活性炭對(duì)植被混凝土性能影響

　　植被混凝土是邊坡生態(tài)保護(hù)應(yīng)用比較廣泛的基材之一，通常，植被混凝土由土壤，水泥，有機(jī)材料，微生物制劑，植物種子和水組成。各成分的比例主要由區(qū)域氣候，地質(zhì)條件，坡度角和工程位置的土壤質(zhì)地確定。但是，仍然存在一些不利于植物生長(zhǎng)的缺陷，例如高密度，低孔隙度，營(yíng)養(yǎng)保留能力不足等�；钚蕴靠梢杂行Ы档兔芏�，改善土壤結(jié)構(gòu)。在另一方面，在一定程度的營(yíng)養(yǎng)物中存在活性炭中，其可以提高土壤肥力和促進(jìn)植物生長(zhǎng)。而且，活性炭表面存在大量的負(fù)電荷，許多礦質(zhì)元素可以被吸附，這意味著活性炭可以提高土壤的陽(yáng)離子交換水平并保留養(yǎng)分。因此，可以提高持續(xù)營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)的能力。所以這次我們使用木質(zhì)活性炭和煤質(zhì)活性炭對(duì)植被混凝土理化性質(zhì)的影響。

　　土壤中活性炭添加比例

　　活性炭的比例并不一定多才好，因?yàn)檫^(guò)多的活性炭會(huì)明顯降低機(jī)械強(qiáng)度，從而導(dǎo)致更嚴(yán)重的失水或土壤侵蝕問(wèn)題。此外，有必要指出，性能效果肯定取決于活性炭的原材料，碳化溫度，土壤的質(zhì)地和粒度組成以及其他一些因素。此外，由于老化而從固態(tài)活性炭經(jīng)過(guò)老化轉(zhuǎn)化而來(lái)的可溶性碳很容易因流動(dòng)的水而流失。因此，在土壤改良領(lǐng)域中，與在不同類型的土壤中使用的活性炭的合適類型，比例和耐久性有關(guān)的問(wèn)題是比較重要的。

　　使用兩種活性炭進(jìn)行測(cè)試

　　測(cè)試涉及的主要材料是種植土壤，水泥，有機(jī)材料，微生物制劑，植物種子，木質(zhì)活性炭，煤質(zhì)活性炭和水。在測(cè)試地點(diǎn)表面深度1 m以內(nèi)的天然黃棕色壤土中選擇種植土壤。取回土壤，干燥，搗碎，并通過(guò)2mm的篩子過(guò)篩。設(shè)置了兩種活性炭含量的六個(gè)梯度。木質(zhì)活性炭(W)和煤質(zhì)活性炭(M)的含量分別占種植土壤干重的0%，0.5%，1%，2%，4%和6%。進(jìn)行了使用塑料播種機(jī)的室外盆栽試驗(yàn)，并且根據(jù)活性炭含量的六個(gè)不同值，將測(cè)試中使用的每個(gè)塑料播種機(jī)分為六個(gè)較小的播種機(jī)。首次取樣于7天開(kāi)始，以確保水泥的水合反應(yīng)基本完成。然后，分別在37、97和187天取樣。圖1顯示了活性炭的SEM和實(shí)驗(yàn)中使用的播種機(jī)布置。

　　圖1：兩種活性炭的SEM圖像和實(shí)驗(yàn)中的播種機(jī)安排。

　　改變干密度和孔隙率的規(guī)律

　　密度和孔隙率是植被混凝土對(duì)植物生長(zhǎng)最重要的物理性能。如圖2A，B所示，隨著活性炭比例的增加，植被混凝土的干密度降低，孔隙率顯著增加。隨著時(shí)間的流逝，干密度首先從0增加到37d，然后在37d之后減小。根據(jù)圖2C，D，孔隙率趨勢(shì)顯示出相反的行為。這種趨勢(shì)的原因可能是在37d之前發(fā)生了植被混凝土的主要固結(jié)并且植物根對(duì)植被混凝土的影響很小。隨著植物的生長(zhǎng)，植被混凝土中的孔隙不斷增加。因此，干密度降低。從圖2，還發(fā)現(xiàn)煤質(zhì)活性炭的樣品的干密度高于木質(zhì)活性炭的樣品的干密度。該發(fā)現(xiàn)可能是由于煤質(zhì)活性炭的密度高于木質(zhì)活性炭的密度。

　　圖2：活性炭對(duì)植被混凝土干密度(A，B)和孔隙率(C，D)的影響。

　　活性炭保水能力

　　飽和水含量可以直接反映持水量，它代表植被混凝土的供水量。飽和水含量隨活性炭比例的增加而增加。對(duì)于含有木質(zhì)活性炭的樣品，當(dāng)其比例從0.5%增加到1%時(shí)，其增加率要高于其他情況。此外，煤質(zhì)活性炭的樣品的飽和水含量隨時(shí)間變化不敏感�？梢酝茢喑瞿举|(zhì)活性炭的耐久性和潛力可能比煤質(zhì)活性炭的耐久性和潛力更好。

　　剪切強(qiáng)度的變化和營(yíng)養(yǎng)保持能力

　　內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角反映的抗剪強(qiáng)度是在斜坡上植被混凝土的抗滑能力的一個(gè)非常重要的因素。圖3A，B示出了內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)活性炭比例的曲線。可以發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)指標(biāo)均隨活性炭比例的增加而降低。隨著時(shí)間的流逝，內(nèi)聚力先增大，然后減小。產(chǎn)生這種結(jié)果的原因可能是由于整個(gè)水合反應(yīng)通常在大約一個(gè)月內(nèi)完成土壤顆粒與水合產(chǎn)物之間的包封作用可以增強(qiáng)內(nèi)聚力。但是，在活性炭的表面上存在大量的負(fù)電荷，并且土壤顆粒中的水膜中的陽(yáng)離子可以被吸附。然后，水膜的厚度可以增加，并且土壤顆粒之間的吸引力可以自然地減少。內(nèi)摩擦角隨時(shí)間增加而增加，這可能是因?yàn)榛钚蕴康幕旌蠈?dǎo)致植被混凝土中固體顆粒的排列發(fā)生變化，這可以增強(qiáng)固體顆粒之間的互鎖效果。此外，煤質(zhì)活性炭的樣品的內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角均略高于木質(zhì)活性炭的樣品。植被混凝土的營(yíng)養(yǎng)含量對(duì)于植物生長(zhǎng)非常重要。硝酸鹽氮，銨態(tài)氮，有效磷和鉀含量與活性炭比例的關(guān)系。可以發(fā)現(xiàn)，所有類型的養(yǎng)分含量都隨著活性炭比例的增加而增加，因?yàn)榛钚蕴勘旧碇写嬖谝欢�量的養(yǎng)分。

　　圖3：活性炭對(duì)植被混凝土的內(nèi)聚力(A)和內(nèi)摩擦角(B)的影響。

　　活性炭對(duì)植物的影響

　　植物的平均株高，地上和地下生物量分。隨著活性炭比例從0%增加到2%，平均株高，地上生物量和地下生物量均增加，而當(dāng)活性炭比例超過(guò)2%時(shí)，則呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。該結(jié)果表明，盡管活性炭對(duì)于植物生長(zhǎng)是有利的，但是更高比例的活性炭是無(wú)益的。此外，木質(zhì)活性炭的樣品的平均植物高度和生物量始終高于煤質(zhì)活性炭樣品�；钚蕴吭谥脖换炷�土中的比例與孔隙率，滲透性，持水量，養(yǎng)分含量和保持力成正比，與干密度，保水能力，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角成反比。當(dāng)活性炭范圍0〜2%之間的比例，植物高度，地上和地下生物量，而相反的趨勢(shì)，觀察到隨著活性炭的比例增加所有，當(dāng)2至6%的比例范圍。

　　活性炭對(duì)植被混凝土性能影響，從植物生長(zhǎng)需求的角度來(lái)看，活性炭對(duì)孔隙率，干密度，持水量以及養(yǎng)分含量和保持能力的影響是有利的。從邊坡上的植被混凝土的自穩(wěn)定性的角度來(lái)看，對(duì)保水能力和抗剪強(qiáng)度的影響是不利的。綜合考慮當(dāng)前行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，先前的研究結(jié)果和經(jīng)濟(jì)原因，推薦的活性炭類型為木質(zhì)的，合適的比例在1-2%之間。發(fā)現(xiàn)活性炭可以在半年內(nèi)有效地改善植被混凝土的性能，這對(duì)于生態(tài)保護(hù)工程的成功至關(guān)重要。

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