椰糠-黏土植生基材崩解特性試驗1)

蔣必鳳 晏超 李淑敏 杜慧慧

(三亞學院,三亞,572000)

工程建設活動形成的大量裸露巖質邊坡,不僅影響景觀效果,而且嚴重風化的坡體會導致地質災害。而巖質邊坡不具備植被生長條件,生態修復時需要噴播供修復植被生長的基材(植生基材)。植生基材由基質、土壤、植物種子等組成的混合物,是生態修復技術的核心。椰糠作為椰工業副產品,是將椰子殼打碎抽取其中長纖維后剩余的廢料,在農業中有廣泛應用。椰糠,不僅能改善土壤的理化性質,而且椰糠中含有一定量的椰纖維,對土體能起到加筋作用。將椰糠、黏土等組成植生基材,利用椰糠和黏土的優點,使基材具有良好的透水、保水、通氣、保肥等特性。在邊坡剛施工完成但植物還未長成或者生長早期,邊坡容易受到降雨沖刷;植物長成后,遇到降雨時,由于雨水滲入,土體也會發生崩解現象,導致邊坡災害。因此,邊坡植生基材遇水穩定性是影響邊坡失穩和破壞的重要因素[1-2]。

崩解又稱作濕化,指土體在靜水中發生碎裂解體塌落的現象[3];不僅作為土體可侵蝕性的一項重要評價指標,而且對邊坡穩定性有重要影響。關于黃土、紫色土、紅黏土、棕壤等不同性質土壤的崩解已有較多研究,包括土體崩解主要影響因素、測試方法、崩解過程特征、崩解機理等方面,但是研究成果主要集中在土體崩解的影響因素方面[4]。影響土體崩解的因素較多,首先最重要的是初始含水率,較多研究成果表明,崩解量和崩解速率均隨初始含水率降低而增加[5-12]。土體密度也是影響崩解特性的主要因素,相關研究結果表明,非飽和紅黏土崩解率隨壓實度增大而增大[7];有的研究表明,同一初始密度的重塑黃土,隨著干密度的增加崩解速率呈指數函數形式衰減[13];有的研究表明,壓實度和含水量的變化可統一用土的有效孔隙比進行表達,建立了有效空隙比與崩解速率的關系[14];有的研究表明,密度和含水率的協同作用,對崩解速率影響顯著[15]。土體自身的級配等,也是影響崩解特性的因素,相關研究表明,不同級配的砂巖和泥巖顆粒土料,細顆粒越多則抗崩解性越強[16]。崩解試塊形狀也會影響崩解特性,有的研究表明,相同體積試樣的比表面積越大,崩解速率越快,且試樣在水中的位置越深則崩解時間越短[2];棱邊越尖銳的凸面直立的原位試樣的邊界效應越明顯[17]。還有一些外界因素,如坡度、凍融循環、植物根系、水溫等方面因素。有研究表明,隨坡度增加崩解速率先增加后減小[8];凍融作用可將土壤抵抗由內到外發生侵蝕的能力,轉化為抵抗由外到內發生侵蝕的能力[10];草類根系能顯著提高根土復合體的抗崩解性能[18];根系分布形式是林木根系影響土體崩解的主要因素[19];但水溫對土體崩解影響不大[5]?？v觀已有研究,主要是對單一土體進行崩解特性研究,對于復合土體研究相對較少。而在黏土中添加椰糠后,改變了土體內部結構,從而對復合土體崩解特性的影響較大,因此,深入研究椰糠-黏土植生基材復合土體崩解性能具有一定的實際意義。為此,本研究以黏土、椰糠為試驗材料,以黏土質量為基準,選擇占黏土質量0～15%的椰糠、含水率30%～70%,按照正交試驗方案設計3組配合比,將黏土、椰糠、水進行充分攪拌混合,裝入直徑50.46 mm、高50 mm的環刀內制作試塊(試驗樣品);將試塊在室內自然環境中分別放置0、1、3、5、7、9 d,利用自制崩解儀進行崩解試驗,每隔1 min測定試塊在水中的質量(設置最長崩解時間為30 min),計算崩解量(試塊崩解的質量占試塊初始質量的比例);分析初始含水率、椰糠質量比例、放置時間3個因素對椰糠-黏土植生基材崩解特性的影響。旨在為綜合生態修復裸露巖質邊坡植被生長的基材(植生基材)提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與主要儀器

本研究試驗黏土土樣取自海南省三亞市三亞學院校內,取地表以下10～30 cm土層的黏土。椰糠取自三亞三力源椰糠生產基地,是椰子殼經過打碎抽取出較長纖維后,剩余的帶有少量短纖維的殘渣混合物;用標準土壤篩進行篩分,試驗得到椰糠不同顆粒(d)級的質量比例：d≤0.25 mm的占12.37%、0.25 mm10.00 mm的占1.66%。粒徑d≥2.00 mm的部分,主要是椰糠中含有的未通過土壤篩孔隙的少量纖維、粗粒塊等;纖維在土體中雖然可以起到加筋作用,但考慮到纖維在試塊中容易分布不均勻,造成試驗誤差;而粗粒塊同樣容易分布不均;所以本研究試驗采用直徑d≤2.00 mm篩分后的椰糠,能較均勻地和黏土進行混合。

試驗主要儀器有烘干箱、天平等土工實驗基本儀器和自制崩解儀,根據質量法測定土樣崩解(見圖1)。崩解試驗網板采用1 cm×1 cm方格鐵絲網板,靜水天平精度為0.01 g。

圖1 崩解試驗儀器簡圖

1.2 椰糠-黏土植生基材試驗配合比設計

(1)初始配合比設計。本研究試驗配合比以黏土質量為準,采用占黏土質量0～20%的椰糠和15%～110%初始含水率2個影響因素進行正交設計,配制大量試塊,分析各試塊成型狀況(見表1),以找到更加適合的崩解試驗用配合比。

由表1可見：配制的試塊分為干松、濕潤、泌水、泥漿、泥水5種狀態,當初始含水率≤30%、椰糠質量比例≥10%時,配制的試塊基本處于干松狀態;當初始含水率≥70%、椰糠質量比例≤5%時,配制的試塊幾乎為泥水狀態。椰糠質量比例、初始含水率2個影響因素對試塊的成型影響較大,椰糠具有較強的吸水性能,因此椰糠質量比例增大,試塊成型需要的初始含水率則增大;反之,椰糠質量比例小,則需要的初始含水率減小。干松和泥水狀態的試塊都不便于進行崩解試驗,因此,需要對初始108組配合比進行優化調整后確定最終崩解試驗用配合比。

表1 初始配合比試塊狀態

(2)配合比優化及最終試驗用配合比的確定。根據不同配比試塊的初始成型狀態,表1中試塊成型狀態為濕潤、泌水、泥漿狀態的配比適合用于崩解試驗。根據前期試驗可知,當椰糠質量比例超過15%時,雖然可以通過增大初始含水率使試塊成型,但成型后的試塊由于椰糠質量比例高,試塊孔隙率大、表觀密度小,崩解時試塊會漂浮在水面上。綜合考慮,本研究試驗配比采用椰糠質量比例介于0～15%之間、初始含水率介于30%～70%之間。試驗配合比具體分為3組：第一組,低初始含水率采用30%、35%、40%的3個梯度,椰糠質量比例采用0、3%、5%、7%、10%的5個梯度;第二組,中初始含水率采用50%,椰糠質量比例采用0、3%、5%、7%、10%、13%、15%的7個梯度;第三組,高初始含水率采用60%、70%的2個梯度,椰糠質量比例采用5%、7%、10%、13%、15%的5個梯度。

1.3 試塊制作

將室外所取土樣和椰糠分別過孔徑2 mm土壤篩,放入烘干箱中,以110 ℃溫度持續烘干12 h后用于試塊制作。根據試驗設計的配合比,稱取對應質量的烘干后黏土、烘干后椰糠、水進行充分攪拌混合,分3層裝入直徑為50.46 mm、高度50 mm的環刀內,每層分別進行搗實,保證混合土樣能充滿整個環刀,盡量減少制作試塊時產生不均勻現象導致的試驗誤差。

1.4 試塊崩解試驗方法

將制作好的試塊,在室內自然環境中分別放置0、1、3、5、7、9 d后進行崩解試驗。崩解試驗前調整好崩解試驗裝置,然后將試塊脫模,放入網板上,讀取試塊在水中的初始質量,并開始計時,每隔1 min讀取天平讀數,直至試塊完全崩解,最長崩解時間設置為30 min。為了平衡試塊質量差異對崩解量造成的影響,試驗采用累計崩解量反映試塊的抗崩解能力。

崩解時間t時累計崩解量計算公式：累計崩解量=[(m0-mt)/m0]×100%。mt為t時試塊在水中的質量,m0為試塊在水中的初始質量。

2 結果與分析

2.1 試驗材料不同配合比時植生基材試塊成型狀態的差異

試驗材料配比不同、放置時間不同,植生基材成型狀態存在一定差異。根據試驗結果可見：

低初始含水率(30%、35%、40%)組中：對于剛制作的試塊,當椰糠質量比例為0且初始含水率為30%時,底部有少量水分滲出,但隨著初始含水率增加,試塊逐漸成泥漿狀態,從環刀取出后試塊坍塌;隨著椰糠質量比例增加,試塊底部滲水逐漸減少,只有初始含水率40%且椰糠質量比例為3%時,底部水仍有較多水分滲出,因此不能脫模,其他試塊均可以脫模成型。放置1 d后,椰糠質量比例為0時,而初始含水率為35%、40%的試塊仍達不到脫模成型狀態;直至放置3 d可以脫模進行崩解試驗。

中初始含水率(50%)組中：對于剛制作的試塊,椰糠質量比例為0、3%時,試塊底部滲出大量顏色渾濁的泥水,試塊表面水分較多,取出環刀后試塊會整體坍塌;椰糠質量比例達到5%的試塊底部也有較多水分滲出,相比3%時滲出的水顏色較淺,也不能保持固定形狀,因此不能脫模;椰糠質量比例為7%、10%的試塊底部有少量水分滲出,試塊可以脫模成型;椰糠質量比例為13%、15%的試塊脫模成型較好。放置1 d后,試塊中水分有了一定蒸發,但由于未脫模,蒸發水分速度較慢,未脫模試塊底部仍有水分滲出,達不到脫模條件;直至放置3 d,所有試塊才全部可以脫模。

高初始含水率(60%、70%)組中：對于剛制作的試塊,椰糠質量比例為5%、7%時,試塊中水分仍然較多,從環刀底部滲出大量水,均不能從環刀中脫模成型;當初始含水率為70%時,椰糠質量比例為10%、13%的試塊,雖然能脫模,但是底部也有少許水分滲出;其他配比試塊脫模后能保持固定形狀,從而進行崩解試驗。放置1 d后,初始含水率為60%的未脫模試塊,底部基本沒有水分滲出,但脫模后試塊變形較大,所以不能脫模;初始含水率為70%的未脫模試塊,底部仍有少量水分滲出,試塊不能脫模成型。放置3 d,所有試塊均能脫模;但初始含水率為70%,且椰糠質量比例為5%、7%的試塊,出現了椰糠和黏土分層明顯現象,椰糠聚集在上層,黏土分布在下層,在兩者分界處孔隙大、連接較為薄弱。

隨著初始含水率的增加,黏土與水將會形成泥漿,包裹住椰糠,作為椰糠顆粒間黏結劑;隨著水分蒸發,流動狀的黏土逐漸硬化,硬化后形成的結構較為穩定,在水中抗崩解能力加強。當椰糠質量比例過大,黏土不足以包裹椰糠時,空間結構穩定性會降低,導致抗崩解能力下降。黏土、椰糠、水3種材料的配合比,決定了試塊空間結構穩定性的大小。

2.2 不同配合比植生基材試塊崩解現象

從放置時間看,除部分不成型不能進行崩解試驗的試塊以外,對于能脫模成型的剛制作的試塊以及放置1 d的試塊,在水中崩解反應較為劇烈,整體呈現坍塌狀態。含有椰糠的試塊,放置水中后0～3 min內有大量氣泡溢出,椰糠較快地浮出水面,隨著椰糠質量比例增大,浮出水面的椰糠越多。椰糠質量比例為0時,只有初始含水率為30%且放置1 d才能進行崩解試驗;但試驗發現,由于試塊含水率比較高,試塊沒有完全固結,崩解時水面有較多泡沫,水體渾濁。

隨著放置時間的增加,由于脫水作用使試塊含水率未達到飽和,試塊放入水中后因吸水作用會使表面溢出較多氣泡。

(1)初始含水率50%及以上的試塊,放置3 d及以上時,隨著椰糠質量比例的增加試塊吸水現象越明顯。以50%初始含水率為例,不含椰糠時,試塊入水后,由外層逐層脫落,3 min后,水面泡沫較多,水體渾濁;當添加椰糠后,崩解時水面上的椰糠和泡沫較多,水體渾濁,但隨著椰糠質量比例的增加,浮出水面的椰糠減少;椰糠質量比例為10%時,試塊在水中吸水增加質量,無明顯崩解痕跡,試塊棱角依舊分明;椰糠質量比例達到13%,放置3 d,試塊漂浮在水中而不發生崩解;椰糠質量比例達到15%時,崩解時椰糠浮出水面較多,試塊抗崩解能力開始減弱。

(2)低初始含水率組中,當椰糠質量比例為0時,初始含水率越高,試塊在水中崩解現象越明顯,水面泡沫越多,水體越渾濁。當初始含水率為30%,隨著椰糠質量比例的增加,試塊吸水現象明顯,若椰糠質量比例達到10%,試塊放入水中大量椰糠浮出水面,水體渾濁。當初始含水率為35%,椰糠質量比例為5%的試塊,吸水最明顯,放置時間越長則吸水越多;椰糠質量比例達到7%,則試塊放入水中時大量椰糠浮出水面,水體渾濁。當初始含水率為40%時,所有試塊吸水較少,試塊放入水中后,水面泡沫較多,水體渾濁,椰糠慢慢浮出水面;若椰糠質量比例達到10%,則試塊放入水中后大量椰糠立即浮出水面。

2.3 放置時間、椰糠質量比例、初始含水率對試塊崩解量的影響

由試塊不同崩解時間的崩解量可見,試塊在30 min崩解時間內,5、10、20 min的崩解時間能較好地反映出試塊的抗崩解特性(見表2)。

2.3.1放置時間相同、椰糠質量比例相同時初始含水率對試塊崩解量的影響

以低初始含水率組試塊放置5 d為例,當椰糠質量比例為0,初始含水率為30%的試塊結構密實,在水中幾乎不發生崩解,抗崩解能力最強,隨著初始含水率的增加,累計崩解量越大,抗崩解能力越弱;椰糠質量比例增加到3%,抗崩解能力從大到小的試塊初始含水率依次為35%、30%、50%、40%;當椰糠質量比例為7%～10%,若初始含水率為40%,則試塊不能形成較為緊密結構,在30 min內發生完全崩解,需要達到50%及以上初始含水率才能使試塊具有較強的抗崩解能力。

低、中、高初始含水率組均有質量比例為5%的椰糠,因此以椰糠質量比例為5%為例。由圖2可見,不管放置幾天,初始含水率為40%、70%試塊的累計崩解量較大,抗崩解能力最弱。當初始含水率低于40%,放置時間為3、5 d時,初始含水率30%比35%的試塊抗崩解能力強,但放置5 d后,情況相反;當初始含水率大于40%,放置3 d以后,則試塊抗崩解能力從大到小的初始含水率依次為60%、50%、70%。

表2 放置不同時間的試塊在崩解時間5、10、20 min時的累計崩解量

隨著椰糠質量比例的增加,攪拌混合基材所需水量則越多,低初始含水率組試塊不能形成較為致密結構,抗崩解能力大幅度減弱。以椰糠質量比例10%為例,由圖3可見：中、高初始含水率組試塊抗崩解能力,明顯高于低初始含水率組試塊;放置5 d及以下時,抗崩解能力從大到小的初始含水率依次為50%、60%、70%;放置時間大于5 d后,抗崩解能力從大到小的初始含水率依次60%、50%、70%。初始含水率為50%、60%的試塊,放置時間小于9 d時,試塊在水中一直處于吸水增加質量狀態,崩解現象不明顯;放置時間達到9 d時,吸水增加質量后逐步發生崩解。

2.3.2放置時間相同、初始含水率相同時椰糠質量比例對試塊崩解量的影響

以初始含水率70%為例,由表2和圖4可見：當初始含水率較高時,隨著椰糠質量比例的增加,試塊的最終累計崩解量越小,抗崩解能力越強。當放置時間達到7 d及以上,椰糠質量比例為15%的試塊累計崩解量增大,反而低于椰糠質量比例為13%的試塊的抗崩解能力。

當初始含水率到50%時,由表2和圖5可見：除椰糠質量比例為15%的試塊,其他試塊均隨著椰糠質量比例的增加,抗崩解能力逐漸增強;放置時間達到7 d后,椰糠質量比例為13%、15%的試塊,抗崩解能力開始降低,低于椰糠質量比例為10%的試塊。

當初始含水率降到40%,由表2可見,椰糠質量比例為10%的試塊,大部分在5 min內發生完全崩解,僅有1組在10 min內發生完全崩解。當初始含水率降到35%時,椰糠質量比例為7%的試塊,均在20 min內發生完全崩解;椰糠質量比例為10%的試塊,在10 min內發生完全崩解。

縱坐標刻度值的負數,是指試塊因吸水過多使得mt大于m0,計算時累計崩解量為負數;圖例中30%、35%、40%、50%、60%、70%為試塊的初始含水率。

縱坐標刻度值的負數,是指試塊因吸水過多使得mt大于m0,計算時累計崩解量為負數;圖例中30%、35%、40%、50%、60%、70%為試塊的初始含水率。

縱坐標刻度值的負數,是指試塊因吸水過多使得mt大于m0,計算時累計崩解量為負數;圖例中0、3%、5%、7%、10%、13%、15%為試塊的椰糠質量比例。

由此可見：椰糠質量比例和初始含水率的協同作用,影響試塊的抗崩解能力。只有椰糠和初始含水率達到一個較為合適的比例,才能使得試塊結構密實,較好地抵抗水的作用。

2.3.3初始含水率相同、椰糠質量比例相同時放置時間對試塊崩解量的影響

試塊放置時間影響試塊成型和試塊即時含水率(水分蒸發后試塊中的實際含水率),從而影響試塊的抗崩解性能。由表2可見：隨著初始含水率的增加,試塊越不容易成型,當初始含水率相對較高時,有些試塊放置1 d后仍然還未成型。對于放置0、1 d的成型試塊,也全部在崩解時間5 min、或10 min、或20 min發生完全崩解,僅有1組配比(初始含水率為35%、椰糠質量比例為3%)的試塊完全崩解時間延續到20 min以上,但不超過30 min。由此可見,當放置時間較短,試塊中即時含水率仍然較高,試塊抗崩解能力還未形成。當放置時間達到3 d,隨著試塊中含水率逐漸減少,試塊抗崩解能力才逐步形成。隨著放置時間的增加,試塊抗崩解能力逐步增強。

以崩解時間為20 min的累計崩解量為準,由表2可見：除“初始含水率30%+椰糠質量比例為3%”、“初始含水率50%+椰糠質量比例為7%”、“初始含水率60%+椰糠質量比例為7%”3個配比試塊外,其余配比試塊在放置5～7 d時,累計崩解量最小,抗崩解能力達到最大值;對于“初始含水率30%+椰糠質量比例為3%”的試塊,在放置3 d時,累計崩解量最小。對于“初始含水率50%+椰糠質量比例為7%”、“初始含水率60%+椰糠質量比例為7%”的試塊,在崩解時間為20 min時,9 d時累計崩解量還未達到最大值,若崩解時間為30 min,試塊在7 d時的累計崩解量最小,抗崩解能力最強。

由上可知,試塊的抗崩解能力隨放置時間的增加而增加,但當試塊放置時間過長,抗崩解能力反而降低。

3 結論與建議

巖質邊坡生態修復基材,不僅需要保證植物較好生長,同時也需要具備較強的黏結穩定性,特別是降雨時期,由于水的作用更容易導致邊坡修復基材的滑落、崩解。椰糠營養物質含量高、質地疏松,與黏土、水攪拌混合后,利用黏土具有的高黏性形成一個較為穩定的并帶有較多孔隙的結構,作為一種較好的生態修復基材。

經過初始配合比試驗,選擇了具有代表性的初始含水率、椰糠質量比例、放置不同時間的試塊進行崩解試驗,結果表明：

①不同質量比例的椰糠、黏土、水攪拌混合后,形成干松、濕潤、泌水、泥漿、泥水5種狀態,影響混合物狀態的主要因素是椰糠質量比例、初始含水率,椰糠質量比例增大則試塊成型需要的初始含水率增大。當初始含水率≤30%且椰糠質量比例≥10%,混合物干松,較難壓實成型;而當初始含水率≥70%且椰糠質量比例≤5%時,混合物呈現泥水狀態,流動性較大;這兩種狀態都不太符合工程實際中對噴播植生基材的要求,不建議采用上述范圍的初始含水率、椰糠質量比例。若初始含水率小于30%,則基材中椰糠質量比例過小,不適合植物生長;若初始含水率超過70%,則椰糠質量比例過大,基材水穩定性差。因此,建議工程實踐中,椰糠植生基材混合物初始含水率一般不超過干黏土的70%,且不能小于30%。

②初始含水率、椰糠質量比例不同,椰糠植生基材試塊結構穩定性的形成機理不同。一種是當初始含水率小于50%時,試塊具有較好塑性,施加外力進行壓實,使試塊達到一定的密實度,形成穩定性;另一種是初始含水率達到50%及以上,則混合物中水分相對較多,黏土與水可以形成泥漿,包裹住椰糠,基材混合物具有一定的流動性,依靠材料自身質量以及流動性,則可以形成較高密實度,具有較強的穩定性。在工程實踐中,往往采用濕噴的方式,將植生基材與植物種子一同噴播到邊坡上,構建植被生長環境;因此,噴播基材初始含水率相對較高,一般利用第二種方式形成邊坡基材的穩定性。從試塊崩解特性的角度,建議在工程實踐中采用50%～60%的初始含水率,椰糠質量比例采用10%～13%,此時崩解性能較好;配置椰糠植生基材時,初始含水率增加則椰糠質量比例也需要增加,但隨著椰糠質量比例的增加,孔隙率越來越高,泥漿不足以包裹住所有椰糠,試塊密實度則會降低,抗崩解能力變差。

③放置時間也是影響椰糠植生基材試塊崩解特性的重要因素,當放置時間小于等于1 d時,崩解反應劇烈,多數試塊在5～10 min內發生完全崩解。隨著放置時間的增加,水分逐步蒸發,黏土逐漸凝結,試塊抗崩解強度逐漸形成,一般放置5～7d 會達到最大值。因此,在工程實踐中,剛噴播完的邊坡一定要采取防護措施,避免雨水的直接沖刷;1周左右,種子開始發芽,在氣候允許條件時,可以逐步去除防護措施。

④配合比不同的椰糠植生基材試塊,崩解現象差別較大。椰糠質量比例少的試塊,崩解時氣泡相對較少;隨著椰糠質量比例的增加,崩解時氣泡增多。放置時間較短時,崩解反應劇烈,呈現泡騰現象,水體渾濁,泡沫較多,且較多椰糠浮出水面,試塊快速崩解。在中、高初始含水率組中,特別是當放置時間達到3 d及以上,隨著椰糠質量比例增加,試塊崩解吸水現象特別明顯,甚至在30 min內一直保持吸水狀態。在工程實踐中,可以利用椰糠植生基材較好的吸水性能,下雨時能從外界吸收一定的水分,保證植物良好的生長。

⑤在黏土比例不變時,初始含水率、椰糠質量比例、放置時間3個影響因素協同作用,影響試塊成型后內部結構,從而影響椰糠植生基材試塊的崩解現象、累計崩解量、崩解速率等崩解特性。