CN104478320A - 一种用于高寒地区的抗冻生境基材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种用于高寒地区的抗冻生境基材及其制备方法，应用于边坡生态防护工程、园林景观绿化工程等领域。本方法是先将纳米Al₂O₃、纳米SiO₂、黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、粉末状引气剂按配比混合均匀，得到矿物与植物纤维混合料；然后将其与混凝土绿化添加剂、有机质和水泥混合均匀，得到外掺料；最后将外掺料与干土混合，搅拌均匀后即可得到用于高寒地区的抗冻生境基材，并利用空压机喷射于边坡上。本发明提的生境基材中孔隙分布更加细腻、均匀，纤维加筋网络更加发达，有效提高了生态防护工程抵抗冻融破坏的能力，对生态防护技术在高寒地区的推广应用具有显著意义。

Description

一种用于高寒地区的抗冻生境基材及其制备方法

技术领域

本发明涉及生态防护技术领域，具体涉及在生态防护工程中，提供一种用于高寒地区的抗冻生境基材，在不影响植被正常生长条件下提高生态防护工程在高寒地区的适应性和耐久性。

背景技术

随着经济建设迅猛发展，我国基础设施建设正如火如荼的进行，道路修建、水电工程建设、矿山开采等不可避免的形成众多受损边坡，生态防护技术应运而生。在我国，经过近几十年的发展，生态环境的可持续发展已成为人们的共识，破损边坡的生态功能恢复正成为区域生态质量评价的重要考察指标。目前，在我国应用最广、效果最好的生态防护技术有植被混凝土生态防护技术、客土喷播技术、厚层基材喷射技术等，它们都属于喷混植生技术，核心技术大同小异，均是以土壤、有机质、有机肥料、水泥等为原材料构成植被生长的载体，该载体称之为生境基材。

在我国，生态防护工程几乎全部分布于南方低纬度地区，至今尚未发现有关高寒地区生态防护工程的相关报道。高寒地区由于全年霜冻期长，因地表水引起的冻融现象会对基材产生严重侵蚀，物理结构的变化与重量的损失使得生境基材难以为植被的继续生长提供条件。如植被混凝土生态防护技术在我国已大面积推广，水泥的掺入使得其具有较高的强度和耐久性能，但实验研究表明：植被混凝土经过25次快速冻融循环后，质量和相对动弹性模量损失率均超过50%。

据文献报道，有学者已开展了一些探索性研究，选择向生境基材中加入以风干华山松针、粉煤灰、液态表面活性剂等组成的外掺料，但是生境基材的抗冻效果并不理想。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种用于高寒地区的抗冻生境基材及其制备方法，通过改善基材的孔隙结构和增强纤维加筋作用，提高高寒地区生态防护工程的适应性和耐久性，保证植被健康持续生长和群落演替的基本土壤环境和载体功能，减少重复投资几率，提高生态防护工程性价比。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于高寒地区的抗冻生境基材，包括按重量份计的以下材料制成：纳米Al₂O₃ 19~21份，纳米SiO₂ 19~21份，黄麻纤维4~6份，棕树叶鞘纤维4~6份，粉末状引气剂0.008~0.012份，混凝土绿化添加剂30~40份，有机质90~110份，水泥60~70份、干土720~780份。

优选方案中，包括按重量份计的以下材料制成：纳米Al₂O₃ 20份，纳米SiO₂ 20份，黄麻纤维5份，棕树叶鞘纤维5份，粉末状引气剂0.01份，混凝土绿化添加剂35份，有机质100份，水泥65份、干土750份。

所述的纳米Al₂O₃和纳米SiO₂粒度为20~200nm。

所述的黄麻纤维直径为30~120μm，棕树叶鞘纤维直径为200~400μm，且黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、干土的含水量均在5%以下。

所述的粉末状引气剂为水溶性阴离子表面活性剂。

所述的有机质是锯末、稻壳、或酒糟中的一种或一种以上的混合物。

制备上述用于高寒地区的抗冻生境基材，具体步骤为：

1）先将纳米Al₂O₃、纳米SiO₂、黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、粉末状引气剂按配比混合均匀，得到矿物与植物纤维混合料；

2）将步骤1所得的物料与混凝土绿化添加剂、有机质和水泥混合均匀，得到外掺料；

3）将步骤2）所得的外掺料与干土混合，搅拌均匀后即可得到用于高寒地区的抗冻生境基材，可用于喷射施工。

所述的混凝土绿化添加剂采用的是中国专利ZL01138343.7所提供的混凝土绿化添加剂。

如果采用风干华山松针作为植物纤维，其直径为600~900μm，难以均匀分布于生态基材中，甚至会加剧基材中贯通裂隙的发育，对抗冻性能起负面作用。同时，纤维加筋作用主要由纤维与基材间的摩擦力提供，而华山松针呈中间粗、两端细的形态，易与基材发生拉脱，纤维加筋效果不佳。

另外，粉煤灰粒径10~300μm，相比纳米级材料粒径偏大，对基材孔结构改善作用不明显；再者，粉煤灰自身孔隙率大，具有很强的吸水性，添加进生境基材后会对生态恢复植被生长所需的水分环境造成显著影响。而表面活性剂通常为水泥掺入量的1/5000~1/10000，使用量极低，若采用液态表面活性剂，难以在生境基材中拌合均匀。

研究表明，土粒矿物成分、土粒形状与级配、土壤密度、含水率、孔结构、水泥标号和用量等因素是影响基材强度的主要因素，并且根系加筋作用可显著提高根土复合体的粘聚力和内摩擦角。但生态防护工程一般就地取材，土质由工程当地自然条件决定，不可改变；而水泥标号和用量对基材理化性质影响较大，从植物生长角度来看，也不可随意变更。基于上述几点，可考虑从增强加筋作用和改善孔结构两方面着手对基材的抗冻性能加以改进。同时，遵循以下原则：既保证基材本身具有良好的抗冻性能，又不对基材的pH值和孔隙率产生大的影响，以利于植物的正常生长。

本发明具有以下有益效果：

1、所用的矿物粉末（如纳米Al₂O₃和纳米SiO₂）粒径为纳米级，具有极强的填充效应，可使生境基材中孔隙分布更均匀，在保持总孔隙率不变的前提下，使有利于抗冻性能提高的小孔增多、有害的大孔减少。另外，纳米Al₂O₃和纳米SiO₂均能与水泥浆体中的Ca(OH)₂反应，有利于中和水泥碱性对植被生长的不利影响。

2、所用的植物纤维（如黄麻纤维和棕树叶鞘纤维）属于细纤维，与同质量的植物粗纤维相比，更有利于在生境基材中形成加密加筋网络，其效果可等同于玻璃纤维在水泥土中的加筋效果。此外，黄麻纤维和棕树叶鞘纤维各有优点，黄麻纤维在天然植物纤维中具有最高的抗拉强度，棕树叶鞘纤维强度次之，二者均能被生物降解，但棕树叶鞘纤维降解速度更缓。二者共同作用，不仅提高了生境基材整体性，使生境基材即使经受冻融作用也不易发生表面剥落，并且其降解过程还能为植被生长提供一部分养分来源。

3、所用的粉末状引气剂属于水溶性阴离子表面活性剂，除了具有丰富的气泡生成能力，所产生的泡沫还具有极佳的细腻性和稳定性，有利于改善生境基材孔隙结构。另外，与液态引气剂相比，粉末状引气剂更易与生境基材混合料拌合均匀。

4、抗冻生境基材使用的植物纤维易于获得且价格低廉，纳米级矿物粉料和粉末状引气剂虽然成本更高，但掺入量较低，因此综合成本仍较低。

5、抗冻生境基材可直接通过空压机喷射于坡面，无需改装现有施工设备。

6、经实验测定，使用本制备方法处理后的植被混凝土pH值为6.8~8.5，总孔隙率为35%~45%，不会对植物生长产生不利影响。

具体实施方式

下面结合实施例进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。

实施例1：

一种用于高寒地区的抗冻生境基材，由以下材料制成：纳米Al₂O₃ 19kg，纳米SiO₂ 19kg，黄麻纤维4kg，棕树叶鞘纤维4kg、粉末状引气剂8g、混凝土绿化添加剂30kg，有机质90kg，水泥60kg、干土720kg。

制备时，先将纳米Al₂O₃、纳米SiO₂、黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、粉末状引气剂按配比混合均匀，得到矿物与植物纤维混合料；然后将其与混凝土绿化添加剂、有机质和水泥混合均匀，得到外掺料；最后将外掺料与干土混合，搅拌均匀后喷射施工，即可得到用于高寒地区的抗冻生境基材。

经实验测定，采用此制备方法制作的抗冻生境基材经过25次冻融循环后，质量损失率为13.3%，相对动弹性模量损失率为16.4%。

实施例2：

一种用于高寒地区的抗冻生境基材，由以下材料制成：纳米Al₂O₃ 21kg，纳米SiO₂ 21kg，黄麻纤维6kg，棕树叶鞘纤维6kg、粉末状引气剂12g、混凝土绿化添加剂40kg，有机质110kg，水泥70kg、干土780kg。

制备时，先将纳米Al₂O₃、纳米SiO₂、黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、粉末状引气剂按配比混合均匀，得到矿物与植物纤维混合料；然后将其与混凝土绿化添加剂、有机质和水泥混合均匀，得到外掺料；最后将外掺料与干土混合，搅拌均匀后喷射施工，即可得到用于高寒地区的抗冻生境基材。

经实验测定，采用此制备方法制作的抗冻生境基材经过25次冻融循环后，质量损失率为13.7%，相对动弹性模量损失率为19.1%。

实施例3：

一种用于高寒地区的抗冻生境基材，由以下材料制成：纳米Al₂O₃ 20kg，纳米SiO₂ 20kg，黄麻纤维5kg，棕树叶鞘纤维5kg、粉末状引气剂10g、混凝土绿化添加剂35kg，有机质100kg，水泥65kg、干土750kg。

制备时，先将纳米Al₂O₃、纳米SiO₂、黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、粉末状引气剂按配比混合均匀，得到矿物与植物纤维混合料；然后将其与混凝土绿化添加剂、有机质和水泥混合均匀，得到外掺料；最后将外掺料与干土混合，搅拌均匀后即可喷射施工，得到用于高寒地区的抗冻生境基材。

经实验测定，采用此制备方法制作的抗冻生境基材经过25次冻融循环后，质量损失率为14.8%，相对动弹性模量损失率为18.2%。

实施例4：

植被混凝土生态防护基材，由以下材料制成：混凝土绿化添加剂35kg，有机质100kg，水泥65kg、干土750kg。

制备时，先将混凝土绿化添加剂、有机质和水泥混合均匀，再与干土混合，搅拌均匀后即可喷射施工，得到植被混凝土生态防护基材。

经实验测定，采用此制备方法制作的植被混凝土经过25次冻融循环后，质量损失率为53.6%，相对动弹性模量损失率为62.7%。

Claims (7)

1.一种用于高寒地区的抗冻生境基材，其特征在于，包括按重量份计的以下材料制成：纳米Al₂O₃ 19~21份，纳米SiO₂ 19~21份，黄麻纤维4~6份，棕树叶鞘纤维4~6份，粉末状引气剂0.008~0.012份，混凝土绿化添加剂30~40份，有机质90~110份，水泥60~70份、干土720~780份。

2.根据权利要求1所述的用于高寒地区的抗冻生境基材，其特征在于：包括按重量份计的以下材料制成：纳米Al₂O₃ 20份，纳米SiO₂ 20份，黄麻纤维5份，棕树叶鞘纤维5份，粉末状引气剂0.01份，混凝土绿化添加剂35份，有机质100份，水泥65份、干土750份。

3.根据权利要求1所述的用于高寒地区的抗冻生境基材，其特征在于：所述的纳米Al₂O₃和纳米SiO₂粒度为20~200nm。

4.根据权利要求1所述的用于高寒地区的抗冻生境基材，其特征在于：所述的黄麻纤维直径为30~120μm，棕树叶鞘纤维直径为200~400μm，且黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、干土的含水量均在5%以下。

5.根据权利要求1所述的用于高寒地区的抗冻生境基材，其特征在于：所述的粉末状引气剂为水溶性阴离子表面活性剂。

6.根据权利要求1所述的用于高寒地区的抗冻生境基材，其特征在于：所述的有机质是锯末、稻壳、或酒糟中的一种或一种以上的混合物。

7.制备权利要求1-6之一所述的用于高寒地区的抗冻生境基材，其特征在于，具体步骤为：

1）先将纳米Al₂O₃、纳米SiO₂、黄麻纤维、棕树叶鞘纤维、粉末状引气剂按配比混合均匀，得到矿物与植物纤维混合料；

2）将步骤1所得的物料与混凝土绿化添加剂、有机质和水泥混合均匀，得到外掺料；

3）将步骤2）所得的外掺料与干土混合，搅拌均匀后即可得到用于高寒地区的抗冻生境基材，用于喷射施工。