周明濤，胡歡，胡旭東

(1.三峽地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)環(huán)境湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，443002，湖北宜昌;2.三峽大學(xué)土木與建筑學(xué)院，443002，湖北宜昌)

隨著改革開放與國民經(jīng)濟(jì)的縱深發(fā)展，高寒地區(qū)能源與交通的開發(fā)和建設(shè)給原本極端脆弱的區(qū)域生態(tài)環(huán)境帶來了毀滅性的破壞，因工程擾動造成的眾多裸露巖石邊坡亟待植被修復(fù)。植被混凝土(vegetation-growing concrete，簡稱VGC)為典型的人造復(fù)合土壤，主要功能在于營造高陡邊坡植被生境，其固相部分由植生土、腐殖質(zhì)、水泥和植被混凝土綠化添加劑以干質(zhì)量比100∶10∶8∶5均勻混合而成，工程界也稱為生態(tài)基材［1］。該生態(tài)基材自發(fā)明以來，已普遍應(yīng)用于溫度條件較高的廣大地區(qū)，且取得了較好的生態(tài)與社會效益;但在工程應(yīng)用中卻未考慮凍融循環(huán)對其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響及耐久性的破壞。

高寒地區(qū)的顯著特征就是年均氣溫低、霜凍期持續(xù)時間長，極端最低溫度?？蛇_(dá)－40 ℃，此種條件下含水物體發(fā)生反復(fù)凍融現(xiàn)象不可避免;因此，在高寒地區(qū)巖石邊坡上營造植被生境時，除了滿足常溫下必備的水分、養(yǎng)分和抗沖刷性等條件外，還應(yīng)具備較高的抗凍性，以抵御反復(fù)的凍融破壞作用。基于此，筆者通過多次試驗，針對植被混凝土生態(tài)基材研制出復(fù)合抗凍劑，為高寒地區(qū)工程擾動邊坡的植被修復(fù)奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 抗凍劑原材料遴選及摻加量設(shè)計

植被混凝土以水泥為黏結(jié)劑，在很大程度上具備水泥土的特性，因此參照水泥土抗凍改良試驗選取抗凍劑原材料品種。水泥土主要依靠摻入短纖維、超細(xì)礦粉及引氣劑等來提高其抗凍標(biāo)號。短纖維包括鋼纖維、尼龍纖維、石棉纖維、玻璃纖維、合成纖維和天然植物纖維等;超細(xì)礦粉包括硅粉、生石灰、天然浮石粉、礦渣粉、無水鈉鹽等;引氣劑是表面活性劑，為一種化學(xué)材料。

在使用水泥作為黏結(jié)劑的前提下，植被混凝土雖可劃歸為水泥土，但其性能與功用均不能簡單地等同于水泥土。水泥土為建筑材料，主要用作房屋、道路及堤壩等設(shè)施的地基。植被混凝土主要營造植物生長所需的養(yǎng)分、水分等基本條件，內(nèi)含植物“活”的根系;因此，用于提高水泥土抗凍性能的材料并不一定完全適用于植被混凝土，后者的抗凍劑原材料還應(yīng)重點遵循以下3 條基本原則:1)無“毒”性，不會威脅植物生長發(fā)育，不會污染環(huán)境;2)來源廣泛，價格低廉;3)技術(shù)簡單，施用方便。

綜上，選取棕纖維、硅粉和表面活性劑為組成植被混凝土抗凍劑的原材料。摻加量主要借鑒各原材料在水泥土中的用量，以各原材料干質(zhì)量與植被混凝土中植生土干質(zhì)量的比例為計量標(biāo)準(zhǔn)，具體情況為:棕纖維(0.25%、0.5%、0.75%、1%、1.25%)、硅粉(1%、2%、3%、4%、5%)、表 面 活 性 劑(0.05%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%)。

1.2 試驗設(shè)計

植被混凝土為人工配制的復(fù)合材料，具有水泥土與有機(jī)質(zhì)土的雙重性能，關(guān)于此類材料抗凍性的檢測，國內(nèi)外還沒有形成統(tǒng)一的試驗方法與標(biāo)準(zhǔn)。參照GB/T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗法》［2］中的快凍法，自行設(shè)計了一套檢測植被混凝土抗凍性的凍融循環(huán)試驗。

1)向植被混凝土中添加不同比例的抗凍劑原材料，監(jiān)測凍融循環(huán)過程中試樣相對動彈性模量與質(zhì)量變化情況，并探討分析抗凍性的提高與改良程度，以獲取最佳復(fù)合抗凍劑配比方案及其摻加量。

2)植被混凝土的抗剪和抗壓強(qiáng)度均遠(yuǎn)低于混凝土，故定義其凍融破壞的衡量標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)凍融試樣的質(zhì)量損失率達(dá)到15%或相對動彈性模量下降到77.5%時，表征試樣凍融破壞，試驗結(jié)束。

3)結(jié)合GB/T 50123—2002《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［3］，先將試樣放置在(－20±2)℃的條件下冰凍16 h，而后在(20±2)℃的條件下融化16 h，如此為一單次凍融循環(huán)。

4)相同條件試樣做3 組平行試驗，取平均值。

試驗主要設(shè)備包括NELD-TFC 混凝土快速凍融試驗機(jī)、NEL-DTA 型動彈模量測定儀、電子天平、熱電偶電位差計、振動臺和拆模氣槍等。

1.3 供試材料處理

試驗涉及的原材料有植生土、腐殖質(zhì)、水泥、植被混凝土綠化添加劑、棕纖維、硅粉和表面活性劑，前4 種為組成植被混凝土的固相原材料，后3 種為本試驗所選取的抗凍劑原材料。

1)植生土:天然土料取回后，經(jīng)晾曬、搗碎，并過2 mm 細(xì)篩篩分，取篩下物。天然土密度1.37 g/cm3、天 然 含水率 27.3%、塑 限 22.7%、液 限36.4%、塑性指數(shù)13.7%、液性指數(shù)0.34%。

2)腐殖質(zhì):杉木(Cuuinghamia lanceolaia)鋸末，在(103±2)℃的烘箱中干燥到其質(zhì)量不再變化時，再過2 mm 細(xì)篩篩分，取篩下物。

3)水泥:32.5R 普通硅酸鹽水泥。

4)植被混凝土綠化添加劑:三峽大學(xué)研發(fā)的專利產(chǎn)品LY-2 型綠化添加劑。

5)棕纖維:棕櫚外皮短纖維，直徑0.18 ～0.2 mm，長2.5 ～3.5 cm。

6)硅粉:礦渣粉粒徑0.1 ～1.0 μm，比表面積20 ～25 m2/g，在溫度32 ℃、濕度50%的條件下檢驗得出每100 g 含SiO2和Fe 分別為96.6g 和0.5 g。

7)表面活性劑:高性能混凝土引氣劑JY-AR20型特殊陰離子表面活性劑。

1.4 試樣制備

試樣制備方法遵循植被混凝土生態(tài)護(hù)坡技術(shù)設(shè)計規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定［1］與GB/T 50123—2002《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［3］中3.1.6 條內(nèi)容。

1)按照植被混凝土組成配比及試驗設(shè)計摻加量均勻混合植生土、腐殖質(zhì)、水泥、混凝土綠化添加劑、棕纖維、硅粉、表面活性劑及適量水(以混合物成泥狀為準(zhǔn))。

2)將混合物填入100 mm×100 mm×400 mm的試模，分3 層裝填，每裝填一層在振動臺上至少振動3 min。

3)將試樣連同試模裝入塑料袋內(nèi)密封，并在室溫下靜置24 h，然后逐一拆模。

4)拆模后的試樣立即送入溫度為(20±3)℃，濕度≥90%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

5)28 d 后將試樣連同測溫試件一起放入溫度為15 ～20 ℃的水中浸泡水養(yǎng)，水養(yǎng)期間水面高出試樣上表面至少20 mm。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合抗凍劑的初始組合

試驗中，檢測摻入棕纖維、硅粉和表面活性劑的植被混凝土試樣在12 次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率及相對動彈性模量，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，棕纖維、硅粉和表面活性劑質(zhì)量組配比例不同，植被混凝土試樣經(jīng)歷12 次凍融循環(huán)后的質(zhì)量損失率與相對動彈性模量衰減狀況存在著較大差別。如單分析質(zhì)量損失率，則其最佳值出現(xiàn)在棕纖維、硅粉與表面活性劑質(zhì)量組合為1.25%、3%、0.1%的條件下，此時試樣質(zhì)量損失率最小，為3.31%。如單分析相對彈性模量，其最佳值出現(xiàn)在棕纖維、硅粉與表面活性劑質(zhì)量組合為1.25%、2%、0.05%的條件下，此時試樣相對彈性模量最大，為86.07%。

表1 復(fù)合抗凍劑初始質(zhì)量組合及試驗結(jié)果Tab.1 Initial mass combinations of composite antifreeze and test results %

從Ki值的分布走勢可預(yù)測，在棕纖維、硅粉與表面活性劑質(zhì)量組合為1%、3%、0.05%的條件下，試樣的質(zhì)量損失率最小;從K'i值的分布走勢可預(yù)測，在棕纖維、硅粉與表面活性劑質(zhì)量組合為1%、3%、0.1%的條件下，試樣的相對彈性模量最大。

2.2 初始組合的優(yōu)化與驗證

圖1 復(fù)合抗凍劑優(yōu)化試驗Fig.1 Optimization experiments of composite antifreeze

為了便于分析，采用A、B、C 分別代表棕纖維、硅粉和表面活性劑，采用1、2、3、4、5 分別代表抗凍劑原材料設(shè)計摻加量的不同水平。由表1 初步篩選出復(fù)合抗凍劑的4 種初始組合，即:a 組(A5B3C2，質(zhì)量損失率，試樣編號23，可見最優(yōu)組合)、b 組(A5B2C1，相對動彈性模量，試樣編號22，可見最優(yōu)組合)，c 組(A4B3C1，Ki值3 列最小值組合，預(yù)測最優(yōu)組合)、d 組(A4B3C2，K'i值3 列最大值組合，預(yù)測最優(yōu)組合)。下面對摻加此4 種初始組合抗凍劑的植被混凝土再次進(jìn)行12 次凍融試驗，以獲取復(fù)合抗凍劑最優(yōu)質(zhì)量配比方案。結(jié)果如圖1 所示，可以看出，4種不同組合的復(fù)合抗凍劑中，c 組(A4B3C1)試樣在經(jīng)歷12 凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率最小，僅為2.81%，同時相對動彈性模量最高，為84.27%。由此，c 組(A4B3C1)的抗凍性能優(yōu)于其他組別，即對植被混凝土抗凍性能提升效應(yīng)最明顯的復(fù)合抗凍劑質(zhì)量配比方案為棕纖維∶硅粉∶表面活性劑=1∶3∶0.05。

為進(jìn)一步驗證添加了最優(yōu)配比方案復(fù)合抗凍劑的植被混凝土的抗凍性能，以各原材料干質(zhì)量與植被混凝土中植生土干質(zhì)量的比例為計量標(biāo)準(zhǔn)，按棕纖維∶硅粉∶表面活性劑=1∶3∶0.05 先配制成復(fù)合抗凍劑，并分別進(jìn)行摻加量為0.5%、1.0%、1.5%、2.0%、2.5%共5 組植被混凝土改良樣的凍融循環(huán)試驗。試驗結(jié)果見圖2，可發(fā)現(xiàn):除摻加量為0.5%的改良樣在48 次凍融循環(huán)前已破壞外，其他4 組改良樣在48 次凍融循環(huán)結(jié)束時均未達(dá)到本試驗所設(shè)定的破壞標(biāo)準(zhǔn);當(dāng)復(fù)合抗凍劑在摻加量為1.5%條件下效果最佳，此時植被混凝土改良樣經(jīng)歷48 次凍融循環(huán)后，質(zhì)量損失率為11.25%，且相對動彈性模量保持在73.45%，同未摻入任何外摻劑的空白樣相比(空白樣在凍融循環(huán)12 次時，質(zhì)量損失率與相對動彈性模量分別為11.84%、70.69%)，具備較高的抗凍增強(qiáng)效益。

2.3 抗凍劑作用機(jī)制

植被混凝土生態(tài)基材屬于彈塑性材料，雖可承受一定的抗壓強(qiáng)度，但抗剪和抗拉強(qiáng)度卻很低［1］;因而凍融侵蝕對其破壞作用主要體現(xiàn)在凍結(jié)過程，反復(fù)凍融將引起植被混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。水在凍結(jié)時產(chǎn)生相變，造成體積膨脹，導(dǎo)致孔隙壁承受較大的膨脹應(yīng)力。當(dāng)這種應(yīng)力超過植被混凝土自身抗拉強(qiáng)度時就會出現(xiàn)微裂縫，且其在冰融化后不能完全復(fù)原，提供外界水入滲的機(jī)會增多。再次凍融時，又會產(chǎn)生新的微裂縫，且先前形成的裂縫會由于結(jié)冰而繼續(xù)擴(kuò)大。如此經(jīng)過反復(fù)的凍融，裂縫數(shù)目越來越多，體積比越來越大，最終引起植被混凝土動彈性模量和強(qiáng)度降低，同時表面會由于裂縫出現(xiàn)產(chǎn)生剝蝕破壞，造成質(zhì)量損失。

棕纖維、硅粉和表面活性劑作為抗凍劑原材料摻加到植被混凝土后，將影響其抗凍性能，3 材料類型不同，作用機(jī)制也存在著較大差異。

圖2 復(fù)合抗凍劑結(jié)果驗證Fig.2 Test results of composite antifreeze

1)棕纖維。植被混凝土中摻入棕纖維后，纖維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)起到聯(lián)結(jié)、約束和控制作用，能及時將凍融作用產(chǎn)生的應(yīng)力集中，并予以擴(kuò)散，從而抑制了微裂縫的發(fā)展［4-5］，故此植被混凝土的抗凍性得到一定改善與提高。

2)硅粉。植被混凝土中加入硅粉后，水泥熟化程度增大，生成大量的硅酸鈣三鈣、硅酸二鈣和鐵鋁酸四鈣等水化凝膠體，可填充混合物顆粒間的空隙，改善界面結(jié)構(gòu)及黏聚力，從而提高植被混凝土的強(qiáng)度。另外，從結(jié)構(gòu)上看，雖然摻入硅粉前后植被混凝土的總孔隙率基本相同，但摻入后粗大孔隙及毛細(xì)孔隙大量減少，而超細(xì)孔隙增加。超細(xì)孔隙對水有較大的吸附作用，使植被混凝土的凍結(jié)溫度降低，延緩了凍融過程，降低了破壞應(yīng)力［6］。正是上述強(qiáng)度的提高及結(jié)構(gòu)的改善，提高了植被混凝土的抗凍性。

3)表面活性劑。植被混凝土中摻入表面活性劑后，可引入大量不連續(xù)、均勻分布、微小且封閉的微細(xì)氣泡，從而提高自由水的遷移能力，緩和靜水壓力，降低表面張力，阻止外界自由水的補(bǔ)給，同時這些細(xì)小的氣泡能夠有效改善植被混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，并直接調(diào)節(jié)其對外界的冷熱、干濕、凍融交替作用下體積變化及內(nèi)部應(yīng)力變化的適應(yīng)能力［7-8］，結(jié)果自然導(dǎo)致植被混凝土抗凍性能的提高。

3 結(jié)論

1)參照水泥土抗凍改良試驗，并結(jié)合植被混凝土生態(tài)基材自身特點與功能，棕纖維、硅粉和表面活性劑可作為生態(tài)護(hù)坡基材抗凍劑的原材料。

2)棕纖維、硅粉和表面活性劑3 種原材料對植被混凝土生態(tài)基材的抗凍性有不同程度的提高與改善，其作用機(jī)制也不同。

3)對植被混凝土生態(tài)基材抗凍性能提升效益最明顯的復(fù)合抗凍劑質(zhì)量配比方案為棕纖維∶硅粉∶表面活性劑=1∶3∶0.05，且其摻加量為植生土干質(zhì)量的1.5%時效果最佳。