植物纖維加筋對(duì)植被混凝土抗凍耐久性的影響

陳毅　梁永哲　劉大翔等

摘要：為了修復(fù)雅礱江兩河口水電站工區(qū)受損陸地邊坡，通過對(duì)植被混凝土摻入不同質(zhì)量配比的棕纖維和黃麻纖維進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果表明，植被混凝土的質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈線性增加，相對(duì)質(zhì)量損失率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先增大后減小的趨勢(shì)；質(zhì)量損失率和相對(duì)質(zhì)量損失率隨著摻入纖維質(zhì)量比的增加均呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)棕纖維和黃麻纖維的質(zhì)量配比分別為0.6%和0.9%時(shí)，損失均最??；同時(shí)對(duì)植被混凝土的質(zhì)量損失率和相對(duì)質(zhì)量損失率的計(jì)算結(jié)果分別對(duì)兩種纖維做敏感性分析，表明棕纖維的敏感性高于黃麻纖維。

關(guān)鍵詞：植物纖維；凍融循環(huán)；植被混凝土；最優(yōu)配比

中圖分類號(hào)：TU528.572 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）19-4840-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.048

Abstract： In order to repair the damaged slope land in Yalong River Lianghekou hydropower station work area， the freeze-thaw cycle experiment was conducted through mixing the vegetation-growing concrete with palm fiber and jute fiber of different quality ratio. The results showed that mass loss rate of the vegetation-growing concrete linearly increased with the increase of freeze-thaw cycles， relative mass loss rate with the increase in the number of freeze-thaw circulation firstly increased and then decreased； mass loss rate and relative mass loss firstly increased and then decreased with the increase of doped fiber quality， when the quality ratio of paln fiber and jute fiber were 0.6% and 0.9% respectively， losses were minimal. At the same time， by the quality of the vegetation-growing concrete loss rate and relative mass loss of the calculation results， the sensitivity analysis for two kinds of fibers were conducted， the results showed that the sensitivity of the palm fiber was higher than that of jute fiber.

Key words： plant fiber； freeze-thaw cycle； vegetation-growing concrete； optimal ratio

雅礱江兩河口水電站工區(qū)由于受工程擾動(dòng)影響，毀損了大面積原有的邊坡植被，造成眾多巖石裸露邊坡亟待修復(fù)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外修復(fù)巖質(zhì)邊坡一般先在坡面鋪設(shè)生態(tài)基材，營(yíng)造植物生長(zhǎng)環(huán)境，然后再進(jìn)行植被修復(fù)。受當(dāng)?shù)貧夂蛞约暗乩砦恢盟?，工區(qū)高差巨大，冬季邊坡土壤存在明顯凍融現(xiàn)象，生態(tài)基材也難以避免。在凍融循環(huán)過程中，由于生態(tài)基材中的水分不斷結(jié)晶、融化以及遷移，引起基材體積發(fā)生脹縮演替，造成其內(nèi)部以及表觀一系列的微裂，進(jìn)而使基材不斷地剝落，最終導(dǎo)致生態(tài)基材內(nèi)部結(jié)構(gòu)失穩(wěn)[1，2]。

為提高生態(tài)基材或邊坡土體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此做了大量研究[3-9]，從已有研究成果可以看出，土體中摻入纖維可以明顯改善其物理特性，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此研究比較多，但是在凍融循環(huán)條件下，纖維加筋對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響以及合理的摻量卻并不多見，而對(duì)于生態(tài)基材影響這方面的報(bào)道幾乎沒有。為此，針對(duì)雅礱江兩河口水電站工程擾動(dòng)區(qū)邊坡的生態(tài)修復(fù)問題，本文以植被混凝土生態(tài)基材為研究對(duì)象，以雅礱江兩河口水電站工區(qū)的情況為例，探討棕纖維和黃麻纖維在不同摻入量條件下對(duì)植被混凝土質(zhì)量損失率的影響，旨在為雅礱江兩河口水電站地區(qū)受損陸地邊坡的植被修復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)所用植被混凝土試樣配比為干土∶水泥∶有機(jī)質(zhì)∶綠化添加劑=100.0∶8.0∶4.5∶6.5（質(zhì)量比，以干土質(zhì)量為計(jì)算基數(shù)）。土樣取自雅礱江兩河口水電站地區(qū)種植土，剔除碎石、木塊等其他雜質(zhì)并過2 mm篩，其物理指標(biāo)見表1；水泥為從市場(chǎng)購(gòu)置的32.5 R普通硅酸鹽水泥；有機(jī)質(zhì)采用木材加工廠生產(chǎn)的實(shí)木鋸末，過2 mm篩，剔除較大體積的木屑；綠化添加劑為宜昌綠野環(huán)保工程有限責(zé)任公司生產(chǎn)的LV-2型產(chǎn)品。植被混凝土制備方法遵循植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)設(shè)計(jì)規(guī)程[13]，并加適量水制備。

在制備好的植被混凝土中摻入不同配比的棕纖維和黃麻纖維，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)梯度設(shè)置質(zhì)量比，令纖維質(zhì)量分別為干土質(zhì)量的0.3%、0.6%、0.9%。棕纖維和黃麻纖維分別以0.3%+0.3%、0.3%+0.6%、0.3%+0.9%等不同配比的摻量作全交試驗(yàn)，編號(hào)分別為DR1～DR9，以不加纖維的作空白對(duì)照（CK），共10組。棕纖維和黃麻纖維購(gòu)自市場(chǎng)，剪裁成3 cm左右，并拆分為單根，直徑約0.3 mm，與植被混凝土充分?jǐn)嚢?，分別裝入100 mm×100 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)鋼模，每組試樣均制作3個(gè)重復(fù)樣；置于20 ℃、濕度為90%的環(huán)境下養(yǎng)護(hù)7 d。

1.2 方法

由于植被混凝土的主要功能是營(yíng)造邊坡植物生長(zhǎng)環(huán)境，在實(shí)際應(yīng)用中所承受的外部荷載作用力很小，由此所引起的壓縮沉降幾乎為零，因而試樣損失僅由融化沉降單獨(dú)構(gòu)成[10]，而在國(guó)內(nèi)外對(duì)于該類生態(tài)基材的抗凍性檢測(cè)也沒有形成統(tǒng)一的方法與標(biāo)準(zhǔn)，因此結(jié)合實(shí)際情況，參考GB/T 50082-2009[11]和GB/T 50123-1999[12]，凍融循環(huán)采用慢凍法。在進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，將養(yǎng)護(hù)好的試樣置于水溫20 ℃的水槽中，放在電熱恒溫培養(yǎng)箱HPX-9272MBE中養(yǎng)護(hù)48 h。浸泡完畢后，取出試件用濕布擦去表面水分，稱重，編號(hào)后放入冷凍箱做抗凍試驗(yàn)?？箖鲈囼?yàn)凍結(jié)時(shí)溫度保持在-20 ℃，冷凍12 h即停止，取出試樣稱重并立即放入電熱恒溫培養(yǎng)箱的水槽中融化，溫度保持在20 ℃，試件在水中融化12 h，融化完畢即為該次凍融循環(huán)結(jié)束，取出試件稱重并放入冷凍箱進(jìn)行下一次循環(huán)試驗(yàn)。如試件崩解無法稱重，即停止該組試樣試驗(yàn)；如整體試樣的平均失重率超過40%，即可停止凍融循環(huán)試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 基本評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 凍融次數(shù)對(duì)試樣質(zhì)量損失率的影響

從表2可以看出，經(jīng)過1次凍融循環(huán)后，有4組試樣的平均質(zhì)量損失率呈現(xiàn)負(fù)值，這是由于在第一凍融循環(huán)之前，這些試樣中存在不同程度的孔隙率，經(jīng)過1次凍融后，試樣基本保持完整且充分吸水，因此質(zhì)量變大。從表2中還可以看出，不加纖維的空白樣在凍融3次后即崩解；DR1～DR9在凍融5次后，試樣質(zhì)量有不同程度的損失。隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加，各種纖維配比的質(zhì)量損失率的增長(zhǎng)幅度也不一樣，除去崩解的空白樣，其中DR6試樣平均質(zhì)量損失率最小，僅為22.37%，試樣相對(duì)比較完整，DR1試樣質(zhì)量平均損失率最大，達(dá)95.94%，接近崩解狀態(tài)。

由此可以得出，在高寒地區(qū)，植被混凝土中摻入的棕纖維和黃麻纖維，在基材結(jié)構(gòu)中起到聯(lián)結(jié)、約束和控制作用，使其在產(chǎn)生微裂紋時(shí)，能及時(shí)將應(yīng)力集中并予以擴(kuò)散，從而抑制了微裂縫的快速發(fā)展，有效改善生態(tài)基材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其抗凍性得到一定的改善與提高，防止生態(tài)基材在凍融作用下不斷地流失。同時(shí)每一組試樣隨著凍融次數(shù)的增加，其質(zhì)量損失率呈線性增長(zhǎng)，如圖1所示。

2.3 凍融次數(shù)對(duì)相對(duì)質(zhì)量損失率的影響

經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，植被混凝土摻入不同配比纖維的相對(duì)質(zhì)量損失率結(jié)果如表2所示，曲線圖如圖2所示。從圖2可以看出，除去已經(jīng)崩解的空白樣，在前4次凍融作用影響下，相對(duì)質(zhì)量損失率呈增大趨勢(shì)，第4次后卻呈下降趨勢(shì)。在第4次凍融循環(huán)后，DR1試樣相對(duì)質(zhì)量損失率最大，為31.99%，DR9試樣相對(duì)質(zhì)量損失率最小，為7.22%；第5次凍融循環(huán)后，DR1試樣相對(duì)質(zhì)量損失率最大，為26.41%，DR6試樣相對(duì)質(zhì)量損失率最小，僅為4.91%。

由此分析可以得出，所配制的基材試樣前4次受凍融作用影響最大。這是因?yàn)?，試樣在進(jìn)行凍融試驗(yàn)開始表面積最大，剝落相對(duì)比較嚴(yán)重；后期隨著試樣的剝落表面積縮小，因此呈下降趨勢(shì)。所以，在實(shí)際工程中，特別是高寒地區(qū)，應(yīng)特別注意前期的養(yǎng)護(hù)工作，為生態(tài)基材營(yíng)造一個(gè)良好的環(huán)境。

2.4 纖維含量與配比對(duì)植被混凝土耐久性的影響

由凍融次數(shù)對(duì)試樣質(zhì)量損失率和相對(duì)質(zhì)量損失率綜合分析來看，隨著纖維總摻量的增大，相對(duì)應(yīng)的試樣質(zhì)量損失率呈先減小后增大的趨勢(shì)。如表2所示，取第5次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率的數(shù)據(jù)，DR1、DR2試樣所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比為0.3%+0.3%和0.3%+0.6%，質(zhì)量損失率分別為95.94%、66.21%；DR3和DR7對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比為0.3%+0.9%和0.9%+0.3%，質(zhì)量損失率分別為59.71%、45.73%；DR6對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比為0.6%+0.9%，質(zhì)量損失率為22.37%；DR9對(duì)應(yīng)的質(zhì)量比為0.9%+0.9%，質(zhì)量損失率反而上升，為28.87%。取第4次凍融循環(huán)后相對(duì)質(zhì)量損失率的數(shù)據(jù)，有類似的現(xiàn)象。

這是由于在植被混凝土中增加纖維起到三維加筋的作用，利用纖維與植被混凝土之間的摩阻力，增大了植被混凝土整體的粘聚力，有效防止了植被混凝土在凍融作用下的不斷流失；但是試驗(yàn)表明纖維摻量并不是越多越好，纖維摻量存在一個(gè)最優(yōu)質(zhì)量比，當(dāng)纖維質(zhì)量超過最優(yōu)質(zhì)量比時(shí)，植被混凝土與纖維之間沒有很好的接觸，反而降低了根土之間的摩阻力，不利于植被混凝土整體的穩(wěn)定。有的學(xué)者在非凍融條件下探討了纖維對(duì)土體的影響得到類似的結(jié)論。如張小平等[14]指出添加纖維可以改善石灰土的整體性能，若添加單絲纖維和短的網(wǎng)狀纖維，其最佳含量為0.4%；而摻長(zhǎng)網(wǎng)狀纖維，最佳含量應(yīng)為0.2%～0.3%。Miller等[15]通過研究纖維加筋對(duì)壓實(shí)黏土襯墊材料收縮裂隙的抑制作用，發(fā)現(xiàn)當(dāng)纖維摻量介于0.4%～0.5%時(shí)能達(dá)到比較理想的裂隙減少率，當(dāng)纖維摻量達(dá)到0.8%時(shí)能減少約90%的裂隙。而在凍融條件下，纖維的摻入量對(duì)于生態(tài)基材或者水泥土等物理特性的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此研究并不多見，其作用機(jī)理仍待進(jìn)一步研究。但在這里初步分析可以得出，植被混凝土中摻入棕纖維和黃麻纖維的最優(yōu)質(zhì)量比在0.6%+0.9%附近。

2.5 兩種纖維對(duì)植被混凝土影響的敏感性分析

由表2中質(zhì)量損失率和相對(duì)質(zhì)量損失率計(jì)算結(jié)果分別對(duì)兩種纖維作敏感性分析。如圖3所示，當(dāng)控制棕纖維配比不變，黃麻纖維配比作變量時(shí)，隨著黃麻纖維質(zhì)量配比的增大，試樣質(zhì)量損失率均呈下降趨勢(shì)；當(dāng)控制黃麻纖維配比不變，棕纖維配比作變量時(shí)，棕纖維質(zhì)量比大于0.6%時(shí)，試樣質(zhì)量損失率和相對(duì)質(zhì)量損失率有增大趨勢(shì)。由此可以得出，棕纖維最優(yōu)質(zhì)量配比在0.6%附近，而黃麻纖維最優(yōu)質(zhì)量配比應(yīng)在0.9%。對(duì)兩種纖維質(zhì)量配比控制在相同水平時(shí)，對(duì)比可以看出，隨著纖維質(zhì)量比增加，棕纖維對(duì)應(yīng)的質(zhì)量損失率下降趨勢(shì)明顯比黃麻纖維小。因此可以得出，對(duì)于植被混凝土抗凍耐久性的影響，棕纖維的敏感性要高于黃麻纖維，這是由于棕纖維莖干外圍有一層葉鞘形成的層網(wǎng)狀棕衣纖維，增大了與基材的接觸面積，相比黃麻纖維表面更加粗糙，與土壤接觸形成的摩阻力比黃麻纖維大。結(jié)合纖維的力學(xué)性能，黃麻纖維相比棕纖維斷裂伸長(zhǎng)率小，斷裂強(qiáng)度大，因此有較好的力學(xué)性能，同時(shí)具有較好的耐久性[16，17]。因此在實(shí)際工程中，選取這兩種常見纖維作為土體加筋材料有比較好的抗凍耐久性效果。