CN109197500A - 可引导植物根系与地基固定的复合材料层及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可引导植物根系与地基固定的复合材料层及其施工方法，其中，可引导植物根系与地基固定的复合材料层，设于地基层上方，其包括硅质石粉层和设于硅质石粉层之下的基质层，本方案的实施可达成植物根系的良好分配，令其既有利于相对弱小的主根扎根于地基，又有利于发达的侧根固定住上覆层减少流失、滑动,增加绿化土壤团块的思路可从目前的边坡绿化混凝土结构中的泥丸大尺度放大得到，其局限在于获得的仅仅是植物生境与培养基的放大，后二者难以从工程学和材料学中简单去的，通过本发明方案的组合能够进一步产生特殊的效果，以满足了技术分析所提出的要求，但其相应地对土壤团块的肥力也提出了比较高的要求，这也有利于处置淤泥等。

Description

可引导植物根系与地基固定的复合材料层及其施工方法

技术领域

本发明涉及植物种植技术领域，尤其是一种可引导植物根系与地基固定的复合材料层及其施工方法。

背景技术

土坡的防护通常采用植物种植和梯田护坡的方法来实施，互相矛盾的需求是植物护坡需水量大且防护绿化层强度要求高，否则普遍出现植物枯萎或降雨冲沟、滑坡等问题。

其中，梯田护坡可靠性高，但成本较高；绿化混凝土成本极高难以大面积推广；脆弱基质目前往往采取覆绿化土种植被的方法进行保护，但其存在脆弱基质——绿化土的结合界面脆弱，易漏水、滑坡、地表径流冲沟等问题，根系易拔出，不耐台风、动物破坏的问题。

通过对石材厂硅质石粉堆放污染进行田野调查中发现硅质石粉覆盖的脆弱地基相当稳定，覆盖层湿强度很高，保水能力很强，但存在绿化难的问题。通过理论分析了解到期关键在于早期种苗不易在缺土壤、透气性差的恶劣环境下成长。细于40目的建筑硅质石粉是大宗石材加工和建筑石子制造的副产物，且通常难以作为筑路石粉使用，归类于工业废弃物需要花钱环保治理。

在大自然中，片岩夹土的土层一旦绿化，由于植物根系对片岩的缠绕，土层强度往往很高，但土壤很容易冲刷流失。

另外，在现有文献中，廉价的脆弱地基绿化技术应当可以从如下公开文件中进行技术整合获得。

（1）常见的路基石粉铺垫层，如文献《石粉在路基填筑中的应用研究》-蒋亮-《公路交通科技(应用技术版)》–2011，该技术认为石粉垫层具有承载力高、压缩性低、应力扩散角大、自身消散附加应力能力强的特点。由于石粉垫层材料来源广泛、价格低廉、施工工艺简单,因此是一种适用于推广应用的新型垫层材料。显然，其所具有的这系列特点也适合用于解决覆土层与脆弱地基之间的连接问题。但由于硅质石粉层潮湿时不透气且透水难，所以其透水速度很慢的特点在植物栽植时不利植物根系穿透。

（2）常用的防渗膜，在诸如沙地治理、湖泊防渗中经常使用，地表地下双层防渗膜理论上可以解决绿化保水问题，这在沙地水稻种植实验报道中也已用到。然而其存在的问题是抗老化性能通常在二十年左右起有效作用，持久性能差，且植物根系难以穿透，即便是穿透，下方因为长期完全不透气处于厌氧状态，也会导致深根难以成长，相应地体现为植株抗风能力不足；另外，如果防渗膜用于边坡防渗用途，当边坡存在一定坡度时，还存在上覆土与下层基础之间水分饱和时容易滑动，不具备足够安全性。总之就是无法形成一体性的稳定地基。

（3）目前对于绿化土层和地基基质的固定问题上，通常采取锚固、化学固化脆弱基质的方法，来解决绿化土层与脆弱基质在下垫面水分饱和时滑动的问题，但这成本较高不易推广，也未能有效解决绿化保水问题。

相应的报道文献有：一种用于道路临时性应急处置的复合材料袋及其制作工艺CN201610807205.X，发明人陈楷翰等，该发明本质上也是硅质石粉垫复合材料用于应急修复兼绿化，保水能力很好但没有低成本解决植物根系长期有效穿透进脆弱基质的问题（纸浆、纤维等价格高，树枝易腐烂，这些生物材料腐烂后如植物根系未能长好，则因缺乏通透骨架而使植物难以再次补种绿化），且外来物种不易在该复合材料袋上大量繁殖，合理的原因应当是虽然考虑到了硅质石粉层材料很强的保水护土能力，但弱点在于尚不能提供一个优越的种苗期生长环境，功能上还是过于偏向道路临时性应急处置，用途较为单一因此需要在关键结构上进一步升级。

上述的三份文献所公开技术的分析及局限为：

硅质石材粉末选择以二氧化硅为主要成分的花岗岩粉、玄武岩粉、石英砂粉等，二氧化硅质细粉遇大量水后形成颗粒表面上的水化硅酸层，具备很强的触变性和保水阻水能力，表观为干燥速度很慢，当近似干燥时水化硅酸层则脱水透气，该性质可近似无限重复。

理论上这种强保水的特点对植物呼吸不利，但考虑到通常脆弱地基可以特意施工成不被硅质石粉层全面积封闭（类似海绵结构），少部分面积的透水通常不会导致脆弱地基大量吸水破坏，因此土壤气体交换问题容易施工解决。

一旦出现地基裂纹时，高度潮湿的硅质石粉因为有很强触变性，细小颗粒也能通过工程施工方法流入裂缝中自行堵漏强化地基。但蠕变程度需要空间单元限制否则暴雨时依然可能出现整个硅质石粉层滑移问题，需要材料结构上进行解决。

由于硅质石粉层具有保湿能力和绿化通常需要一定的浇灌，因此硅质石粉处于潮湿状态的几率很大。由于潮湿时二氧化硅为主的石材粉末本身缺乏营养和透气性，上覆土层植物根系通常不能主动穿透，优先在上覆土壤中伸展而不进入硅质石粉层和脆弱基质中生长，不能实现植物根系——基质改造双重防护功能，需要特殊的思路来解决。

发明内容

针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种实施可靠、能够诱导根系与地基结合固定、成本低且具有产业推广价值的可引导植物根系与地基固定的复合材料层及其施工方法。

为了实现上述的技术目的，本发明采用的技术方案为：

可引导植物根系与地基固定的复合材料层，设于地基层上方，其特征在于：其包括石粉层和设于硅质石粉层之下的基质层。

进一步，所述的硅质石粉层中掺杂有淤泥、绿化土团块、改性片状材料中的至少一种。

优选的，淤泥、绿化土团块或改性片状材料为间隔掺杂与石粉层中且呈蜂窝状布设，所述的绿化土团块部分裸露出硅质石粉层。

优选的，所述的改性片状材料包括海蛎壳、高磷钢渣碎片、片岩中的至少一种。

优选的，所述的硅质石粉层中还掺杂有弹性骨架材料，所述的弹性骨架材料经磷酸钾肥料溶液浸渍处理。

更为优选的，所述的弹性骨架材料为竹枝。

进一步，所述的硅质石粉层表面还喷覆有短纤维或防尘剂或液体农膜。

进一步，所述的基质层包括土壤固化剂层，所述土壤固化剂层中掺有硫酸钙、硼镁肥中的至少一种。

进一步，所述硅质石粉层和基质层的总厚度为10～50 cm。

可引导植物根系与地基固定的复合材料层的施工方法，其包括如下步骤：

（1）将基质层铺设于地基上方且同时挖出浅坑或浅沟；

（2）将硅质石粉层中掺杂的材料先撒布于基质层上；

（3）对基质层和地基进行泼水和振动，令基质层和地基软化，且使撒布于基质层上的材料穿入并墩实；

（4）根据预设厚度进行撒布硅质石粉以完成硅质石粉层铺设。

综合上述，本发明方案的创新点及其可进一步实施的核心是：

1.通过硅质石粉中安放绿化土壤团块（或将其装袋整形成团包），形成硅质石粉包覆土团类蜂巢结构，以确保植物生境和营养，同时解决传统整体土壤层大量含水后的滑移问题；

2.对硅质石粉复合材料的骨料进行改进，增加植物所需营养、矿物成分及固定上有机酸型生根剂，引导根系贴生骨料，从而使绿化后根系可进入硅质石粉复合材料层中大量包裹骨料，使上覆层互相结合十分牢固且根系很难拔出；

3.骨料松散堆积，互相有搭接，与绿化土壤团块也有搭接，一方面限制硅质石粉潮湿时的蠕变空间，一方面给土团导水导根，一方面增强脆弱基质和复合材料覆土层。

采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：通过三管齐下过择一实施来达成植物根系的良好分配，使其既有利于相对弱小一些的主根（复合材料底层硅质石粉覆盖层下的供水、供气、供肥受到限制，实际观察主根成长状况较差）扎根于地基，又有利于因追寻水肥、植物激素而穿入石粉层，发达的侧根固定住上覆层减少流失、滑动。另外，增加绿化土壤团块的思路可以从目前的边坡绿化混凝土结构中的泥丸大尺度放大得到，（简单地放大泥丸结构其局限在于获得的仅仅是植物生境与培养基的放大），因此，采用三者方案的组合则能够进一步产生特殊的效果，以满足了技术分析所提出的要求，但是其相应地对土壤团块的肥力也提出了比较高的要求，这相应地可以引导为有利于资源化处置淤泥、生活污泥等。

具体实施方式

本发明方案简要实施梗概如下：

复合材料层的总厚度要求10～50 cm，上层的硅质石粉层中夹有淤泥或绿化土团块、改性片状材料形成绿化保水/力学复合层，其夹杂的状态类似蜂窝，部分绿化土团块露出地表便于种植植物种苗，露出面积可控，可以通过喷洒液体农膜保护其表面；最下方的一层基质层覆盖在水岸边坡或者脆弱基质上进行隔水、力学强化界面。

该实施形式适合近自然性质的间歇灌溉，此时石粉层承担起储水保水的功能。连续滴灌工艺由于不能导致硅质石粉交替干燥粉化——潮湿保水——湿润蠕变的过程，不利于根系穿透垫层及具备充足透气性，不建议使用。这相应也节约了传统边坡绿化灌溉设备的成本。

另外，在二氧化硅质为主的石粉层掺混含有植物营养成分（尤其以镁、磷、钾等容易欠缺的元素）的片状材料如含磷、镁成分较多的海蛎壳、高磷钢渣碎片、含磷物质改性的含营养元素的片岩（如含镁的白云石、滑石、菱镁矿、含钾的霞石、长石）等，也可额外补充弹性骨架材料如竹枝(通常预浸磷氮)等。这些矿物质材料及硅质石粉很容易捕捉外来的、及土壤团块渗出的腐殖酸、氮等成分而营养化，也基本杜绝了地表径流带来的面源污染。

另外，在添加份数情况上，若土壤团块体积不计，100份体积的硅质石粉与上述特定片状材料10～100体积份，可额外补充短竹枝等弹性材料5-30份。硅质石粉垫之下脆弱基质面通常预先施放石粉垫重量0～2%的常见土壤固化剂兼植物基肥如过磷酸钙、硼镁肥等。最优状况是三者都添加。

上述特定片状材料或竹枝中，可补充0-0.05%的有机酸型生根剂如吲哚乙酸、萘乙酸等，其具备与钙镁铝等矿物成分反应结合的能力，以更进一步诱导根系贴近发育。

通常地表可考虑额外加喷短纤维和防尘剂，或者直接喷洒液体农膜，以使得复合材料层表面形成薄层防护层。

对于土壤团块和硅质石粉的宏观体积比例，通常体积比在10:3～0:3之间（当实施初衷为以完全隔水为主要目的时不加入土壤团块），要求尽量做到脆弱基质层保护面上土壤团块含量少，覆盖层中间土壤团块含量高，地表部分土壤团块露出，即可满足工程操作要求。最优化施工工艺是使用可降解材料预包装土块，铺设脆弱基质石粉薄层之后再放上预包装土块袋、硅质石粉和片材/弹性骨架材料等，振动嵌入保护面并成型，即可同时满足脆弱基质层土壤团块比例小、覆盖层中间土壤团块含量好的要求。

其简要通用施工工艺如下：

（1）先对硅质石粉层下方的脆弱基质进行调整（通常施加固化剂与基肥进行调整肥力和机械强度）,在调整的同时挖出浅坑或浅沟，以加大层与层之间的接触面。

（2）根据预设配置配方将部分片状材料、弹性骨架材料与硅质石粉混合，然后撒布在硅质石粉层下方的脆弱基质面（基质层）上，再放上少量土壤团块，形成脆弱基质覆盖层，再投放绿化土团块、硅质石粉和片状材料/弹性骨架材料等营建上层结构。

（3）对基质层和地基进行泼水后振动墩实，使其形成过渡界面及其覆盖绿化复合材料层。关键点在于必须对地基泼水后振动，才可使竹枝、骨料等嵌入潮湿软化了的脆弱基质覆盖层，达到良好锚固粘结贯穿绿化层和脆弱地基效果。

另外，还可以选择性补充的方案是，对地表加喷常规的液体农膜形成薄层保护层避免其直接裸露，以减少风力破坏；通常也可使用绳网埋设在该硅质石粉层中，待植物根系与之复合作为治理土层的加强筋；通常与矮挡土墙配合使用，以减少受到地表径流冲击破坏。治理面积较大时通常可辅助以打桩锚固。

如果采用现有技术中的劣化技术进行使用土工网格、三维土工网垫替代弹性骨架材料，然后上传统的覆土层。该技术常见于一般的边坡固定，施工中不限制但经常使用铺路用石粉，实质上也暗符二氧化硅质粉料要求。但成本贵，耐久能力差，最关键的是土工网格限制住了植物根系的横向伸展，土工网格和三维土工网垫降解之后土壤层就不能成为整体化，更无助于防渗与保水。另外，一旦使用这两种材料，则预先在地基挖出浅沟浅坑意义不大，不具备利用石粉复合材料潮湿时的触变性和刚性，对于坡度较大的地基存在较为明显的滑移危险。

该方法关键在于除了达成防渗、堵漏常见要求外，还通过营养物质引导植物根系穿透石粉层到达基质和地表横向网络发展，解决了上覆土网络强化——脆弱基质之间连接的要求。

在成本上，由于使用的硅质石粉、片状材料、竹枝等数量不多，无纺布土包目前价格也仅在1元/个左右，整体成本并未明显上升，考虑到兼顾部分淤泥等生活与农林渔牧废料可作为土包、骨料等的附属填埋功能，又明显降低了冲沟、滑坡、抗风等风险，因此有相当大的产业推广价值。

以下结合两个具体操作实例以对本发明方案进一步阐述，其中实施例1、2为无添加绿化土团块：

实施例1

将复合材料层的垫层厚度设计为10厘米，配方为100目以上花岗石粉60体积份，预浸于重量比为0.01%的吲哚乙酸中的海蛎壳30体积份，预浸于磷酸钾肥料中的切短竹枝10份，石粉层以下的基质层预先施放0.3重量份的含有过磷酸钙固化土壤；然后按照前述通用施工工艺的步骤操作。

本实施例方案的淤泥（石粉层中掺有）转化后1个月，通过土壤取样器（洛阳铲）挖掘土柱进行检验，发现石粉层下方河岸基质有少量渗水但可塑化基质层厚度一直在0.5-2厘米内，且海蛎壳和竹枝嵌入河岸基质塑化层中起强化和控制水分渗透功能，横向推动土柱不发生滑移现象，说明其与基质结合良好保水性也好；而种植在本实施例方案上的植物的根系大部分在石粉层上方的覆土层生长，从而保护上覆土少被地表径流冲刷，其余部分沿着片状材料和竹枝爬行穿透石粉层进入河岸基质，这不但不会造成河岸基质的破坏，反而强化了二者连接。

实施例2

将复合材料层的垫层厚度设计为约8厘米，配方为硅质石粉统料70体积份，破碎首选形状较近于片状的高磷钢渣15体积份，切短的预浸于磷酸钾肥料中的竹小枝20体积份，石粉层以下预先施放0.1重量份的硼镁肥作为泥浆絮凝固化剂。

由于竹枝阻碍土壤不好取样，在本实施例检验中发现有竹枝插入土层基质中，横向推动土柱不发生滑移现象，表现出淤泥转化层与基质之间极为良好的结合，植物根系分布与实施例1类似，但其效果更优于仅仅使用片层材料复合的结果。

此案例的脆弱基质为海滨的粗砂/碎卵石地基。

由于硅质石粉复合材料层上面具有大量淤泥，因此不进行表面防护层喷洒亦可；由于其不承载绿化功能，仅仅主要承载减渗、脆弱地基与载重层的结合，因此填料用量较多且不需要做成多层垫层保水，也不加入土壤团块。

实施例3

本实施例以泉州花岗岩采石场矿山坡地修复为示范，通过对石屑地基层投放淤泥100份、过磷酸钙0.5份、硼镁肥0.5份，冲水拌合，利用钙镁离子对淤泥的改性形成石屑——胶泥地基固化层。由于淤泥用量较少，该脆弱基质被力学强化的同时，依然保持多孔状态，具有对水良好的通透性，也有利于根系在脆弱地基中生长。

在此基础上就地取材铺设花岗岩石粉复合材料底料，花岗岩石粉复合材料底料厚度为5公分左右，然后放上土块，扒成粗糙不平的沟垄形状，形成底层基质雏形。喷洒少量泥浆润湿底层基质雏形，在此基础上堆放牛皮纸袋预包装绿化土团包（部分直接用合格清淤土的无纺布包、装厨余/秸秆/土的无纺布包替代绿化土团填埋以大幅降低成本，重量大致为25公斤1包），在土包缝隙中继续倒上石粉/改性片状材料使绿化土层局部露出即可，使覆土层形成类似大量花盆靠在一起呈现出蜂巢样分布的状态，此时通过喷淋稀泥浆并机械振实，其上喷市售液体农膜进行固化。

石粉复合材料配方：预浸于重量比为0.01%生根粉和吲哚乙酸的海蛎壳、碎石片总和50体积份，预浸于EM菌的切短竹枝10份和100份花岗岩石粉混合。花岗岩石粉为粉状和少量细沙状混合的统料，大部分粒径小于40目。

施工时要求喷湿后小型振动板稍微振实，施工完后即可用棍子在“土盆”上戳洞种植耐旱植物（禾本科和菊科先锋植物为主）。整体实际结构类似于一个个装有土壤的花盆堆放在一起，花盆之间有石粉复合材料层隔开。

试验地做挡土墙——引流沟；绿化覆盖层中铺埋绳网作为加强筋——此部分均为传统工艺便不赘述。

修复结果：与直接铺设绿化土（地表有喷铝——聚丙烯酰胺防尘剂）组相比，使用该工艺绿化的结果体现出如下几个优势：

一、均用本发明方案思路的前提下，使用清淤淤泥、厨余废料包的绿化区，绿化状况好于使用常规绿化土区域，无明显的污染转移现象，预计该发明可兼作为部分有机垃圾品种填埋使用；在较长间隔浇灌前提下，土壤保水性明显好于传统绿化土壤层，植物绿化效果好；

二、当坡度30度以下时，本发明实施区在暴雨冲刷下基本不出现绿化土滑坡和外泄现象，合理解释是被外来杂草覆盖住表面的石粉层保护了绿化土壤团块被雨水冲刷，直接覆土区域大量冲沟出现；

三、在实施一年后，取样观测发现灌木植物和芒草根系在浅层形成密集网络并大量延伸进入石粉层，与预先铺设的绳网有缠绕，起到组合加强的作用，难以拔出； 且主根贴近片状与弹性材料表面大量进入地基石屑层结合为一体。石粉缝基本有外来杂草覆盖，部分紧贴着石粉缝的海蛎壳和碎石片蔓延生长，估计种源是风力或流水携带而来，被石粉层上粗糙的片材、弹性材料拦截并成长。

未加片状复合材料的石粉+土壤层绿化尚可，但根系零散集中在土壤层中，植株易拔出，未能稳定住石粉与石屑碎屑层。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依照本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆属于本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.可引导植物根系与地基固定的复合材料层，设于地基层上方，其特征在于：其包括硅质石粉层和设于硅质石粉层之下的基质层。

2.根据权利要求1所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：所述的硅质石粉层中掺杂有淤泥、绿化土团块、改性片状材料中的至少一种。

3.根据权利要求2所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：淤泥、绿化土团块或改性片状材料为间隔掺杂于硅质石粉层中且呈蜂窝状布设，所述的绿化土团块部分裸露出硅质石粉层。

4.根据权利要求2所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：所述的改性片状材料包括海蛎壳、高磷钢渣碎片、片岩中的至少一种。

5.根据权利要求2所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：所述的硅质石粉层中还掺杂有弹性骨架材料，所述的弹性骨架材料经磷酸钾肥料溶液浸渍处理。

6.根据权利要求5所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：所述的弹性骨架材料为竹枝。

7.根据权利要求1所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：所述的硅质石粉层表面还喷覆有短纤维或防尘剂或液体农膜。

8.根据权利要求1所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：所述的基质层包括土壤固化剂层，所述土壤固化剂层中掺有过磷酸钙、硼镁肥中的至少一种。

9. 根据权利要求1所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层，其特征在于：所述硅质石粉层和基质层的总厚度为10～50 cm。

10.根据权利要求1至9之一所述的可引导植物根系与地基固定的复合材料层的施工方法，其特征在于：其包括如下步骤：

（1）将基质改造用的固化剂撒布于地基上方且同时挖出浅坑或浅沟；

（2）将硅质石粉层中掺杂的各种材料先撒布于基质层上；

（3）对基质层和地基进行泼水和振动，令基质层和地基软化，且使撒布于基质层上的材料穿入并墩实；

（4）根据预设厚度进行撒布硅质石粉以完成硅质石粉层铺设。