黄原胶-黏土复合基材岩坡生态修复试验研究

宋泽卓，刘瑾，梅红，卜凡，陈志昊，祁长青

(河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京，211100)

近年来，随着国民经济的飞速增长，大量的道路工程、桥梁工程、房屋工程、矿山工程等工程建设迅猛发展。在这些工程实施中，伴随着大量的挖山活动，严重破坏了生态平衡，遗留了一大批裸露的岩质边坡。这类裸露的岩质边坡经过风吹日晒后坡面基岩风化严重，岩石破碎，在降雨和外部力量作用下，极易发生坍塌、滑坡等地质灾害，危害人们的生命与财产安全[1]。这类岩质边坡由于坡面风化程度过大，水土流失严重，缺乏植被生长所需要的土壤与养分，植被几乎难以生长，对周围环境造成破坏。为响应国家可持续性发展的号召，生态环境保护体制改革在工程建设中逐渐深入。而传统的岩质边坡防护技术(如水泥抹面、喷混凝土等)往往只注重对边坡本身稳定性的防护，没有同时考虑生态建设的可行性，导致岩质边坡绿化覆盖度低，持续时间短，无法解决目前日益突出的工程防护和生态建设的矛盾[2-3]。因此，有效改善岩质边坡修复中存在的稳定与生态无法兼顾的问题成为当前重要的研究方向。

客土喷播生态防护技术以其适应性强、绿化效果好、施工便捷、工程造价低、后期养护要求低等优点成为岩质边坡生态防护的主要手段，得到了广泛的实践应用。然而现有的客土基材面对一些较陡的岩质边坡和极端气候条件时，其稳定性、抗冲刷能力相对较弱，经常出现客土基材脱落、水土流失等不利状况，降低了客土喷播的绿化效果和边坡加固效果[4]。客土基材作为影响客土喷播技术应用效果的重要因素，众多研究人员针对其性质提升进行了大量的研究[5-7]。水泥作为传统加固材料，以其成本低、效果好作为黏结剂应用于客土基材中，试验结果表明：掺入少量的水泥有利于提升客土基材的黏度、强度、稳定性，但水泥含量过高时会导致客土基材的压实度和pH过高，从而影响植被生长[8]。粉煤灰可以提升客土基材的黏聚力，增强其稳定性，但是粉煤灰的存在会增加客土基材的pH 和Cl、Cu、Zn 污染离子浓度，造成环境污染[9-10]。木质素作为可再生资源之一，成本较低，被应用于客土基材中。木质素通过增加客土基材的黏聚力，提高基材的稳定性和抗冲刷能力，但木质素的使用量较大，不利于生态的可持续发展[11]。

黄原胶又称黄胶、汉生胶，是一种由黄单胞杆菌发酵产生的细胞外酸性杂多糖。黄原胶作为一种性能优越的生物胶，具有增稠、悬浮、乳化、稳定等特点。周天宝等[12]以黄原胶为固化剂，对西北粉土的固化开展室内试验，取得了良好的固化效果，并对其固化机理进行分析。LATIFI 等[13]通过一系列宏观和微观试验方法，探讨了黄原胶在稳定有机泥炭土中的应用。研究发现，黄原胶可以提高泥炭土的强度，改善泥炭土的孔隙空间结构。CHEN等[14]解释了干燥处理对黄原胶处理土壤强度的影响，特别是黄原胶在干燥过程中与砂土之间的作用机理。KWON 等[15]通过比较用水泥和黄原胶处理的当地土壤样本的无侧限抗压强度，验证了生物聚合物应用于当地土壤稳定的可行性。从整体上看，国内外对于黄原胶在土体中的应用，尤其是在客土基材方面的研究较少，缺乏深入、系统的研究。

本文采用黄原胶与黏土形成黄原胶-黏土复合基材，通过室内试验研究其强度、蒸发特性、抗冲刷性以及其对植被发芽生长的影响，并利用扫描电子显微镜对复合基材的微观结构进行分析。研究结果可以为岩质边坡的生态修复提供一定的参考与借鉴。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用土体为粉质黏土，取自南京市浦口区翠云山附近。土体为边坡表层新近沉积土，整体呈黄褐色、灰黄色，硬塑状态，无特殊性气味，土体含少量钙质结核。按照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[16]对其基本物理性质进行测定，测定结果如表1和图1所示。现场对采得土体进行初步敲碎、装袋，随后将土体进行风干、粉碎，并过孔径2 mm筛后使用。

表1 试验土体基本物理性质Table 1 Basic physical properties of test soil

图1 试验土体颗粒粒径分布曲线Fig. 1 Particle size distribution curve of test soil

试验中所用的黄原胶为类白色或淡黄色的粉末状固体物质，具有良好的水溶性、亲水性和稳定性，相对分子质量为2×106～2×107，遇水后可形成无色的黏稠状水溶液，其主要的分子结构如图2所示。

图2 黄原胶的分子结构Fig. 2 Molecular structure of xanthan gum

1.2 试验方法

1.2.1 强度试验

为研究黄原胶含量对黄原胶-黏土复合基材强度的影响，对不同黄原胶含量条件下的复合基材进行三轴剪切试验。黄原胶含量CXG定义如下：

式中：CXG为黄原胶含量(质量分数)，%；mXG为黄原胶质量，g；mS为土体质量，g。

试样采用静力压制法进行制备，按设计比例将土体、黄原胶和水混合后压制为直径×高39.1 mm×80.0 mm 的试样。制备好的试样放入20 ℃恒温恒湿的养护箱中进行养护，养护龄期为14 d。采用南京宁曦仪器有限公司生产的TSZ 全自动三轴仪，根据GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》[16]，进行不固结不排水三轴剪切试验，试验剪切速率为0.8 mm/min，围压设置为100、200 和300 kPa。完成试验后，绘制主应力差与轴向应变的关系曲线，并取曲线上的主应力差分支作为破坏点，绘制不同围压状态下的应力圆包线，以此获得相关强度参数。

1.2.2 蒸发试验

为研究黄原胶含量对黄原胶-黏土复合基材蒸发过程的影响，将过筛后的土体与黄原胶进行混合，黄原胶含量CXG设置为0，0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。混合后的土体被配置为含水率50%的泥浆，并均匀振动5 min 以排出泥浆试样内部的气泡，将泥浆放置于直径20 cm、高6 cm的加盖有机玻璃容器中静置24 h 以均匀含水率。有机玻璃容器底部使用环氧树脂粘贴粒度为0.25 mm的砂纸以模拟原状土体间的界面粗糙度。静置完成后，开盖对不同黄原胶复合基材进行蒸发试验。试验中，试样被放置于恒温(25±2) ℃的养护箱中，每隔120 min 称试样质量，以研究不同黄原胶含量复合基材的蒸发特性。同时，使用固定在养护箱中的拍照设备对试样表面拍照，记录各试样表面裂隙发展情况。蒸发速率Re定义如下：

式中：Re为蒸发速率，%；mt-1和mt分别为相邻两次称量的试样质量，g；t为两次称量的间隔时间，min。

1.2.3 冲刷试验

为研究黄原胶含量对黄原胶-黏土复合基材表层抗冲刷性能的影响，对不同黄原胶含量的复合基材进行冲刷试验。将配置好的土样三等分后依次平铺在长×宽×高为20 cm×15 cm×5 cm 的试样盒中，每次平铺后将土体击实到指定高度，使密度达到1.78 g/cm3。完成养护后的试样被放置在坡度为65°的自制斜坡模型上进行冲刷，试验中冲刷强度为3 L/min，冲刷时间为180 min，每隔30 min收集被冲刷的土体，并烘干、称质量。试样的冲刷率Ep定义如下：

式中：Ep为冲刷率，%；m为被冲刷的土体烘干后的质量，g；M为试样的总干质量，g。

1.2.4 植被生长试验

为研究黄原胶含量对黄原胶-黏土复合基材中植被生长的影响，将过筛后的土体与黄原胶按比例进行混合，黄原胶含量CXG设置为0、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%。在长20 cm、宽6 cm 的长方形有机玻璃容器中加30%的水配置成的泥浆，后期不再进行洒水等操作。根据气候条件，本试验选用的草种为生长周期30 d 左右的黑麦草，将等量种子均匀地撒在土体表面，在试验过程中观察草种的生长情况并记录其生长高度以及植被枯萎时间。

2 试验结果与讨论

2.1 强度试验

图3所示为不同黄原胶含量复合基材在三轴剪切试验中的轴向应力-应变关系曲线。由图3可知，在轴向应变为0～1%的低应变阶段，不含黄原胶试样的轴向应力基本上呈线性增加，试样处于弹性变形阶段。随后试样进入塑性变形阶段，试样的轴向应力保持缓慢的增长。与不含黄原胶试样相比，黄原胶含量为0.5%试样的弹性变形阶段的曲线斜率呈现出更为陡峭的趋势，且弹性阶段的应变为0～3%。随着黄原胶含量的增加，试样弹性阶段曲线斜率不断增加，但增长幅度减缓，说明不同围压下，土体的弹性模量均随黄原胶含量的增加非线性增加；随着试样继续被压缩，轴向应变增加的速率变缓，试样处于塑性变形阶段，最终达到峰值偏应力。对于曲线峰值不明显的试样，选择应变15%时对应的轴向应力为试样的峰值偏应力(即试样发生破坏)。试样在达到屈服强度后基本趋于稳定，这是由于试样克服土体之间的胶结作用而发生结构性破坏，但由于围压作用，试样的偏应力趋于稳定，而没有发生明显下降。

图3 不同黄原胶含量复合基材轴向应力-应变关系曲线Fig. 3 Axial stress-strain curves of composite substrate with different xanthan gum content

为深入分析黄原胶含量对复合基材强度特性的影响，对不同围压下试样的峰值偏应力随黄原胶含量的变化关系进行分析，结果如图4所示。在不同围压作用下，当CXG从0 逐渐增大到2.0%时，试样的峰值偏应力不断提高。但随黄原胶含量的增加，峰值偏应力增加的幅度不断降低。当黄原胶含量由0 增大到0.5%时，试样的峰值偏应力提升了81.65%。而当黄原胶含量由0.5%增大到1.0%以及由1.0%增大到1.5%时，试样的峰值偏应力均仅提升了5%左右。当黄原胶含量由1.5%增大到2.0%时，试样的峰值偏应力出现小幅度的降低，这表明少量的黄原胶对增强试样的峰值偏应力具有显著的效果，但黄原胶含量的增加对峰值偏应力提升效果则较为微弱。

图4 复合基材峰值偏应力与黄原胶含量的关系Fig. 4 Relationship between peak deviatoric stress and xanthan gum content of composite substrate

图5所示为复合基材抗剪强度参数与黄原胶含量的关系。由图5可知，试样的黏聚力随着黄原胶含量的增加稳步提升，且在刚掺入黄原胶的阶段，提升效果最为明显。而后随黄原胶含量的增加，土体颗粒间溶液形成的胶质过多，使得土颗粒间距离增加，试样黏聚力提升效果下降。随黄原胶含量的增加，试样的内摩擦角呈现出逐渐增强的趋势，这是由于黄原胶溶液在土体颗粒间充分反应，形成了利于提高试样强度的坚硬胶质，增强了试样的结构稳定性。

图5 复合基材抗剪强度参数与黄原胶含量的关系Fig. 5 Relationship between shear strength parameters of composite substrate and xanthan gum content

2.2 蒸发试验

图6所示为不同黄原胶含量复合基材的蒸发速率与含水率变化曲线。按照蒸发速率将试样的蒸发过程分为常速率阶段、减速率阶段和残余阶段3个阶段[17-18]。由图6 可知，随着黄原胶含量的增加，各试样在各阶段的变化存在着一定差异。1) 在常速率阶段，各试样的蒸发速率和持续时间基本相同。随着黄原胶含量从0 增至2.0%，试样平均蒸发速率从0.48 g/min 下降至0.38 g/min。2) 在减速率阶段，各试样减速率阶段的开始时间基本相同。随着黄原胶含量从0 增至2.0%，减速率阶段持续时间从1 680 min增加至3 600 min。3) 在残余阶段，各试样的平均蒸发率基本为0 g/min，表明试样已经干燥脱水完毕。而随着黄原胶含量从0增至2.0%，试样减速率阶段持续时间从1 920 min下降至0 min，当不含黄原胶的试样的平均蒸发率降至0 g/min 时，其余试样仍有一定的蒸发速率，这表明黄原胶提升了试样的保水性。

图6 不同黄原胶含量复合基材蒸发曲线Fig. 6 Evaporation curve of composite substrate with different xanthan gum contents

图7所示为不含黄原胶试样随蒸发时间变化的裂隙发育情况。由图7可知，试样表面出现裂隙的时间约为40 h，此时试样仍处于常速率蒸发阶段，土体含水率相对较高。随着蒸发时间的逐渐增加，已有的细小的裂隙开始发育并开始向外延展，同时也开始发育新的裂隙。当蒸发时间为52 h 时，试样裂隙基本发育完全且形态不再变化，而试样含水率仍然不断降低，当蒸发时间达76 h 时，试样的含水率基本不再变化，试样表面最终发育的裂隙贯穿整个试样表面。

图7 不含黄原胶试样的裂隙发育情况Fig. 7 Crack development of samples without xanthan gum

图8 所示为0.5%黄原胶试样随蒸发时间变化的裂隙发育情况。由图8可知，在蒸发时间为40 h时，0.5%黄原胶试样仅出现少量裂隙，试样处于常速率蒸发阶段，土体含水率相对较高。与不含黄原胶试样不同的是，随着干燥时间的增加，已有的细小的裂隙开始向外延展但并没有继续产生新的裂隙。当蒸发时间为52 h 时，试样裂隙基本发育完全且形态不再变化，而试样含水率仍然不断降低，当蒸发时间达76 h 时，试样的含水率基本不再变化，试样表面最终发育的裂隙没有贯穿试样表面，其发育裂隙主要集中在试样的边界，试样未开裂部分主要表现为向试验盒中心缩聚，且裂隙条数明显较素土试样的裂隙条数少，但0.5%黄原胶试样裂隙的宽度明显较不含黄原胶试样裂隙的宽度大。

图8 0.5%黄原胶试样的裂隙发育情况Fig. 8 Crack development of samples with 0.5% xanthan gum content

图9所示为不同黄原胶含量试样在蒸发试验后的裂隙发育对比。由图9 可知，黄原胶含量高于0.5%的试样在蒸发试验中基本不发育裂隙，表现为试样整体随着开裂试验的进行呈圆饼状与边界分离并向试样中心缩聚。随着黄原胶含量的增加，试样整体的收缩程度变大。这是由于在蒸发过程中，孔隙水在土体颗粒之间由于毛细作用形成弯液面，且其表面存在表面张力，随含水率的降低，土体中逐渐产生较强的张拉应力，土体颗粒相互靠拢，宏观上表现为土体收缩变形。当在收缩变形的过程中产生的张拉应力大于土体的抗拉强度时，土体产生裂隙。随着黄原胶含量的增加，土体颗粒与黄原胶分子形成的离子键作用力使得土体的抗拉强度明显高于因失水产生的张拉应力，土体本身不再发育裂隙，宏观上表现为克服土体底部与砂纸间的摩擦力，试样整体向中心缩聚，且黄原胶含量越高，离子键作用就越强，使得土体收缩越明显。

图9 不同黄原胶含量试样蒸发试验后裂隙发育情况Fig. 9 Crack development of samples with different xanthan gum content after evaporation test

2.3 冲刷试验

不同黄原胶含量试样的冲刷率的变化曲线如图10所示。由图10可知，不含黄原胶试样与其余试样的冲刷率随冲刷时间变化具有很大的差异性。随着雨水的冲刷，不含黄原胶试样表面在雨水的淋滤和冲蚀作用下含水率不断增加，土体颗粒间自由水不断增加，颗粒间联结能力大大降低，宏观上表现为试样的冲刷率随冲刷时间的增加整体呈线性增加。土体中掺入黄原胶后，黄原胶分子中的阴离子与土体颗粒表面富含的阳离子形成的离子键作用大大增强了土体颗粒间的联结能力。当黄原胶含量为0.5%时，试样的冲刷率明显降低。随着黄原胶含量的继续增加，不同冲刷时间下的冲刷率均不断下降。当黄原胶含量由0.5%增至2.0%时，土体抗冲刷性能的改善程度明显低于黄原胶含量由0 增至0.5%时的改善程度。对比各试样最终冲刷率可知，在经历180 min 的降雨冲刷后，不含黄原胶试样的最终冲刷率为49.56%；0.5%黄原胶试样的最终冲刷率仅为7.20%，试样的冲刷率明显降低。当黄原胶含量为1.0%时，试样的最终冲刷率为5.07%。当黄原胶含量由0.5%增至1.0%时，冲刷率降低了1.13%，低于黄原胶含量由0 增至0.5%时冲刷率的降低程度，表明黄原胶的存在使得试样冲刷率降低十分明显。

图10 复合基材冲刷率随时间变化曲线Fig. 10 Variation curve of scouring rate of composite substrate with time

图11 所示为不同黄原胶含量试样的冲刷破坏形态。由图11 可知，不含黄原胶试样在经历180 min 的模拟强降雨冲刷后，试样表面有明显的冲蚀破坏痕迹，冲沟明显，而其余试样整体结构仍较为完整，冲蚀程度较低，没有明显发育冲沟，仅有部分水流冲击留下的细微水坑，且随着黄原胶含量的增加，水坑明显缩小，这表明黄原胶的掺入可以明显改善土体的抗冲刷性能。

图11 不同黄原胶含量复合基材冲刷破坏形态Fig. 11 Erosion failure mode of composite substrate with different xanthan gum contents

2.4 植被生长试验

在完成试样的准备后，对试样进行为期30 d的植被培养，每天记录各试样中种子发芽数量和植被生长情况。观察植被生长情况可知，在含2.0%黄原胶的土体中，种子在培养30 d 后仍未发芽。在不含黄原胶的土体中，种子在11 d 时开始发芽，在含0.5%、1.0%和1.5%黄原胶的土体中，种子在8 d 时发芽。在试验15 d、20 d 和30 d 时含0、0.5%、1.0%和1.5%黄原胶土体培养的种子的生长状态如图12所示。由图12可知，在生长试验15 d 时，4 种土体中种子的发芽生长状态有所区别，发芽生长状态由优至差依次为1.0%黄原胶土体、0.5%黄原胶土体、1.5%黄原胶土体样、不含黄原胶土体样，说明随着黄原胶含量的增加，植被的稠度存在先增大后减小的规律。在生长试验20 d、30 d时，植被的生长状态随黄原胶含量的变化趋势与15 d 时的基本相同，在1.0%黄原胶土体中，植被生长状态最佳。

图12 不同黄原胶含量试样中植被生长情况Fig. 12 Vegetation growth of samples with different xanthan gum contents

植被生长经历初期生长阶段、中期拔高阶段以及稳定阶段3个阶段。初期生长阶段，植被出芽后慢慢生长但整体速率较小；试验15 d 时，试样高度变化明显，高度增长的速度增快；生长试验25 d 后，试样的植被增长速率均趋于稳定。图13所示为试验结束时发芽试样的状态。由图13可知，不含黄原胶试样的植株出现一定程度的倒伏，植被叶片宽度也较窄。造成这一现象的主要原因可能是不含黄原胶试样的保水性较差，当达到稳定阶段的中后期时，没有充足的水分满足植被生长的需要。植被的生长需要一定的碳氮比，黄原胶作为一种骨架与纤维素基本相同的多糖类物质，在植被生长过程中可以作为碳源，给植物的生长提供养分，促进植被的生长。黄原胶提升了土体的保水性，以及提供少量养分等原因使得种子的发芽时间提前，植被生长的更加茂盛，植株强壮，叶片宽厚。当黄原胶含量过大时，土体的整体结构紧密，缺少一定的空间以保证种子的发芽以及植被的生长。

图13 试验30 d发芽试样的生长情况Fig. 13 Growth of germinated samples grow for 30 d

2.5 复合基材微观机构分析

为研究黄原胶-黏土复合基材的微观机构，采用捷克泰思肯公司制造的TESCAN MIRA3 扫描电子显微镜对不同黄原胶含量的复合基材进行微观观察。图14(a)所示为不含黄原胶试样在不同倍率下SEM照片。由图14(a)可知，不含黄原胶试样的微观结构整体出现较多孔隙，颗粒间无明显胶结。土体颗粒较为分明，表面存在一些裂痕和孔隙，且裂痕自下而上出现贯通，无明显的胶结物，整体结构不够紧密。

图14 不同黄原胶含量复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

黄原胶对黏土的改良作用可以归纳为包裹、连结和填充。黄原胶遇水后会形成大量的凝胶状物质，这些凝胶状物质一部分会在黏土颗粒表面形成一层网状薄膜，将黏土颗粒进行包裹。另一部分会进入黏土颗粒之间的孔隙，填充颗粒之间的孔隙。两部分的凝胶状物质共同作用将相邻的黏土颗粒连结为一个整体，提升复合基材的整体性。图14(b)所示为2.0%黄原胶试样在不同倍率下SEM 照片。由图14(b)可知，相较于不含黄原胶试样，2.0%黄原胶试样中可以发现土颗粒表面覆盖大量的黄原胶形成的网状薄膜，黏土颗粒之间的孔隙也被黄原胶形成的凝胶状物质填充。网状薄膜与填充在孔隙中的凝胶状物质共同作用能够有效提升复合基材的力学性能和抗冲刷、抗开裂能力。同时，网状薄膜的存在也使得一部分的水分可以储存在网状薄膜中，延缓土体的蒸发过程，为植被的生长提供充足的水分。除此之外，凝胶状物质具有较好的延展性。颗粒间的孔隙之间存在一些拉丝状的连结，这些连结有效提升了土体的黏结程度及结构稳定性，使得复合基材的整体结构更加紧密。

3 结论

1) 黄原胶可以有效改善复合基材的强度特性。随着黄原胶含量的增加，复合基材的峰值偏应力不断增加。复合基材的黏聚力随着黄原胶含量的增加得到一定程度的提升，总体呈现先增大后趋向于稳定的趋势。随着黄原胶含量的增加，复合基材的内摩擦角不断地增加。

2) 黄原胶可以有效改善复合基材的蒸发特性和抗冲刷特性。随黄原胶含量的增加，土体的平均蒸发速率明显降低，蒸发曲线中的减速率阶段逐渐延长，残余阶段逐渐消失。黄原胶在一定程度上增强了土体的保水性，使得土体在蒸发过程中，开裂现象得到明显改善。随着黄原胶含量的增加，土体的冲刷率不断地降低，在黄原胶含量由0增至0.5%时，冲刷率降低程度最为明显。

3) 黄原胶可以促进植被的生长。黄原胶增强了土体的保水性，以及提供少量养分等原因使得种子的发芽时间提前，植被生长更加茂盛，植株强壮，叶片宽厚。当黄原胶含量过大时，土体的整体结构紧密，缺少一定的空间以保证种子的发芽以及植被的生长。

4) 黄原胶可以在复合基材内部的形成大量的薄膜，填充土颗粒表面以及土颗粒之间的孔隙和裂缝，将土颗粒链接为一个整体，有效提升了土体的黏结程度及结构稳定性，使得复合基材的整体结构更加紧密。