纤维含量对植被混凝土抗崩解性能的影响研究

蒋必凤，凌 毅，王浩屹，梁安铭

(1.三亚学院，海南 三亚 572022；2.海南阳光鑫海发展有限公司，海南 三亚 572000)

在铁路、隧道、公路、水利、电力、采矿等基础工程建设中常常伴随着大量的边坡开挖，从而形成大量裸露的山体坡面，不仅会使景观不协调，还会导致水土流失，甚至产生山体滑坡和泥石流等自然灾害，威胁人类安全[1-2]。如采用锚喷支护、框格梁、浆砌片石等方式，虽能保持边坡的稳定，但是这些护坡方式的生态环境效益较差。目前常采用的边坡生态防护技术有植被混凝土生态防护技术、厚层基材植被护坡技术、三维植被固土护坡技术等，这些集边坡防护与生态治理保护于一体的生态修复技术越来越受到青睐。

植被混凝土技术是一种应用较广的生态护坡技术，是农学、力学、水文地理学、风景园林学、生态工程学等许多学科相互融会贯通的结合，以低成本、高收益为核心，对裸露岩土进行修复，营造一种可持续发展的生态平衡系统，从而达到保持水土、美观绿化的作用。相关学者对植被混凝土进行了研究，张博等[3]研究了不同水泥掺量对植被混凝土基材崩解的影响；许文年等[4]研究了植被混凝土无侧限抗压强度的试验方法和过程，并研究了水泥掺入比和龄期对无侧限抗压强度的影响；李灿等[5-7]研究了地形和降雨因素对植被混凝土边坡侵蚀量的影响并进行了不同冲刷模型对边坡的冲刷对比研究；杨奇等[8]选取不同水泥含量的植被混凝土进行了抗雨水冲刷试验研究。植被混凝土护坡前期，植被还没有完全长成且根系不发达，如果能在植被混凝土中添加纤维代替植被根系抵抗雨水冲刷，将提高植被混凝土的护坡效果。

1 植被混凝土崩解机理

崩解试验又叫湿化试验，是指试样在静水中发生分解、碎裂、塌落或者强度减小的现象[3]。崩解试验是研究土壤侵蚀的方法之一，经常采用崩解量、崩解速率等指标来衡量土体的抗崩解性能。

植被混凝土是水泥与土壤之间发生反应后产生的一种新化合物，这种物质不同于单纯土体的性质，土壤在植被混凝土中起骨架作用，水泥起胶凝作用。植被混凝土的崩解机理与土壤崩解机理基本一样[4]。

土壤的崩解过程具有明显的阶段性，分为三个阶段。在第一阶段浸湿过程中，试样中有较多气泡溢出，依附在试样表面及较大孔隙表面的一部分土壤颗粒以单粒状形式开始崩离母体；第二阶段是试样的软化阶段，崩解主要发生在微孔隙中，土壤颗粒在气泡的推动下或膨胀力的作用下崩裂而脱离母体，此时在浸水面上仍伴有崩离现象发生；第三阶段试样浸水面已完全被水充满，被充分浸润软化，试样开始出现一些呈黏塑状态的块体并以塌落的形式与母体发生解离[3,9]。

2 试样制备与试验方法

2.1 试验材料

本崩解试验所用土壤来自野外采集的海南常见的红黏土，用直径2 mm筛进行筛分后用鼓风干燥机连续烘干24 h；试验用水采用一般的自来水；水泥采用42.5R普通硅酸盐水泥；试验用纤维采用海南椰壳纤维，属椰工业加工的副产品，纤维自然风干后进行试验。

2.2 试验仪器

目前，国内有很多学者在崩解方面做了相关的研究，在试验仪器制作方面也各有不同，但大多数崩解仪器都是在蒋定生设计的土壤崩解仪的基础上进行的改进。本试验也参照蒋定生崩解试验仪器，采用JY5001型电子静水天平，自制孔大小为1 cm×1 cm的方格网进行崩解试验。仪器如图1所示。

图1 崩解试验仪器

2.3 试样制作

本崩解试验采用100 cm3的环刀进行试样制作，环刀直径为50.46 mm，高度为50 mm。首先称取160 g干土、6.4 g水泥，椰纤维含量设计为0(不添加)和分别为干土质量的1‰(0.16 g)、2‰(0.32 g)、3‰(0.48 g)、5‰(0.80 g)、7‰(1.12 g)共6种水平，然后加水32 g，将所有材料分别进行混合，将椰纤维均匀地分散在水泥土中，利用环刀制作成100 cm3的试样，每一配合比设计3个平行试样，进行崩解试验。

2.4 试验方法

参照土工试验规范相关要求进行崩解试验，试验步骤具体如下：①按照试验设计要求制作好试样，放在铝盒中；②调整好天平仪器，悬挂好方格网，并在桶中加入水，每组试验用水量保持相同；③将制作好的试样马上放置在方格网中央，保持方格网水平，立即记录试样在水中的天平读数，即崩解时间为0时刻的读数，并开始记录崩解时间；④以分钟为单位，记录崩解0、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30 min时天平的读数，并观察试样在水中的崩解情况；⑤试验结束后，整理试验结果，计算土体在每一个读数时刻的累计崩解百分比和崩解速率，计算公式为

(1)

(2)

上二式中：Bt为试样在t时刻的累计崩解百分比，%；Dt为试样崩解时静水天平在t时刻显示的实时读数，g；D0为试样在放入水中时静水天平显示的初始度数，g；Dt-1为试样崩解时静水天平在t时刻的前一时刻显示的读数，g；Vt为t时刻崩解速率，即试样在单位时间内崩解的体积，cm3/min；s为t时刻与前一时刻的间隔时间，min。

3 试验现象及试验结果分析

3.1 试验现象

当试样放入清水中，试样周围开始产生浑浊，有一定量的气泡冒出，试样表面松散的土体开始脱落。之后水开始慢慢通过表面孔隙渗透到试样内部，在水的作用下，土体开始发生崩解，刚开始的崩解速率相对较慢，然后慢慢开始加快，在崩解过程中，会出现突然崩落一大块的现象。当试样表面土体崩落后，试样中的纤维露出，纤维的张拉缠绕对试样的崩解具有较强的抑制作用。随着时间延长，水泥凝结硬化，试样的崩解量几乎保持在一个水平不变。

3.2 结果分析

3.2.1 纤维含量对试样崩解速率的影响

根据试验结果，绘制不同纤维含量试样的崩解速率曲线(图2)。由图2可知，纤维含量为0和7‰的试样崩解速率曲线较为相似，均在8 min和20 min时出现峰值，20 min以后崩解速率降低。纤维含量为0的试样，由于没有纤维的作用，30 min后仍然在发生崩解，直至最终试样全部崩解；而纤维含量为7‰的试样，由于纤维的作用，30 min时崩解速率降低为0。

图2 不同纤维含量的试样崩解速率

纤维含量为1‰、2‰和3‰的试样崩解速率曲线较为相似，在7～15 min之间出现崩解速率的峰值，之后逐渐降低，30 min后崩解速率已经非常低，其中纤维含量为3‰的试样在30 min时崩解速率降低为0。

纤维含量为5‰的试样崩解速率在7 min左右出现最高峰值，之后虽然在9 min和15 min又出现小峰值，但从整体上看，试样的崩解速率呈下降趋势，25 min时试样崩解速率降低为0。

3.2.2 纤维含量对试样累计崩解百分比的影响

根据试验数据，不同纤维含量试样的最终累计崩解百分比见表1，不同纤维含量的试样随时间变化的崩解累计百分比见图3。

表1 不同纤维含量试样的最终累计崩解百分比

图3 不同纤维含量试样的累计崩解百分比

根据表1可知，随着纤维含量的增加，试样的最终累计崩解百分比呈现先降低后增加的趋势。当不添加纤维时，在30 min内试样发生了全部崩解，而添加少量的纤维便能提高试样的抗崩解能力。当纤维含量为1‰时，试样的最终累计崩解百分比降低到65.85%；当纤维含量为3‰时，试样的最终累计崩解百分比降到最低，只有54.38%，减少了近一半的崩解量；当纤维含量为5‰时，最终累计崩解百分比较纤维含量为3‰时有一定量的增加，但增加不多；当纤维含量为7‰时，最终累计崩解百分比增加较多，达到了87.97%。

根据图3可知，不添加纤维的试样一开始崩解量较小，比添加纤维的试样崩解量低，但20 min之后，由于没有纤维的缠绕作用，崩解量增加较多，并一直持续上升，直至全部崩解。而添加纤维的试样，在含水率相同时，因为纤维会吸收一定的水分，且添加纤维后试样的密实度降低，所以前期的崩解量较不添加纤维的试样增多，但是当试样在水中慢慢吸水饱和后，纤维的交织作用及水泥的凝结硬化作用使试样的崩解速度慢慢降低，累计崩解百分比保持在一定水平不变，最终其崩解量低于不含纤维的混凝土试样。

4 结 论

(1)椰纤维的添加对植被混凝土的崩解具有较为明显的影响，当添加一定量的椰纤维时，纤维在混凝土体中交织形成网状，抵抗水对试样的冲蚀，提高了土体的稳定性，对试样的崩解有显著的抑制作用。根据试验可知，少量的纤维含量便能显著提高混凝土的抗崩解性能，随着纤维含量增加，植被混凝土抗崩解能力先增加后降低，但抗崩解能力均高于不添加椰纤维的混凝土。

(2)添加椰纤维的植被混凝土试样刚置于水中时，试样崩解速率相对较低，随着水慢慢渗入试样内部，崩解速率逐渐提高，一般会在7 min及以后出现崩解速率的峰值，最后崩解速率趋近于0。

在植被混凝土中添加椰纤维，提高了植被混凝土的强度和保水性能、植生性能、抗冲蚀性能，将其用于护坡工程时，在植被没有成型且根系较弱的前期，椰纤维可以代替植物根系增强坡面土体的稳定性，减轻雨水对坡面的冲蚀，减少水土流失，同时兼具保温保湿的功能。随着时间的推移，椰纤维在土体中慢慢腐烂，还能为植被的生长提供养分。该材料对环境没有污染，是可应用于植被混凝土中的一种良好添加剂。