郭玉珊, 耿玉清, 張 艷, 張琳琳

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083; 2.沃德蘭特(北京)生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究院有限公司, 北京 100080)

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EN-1固化劑對土壤抗崩性的影響

郭玉珊1, 耿玉清1, 張 艷2, 張琳琳2

(1.北京林業(yè)大學(xué) 林學(xué)院, 北京 100083; 2.沃德蘭特(北京)生態(tài)環(huán)境技術(shù)研究院有限公司, 北京 100080)

摘要：[目的] 探討EN-1固化劑對土壤抗崩性的影響，為固持河岸邊坡提供理論依據(jù)。 [方法] 應(yīng)用室內(nèi)靜水崩解試驗，研究添加EN-1固化劑比例為0(素土)，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.30%水平時，分別在壓實度0.85，0.90和0.95狀態(tài)下，養(yǎng)護3，7和15 d的崩解量和崩解速率。 [結(jié)果] 在試驗設(shè)計的EN-1固化劑摻入量、養(yǎng)護齡期和壓實度范圍內(nèi)，隨EN-1固化劑摻入量的增加、養(yǎng)護齡期的延長和壓實度的增大，固化土的崩解量較素土顯著減小。 [結(jié)論] 從固化劑的有效利用率和經(jīng)濟的角度考慮，當EN-1固化劑摻量為0.20%時，養(yǎng)護齡期為7 d及以上時，壓實度為0.90及以上時抗崩解固土性能較好。

關(guān)鍵詞：EN-1固化劑; 抗崩性; 崩解試驗; 崩解量

水土流失是目前最嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一。實施水土保持措施是防治水土流失、恢復(fù)良好的生態(tài)環(huán)境的重要途徑[1]。土壤崩解是指土塊進入水后，由于土壤膠體物質(zhì)分解，使土粒間失去黏結(jié)力進而引起土塊的結(jié)構(gòu)破壞或塌落的現(xiàn)象，是衡量土壤水土保持特性的一個重要指標[2]。減少土體崩解是減少水土流失的一個重要途徑[3]。采用土壤改良劑已成為改良土壤性質(zhì)，提高土壤結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，降低土壤侵蝕量的重要技術(shù)手段[4-6]。路邦EN-1固化劑是一種在濃縮狀態(tài)下無揮發(fā)性，有強烈刺激性酸味，不燃燒，有腐蝕性，且溶于水的醬黑色酸性液體，經(jīng)稀釋后則是無毒，無公害，無污染，不破壞生態(tài)環(huán)境的高分子復(fù)合材料。在土壤中加入適量的EN-1固化劑，促使土壤中的礦物質(zhì)和土壤分子分解并重新結(jié)晶形成金屬鹽，同時可膠結(jié)土粒，填充土壤孔隙，增強土壤顆粒之間的粘結(jié)力，進而保持土壤的持久穩(wěn)定[7]。EN-1固化劑主要應(yīng)用于道路交通，近年來作為一種土壤改良劑在黃土固持作用方面開展了研究[8]。其研究結(jié)果表明：適量的EN-1固化劑可提高土壤顆粒間的聯(lián)結(jié)力，增強土壤結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，促進植物的生長等[9-11]。

河岸帶是指高低水位之間的河床以及高水位之上直至河水影響完全消失為止的地帶[12]。因水沖刷引發(fā)的河岸帶土壤流失，不僅影響水體質(zhì)量，而且也影響植被恢復(fù)及河岸帶景觀。如何提高河岸帶土壤固土性能，減少土壤流失是生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域急切探討的課題。由于固化劑固土效果受土壤性質(zhì)如土壤顆粒大小、膠體類型和土壤類型的影響[13]，對黃土地區(qū)固持土壤的研究結(jié)果是否適合漓江河岸帶的土壤，目前還未見相關(guān)研究。本研究通過進行室內(nèi)試驗，研究添加不同EN-1固化劑摻入量在不同養(yǎng)護齡期和壓實度情況下土壤抗崩解性能的變化，探求EN-1固化劑的合理使用方法，可為固持河岸邊坡的有效技術(shù)或途徑提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1　試驗材料

供試土壤取自廣西省桂林市冠巖縣潛經(jīng)村漓江河岸帶，地理坐標為E110°25′57″，N25°07′00″。該地屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，全年光照充足，平均氣溫17.8～19.1 ℃，年降雨量1 814～1 941 mm，年蒸發(fā)量1 377～1 857 mm，雨熱基本同期[14]。按中國土壤分類系統(tǒng)，該區(qū)域地帶性土壤類型為紅壤。但在河岸帶由于地形破碎，經(jīng)過江水的持續(xù)沖刷以及土壤的淤積，土層厚度分布不均，土壤性質(zhì)有一定的改變。供試土壤的基本理化性質(zhì)見表1。供試的EN-1固化劑，購買于珠海路邦路基工程有限公司(http:∥www.lb9 000.com)。

表1　供試土壤基本理化性質(zhì)

1.2　試驗設(shè)計

本試驗采用3因素全組合試驗方法，設(shè)計EN-1摻入量、壓實度和養(yǎng)護齡期3個處理。其中EN-1摻入量，設(shè)0(為空白試驗,以下稱素土)，0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.30%共6個水平；壓實度(以干密度/最大干密度比值計算)設(shè)0.85，0.90和0.95共3個水平；養(yǎng)護齡期設(shè)3，7，15 d 共3個水平。每個水平進行3次重復(fù)。

1.3　崩解試驗的方法

1.3.1制樣前的準備為保持最優(yōu)的固化性能，首先測定供試土壤的最優(yōu)含水率及最大干密度：本試驗采用2.5 KG輕型擊實儀(上海宏洲試驗儀器有限公司)，單位體積擊實功約為592.2 kJ/m3，做擊實試驗[15]。試驗前將土壤混勻風(fēng)干使其通過5 mm篩。在擊實試驗時，把土壤分3層，每層25擊。以土壤含水率(質(zhì)量比)為橫坐標，干密度為縱坐標，繪制土壤含水率—干密度曲線，曲線峰值點對應(yīng)的橫坐標為最優(yōu)含水率，縱坐標則為最大干密度(見圖1)。由圖可知，供試土壤的最大干密度為1.71 g/cm3，最優(yōu)含水率為18%。為確保土壤達到最優(yōu)含水率，依據(jù)供試風(fēng)干土的含水率，計算并量取應(yīng)添加的水量。

圖1　土壤最大干密度和最優(yōu)含水率的關(guān)系

1.3.2制樣與養(yǎng)護依據(jù)EN-1固化劑摻入量，在已量取的水中加入相應(yīng)比例的固化劑，攪拌均勻后用撒壺分層撒入土中，混合均勻后靜置于塑封袋中，密封24 h，使土壤水分分布均勻。依據(jù)不同的壓實度制備土樣。計算不同壓實度下，應(yīng)稱量混有固化劑的土壤重，以靜力壓力法將土壤壓入長寬高均為5 cm的特制鋁盒中，然后把塑料布蓋在鋁盒表面，在室內(nèi)條件下養(yǎng)護。

1.3.3崩解量和崩解速率的測定采用土壤靜水崩解法，即通過測定固化土在靜水中的累計崩解量和崩解速率，比較土壤的抗崩性能的大小[16]。將養(yǎng)護好的土樣鋁盒置于底部打有小孔，并附有一層濾紙的容器中，容器放于盆中。向盆中加水至水面距離鋁盒上沿1 cm處，水從容器底部小孔自下而上浸潤固化土12 h直至達到飽和。將飽和的固化土從鋁盒中原狀取出，放置在邊長為5 cm，孔徑為1 cm的金屬網(wǎng)板上，且網(wǎng)板上墊有孔徑為0.3 cm，邊長為5 cm的網(wǎng)線(以防金屬網(wǎng)板孔徑過大，土塊因重力作用掉落)。用拉力計將其掛起，迅速置于靜水中，同時啟動秒表并記錄拉力計讀數(shù)。該讀數(shù)作為浸水瞬間未崩解時固化土重。分別記錄1，2，3，4，5，7，10，15，20，30 min時拉力計讀數(shù)。崩解量為土樣浸水后某一時間段內(nèi)崩解掉的土?？偭俊１澜馑俾蕿橥翗咏髥挝粫r間內(nèi)崩解掉的土粒重。

2結(jié)果與分析

2.1　EN-1固化劑摻入量對土壤抗崩性的影響

將不同摻入量的EN-1固化劑添加到土壤中，在土壤壓實度為0.95的條件下養(yǎng)護至相應(yīng)天數(shù)，對其進行抗崩試驗獲得的土壤崩解量的結(jié)果見表2。從表中可以看出，加入不同摻入量的EN-1固化劑后，在30 min內(nèi)的土壤崩解量均較素土顯著減少(p<0.05)，減少的幅度為4.5%～87.8%。在養(yǎng)護齡期一定時，崩解量隨著EN-1固化劑摻入量的增加而減小，當摻入量繼續(xù)增加到0.20%時，崩解量變化趨于穩(wěn)定。以養(yǎng)護7 d為例，摻入量為0.05%，0.10%，0.15%，0.20%和0.30%時，土壤崩解量比素土分別減少了8.4%，18.9%，39.8%，84.3%和87.2%。其中摻入量為0.05%，0.10%和0.15%時，土壤崩解量顯著性達到顯著水平，當摻入量為0.20%和0.30%時，土壤崩解量差異未達到顯著水平，也就是說當摻入量達到0.20%以上時，固化劑的效果趨于穩(wěn)定狀態(tài)。目前對添加EN-1固化劑后土壤抗崩解情況的研究較少。但對添加EN-1固化劑(0，0.01%，0.05%，0.1%，0.15%和0.20%)后土壤抗蝕性能的研究結(jié)果表明，當EN-1固化劑在土壤中的摻量為0.15%(0—100 cm土和0—30 cm黃綿土)或0.20%(30—100 cm黃綿土)時，土壤的抗蝕能力最強[5]。這與我們的研究結(jié)果比較接近。摻入EN-1固化劑后，不同程度的影響了土壤的水穩(wěn)性團聚體含量和土壤結(jié)構(gòu)體穩(wěn)定性。因此，固化土的抗崩性能增強。

表2　固化劑摻入量對土壤崩解量的影響

注:同列不同小寫字母表示相同養(yǎng)護齡期下不同固化劑摻入量處理間差異顯著(p<0.05)。

2.2　養(yǎng)護齡期對土壤抗崩性的影響

在土壤壓實度為0.95的條件下，對不同養(yǎng)護天數(shù)，添加不同摻入量的EN-1固化劑所測定的崩解量數(shù)據(jù)進行加和，結(jié)果如圖2所示。從圖2可知，在養(yǎng)護齡期不同時，總的土壤崩解量隨養(yǎng)護齡期的延長而逐漸減小。養(yǎng)護齡期由3 d延長到7 d，15 d時，總崩解量減少的比例分別為22.7%和25.5%。以養(yǎng)護齡期3 d相比，養(yǎng)護齡期7 d時的總土壤崩解量的差異達到顯著水平；而養(yǎng)護齡期為7 d與15 d總土壤崩解量差異不顯著。這說明養(yǎng)護齡期在7 d時，土壤抗崩解的效果比較理想。目前有關(guān)養(yǎng)護齡期抗崩解的研究不多。但對添加EN-1固化劑后不同養(yǎng)護齡期(7，14，21和28 d)土壤飽和導(dǎo)水率的研究表明，隨著固化土養(yǎng)護齡期的增加，土樣的飽和導(dǎo)水率下降明顯，當培養(yǎng)期大于14 d 時，土樣的飽和導(dǎo)水率近似為0[13]。本文研究結(jié)果與上述結(jié)果有一定的差異。張麗萍等[17]對添加SSA固化劑在1，4，7和15 d后固化土的滲透系數(shù)研究表明，隨養(yǎng)護齡期的延長滲透系數(shù)減小。建議在實際應(yīng)用中，養(yǎng)護齡期至少7 d 以上。這一結(jié)果與我們的研究比較接近。土壤中加入一定量的EN-1固化劑后，隨著養(yǎng)護齡期的延長土壤抗崩解性能提高的原因是隨著時間的增加，固化劑與土壤顆粒反應(yīng)較充分，但這種反應(yīng)是有時間限制的，并不是養(yǎng)護齡期越長，效果增長的越顯著。

注：不同小寫字母表示不同養(yǎng)護齡期下處理間差異顯著(p<0.05)

圖2養(yǎng)護齡期對土壤總崩解量的影響

2.3　壓實度對土壤抗崩性的影響

將不同摻入量的EN-1固化劑添加到土壤中，制備不同壓實度的固化土土樣。以7 d為例，土壤養(yǎng)護7 d 后對其進行抗崩試驗，結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，土壤添加不同比例EN-1固化劑，養(yǎng)護7 d后，固化土進行抗崩試驗時，崩解量均隨壓實度η的增大而減小。在各個EN-1固化劑摻量下，壓實度為0.90和0.95時的崩解量與0.85相比，崩解量均差異顯著，壓實度為0.90和0.95時，崩解量差異未達到顯著水平。養(yǎng)護時間在3 d和15 d時也表現(xiàn)出類似的規(guī)律。蘇濤對添加EN-1固化劑后砒砂巖固化土的抗剪強度進行了研究。研究結(jié)果表明抗剪強度隨壓實度的增大而增大，壓實度為0.80和0.85時與壓實度為0.90和0.95時處理間有顯著差異[18]。我們認為壓實度能提高固化土抗崩性能的現(xiàn)象，與壓實度增大后，土壤顆粒間的空隙減小，作用面積增加，固化劑與土壤的反應(yīng)更快更充分，土壤顆粒表面的相互作用力更強有關(guān)[19]。由于土粒之間作用力增強，在用水浸泡固化土?xí)r，固化土的結(jié)構(gòu)就不易被破壞，固化土的崩解量也就相應(yīng)減少。

注：不同小寫字母表示相同養(yǎng)護齡期下不同壓實度處理間差異顯著(p<0.05)

圖3在各種固化劑摻量下，不同壓實度對土壤崩解量的影響

2.4　EN-1固化劑摻入量、養(yǎng)護齡期與壓實度對土壤崩解速率的影響

土壤崩解速率反映土體在水中發(fā)生分散的能力，決定給徑流攜帶提供松散物質(zhì)的多少。土壤固化后崩解時間及崩解速率結(jié)果見表3。從試驗結(jié)果來看，在壓實度為0.85，養(yǎng)護齡期為3，7和15 d時，素土分別在7，8和8.5 min內(nèi)就崩解完畢，崩解速率分別為17.14，15和14.12 g/min。隨著固化劑摻入量的增加，崩解時間顯著延長，崩解速率逐漸減慢。如在養(yǎng)護7 d時，摻入量為0.05%時的崩解速率為3.05 g/min，其崩解速率是摻入量為0.3%時的近3倍。在壓實度為0.90和0.95時，但在不同養(yǎng)護齡期不同的EN-1固化劑摻入量對土壤崩解速率變化的影響與此表相似(未完全列出所有測定數(shù)據(jù))。

表3　土壤在不同固化劑摻入量和不同養(yǎng)護齡期時的崩解速率

3結(jié) 論

(1) 添加EN-1固化劑后，能有效提高土壤的抗崩性。隨著EN-1摻入量的增大和養(yǎng)護齡期的延長，EN-1固化土的崩解量較素土有顯著的減小。但并不是EN-1摻入量越大，養(yǎng)護齡期越長，固化土的抗崩能力越好，當摻入量超過0.20%，養(yǎng)護齡期超過7 d 時，固化土崩解量減小的不顯著。因此，從固化劑的有效利用率和經(jīng)濟的角度考慮，建議固化劑摻入量為0.20%，養(yǎng)護齡期為7 d及以上。

(2) 添加EN-1固化劑后，土壤的崩解量隨壓實度的增大而減小，壓實度為0.90與0.95時，二者崩解量差異不顯著，因此，建議使用中壓實度控制在0.90及以上。

(3) 固化土的崩解速率隨EN-1固化劑摻入量的增加、養(yǎng)護齡期的延長和壓實度的增大，其崩解速率均減小。

由于所做試驗有限，不同EN-1固化劑摻入量的研究與土壤性質(zhì)有關(guān)。由于河岸帶土壤性質(zhì)空間變化較大，建議選擇更多的土壤樣本開展研究。

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Effects of EN-1 Stabilizer on Soil Anti-collapse Ability

GUO Yushan1, GENG Yuqing1, ZHANG Yan2, ZHANG Linlin2

(1.CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;

2.Water-Land(Beijing)EnvironmentTechnologyInstitution,Beijing100080,China)

Abstract：[Objective] To measure the effect of EN-1 soil stabilizer on soil anti-collapse ability in order to provide the theoretical basis for immobilizing the bank slope. [Methods] By utilizing indoor disintegration experiments in static water, disintegration amount and disintegration rate were studied under certain conditions which included the proportion of EN-1 soil stabilizer at 0(pure soil), 0.05%, 0.10%, 0.15%, 0.20%, and 0.30%, the compactness at 0.85, 0.90, and 0.95, and the maintaining period during 3 d, 7 d, 15 d, respectively. [Results] Solidified soil disintegration amount decreased significantly compared with pure soil along with the increasing amount of EN-1 stabilizer and maintaining period which were designed in experimental scheme. [Conclusion] With the view of the effective utilization rate and economy, soil-reinforcement is significant when the appropriate proportion of stabilizer was 0.20%, the maintaining period was at least 7 days, and the compactness was no less than 0.90.

Keywords:EN-1 soil stabilizer; soil anti-collapse ability; disintegration experiment; disintegration amount

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)03-0214-04

中圖分類號：S152.4， S157.9

通信作者：耿玉清(1965—),女(漢族),河北省衡水市人,博士,副教授,主要從事土壤生態(tài)及管理方面的研究。 E-mail:gengyuqing@bjfu.edu.cn。

收稿日期：2014-05-07修回日期：2014-07-21

資助項目：“十二五”國家科技支撐計劃項目“漓江流域水陸交錯帶生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與示范”(2012 BAC16 B03)

第一作者：郭玉珊(1988—),女(漢族),天津市寶坻區(qū)人,碩士生,研究方向為土壤生態(tài)。 E-mail:842899109@qq.com。