改性水泥土力学性能及植生性能试验

陈建国，周靖靖，顾业莲，杜念，张春玲，杜佳兴，韩伟栋

（1.广西壮族自治区水利科学研究院，广西水工程材料与结构重点实验室，广西 南宁 530023；2.郑州大学 水利科学与工程学院，河南 郑州 450001；3.河海大学 力学与材料学院，江苏 南京 211106）

0 引言

在水利水电、交通运输等基础工程的施工中，经常伴有大量的土石方开挖，这些工程不仅对原有的生态系统造成了破坏，同时也形成了很多人造陡边坡，在土质较差或岩质、混凝土这种硬质陡边坡中，植物没有适合的生长基质，仅仅依靠自然力量很难对边坡形成大面积的有效植被防护，若不对其作出处理，很有可能会引发泥石流、滑坡等自然地质灾害，给人民群众的生命和财产安全带来极大威胁[1-8]。

目前，国内推广较为广泛的植被护坡应用技术主要分为2个方向：一种是植被混凝土护坡绿化技术[9]，该技术通过种植植物，利用植物与岩土体的相互作用（根系锚固作用）对边坡表层进行防护、加固，使之既能满足对边坡表层稳定的要求，又能恢复被破坏的自然植被，植被混凝土的主要成分是普通硅酸盐水泥、壤土、有机质、肥料、草种、改性剂等；另一种则是厚层基材护坡绿化技术[10]，该技术使用专用喷射机将拌和均匀的基材混合物按要求厚度喷射到坡面的护坡，达到稳定岩土边坡、美化生态环境的效果，基材混合物主要是由植生基材、草种及相关土壤外加剂组成。2种技术最大的差异在于植生基材配方的不同，从植生基材原材料的角度来看，混凝土护坡绿化技术采用水泥为胶凝材料，土壤填充在混凝土孔隙中，植物根系不能与泥土直接接触；而厚层基材护坡绿化技术，植物可以直接与植生基材接触，有利于植物的生长。本文主要从植被混凝土护坡绿化技术的方向对植生水泥土应用技术展开研究。

1 试验

1.1 原材料

（1）低碱度硫铝酸盐水泥（L-SAC）：水泥作为一种胶凝材料，在水泥土中主要有2种作用，第1种是使土壤间的分散颗粒相互胶结，增加其整体性；第2种是填充土壤颗粒间存在的缝隙，增强水泥土的密实度。此外，水泥水化生成的水泥石在水泥土中还可以起到类似骨架结构的功能。

（2）天然土壤：土壤是水泥土及植生水泥土的主体，一般由氧化硅、氧化铝和各种有机物混合组成，在干燥后会具有一定的强度，其强度主要来源于土壤颗粒间的黏结力。

（3）植物种子：分别挑选了高羊茅、紫花苜蓿、马尼拉、宽叶雀稗、多花木兰、狗牙根、百喜草、碱茅草等8种植物作为试验的种植植物。

（4）植生板：在长方形无盖塑料框中成型尺寸为850 mm×550 mm×50 mm的水泥土作为种植载体既种植板。

（5）生态改良剂：主要成分为泥炭土、羧甲基纤维素、琼脂粉、吲哚乙酸及有益微生物菌群等，能有效改善基材理化性质、调节基材生物特性、固持基材养分水平，是植生水泥土护坡工程中常用的一种改性剂。

（6）CHF土壤固化剂：主要是由强氧化剂、离子型高分子活化剂、分散剂、固化催化剂等组成的复合制剂，具有增强土壤强度、改变土壤膨胀吸水、增强土壤水稳性等作用。

（7）一水柠檬酸：白色结晶状颗粒。

（8）硼酸：呈白色粉末状结晶体，与一水柠檬酸类似，也常被用于盐碱土壤的土质改善。

1.2 试验方案

（1）探究不同L-SAC掺入比例对水泥土抗压强度、粘聚力、抗冲刷性能的影响规律，为后期确定植生水泥土中L-SAC的掺入比例提供依据。将水泥土的含水率设置为30%，具体试验配合比设计如表1所示。

表1 水泥土设计配合比

在L-SAC掺入比例为0和8%的水泥土植生板上种植所选植物，对植物的适应状况和生长状态进行观察与记录，优选出适宜在L-SAC掺入比例为8%的水泥土中生长的植物种类。试验共设置了2种生境下的植生试验，分别为未掺LSAC的天然土壤生境与L-SAC掺量为8%植生水泥土生境，含水率均为60%。

（2）探究不同改性剂对植生水泥土生境的影响。改性剂选用润智生态改良剂、一水柠檬酸、CHF土壤固化剂、硼酸，将4种不同的物质作为改性剂加入L-SAC掺入比例为8%的植生水泥土中，分别测试其物理力学性能和植生性能，探究4种物质对植生水泥土的改性作用。试验中润智生态改良剂、CHF土壤固化剂的掺入比例均参照工程中的实际配比用量，物理力学性能试验时含水率为30%，种植试验时含水率为60%，具体试验配比见表2。

表2 不同改性剂改性试验设计配合比

1.3 测试方法

（1）将称量好的土壤和水泥倒入水泥砂浆搅拌机中干搅至均匀，搅拌时间须在10～20 min；搅拌均匀后分3次倒入预先涂抹过矿物油的模具中，直到试块成型后再用刮刀将试块表面刮平；将成型好的试块放置在（20±5）℃环境中并覆盖一层薄膜，试件静置48 h后即可拆模，然后放入标准养护室进行养护，养护温度为（20±2）℃、相对湿度为95%以上。养护完成后，分别进行抗压强度、粘聚力、抗冲刷性能测试。

重复上述试验步骤，分别制作掺入比例为0和8%L-SAC的植生板，在成型好的植生板中以6 cm为间距划分正方形网格，并在网格中心预留种植孔，这样不仅可以有效避免植物间的生长竞争，也有利于后期对植物长势观测数据的统计，如图1所示。挑选植物种子并进行播种，种子放置在种植板预留的种植孔中，再在表面覆盖1层2 cm厚的营养土，随后浇水湿润。此后，每天补充1次水分，每周补充1次养分。

（2）在改性水泥土中分别掺入润智生态改良剂、一水柠檬酸、CHF土壤固化剂、硼酸4种改性剂，重复上述实验，观察植物生长情况。

2 试验结果与分析

2.1 改性水泥土的物理性能及植物生长情况

改性水泥土的物理性能如图2～图4所示。

由图2可知，随着L-SAC掺入比例的增加，水泥土抗压强度相应增长，但其增长规律与L-SAC掺入比例存在明显的割裂现象。当L-SAC掺加比例低于18%时，水泥土抗压强度的增幅较小，且在增长过程中存在一定的波动性，考虑可能是L-SAC的掺量较少，L-SAC的水化产物不能将土壤颗粒间的缝隙完全填满，此时，水泥土抗压强度的主要来源仍是土壤颗粒间的粘结力，因此，L-SAC水泥土抗压强度和L-SAC掺入比例关联性较弱。

由图3可知，与抗压强度类似，水泥土粘聚力增长规律与L-SAC掺入比例也存在明显的割裂现象，当L-SAC掺入比例在18%以下时，水泥土粘聚力的提升幅度较小，波动性大，推测发生该现象的原因与抗压强度一致，均是由于L-SAC水化产物对土壤孔隙的填充度较低所致。

由图4可知，在土壤中加入L-SAC能明显降低土壤的冲刷系数，提高其抗冲刷性能，随着龄期的延长，水泥土冲刷系数随之减小，并在14 d龄期后基本达到稳定状态，推测可能是L-SAC水化产物的胶结力将水泥土表面之间松散的土壤颗粒胶结成了一个整体，L-SAC掺入比例越高，该胶结力和表面被胶结的土壤颗粒越多，继而使水泥土的抗冲刷性能提升越大。

改性水泥土的植物生长情况如图5所示。

由图5可知，所选8种植物除了百喜草和碱茅草较为特殊，在所有生境下均未生长以外，其他6种植物都能发芽生长，部分植物如紫花苜蓿等在水泥土生境下生长状况甚至优于其在天然土壤下的长势，由此可见，采用8%L-SAC掺入比例配制的水泥土具有较好的植生性能，可以用来配制L-SAC植生水泥土。通过比较6种存活植物在2种生境下的长势，综合考虑植生水泥土在植物发芽和生长阶段的作用，高羊茅、紫花苜蓿、马尼拉、宽叶雀稗、多花木兰、狗牙根都对植生水泥土有良好的适应性，都能作为由8%L-SAC掺入比例配制的植生水泥土中的先锋植物使用。

2.2 掺入不同改性剂后植生水泥土的物理性能及植物生长情况

掺入不同改性剂后植生水泥土的物理性能如图6～图8所示。

由图6可知，润智生态改良剂、CHF土壤固化剂、硼酸均能大幅提高植生水泥土的早期抗压强度，并在第14 d龄期时达到峰值，14d龄期后会出现严重的强度倒缩现象，最终第28 d龄期抗压强度仅小幅度提升，L-SAC植生水泥土28 d抗压强度提升幅度为：硼酸＞CHF土壤固化剂＞润智生态改良剂。一水柠檬酸会使植生水泥土抗压强度小幅下降，其28 d抗压强度约为标准值的0.73倍，在28d龄期内强度基本保持稳定。

由图7可知，在L-SAC植生水泥土中掺加润智生态改良剂会使植生水泥土的7 d粘聚力下降至标准值的0.45倍，但随着龄期的延长，其粘聚力也会逐渐上升，最终在第28 d时，其粘聚力与标准值基本持平，因此可以判定润智生态改良剂会影响L-SAC植生水泥土早期的粘聚力，但不会改变其终值。在L-SAC植生水泥土中掺加CHF土壤固化剂能够明显提高植生水泥土的早期粘聚力，且随着龄期的延长，粘聚力基本保持稳定。掺加一水柠檬酸，在0～14 d龄期内，植生水泥土的粘聚力有所提升，但在14d龄期后，粘聚力开始下降，最终在第28 d时其粘聚力与标准值降为同等水平。硼酸对14 d内植生水泥土粘聚力的提升作用较为明显，其第14d龄期粘聚力最高可达48.11 kPa，但在14 d龄期后会产生倒缩，并在第28d龄期时，其粘聚力最终低于标准值。

润智生态改良剂、CHF土壤固化剂、一水柠檬酸均会使植生水泥土的内摩擦角下降，且随着龄期的延长，内摩擦角将持续下降，远低于标准值53.4°，即随着水泥土荷载变化，其剪切应力的变化幅度小于标准值。随着硼酸的加入，植生水泥土14 d内的摩擦角先会出现一定程度的下降，随着龄期的延长至28d，其内摩擦角会出现逐渐上升的趋势。

由图8可知，润智生态改良剂能显著提升植生水泥土14d后的抗冲刷性能，并在28 d时L-SAC植生水泥土抗冲刷性能达到峰值，由此可见，即使润智生态改良剂呈酸性，会与LSAC水化产物发生中和反应，但其反应产物仍有一定的胶结性，并加强了L-SAC植生水泥土试块表面的土壤颗粒固定，从而使其抗冲刷性能得到了增强。在L-SAC植生水泥土中掺加CHF土壤固化剂对其抗冲刷性能提升效果一般，这表明了即使CHF土壤固化剂呈酸性，在消耗了部分L-SAC水化产物后仍能对L-SAC植生水泥土抗冲刷性能进行一定的提升。随着一水柠檬酸的掺入，植生水泥土7 d龄期的抗冲刷性能会有所上升，但随着龄期的延长，植生水泥土的冲刷系数明显增大，其抗冲刷性能将大幅度降低。在4种改性剂中只有硼酸能够使植生水泥土的抗冲刷性能从早期就能得到大幅度提升，极大地提升了植生水泥土的抗冲刷性能。

从种植试验结果可知，掺入润智生态改良剂的L-SAC植生水泥土对去壳狗牙根、高羊茅、紫花苜蓿3种植物在均存在轻微的生长抑制作用，对马尼拉、宽叶雀稗、多花木兰、带壳狗牙根4种植物则有着严重的生长抑制作用。掺入CHF土壤固化剂的L-SAC植生水泥土，只有去壳狗牙根能够在该生境下良好生长，其他6种植物在该生境中的生长均会受到严重抑制。掺入一水柠檬酸的L-SAC植生水泥土，对带壳狗牙根的生长有一定的促进作用，对高羊茅、紫花苜蓿、去壳狗牙根的生长则有轻微的抑制作用，对马尼拉、宽叶雀稗、多花木兰的生长则有着严重的生长抑制作用。掺入硼酸的L-SAC植生水泥土生境中，所有植物均无法生长。

此次生境改善种植试验中，百喜草和碱茅草2种植物的种子在掺入各添加剂后仍然没有发芽，因此，无法推断润智生态改良剂、一水柠檬酸、CHF土壤固化剂对这2种植物的实际影响状况。

3 结论

（1）随着L-SAC掺入比例的增加，L-SAC水泥土的抗压强度、粘聚力、抗冲刷性能均会得到不同幅度的提升。

（2）部分植物如紫花苜蓿、马尼拉、带壳狗牙根在由8%L-SAC掺入比例所配制的植生水泥土中的长势优于天然土壤生境，而高羊茅、宽叶雀稗2种植物在2种环境下的长势也基本持平。由此可见，8%L-SAC掺入比例所配制的植生水泥土具有良好的植生性能，对耐碱植物也有较好的适应性，可以用于陡边坡防护用植生水泥土应用技术中植物生长环境的营造，即植生复合结构中的植生基质层。

（3）在植生水泥土中添加试验用量下的硼酸后，8种植物均无法生长；润智生态改良剂能够提高植生水泥土的抗压强度、抗冲刷性能，会使粘聚力和内摩擦角下降；一水柠檬酸会使其抗压强度、粘聚力、抗冲刷性能均有不同程度的减弱；CHF土壤固化剂可使植生水泥土抗压强度、粘聚力有所提升，与此同时，会使其内摩擦角下降。