羧甲基纤维素钠对宽叶雀稗生长与固土能力的影响

江世雄,李 熙,陈 垚,翁孙贤,王重卿,陈志波,戴梦兰,郭学文

(1.国网福建省电力有限公司电力科学研究院,福建 福州 350007;2.福州大学 紫金地质与矿业学院 岩土与地质工程系,福建 福州 350116;3.福建省智能环境岩土工程闽台科技合作基地,福建 福州 350116)

边坡防护工程中,传统护坡技术以水泥、石灰、粉煤灰等为主要材料[1-3],仅从安全、经济的角度来提高边坡稳定性,不利于生态恢复。近年来,新型绿色建筑材料引起广泛关注,其中应用效果较好的是高分子聚合物[4-5]。羧甲基纤维素钠(CMC)是一种具有羧甲基结构的高分子聚合物,可以团聚散乱的土颗粒,使天然形成的团聚体更加稳定,从而改善土体结构,在工程实践中被广泛应用[6]。众多学者研究发现,在土中加入CMC可以使团聚体含量有所增多,且土体的渗透性明显降低,但是土体的持水能力有所提高[7]。同时,CMC对土体的无侧限抗压强度和抗拉强度有一定的增强效果,并且能够改善土体的团粒结构[8-9]。刑磊等[10]研究发现CMC不仅能增强土颗粒间的黏聚力,减少水土流失量,而且能够达到保水保肥的效果。王永杰等[11]通过一系列实验发现,CMC-K可以显著提高土体含水率、温度,减少养分的淋溶。杨世琦等[12]通过田间定位试验发现,CMC-Na可提高土壤水分,并促进养分吸收利用,从而提高作物产量。宽叶雀稗不仅是一种多用于热带亚热带地区草地改良的优良牧草之一,而且具有生长速度快、根系发达、生命力旺盛、植被覆盖密度大而广、适应性强、有较强的防冲刷力等特点而应用于固土护坡[13]。目前鲜见研究CMC含量对宽叶雀稗生长以及固土能力的影响。本研究在土中加入不同CMC含量,研究其对土的抗剪强度以及宽叶雀稗的生长高度、根系长度和固土能力的影响。

1 材料与方法

1.1 试验材料

(1) 试验土样。试验土样取自于某变电站边坡工程,为粉质黏土,其物理参数如表1所示,土样经过风干、碾碎后过2 mm筛。

表1 试验土样的物理力学参数[14]

(2) 羧甲基纤维素钠。试验所用羧甲基纤维素钠(CMC)为白色粉末状,易溶于水,无毒并且具有较好的吸湿性。

1.2 试样制备与试验方案

CMC的使用方法大致可以分为两种:1)拌入法:将干粉直接掺入土中[8,12-16];2)喷洒法:将干粉配制溶液,而后喷洒在土中进行搅拌[9,17-18]。基于本团队前期的对比研究,拌入法相较于喷洒法能够获得更高的均匀度和更优异的加固效果,因此,本研究选用拌入法制备土样,即将CMC干粉按设计掺量与风干土样混合均匀,而后用喷雾器喷洒至预设的加水量,再次搅拌均匀后密封静置24 h备用。

本文的每组试验都进行了三次重复,并且采用SPSS软件对试验结果进行了显著性分析,分析结果并在图表中进行了标注。

(1)颗分试验:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的土样,密封放置24 h。取土样100 g,让其自然风干,过筛后称重,绘制颗粒级配曲线。

根据规范,当不均系数Cu大于等于5,曲率系数Cc在1至3之间时为级配良好;不同时满足上述两条件为级配不良。

(2)土壤酸碱度测试:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的改良土,自然风干后取风干试样10 g,置于100 ml广口瓶中,加50 ml无二氧化碳纯水(土水比为1∶5)。在振荡器上振荡3 min,静止30 min,取土悬液测pH值,多次测试,取平均值,分析CMC含量对土壤酸碱度的影响。

(3)田间持水率测试:配制不同CMC含量(0%、0.5%、1%、2%、4%、8%)的改良土,分别加入盆栽中,将盆栽浸入水中,保持水面和土壤表面持平。浸盆12 h后,取盆栽中的土测含水率。测完含水率后,将土壤重新放入盆栽中,表面用保鲜膜封住,静置5 d～6 d,再次取出,测试此时土壤的含水率,分析CMC含量对田间持水率的影响。

(4)直剪试验:在轴向压力100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa下进行不同CMC含量下改良土的直剪试验,分析CMC含量对土的抗剪强度的影响。

(5)植物生长试验与拉拔试验:前期采用狗牙根、百喜草、黑麦草和宽叶雀稗4种不同类型的植物开展预研试验,试验结果显示宽叶雀稗长势最好。因此,本文试验选用宽叶雀稗作为试验植物。分别配制不同CMC含量(0%、0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%)的改良土,播种1 g种子,表层覆一层薄土。在播种后的第三天宽叶雀稗开始发芽,每天按时按量浇水,并记录植物生长高度、发芽量、根系生长长度。在宽叶雀稗发芽一个月后,进行拉拔试验,分析宽叶雀稗根系固土能力。

2 结果与分析

2.1 CMC对土壤性质的影响

2.1.1 CMC含量对土壤团聚体的影响

图1为不同CMC含量条件下土的颗粒级配曲线。从图中可看出,随着CMC含量的增加,土中大颗粒的含量有所增加,CMC含量为4%和8%时,大颗粒增加的比较明显。图2为颗粒级配曲线不均匀系数Cu和曲率系数Cc随CMC含量增大的变化规律。其中,Cu越大,表示土越不均匀。从图2中可看出,随着CMC含量的增加,Cu值呈现增长的趋势,说明CMC的掺入增加了土的不均匀程度。

图1 不同CMC含量条件下土的颗粒级配曲线

图2 不均匀系数Cu和曲率系数Cc随CMC含量增大的变化曲线

图2结果中还显示,不同CMC含量土的曲率系数Cc均大于1小于3,表示级配连续,同时不同CMC含量土的Cu<5,表明不同CMC含量的土的级配不良,土颗粒尺寸分布均匀,土中的孔隙较多,有利于透气透水。

2.1.2 CMC含量对土壤酸碱度的影响

酸碱度是影响土壤养分有效性的重要因素之一。当土壤pH值处于中性时,养分的有效性最高。图3为不同CMC含量条件下土壤的pH值。图中不同小写字母表示不同CMC含量间差异显著(P<0.05),下图同。从图中可看出,不添加CMC的土样为酸性土(pH值为4.2),随着CMC含量的增加,土壤pH值逐渐增加,当CMC添加量为8%时,土样的pH值为5.1,由此可见,CMC能中和土样酸性,提升土壤养分有效性。

图3 不同CMC含量土壤的pH值变化

2.2 CMC对植物生长情况的影响

2.2.1 CMC含量对土壤田间持水率的影响

田间持水率是土壤中所能保持悬着水的最大值,也是对作物有效的最高的土壤含水量[18]。图4为不同CMC含量条件下土壤最大含水率、田间持水率和养护盆栽含水率的变化,从图中可看出,最大含水率和田间持水率的变化趋势基本相同。同时,随着CMC含量的增加,最大含水率和田间持水率的差值逐渐减小,可能由于CMC有吸湿性,能够减少土壤中的水分流失。当CMC含量为8%时,两者差值最小,表明土壤中CMC含量越高,土壤保水性越好,从而对植物的生长越好,所以适当添加CMC有益于植物生长。

图4 不同CMC含量土壤的最大含水率和田间持水率

根据规范[18],盆栽种植的含水率为实测田间持水率的60%～70%。本文试验取田间持水率的65%,得到盆栽种植的含水率如图4所示。

2.2.2 CMC含量对植物发芽率的影响

图5为宽叶雀稗的发芽量随着时间的变化情况。从图中可看出,CMC含量为0%、0.25%、0.5%、1%的土样中种植的宽叶雀稗在播种后的第三天开始发芽,而CMC含量为1.5%和2%的土样中种植的宽叶雀稗在第四、五天才开始发芽,说明较高的CMC含量对植物发芽有轻微的抑制作用。开始发芽后的一周内,CMC含量为0%和0.25%的土样中的植物发芽量增长比较快,而CMC含量为0.5%、1%、1.5%、2%的土样中植物发芽量增长比较缓慢。

图5 不同CMC含量条件下植物发芽量随时间变化情况

图6为不同CMC含量条件下宽叶雀稗的发芽率,从图中可看出,CMC含量为0.25%时,宽叶雀稗的发芽率与CMC含量为0%的发芽率相近(仅差4%),而CMC含量增大为0.5%时,发芽率呈现较大幅度下降,并随着含量的增加呈小幅度下降的趋势,说明CMC含量较低(为0.25%)时,宽叶雀稗的发芽情况相对较好。

图6 不同CMC含量对植物发芽率(量)的影响

2.2.3 CMC含量对植物生长长度的影响

在宽叶雀稗开始发芽后,每天测量记录植物生长高度。图7为宽叶雀稗的生长高度随时间的变化情况,从图中可看出,随着种植时间的增加,不同CMC含量下的宽叶雀稗生长高度均不断增加,但在18 d以后都趋于稳定。

图7 不同CMC含量条件下植物生长高度随时间变化情况

图8为不同CMC含量条件下宽叶雀稗的生长高度变化情况,从图中可以看出,宽叶雀稗的生长高度随CMC含量增加而不断减小,CMC含量为0.25%时,其生长高度与CMC含量为0%时的生长高度比较接近,仅相差1.5 cm,CMC含量再增加后其生长高度减小较明显。

图8 不同CMC含量对植物生长高度的影响

2.2.4 CMC含量对植物根系生长长度的影响

在宽叶雀稗开始发芽后,每天测量记录植物根系的生长长度,得到的结果如图9、图10所示。

图9 不同CMC含量条件下植物根系生长长度随时间变化情况

图10 不同CMC含量对植物根系生长长度的影响

图9为宽叶雀稗根系生长长度随时间的变化情况,从图中可看出,CMC含量为0.25%和0.5%时,宽叶雀稗根系生长速度与CMC含量为0%时的根系生长速度相近。在宽叶雀稗发芽的第一周,CMC含量为0%、0.25%、0.5%、1%时,宽叶雀稗根系生长速度明显比CMC含量为1.5%和2%的快。14 d后,根系生长长度均达到稳定。

图10为不同CMC含量条件下宽叶雀稗根系生长长度的变化情况,从图中可看出,CMC含量为0.25%和0.5%时,宽叶雀稗根系生长长度与CMC含量为0%时的根系生长长度仅相差0.5 cm,CMC含量再增加后根系生长长度降低快。

李树化（1901—1991），祖籍广东梅县人，出生于泰国北柳的一个华侨家庭。1919年到法国勤工俭学，1921年入里昂国立音乐院学习钢琴，1925年毕业后回国，在北京“艺专”和北京师范学校艺术科教授钢琴，是老志诚的钢琴老师。1928年，他和同乡兼挚友、画家林风眠一起到杭州，参与组建杭州“国立”艺术院的活动。1930年，艺术院改为杭州艺术专门学校，李树化任教授和音乐系主任。这时他曾教过洪士銈、张权、莫桂新等人。②

2.3 CMC对植物根系固土能力和土的抗剪强度的影响

植物根系的固土能力主要体现在根系的抗拉拔强度,根系的生长发育能提高根-土的粘结作用,从而提高植物根系的拉拔强度[19]。

图11为不同CMC含量对植物拉拔力和发芽率的影响情况,从图中可看出,随着CMC含量的增加,植物发芽率逐渐减小,拉拔力也逐渐随之减小。

图11 不同CMC含量对植物拉拔力和发芽率的影响

为了更好研究拉拔力与发芽率之间关系,将拉拔力和发芽率进行归一化处理。拉拔力与发芽率的比值为平均单根拉拔力的作用效果,CMC含量为0.25%、0.5%、1%、1.5%、2%的拉拔力与发芽率比值与CMC含量为0%的比值相比,得到的结果如图12所示。图12为不同CMC含量条件下,植物拉拔力与植物发芽率的归一化处理结果,从图中可以看出,数值呈现先增长后减小的趋势,可以明显看出CMC含量为0.5%、1.5%、1.5%时,得到的比值结果大于1,说明CMC含量0.5%、1.5%、1.5%时植物抗拉拔能力最好,即根系固土能力最强。

图12 不同CMC含量条件下拉拔力与发芽率的归一化变化情况

表2为在不同法向应力下,不同CMC含量的土体抗剪强度,从表中可看出,在较低法向应力下(100 kPa、200 kPa),CMC对土体抗剪强度的增强效果较为明显,尤其在100 kPa法向应力下,CMC为2%的土体抗剪强度相对于CMC为0%时提高为19.2 kPa,在较高法向应力(300 kPa、400 kPa)下,峰值抗剪强度变化趋势不是很显著。相较于未加入CMC的土样, CMC对土体的抗剪强度有一定的提高效果。

表2 加入不同CMC含量的土体抗剪强度

根据表2的数据进行拟合,拟合曲线的相关系数R2均大于0.9,且接近于1,表示拟合曲线的相关性较高,说明计算得到的抗剪强度参数较准确。

图13为抗剪强度参数随CMC含量的变化趋势,从图中可看出,随着CMC含量的增加,黏聚力呈现增长的趋势,而内摩擦角呈现减小的趋势,分析其原因可能是加入CMC使得颗粒间因胶结而形成大团聚体,引起土颗粒级配发生改变,导致土颗粒体积膨胀、颗粒间接触数及面积减小,进而导致内摩擦角降低。

图13 抗剪强度参数随CMC含量的变化曲线

3 结 语

(1) CMC对土壤不均匀性有一定影响,随着CMC含量的增加,土壤中大颗粒的含量有所增加,CMC含量为4%和8%时,大颗粒增加的比较明显。CMC含量的增加使得颗粒间团聚胶结不断形成大团聚体改变了土壤的颗粒级配,从而体积膨胀减少了颗粒间的相互接触导致内摩擦角降低。

(2) CMC含量为0.25%和0.5%时,宽叶雀稗的发芽率、生长高度和根系长度较好,然后随着CMC含量的增加逐渐减小。

(3) 随着CMC含量的增加,土的抗剪强度有一定的提高,在低法向应力下强度提升更为显著,而内摩擦角出现小幅降低。植物的拉拔力随着CMC含量的增加有所减小,CMC含量越高,植物覆盖率越低。对拉拔力与发芽率的归一化处理发现,CMC含量0.5%、1.0%、1.5%时植物抗拉拔能力最好。

(4) 综合考虑,CMC含量在0.25%～0.5%之间,植物发芽率较高、植物根系生长长度适中、根系固土能力也较强、土体的抗剪强度也有所增强,CMC含量0.5%～1.5%时植物抗拉拔能力较好,所以在进行生态护坡时,CMC含量选择0.5%时最优。