李 準(zhǔn)， 楊智勇,2， 詹 向， 王瀚文

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北省生態(tài)道路工程研究中心， 湖北 武漢 430000)

植被混凝土是一種具有一定孔隙率的特殊混凝土。在該混凝土孔隙中填入植物種子以及植物生長所需要的營養(yǎng)物質(zhì)，則植物可通過依附該混凝土，于孔隙中生根發(fā)芽，進(jìn)而在這種特殊的混凝土中生長[1]。待植物覆蓋坡面，根系包裹土壤，使得植物、植被混凝土和生態(tài)待修復(fù)區(qū)域連接成為一個整體，從而達(dá)到生態(tài)修復(fù)的目的，并起到護(hù)坡固土的作用[2]。很多學(xué)者對植被混凝土基材的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，已有的研究表明植被混凝土的強(qiáng)度受到很多因素的影響。許文年[3]等的直剪試驗發(fā)現(xiàn)水泥摻入比和齡期對植被混凝土的模量和應(yīng)力峰值有影響。夏振堯[4]等分析了水泥比、有機(jī)質(zhì)摻量和水泥對植被混凝土基材早期強(qiáng)度的影響。張少彪[5]等研究了水膠比對植被混凝土基材強(qiáng)度的影響。郗紅超[6]等以秸稈纖維素為改良劑，研究了秸稈摻入物對植被混凝土強(qiáng)度的影響。丁向群[7]等，吳光軍[8]等向植被混凝土中添加礦物摻合料，以研究礦物對其強(qiáng)度的影響。

近年來，隨著植被混凝土研究的深入，對向植被混凝土中添加有機(jī)質(zhì)摻入物、礦物摻合料、膠凝材料等物質(zhì)以探究其強(qiáng)度變化的研究也越來越深入[9]。在實際工程中，植被混凝土技術(shù)常用于邊坡的生態(tài)防護(hù)工程中，通常作為基材并混合植物種子噴播于邊坡表面，起到邊坡防護(hù)的作用，而作用于巖質(zhì)邊坡的植被混凝土最容易發(fā)生剪切破壞的地方則是位于植被混凝土與巖質(zhì)邊坡的界面之間。因此，研究界面間的力學(xué)特性有助于提高植被混凝土的應(yīng)用效果，所以需就此方向展開研究，但有關(guān)于植被混凝土與巖質(zhì)邊坡界面間強(qiáng)度的研究還比較少。因此本文以直剪試驗來探究不同影響因素下植被混凝土與巖質(zhì)邊坡界面間的強(qiáng)度變化，同時利用pH測試探究界面強(qiáng)度變化與植物生長條件間的相適應(yīng)性，并為植被混凝土生態(tài)修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用提供參考。

1 試驗方法

1.1 試驗條件

試驗選用武漢市的普通黏土，采用標(biāo)準(zhǔn)普氏擊實試驗方法，得到該黏土的最優(yōu)含水率為23%，最大干密度為1.52 g/cm3。摻合料選用水泥和綠化添加劑，其中水泥選用32.5的普通硅酸鹽水泥，其主要成分包括CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3等，pH值為10～11。綠化添加劑主要成分包括固氮菌劑、解磷菌劑、硅酸鹽細(xì)菌菌劑，pH值為3～4。黏土的物理指標(biāo)為：相對密度，2.65；密度，1.88 g/cm3；干密度，1.52 g/cm3；液限，30.2%；塑限，12.5%；塑性指數(shù)，16.6%。

1.2 試樣制備

根據(jù)《土工試驗規(guī)范》及《GB7859-1987-森林土壤pH值的測定》制備試樣。

1)直剪試樣的制備。將普通黏土、水泥、綠化添加劑按照不同的摻量進(jìn)行混合配置：水泥摻量為0、2%、6%、10%(摻量為水泥質(zhì)量與普通黏土質(zhì)量之比)；綠化添加劑摻量為0、50%、75%(摻量為綠化添加劑質(zhì)量與水泥質(zhì)量之比)。按照25%的含水率與摻合料混合制成母樣。

2)從母樣中取出部分土樣，與透水石一起放入擊實儀中制樣。制得的試樣上部尺寸是直徑為61.8 mm，高為10 mm的土樣，下部尺寸是直徑為61.8 mm，高為10 mm的透水石。組合整體尺寸是直徑為61.8 mm，高為20 mm的試樣(圖1)。

圖 1 試驗試樣圖

3)將試樣與母樣放置于混凝土放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)(養(yǎng)護(hù)溫度為 20±2℃)，養(yǎng)護(hù)相對濕度≥ 95% 至相應(yīng)的齡期后，可將試樣取出進(jìn)行直剪試驗。

4)pH試樣的制備。從母樣中取出約25 g的土樣，風(fēng)干至恒重后，碾壓過篩。篩下的樣品再放置于研缽中細(xì)磨，通過100目的尼龍篩，混合均勻后放入密封塑料袋中貯藏備用，避免樣品受到污染。重復(fù)上述步驟，一個母樣中共制出三組備用樣品。

1.3 直剪試驗方案設(shè)計

參考不同的接觸面直剪試驗[10-14]，透水石作為必不可少的實驗用品參與試驗的全過程。透水石也是巖質(zhì)材料，和巖質(zhì)邊坡有一定的相似性，而且透水石方便易得，制樣時，植被混凝土與透水石制成的土-石試樣能較好的契合直剪儀的尺寸。因此本試驗將用透水石模擬巖質(zhì)邊坡。

試驗中， 為研究水泥摻量、 綠化添加劑摻量對植被混凝土與巖質(zhì)邊坡界面間強(qiáng)度的影響， 設(shè)計了多組試驗， 每組施加4種不同的法向應(yīng)力， 分別為50 kPa、 100 kPa、 150 kPa、 200 kPa。 本試驗所用儀器為DSJ-3四聯(lián)應(yīng)變式直剪儀， 該儀器所提供的的剪切速率為2.4 mm·min-1、 0.8 mm·min-1、 0.1 mm·min-1、 0.02 mm·min-1。試驗過程中，剪切速率選擇0.8 mm·min-1。在上述條件下對試樣進(jìn)行直剪試驗，在試樣破壞時得到的剪切應(yīng)力，可獲得植被混凝土石界面抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力的變化，并通過擬合得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)-黏聚力和內(nèi)摩擦角。

1.4 pH值測試方案設(shè)計

在工程實踐中，應(yīng)用植被混凝土的目的之一是使裸露的邊坡生態(tài)得以恢復(fù)，所以植被混凝土的土體必須滿足生物生長的條件。因為摻入水泥和綠化添加劑會使土體pH發(fā)生變化，可能不利于植物生長，所以必須要對植被混凝土進(jìn)行pH測試。

將養(yǎng)護(hù)中的母樣每隔一周進(jìn)行一次取樣并制成待用樣品貯藏于密封塑料袋中備用。將三組樣品分別取出10 g放入三個不同標(biāo)號的燒杯中，然后向燒杯中倒入25 mL的純水，并用玻璃棒攪拌2～3 min。攪拌完畢后，放置平臺上沉淀30 min，使其澄清后進(jìn)行測定。為減小誤差，將三組平行試驗的pH測試結(jié)果取平均值，并將其作為最終結(jié)果。 pH測試選用的儀器為pH-B4型pH計。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 直剪試驗結(jié)果

在不同法向應(yīng)力條件下，進(jìn)行植被混凝土-石界面的直剪試驗，得出界面抗剪強(qiáng)度隨法向應(yīng)力變化的擬合圖(圖2),并將試驗結(jié)果繪制成表2。

表2 抗剪強(qiáng)度試驗結(jié)果

圖 2 界面抗剪強(qiáng)度-法向應(yīng)力變化擬合圖

圖2中A1表示τ=0.4454σ+16.25; B1表示τ=0.475σ+31.49；B2表示τ=0.549σ+26.51; B3表示τ=0.576σ+20.19；C1表示τ=0.5319σ+32.81; C2表示τ=0.5737σ+29.34；C3表示τ=0.8128σ+26.04；D1表示τ=0.6825σ+37.74；D2表示τ=0.7445σ+36.24; D3表示τ=0.576σ+36.53。從圖2及表2中可以發(fā)現(xiàn)，與不添加任何材料的普通黏土相比，在土中加入水泥與綠化添加劑后，從整體上看，植被混凝土-石界面之間的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)：黏聚力與內(nèi)摩擦角的大小均有提高，具體變化為：相較于普通黏土-石界面，植被混凝土-石的界面間的黏聚力提高的增量為3.94～21.49 kPa，提高的比例為24.2%～132%，內(nèi)摩擦角提高的增量為1.43°～15.1°，提高的比例為6%～63%。

2.2 水泥摻量對土-石界面間黏聚力的影響分析

圖3為水泥摻量對界面間黏聚力的影響關(guān)系曲線。由圖可知，在水泥摻量為0(綠化添加劑摻量同為0)的普通黏土-石界面間本來就存在一定的黏聚力。當(dāng)綠化添加劑摻量一定時，隨著水泥摻量的增量從2%→6%→10%的遞增過程中，水泥增量間黏聚力增長的幅度逐漸增大。其中，當(dāng)綠化添加劑摻量為75%時，水泥摻量由6%提高到10%時，黏聚力由26.04 kPa提高到35.53 kPa，其增長幅度較大，可達(dá)到15%。從整體上看，在綠化添加劑摻量相同時，植被混凝土-石界面間的黏聚力隨著水泥摻量的增加而增大。

圖 3 水泥對黏聚力的影響

2.3 水泥摻量對土-石界面間內(nèi)摩擦角的影響分析

圖4為在不同的綠化添加劑摻量下，水泥摻量對界面間內(nèi)摩擦角的影響關(guān)系曲線。

圖 4 水泥摻量對內(nèi)摩擦角的影響

由圖4可知，植被混凝土在不摻水泥和綠化添加劑時，植被混凝土-石界面間的內(nèi)摩擦角為24°。隨著水泥摻量的增加，不同綠化添加劑摻量下界面的內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)增大的趨勢。其中，當(dāng)綠化添加劑摻量為75%時，水泥摻量從2%增加到6%時，內(nèi)摩擦角增長幅度可達(dá)18%以上。

2.4 綠化添加劑摻量對土-石界面間黏聚力的影響分析

圖5為綠化添加劑摻量對界面間黏聚力的影響關(guān)系曲線。由圖可知，隨著綠化添加劑摻量的增加，植被混凝土-石界面間的黏聚力逐漸減小。當(dāng)水泥摻量為2%時，隨著綠化添加劑摻量由0增加到75%，界面間黏聚力由31.49 kPa減小至20.019 kPa，減小幅度達(dá)到56%；當(dāng)水泥摻量為6%時，隨著綠化添加劑摻量由0增加到75%，界面間黏聚力由32.81 kPa減小至26.05 kPa，減小幅度達(dá)到26%；當(dāng)水泥摻量為10%時，隨著綠化添加劑摻量由0增加到75%，界面間黏聚力由37.741 kPa減小至35.531 kPa，減小幅度達(dá)到6.9%。在水泥摻量為10%時，相較于水泥摻量為2%或6%的情況，隨著綠化添加劑摻量的增加，黏聚力減小的幅度降低，降低趨勢趨于平緩。這也說明水泥摻量的增加，會抵消部分因綠化添加劑帶來的負(fù)面影響，降低界面間黏聚力減小的程度。植被混凝土中加入的綠化添加劑呈強(qiáng)酸性，能中和水泥水化反應(yīng)過程中產(chǎn)生的堿性，但也在一定程度上降低了植被混凝土-石接觸面間的黏聚力。

圖 5 綠化添加劑對黏聚力的影響

2.5 綠化添加劑摻量對土-石界面間內(nèi)摩擦角的影響分析

圖6為在不同的綠化添加劑摻量下，綠化添加劑摻量對界面間內(nèi)摩擦角的影響關(guān)系曲線。

圖 6 綠化添加劑對內(nèi)摩擦角的影響

由圖6可知，不論水泥摻量是2%、6%還是10%，隨著綠化添加劑摻量從50%增加至75%，界面間的內(nèi)摩擦角都隨著增大。當(dāng)水泥摻量為2%，綠化添加劑摻量從50%增至75%，界面內(nèi)摩擦角最終增大的差值為1.16，最終增大幅度為4%。當(dāng)水泥摻量為6%，綠化添加劑摻量從50%增至75%，界面內(nèi)摩擦角最終增大的差值為7.04，最終增大幅度為23.6%。當(dāng)水泥摻量為10%，綠化添加劑摻量從50%增至75%，界面內(nèi)摩擦角最終增大的差值為0.57，最終增大幅度為1.5%。因此綠化添加劑摻量對界面內(nèi)摩擦角變化有影響，整體表現(xiàn)為隨著綠化添加劑摻量的增加，植被混凝土-石界面間的內(nèi)摩擦角也隨之增大。

2.6 pH測試結(jié)果

將不同配比的植被混凝土進(jìn)行pH測試，并將試驗結(jié)果制成表3及圖7、圖8。

表3 pH測試試驗結(jié)果

圖 7 綠化添加劑對pH的影響

圖 8 水泥摻量對pH的影響

通過pH測試可知，本試驗中植被混凝土所選用的土壤為pH值在7左右的中性土壤。從圖7及圖8可以看出，除了對照組(不添加水泥和綠化添加劑)pH值的變化基本呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)外，其他配比類型的pH值整體上存在下降的趨勢。B1、C1、D1均為只摻入水泥不摻入綠化添加劑的三類配比，對比三類配比的pH值可以發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量的增加，基材的pH值也隨之升高。在三種不同水泥摻量的基材中分別摻入50%和75%的綠化添加劑。結(jié)果表明，隨著綠化添加劑的摻入，不同基材的pH值從整體上呈現(xiàn)下降的趨勢。

當(dāng)水泥摻量為2%時，綠化添加劑摻量為50%，基材的pH值在第28 d降低至7.87；綠化添加劑摻量為75%，基材的pH值在14 d養(yǎng)護(hù)期時降低至7.79，隨后繼續(xù)緩慢降低直至7.69。對比相同綠化添加劑摻量下，當(dāng)水泥摻量為6%，養(yǎng)護(hù)期到達(dá)第28 d，基材的pH分別降至8.65和8.44；當(dāng)水泥摻量為10%，養(yǎng)護(hù)期到達(dá)第28 d時，基材的pH分別降至9.17和9.17。

當(dāng)綠化添加劑摻量為50%，水泥摻量為2%時，基材的pH在21 d內(nèi)由8.30下降到7.87，差值為0.43，下降幅度達(dá)到5.2%；當(dāng)綠化添加劑摻量為50%，水泥摻量為6%時，基材的pH在21d內(nèi)由8.78下降到8.65，差值為0.13，下降幅度達(dá)到1.5%；當(dāng)綠化添加劑摻量為50%，水泥摻量為10%時，基材的pH在21 d內(nèi)由9.42下降到9.17，差值為0.25，下降幅度達(dá)到2.7%。

當(dāng)綠化添加劑摻量為75%，水泥摻量為2%時，基材的pH在21 d內(nèi)由8.03下降到7.69，差值為0.34，下降幅度達(dá)到4.2%；當(dāng)綠化添加劑摻量為75%，水泥摻量為6%時，基材的pH在21 d內(nèi)由8.56下降到8.44，差值為0.12，下降幅度達(dá)到1.4%；當(dāng)綠化添加劑摻量為50%，水泥摻量為10%時，基材的pH在21 d內(nèi)由9.15下降到9.10，差值為0.05，下降幅度達(dá)到0.5%。

這些結(jié)果表明，在基材中摻入水泥后，通過摻入綠化添加劑可以達(dá)到降低基材pH的目的，且水泥摻量為2%和6%，綠化添加劑摻量為50%和75%時，都能將基材的pH降低到7.69到8.65的范圍內(nèi)。但隨著水泥摻量的增加，初始pH過高，綠化添加劑摻量對基材pH的降低作用有限，如水泥摻量為10%時，摻入75%的綠化添加劑，在21 d內(nèi)只能將基材的pH下降0.05。

大多數(shù)護(hù)坡植物所能適應(yīng)的土壤pH值范圍很廣，能適一定的堿性土壤，但無法適應(yīng)強(qiáng)堿性土壤。綜合來說其適應(yīng)pH范圍為4.7～8.6。因此，在10組試驗中，A1、B1、B2、B3、C2、C3的試驗結(jié)果顯示其pH值能滿足植物的生長，C1、D1、D2、D3的試驗結(jié)果顯示其pH值不滿足植物生長的條件。

3 結(jié)論

基于植被混凝土-石界面直剪試驗以及pH測試，可以得出以下結(jié)論

1)普通黏土土-石界面間已經(jīng)具有一定的抗剪強(qiáng)度，而摻入水泥及綠化添加劑的植被混凝土-石界面的抗剪強(qiáng)度相較于土-石界面的抗剪強(qiáng)度發(fā)生變化，證明水泥及綠化添加劑對其界面的抗剪強(qiáng)度有影響。

2)水泥摻量對界面間抗剪強(qiáng)度影響較為顯著。當(dāng)綠化添加劑摻量相同時，界面間的黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨水泥摻量的增加而增大。

3)綠化添加劑對界面間的黏聚力和內(nèi)摩擦角具有不同的影響。當(dāng)水泥摻量相同時，隨著綠化添加劑的摻量的增加，界面間的黏聚力隨之降低。

4)水泥和綠化添加劑都能影響植被混凝土的pH值。水泥的摻入是植被混凝土pH值升高的主要因素，而綠化添加劑則能降低因水泥引起的pH值升高。

5)本實驗中，水泥的最佳摻量為6%，綠化添加劑的最佳摻量范圍為50%～75%，如此既能提高界面間的黏聚力與內(nèi)摩擦角，又可以滿足植物生長的pH條件。