，但不同矿物的衍射峰的峰强稍有区别。

2.2 耐久性试验结果

图7—图9分别为紫外线老化时间、冻融循环次数、干湿循环次数与JCDK-1型生态稳定土样强度的关系。其中，J-0.2%、J-0.3%、J-0.4%分别表示JCDK-1掺量0.2%、0.3%、0.4%时的稳定土样。

图7 紫外线老化时间与稳定土样抗压强度的关系

图8 冻融循环次数与稳定土样抗压强度的关系

图9 干湿循环次数与稳定土样抗压强度的关系

由图7—图9可知：

(1) 相比较于素土，0.2%、0.3%、0.4%掺量下的JCDK-1稳定土样在三种耐久性(紫外线老化15 d、冻融循环18次以及干湿循环20次)试验后，其抗压强度依次为：提高了13.81%、12.47%、11.4%；损失了27.67%、26.08%、29.92%；损失了23.33%、20.74%、18.63%。表明稳定土抗紫外老化、抗冻融循环、抗干湿循环能力良好，且明显优于素土。

(2) JCDK-1型稳定土体的抗压强度随老化时间的增长而增加直至趋于平稳，但随冻融循环和干湿循环次数的增加，呈现先降低后增长再降低直至趋于平稳的趋势。造成以上原因是紫外线灯光照射后土样的水分不断蒸发而导致其抗压强度不断增加；对于冻融和干湿循环，土样的强度变化主要受两个因素控制：稳定土体强度随龄期的增加以及冻融和干湿循环导致土体的损伤，不同时期两者对于强度的贡献不同，因而导致土样的强度随时间/次数的不同不断变化。如在冻融和干湿循环初期，前者因素小于后者因素，因而稳定土强度呈现下降趋势；随着时间/次数增加，前者因素占主导地位，导致稳定土强度呈现上升趋势；当时间/次数不断增加，后者因素再次占主导地位，稳定土强度再次下降直至趋于平稳。紫外老化6 d、冻融循环12次、干湿循环10次后土样强度趋于稳定。

2.3 崩解试验结果

表3为稳定土体的崩解情况。由表3可知：JCDK-1稳定土体的水稳性随着稳定剂掺量的增加而增强，且明显优于素土。如JCDK-1稳定剂掺量为0.2%、0.3%、0.4%时，崩解时长分别增长1.70倍、3.43倍、4.10倍。养护3 d后的稳定土体的崩解速度更快，其崩解时间分别为JCDK-1稳定土体未养护时的89%、67%、86%。原因是自然养护过程中水分散失，造成试样饱和度下降，使其崩解速度加快。

2.4 比表面积测试结果

表4为JCDK-1型稳定剂掺量为0.3%时，三种耐久性试验后稳定土体比表面积的测试结果。

表3 稳定土体崩解试验结果

表4 耐久性试验后各稳定土体比表面积的结果汇总 单位：m2/g

由表4可知：稳定土体的比表面积基本上随着各种耐久性试验的时间/次数增长而增大，且变化量均集中在前期。其中，相较于紫外线老化和冻融循环，干湿循环对稳定土体比表面积影响较大。

2.5 扫描电镜测试结果

图10为JCDK-1型稳定剂掺量为0.3%时，三种耐久性试验后稳定土体的扫描电镜图。

图10 JCDK-1掺量为0.3%时稳定土体的扫描电镜图

由试验结果可知，JCDK-1稳定土体的土颗粒排列非常紧密，密实性好，土颗粒间形成一个整体。紫外线老化和干湿循环对JCDK-1稳定土体的形貌影响很小，而冻融循环后土样的形貌产生了较大变化，呈鳞片状。

2.6 与其他稳定剂稳定土体耐久性试验结果对比

表5为有机类稳定剂PAM、离子类稳定剂EN-1进行同样耐久性试验的结果。

从表5可得，JCDK-1、PAM、EN-1稳定土体紫外线老化后较素土强度分别平均提高了20.33%、38.33%、13%；冻融循环分别平均损失了170%、258.33%、206%；干湿循环分别平均损失了67.67%、108.67%、59%。由此可得，有机物类PAM稳定土体虽然表现出较好的抗干湿循环和崩解能力，但是抗紫外线老化能力较弱；离子类EN-1稳定土体在强度提高方面表现一般，且抗崩解能力最差。综合抗冻融、干湿、老化等耐久性方面考虑，JCDK-1稳定土体效果最好。

表5 PAM、EN-1稳定土体的耐久性试验结果

3 现场试验

现场试验点位于福建省闽北境内省道S303线K366+500处边坡，该处属于高海拔地区(海拔约1 400 m)，具有夏季湿热而冻季冻融频繁的特征(年降雨约2 430.9 mm，夏季极端高温41℃左右，冬季有多达18次以上短时冻融循环，最低温达-8℃)。边坡坡度为1∶0.75，浅层溜坡、水土流失严重(见图11(a))。试验面积约200 m2，材料为草种、肥料、土壤、水、JCDK-1土壤稳定剂等，采用液压喷射法进行现场施工，施工步骤为坡面整平→挂镀锌铁丝网→喷洒第一层种植基层(2 cm～3 cm)→喷洒第二层种植基层(2 cm～3 cm)→喷洒第三层种植基层(3 cm～4 cm)→养护。本次试验为2016年4月施工完成。图11为JCDK-1型稳定剂护坡施工前和施工后对比。

图11 JCDK-1稳定剂护坡现场效果

由图11可见，经历一个湿热季和一个短时冻季后，JCDK-1稳定边坡植被生长旺盛，植被覆盖率很高，且坡底溜土非常少。说明喷播JCDK-1型稳定剂后的边坡保水、保肥效果良好，表现出良好的生态性，可有效防止大雨冲刷造成边坡表层冲沟、溜坡等灾害以及短时冻融循环诱发边坡浅层剥落。

4 结 论

(1) JCDK-1为含有二氧化硅、钙铝氧化物、钙锌铝氧化物等天然矿物质的无机类土壤稳定剂，不含有害矿物质，且稳定土体中没有新的矿物产生。

(2) 不同JCDK-1掺量下稳定土体的抗压强度分别在紫外线老化6 d、冻融循环12次、干湿循环10次后趋于稳定，其中紫外线老化强度增长11%以上，冻融循环强度保留率76%，干湿循环强度保留率75%以上，显示出良好的耐久性性能。

(3) JCDK-1稳定土体的水稳性随着稳定剂掺量的增加而增强，崩解时长增长1.70倍以上，明显优于素土，可有效改善残积土易崩解的缺点。

(4) 稳定土体的比表面积基本上随着各种耐久性试验的时间/次数增长而增大，干湿循环对稳定土体比表面积影响较大。紫外线老化和干湿循环对JCDK-1稳定土体的形貌影响很小，而冻融循环后土样的形貌产生了较大变化，呈鳞片状。

(5) 综合抗冻融、干湿、老化等耐久性方面考虑，JCDK-1稳定剂比EN-1型、PAM型稳定剂固土效果更好。现场试验表明喷播JCDK-1型稳定剂表现出良好的生态性，能有效地满足南方高海拔山区夏季高温、高辐射、高湿度，冬季冻融频繁等气候特点。