椰糠-黏土植生基材崩解特性试验1)

蒋必凤 晏超 李淑敏 杜慧慧

(三亚学院,三亚,572000)

工程建设活动形成的大量裸露岩质边坡,不仅影响景观效果,而且严重风化的坡体会导致地质灾害。而岩质边坡不具备植被生长条件,生态修复时需要喷播供修复植被生长的基材(植生基材)。植生基材由基质、土壤、植物种子等组成的混合物,是生态修复技术的核心。椰糠作为椰工业副产品,是将椰子壳打碎抽取其中长纤维后剩余的废料,在农业中有广泛应用。椰糠,不仅能改善土壤的理化性质,而且椰糠中含有一定量的椰纤维,对土体能起到加筋作用。将椰糠、黏土等组成植生基材,利用椰糠和黏土的优点,使基材具有良好的透水、保水、通气、保肥等特性。在边坡刚施工完成但植物还未长成或者生长早期,边坡容易受到降雨冲刷;植物长成后,遇到降雨时,由于雨水渗入,土体也会发生崩解现象,导致边坡灾害。因此,边坡植生基材遇水稳定性是影响边坡失稳和破坏的重要因素[1-2]。

崩解又称作湿化,指土体在静水中发生碎裂解体塌落的现象[3];不仅作为土体可侵蚀性的一项重要评价指标,而且对边坡稳定性有重要影响。关于黄土、紫色土、红黏土、棕壤等不同性质土壤的崩解已有较多研究,包括土体崩解主要影响因素、测试方法、崩解过程特征、崩解机理等方面,但是研究成果主要集中在土体崩解的影响因素方面[4]。影响土体崩解的因素较多,首先最重要的是初始含水率,较多研究成果表明,崩解量和崩解速率均随初始含水率降低而增加[5-12]。土体密度也是影响崩解特性的主要因素,相关研究结果表明,非饱和红黏土崩解率随压实度增大而增大[7];有的研究表明,同一初始密度的重塑黄土,随着干密度的增加崩解速率呈指数函数形式衰减[13];有的研究表明,压实度和含水量的变化可统一用土的有效孔隙比进行表达,建立了有效空隙比与崩解速率的关系[14];有的研究表明,密度和含水率的协同作用,对崩解速率影响显著[15]。土体自身的级配等,也是影响崩解特性的因素,相关研究表明,不同级配的砂岩和泥岩颗粒土料,细颗粒越多则抗崩解性越强[16]。崩解试块形状也会影响崩解特性,有的研究表明,相同体积试样的比表面积越大,崩解速率越快,且试样在水中的位置越深则崩解时间越短[2];棱边越尖锐的凸面直立的原位试样的边界效应越明显[17]。还有一些外界因素,如坡度、冻融循环、植物根系、水温等方面因素。有研究表明,随坡度增加崩解速率先增加后减小[8];冻融作用可将土壤抵抗由内到外发生侵蚀的能力,转化为抵抗由外到内发生侵蚀的能力[10];草类根系能显著提高根土复合体的抗崩解性能[18];根系分布形式是林木根系影响土体崩解的主要因素[19];但水温对土体崩解影响不大[5]。纵观已有研究,主要是对单一土体进行崩解特性研究,对于复合土体研究相对较少。而在黏土中添加椰糠后,改变了土体内部结构,从而对复合土体崩解特性的影响较大,因此,深入研究椰糠-黏土植生基材复合土体崩解性能具有一定的实际意义。为此,本研究以黏土、椰糠为试验材料,以黏土质量为基准,选择占黏土质量0～15%的椰糠、含水率30%～70%,按照正交试验方案设计3组配合比,将黏土、椰糠、水进行充分搅拌混合,装入直径50.46 mm、高50 mm的环刀内制作试块(试验样品);将试块在室内自然环境中分别放置0、1、3、5、7、9 d,利用自制崩解仪进行崩解试验,每隔1 min测定试块在水中的质量(设置最长崩解时间为30 min),计算崩解量(试块崩解的质量占试块初始质量的比例);分析初始含水率、椰糠质量比例、放置时间3个因素对椰糠-黏土植生基材崩解特性的影响。旨在为综合生态修复裸露岩质边坡植被生长的基材(植生基材)提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与主要仪器

本研究试验黏土土样取自海南省三亚市三亚学院校内,取地表以下10～30 cm土层的黏土。椰糠取自三亚三力源椰糠生产基地,是椰子壳经过打碎抽取出较长纤维后,剩余的带有少量短纤维的残渣混合物;用标准土壤筛进行筛分,试验得到椰糠不同颗粒(d)级的质量比例：d≤0.25 mm的占12.37%、0.25 mm10.00 mm的占1.66%。粒径d≥2.00 mm的部分,主要是椰糠中含有的未通过土壤筛孔隙的少量纤维、粗粒块等;纤维在土体中虽然可以起到加筋作用,但考虑到纤维在试块中容易分布不均匀,造成试验误差;而粗粒块同样容易分布不均;所以本研究试验采用直径d≤2.00 mm筛分后的椰糠,能较均匀地和黏土进行混合。

试验主要仪器有烘干箱、天平等土工实验基本仪器和自制崩解仪,根据质量法测定土样崩解(见图1)。崩解试验网板采用1 cm×1 cm方格铁丝网板,静水天平精度为0.01 g。

图1 崩解试验仪器简图

1.2 椰糠-黏土植生基材试验配合比设计

(1)初始配合比设计。本研究试验配合比以黏土质量为准,采用占黏土质量0～20%的椰糠和15%～110%初始含水率2个影响因素进行正交设计,配制大量试块,分析各试块成型状况(见表1),以找到更加适合的崩解试验用配合比。

由表1可见：配制的试块分为干松、湿润、泌水、泥浆、泥水5种状态,当初始含水率≤30%、椰糠质量比例≥10%时,配制的试块基本处于干松状态;当初始含水率≥70%、椰糠质量比例≤5%时,配制的试块几乎为泥水状态。椰糠质量比例、初始含水率2个影响因素对试块的成型影响较大,椰糠具有较强的吸水性能,因此椰糠质量比例增大,试块成型需要的初始含水率则增大;反之,椰糠质量比例小,则需要的初始含水率减小。干松和泥水状态的试块都不便于进行崩解试验,因此,需要对初始108组配合比进行优化调整后确定最终崩解试验用配合比。

表1 初始配合比试块状态

(2)配合比优化及最终试验用配合比的确定。根据不同配比试块的初始成型状态,表1中试块成型状态为湿润、泌水、泥浆状态的配比适合用于崩解试验。根据前期试验可知,当椰糠质量比例超过15%时,虽然可以通过增大初始含水率使试块成型,但成型后的试块由于椰糠质量比例高,试块孔隙率大、表观密度小,崩解时试块会漂浮在水面上。综合考虑,本研究试验配比采用椰糠质量比例介于0～15%之间、初始含水率介于30%～70%之间。试验配合比具体分为3组：第一组,低初始含水率采用30%、35%、40%的3个梯度,椰糠质量比例采用0、3%、5%、7%、10%的5个梯度;第二组,中初始含水率采用50%,椰糠质量比例采用0、3%、5%、7%、10%、13%、15%的7个梯度;第三组,高初始含水率采用60%、70%的2个梯度,椰糠质量比例采用5%、7%、10%、13%、15%的5个梯度。

1.3 试块制作

将室外所取土样和椰糠分别过孔径2 mm土壤筛,放入烘干箱中,以110 ℃温度持续烘干12 h后用于试块制作。根据试验设计的配合比,称取对应质量的烘干后黏土、烘干后椰糠、水进行充分搅拌混合,分3层装入直径为50.46 mm、高度50 mm的环刀内,每层分别进行捣实,保证混合土样能充满整个环刀,尽量减少制作试块时产生不均匀现象导致的试验误差。

1.4 试块崩解试验方法

将制作好的试块,在室内自然环境中分别放置0、1、3、5、7、9 d后进行崩解试验。崩解试验前调整好崩解试验装置,然后将试块脱模,放入网板上,读取试块在水中的初始质量,并开始计时,每隔1 min读取天平读数,直至试块完全崩解,最长崩解时间设置为30 min。为了平衡试块质量差异对崩解量造成的影响,试验采用累计崩解量反映试块的抗崩解能力。

崩解时间t时累计崩解量计算公式：累计崩解量=[(m0-mt)/m0]×100%。mt为t时试块在水中的质量,m0为试块在水中的初始质量。

2 结果与分析

2.1 试验材料不同配合比时植生基材试块成型状态的差异

试验材料配比不同、放置时间不同,植生基材成型状态存在一定差异。根据试验结果可见：

低初始含水率(30%、35%、40%)组中：对于刚制作的试块,当椰糠质量比例为0且初始含水率为30%时,底部有少量水分渗出,但随着初始含水率增加,试块逐渐成泥浆状态,从环刀取出后试块坍塌;随着椰糠质量比例增加,试块底部渗水逐渐减少,只有初始含水率40%且椰糠质量比例为3%时,底部水仍有较多水分渗出,因此不能脱模,其他试块均可以脱模成型。放置1 d后,椰糠质量比例为0时,而初始含水率为35%、40%的试块仍达不到脱模成型状态;直至放置3 d可以脱模进行崩解试验。

中初始含水率(50%)组中：对于刚制作的试块,椰糠质量比例为0、3%时,试块底部渗出大量颜色浑浊的泥水,试块表面水分较多,取出环刀后试块会整体坍塌;椰糠质量比例达到5%的试块底部也有较多水分渗出,相比3%时渗出的水颜色较浅,也不能保持固定形状,因此不能脱模;椰糠质量比例为7%、10%的试块底部有少量水分渗出,试块可以脱模成型;椰糠质量比例为13%、15%的试块脱模成型较好。放置1 d后,试块中水分有了一定蒸发,但由于未脱模,蒸发水分速度较慢,未脱模试块底部仍有水分渗出,达不到脱模条件;直至放置3 d,所有试块才全部可以脱模。

高初始含水率(60%、70%)组中：对于刚制作的试块,椰糠质量比例为5%、7%时,试块中水分仍然较多,从环刀底部渗出大量水,均不能从环刀中脱模成型;当初始含水率为70%时,椰糠质量比例为10%、13%的试块,虽然能脱模,但是底部也有少许水分渗出;其他配比试块脱模后能保持固定形状,从而进行崩解试验。放置1 d后,初始含水率为60%的未脱模试块,底部基本没有水分渗出,但脱模后试块变形较大,所以不能脱模;初始含水率为70%的未脱模试块,底部仍有少量水分渗出,试块不能脱模成型。放置3 d,所有试块均能脱模;但初始含水率为70%,且椰糠质量比例为5%、7%的试块,出现了椰糠和黏土分层明显现象,椰糠聚集在上层,黏土分布在下层,在两者分界处孔隙大、连接较为薄弱。

随着初始含水率的增加,黏土与水将会形成泥浆,包裹住椰糠,作为椰糠颗粒间黏结剂;随着水分蒸发,流动状的黏土逐渐硬化,硬化后形成的结构较为稳定,在水中抗崩解能力加强。当椰糠质量比例过大,黏土不足以包裹椰糠时,空间结构稳定性会降低,导致抗崩解能力下降。黏土、椰糠、水3种材料的配合比,决定了试块空间结构稳定性的大小。

2.2 不同配合比植生基材试块崩解现象

从放置时间看,除部分不成型不能进行崩解试验的试块以外,对于能脱模成型的刚制作的试块以及放置1 d的试块,在水中崩解反应较为剧烈,整体呈现坍塌状态。含有椰糠的试块,放置水中后0～3 min内有大量气泡溢出,椰糠较快地浮出水面,随着椰糠质量比例增大,浮出水面的椰糠越多。椰糠质量比例为0时,只有初始含水率为30%且放置1 d才能进行崩解试验;但试验发现,由于试块含水率比较高,试块没有完全固结,崩解时水面有较多泡沫,水体浑浊。

随着放置时间的增加,由于脱水作用使试块含水率未达到饱和,试块放入水中后因吸水作用会使表面溢出较多气泡。

(1)初始含水率50%及以上的试块,放置3 d及以上时,随着椰糠质量比例的增加试块吸水现象越明显。以50%初始含水率为例,不含椰糠时,试块入水后,由外层逐层脱落,3 min后,水面泡沫较多,水体浑浊;当添加椰糠后,崩解时水面上的椰糠和泡沫较多,水体浑浊,但随着椰糠质量比例的增加,浮出水面的椰糠减少;椰糠质量比例为10%时,试块在水中吸水增加质量,无明显崩解痕迹,试块棱角依旧分明;椰糠质量比例达到13%,放置3 d,试块漂浮在水中而不发生崩解;椰糠质量比例达到15%时,崩解时椰糠浮出水面较多,试块抗崩解能力开始减弱。

(2)低初始含水率组中,当椰糠质量比例为0时,初始含水率越高,试块在水中崩解现象越明显,水面泡沫越多,水体越浑浊。当初始含水率为30%,随着椰糠质量比例的增加,试块吸水现象明显,若椰糠质量比例达到10%,试块放入水中大量椰糠浮出水面,水体浑浊。当初始含水率为35%,椰糠质量比例为5%的试块,吸水最明显,放置时间越长则吸水越多;椰糠质量比例达到7%,则试块放入水中时大量椰糠浮出水面,水体浑浊。当初始含水率为40%时,所有试块吸水较少,试块放入水中后,水面泡沫较多,水体浑浊,椰糠慢慢浮出水面;若椰糠质量比例达到10%,则试块放入水中后大量椰糠立即浮出水面。

2.3 放置时间、椰糠质量比例、初始含水率对试块崩解量的影响

由试块不同崩解时间的崩解量可见,试块在30 min崩解时间内,5、10、20 min的崩解时间能较好地反映出试块的抗崩解特性(见表2)。

2.3.1放置时间相同、椰糠质量比例相同时初始含水率对试块崩解量的影响

以低初始含水率组试块放置5 d为例,当椰糠质量比例为0,初始含水率为30%的试块结构密实,在水中几乎不发生崩解,抗崩解能力最强,随着初始含水率的增加,累计崩解量越大,抗崩解能力越弱;椰糠质量比例增加到3%,抗崩解能力从大到小的试块初始含水率依次为35%、30%、50%、40%;当椰糠质量比例为7%～10%,若初始含水率为40%,则试块不能形成较为紧密结构,在30 min内发生完全崩解,需要达到50%及以上初始含水率才能使试块具有较强的抗崩解能力。

低、中、高初始含水率组均有质量比例为5%的椰糠,因此以椰糠质量比例为5%为例。由图2可见,不管放置几天,初始含水率为40%、70%试块的累计崩解量较大,抗崩解能力最弱。当初始含水率低于40%,放置时间为3、5 d时,初始含水率30%比35%的试块抗崩解能力强,但放置5 d后,情况相反;当初始含水率大于40%,放置3 d以后,则试块抗崩解能力从大到小的初始含水率依次为60%、50%、70%。

表2 放置不同时间的试块在崩解时间5、10、20 min时的累计崩解量

随着椰糠质量比例的增加,搅拌混合基材所需水量则越多,低初始含水率组试块不能形成较为致密结构,抗崩解能力大幅度减弱。以椰糠质量比例10%为例,由图3可见：中、高初始含水率组试块抗崩解能力,明显高于低初始含水率组试块;放置5 d及以下时,抗崩解能力从大到小的初始含水率依次为50%、60%、70%;放置时间大于5 d后,抗崩解能力从大到小的初始含水率依次60%、50%、70%。初始含水率为50%、60%的试块,放置时间小于9 d时,试块在水中一直处于吸水增加质量状态,崩解现象不明显;放置时间达到9 d时,吸水增加质量后逐步发生崩解。

2.3.2放置时间相同、初始含水率相同时椰糠质量比例对试块崩解量的影响

以初始含水率70%为例,由表2和图4可见：当初始含水率较高时,随着椰糠质量比例的增加,试块的最终累计崩解量越小,抗崩解能力越强。当放置时间达到7 d及以上,椰糠质量比例为15%的试块累计崩解量增大,反而低于椰糠质量比例为13%的试块的抗崩解能力。

当初始含水率到50%时,由表2和图5可见：除椰糠质量比例为15%的试块,其他试块均随着椰糠质量比例的增加,抗崩解能力逐渐增强;放置时间达到7 d后,椰糠质量比例为13%、15%的试块,抗崩解能力开始降低,低于椰糠质量比例为10%的试块。

当初始含水率降到40%,由表2可见,椰糠质量比例为10%的试块,大部分在5 min内发生完全崩解,仅有1组在10 min内发生完全崩解。当初始含水率降到35%时,椰糠质量比例为7%的试块,均在20 min内发生完全崩解;椰糠质量比例为10%的试块,在10 min内发生完全崩解。

纵坐标刻度值的负数,是指试块因吸水过多使得mt大于m0,计算时累计崩解量为负数;图例中30%、35%、40%、50%、60%、70%为试块的初始含水率。

纵坐标刻度值的负数,是指试块因吸水过多使得mt大于m0,计算时累计崩解量为负数;图例中30%、35%、40%、50%、60%、70%为试块的初始含水率。

纵坐标刻度值的负数,是指试块因吸水过多使得mt大于m0,计算时累计崩解量为负数;图例中0、3%、5%、7%、10%、13%、15%为试块的椰糠质量比例。

由此可见：椰糠质量比例和初始含水率的协同作用,影响试块的抗崩解能力。只有椰糠和初始含水率达到一个较为合适的比例,才能使得试块结构密实,较好地抵抗水的作用。

2.3.3初始含水率相同、椰糠质量比例相同时放置时间对试块崩解量的影响

试块放置时间影响试块成型和试块即时含水率(水分蒸发后试块中的实际含水率),从而影响试块的抗崩解性能。由表2可见：随着初始含水率的增加,试块越不容易成型,当初始含水率相对较高时,有些试块放置1 d后仍然还未成型。对于放置0、1 d的成型试块,也全部在崩解时间5 min、或10 min、或20 min发生完全崩解,仅有1组配比(初始含水率为35%、椰糠质量比例为3%)的试块完全崩解时间延续到20 min以上,但不超过30 min。由此可见,当放置时间较短,试块中即时含水率仍然较高,试块抗崩解能力还未形成。当放置时间达到3 d,随着试块中含水率逐渐减少,试块抗崩解能力才逐步形成。随着放置时间的增加,试块抗崩解能力逐步增强。

以崩解时间为20 min的累计崩解量为准,由表2可见：除“初始含水率30%+椰糠质量比例为3%”、“初始含水率50%+椰糠质量比例为7%”、“初始含水率60%+椰糠质量比例为7%”3个配比试块外,其余配比试块在放置5～7 d时,累计崩解量最小,抗崩解能力达到最大值;对于“初始含水率30%+椰糠质量比例为3%”的试块,在放置3 d时,累计崩解量最小。对于“初始含水率50%+椰糠质量比例为7%”、“初始含水率60%+椰糠质量比例为7%”的试块,在崩解时间为20 min时,9 d时累计崩解量还未达到最大值,若崩解时间为30 min,试块在7 d时的累计崩解量最小,抗崩解能力最强。

由上可知,试块的抗崩解能力随放置时间的增加而增加,但当试块放置时间过长,抗崩解能力反而降低。

3 结论与建议

岩质边坡生态修复基材,不仅需要保证植物较好生长,同时也需要具备较强的黏结稳定性,特别是降雨时期,由于水的作用更容易导致边坡修复基材的滑落、崩解。椰糠营养物质含量高、质地疏松,与黏土、水搅拌混合后,利用黏土具有的高黏性形成一个较为稳定的并带有较多孔隙的结构,作为一种较好的生态修复基材。

经过初始配合比试验,选择了具有代表性的初始含水率、椰糠质量比例、放置不同时间的试块进行崩解试验,结果表明：

①不同质量比例的椰糠、黏土、水搅拌混合后,形成干松、湿润、泌水、泥浆、泥水5种状态,影响混合物状态的主要因素是椰糠质量比例、初始含水率,椰糠质量比例增大则试块成型需要的初始含水率增大。当初始含水率≤30%且椰糠质量比例≥10%,混合物干松,较难压实成型;而当初始含水率≥70%且椰糠质量比例≤5%时,混合物呈现泥水状态,流动性较大;这两种状态都不太符合工程实际中对喷播植生基材的要求,不建议采用上述范围的初始含水率、椰糠质量比例。若初始含水率小于30%,则基材中椰糠质量比例过小,不适合植物生长;若初始含水率超过70%,则椰糠质量比例过大,基材水稳定性差。因此,建议工程实践中,椰糠植生基材混合物初始含水率一般不超过干黏土的70%,且不能小于30%。

②初始含水率、椰糠质量比例不同,椰糠植生基材试块结构稳定性的形成机理不同。一种是当初始含水率小于50%时,试块具有较好塑性,施加外力进行压实,使试块达到一定的密实度,形成稳定性;另一种是初始含水率达到50%及以上,则混合物中水分相对较多,黏土与水可以形成泥浆,包裹住椰糠,基材混合物具有一定的流动性,依靠材料自身质量以及流动性,则可以形成较高密实度,具有较强的稳定性。在工程实践中,往往采用湿喷的方式,将植生基材与植物种子一同喷播到边坡上,构建植被生长环境;因此,喷播基材初始含水率相对较高,一般利用第二种方式形成边坡基材的稳定性。从试块崩解特性的角度,建议在工程实践中采用50%～60%的初始含水率,椰糠质量比例采用10%～13%,此时崩解性能较好;配置椰糠植生基材时,初始含水率增加则椰糠质量比例也需要增加,但随着椰糠质量比例的增加,孔隙率越来越高,泥浆不足以包裹住所有椰糠,试块密实度则会降低,抗崩解能力变差。

③放置时间也是影响椰糠植生基材试块崩解特性的重要因素,当放置时间小于等于1 d时,崩解反应剧烈,多数试块在5～10 min内发生完全崩解。随着放置时间的增加,水分逐步蒸发,黏土逐渐凝结,试块抗崩解强度逐渐形成,一般放置5～7d 会达到最大值。因此,在工程实践中,刚喷播完的边坡一定要采取防护措施,避免雨水的直接冲刷;1周左右,种子开始发芽,在气候允许条件时,可以逐步去除防护措施。

④配合比不同的椰糠植生基材试块,崩解现象差别较大。椰糠质量比例少的试块,崩解时气泡相对较少;随着椰糠质量比例的增加,崩解时气泡增多。放置时间较短时,崩解反应剧烈,呈现泡腾现象,水体浑浊,泡沫较多,且较多椰糠浮出水面,试块快速崩解。在中、高初始含水率组中,特别是当放置时间达到3 d及以上,随着椰糠质量比例增加,试块崩解吸水现象特别明显,甚至在30 min内一直保持吸水状态。在工程实践中,可以利用椰糠植生基材较好的吸水性能,下雨时能从外界吸收一定的水分,保证植物良好的生长。

⑤在黏土比例不变时,初始含水率、椰糠质量比例、放置时间3个影响因素协同作用,影响试块成型后内部结构,从而影响椰糠植生基材试块的崩解现象、累计崩解量、崩解速率等崩解特性。