0 引言

矿山开发会造成大量裸露的高陡岩质边坡，这类边坡经过风吹日晒后坡面基岩风化卸荷严重，致使岩石破碎，在降雨和外部力量作用下可能发生坍塌、滑坡，对人民生命财产安全造成威胁（夏冬等， 2018）。对于裸露岩质矿山边坡，客土喷播技术是目前较为常见的生态修复技术，可以有效改善矿山坡面土岩环境，为植被创造生长条件，促进矿山生态恢复。黏土作为客土喷播基材的主要成分，具有较好的工程特性，其土体颗粒之间、土体颗粒与水之间的相互作用可以使得土体颗粒的结构达到稳定的状态，保持边坡的稳定性及完整性（宋德东等， 2022；吴建来，2023）。然而，传统客土基材的结构较为松散，当其喷播于岩坡之上后，在干旱条件下会产生收缩开裂，影响基材在边坡上的稳定性。同时，加快水分蒸发，使得土体中的含水量无法满足植被的正常生长发育。因而导致边坡植被覆盖率较低，在降雨等气候条件下，边坡缺少植被的保护作用，坡面基材受到降水及径流侵蚀，产生大量冲沟。由于边坡基材的大量流失，植被生长条件遭到破坏（闫新亮等，2019；叶万军等，2021；齐永正等， 2023）。对此，矿山生态修复工程中常采用不同类型的黏结剂对基材进行改良，以加强其水理特性 （Patil et al.，2021；张雪云，2023）。

近年来，生物胶因其效果稳定、生态环保、性价比高等优点广泛应用于喷播基材的黏结剂 （Haspina et al.，2022；Muhammad et al.，2023）。因其可以显著提高土体性质，使客土基材达到工程要求，而受到国内外学者的研究和关注（Ding et al.， 2019；Chen et al.，2022）。其主要通过在基材土体内发生的物理化学反应，直接作用于土颗粒表面，改变土颗粒间的结构和作用方式，从而使土体的性质发生显著的变化（Jeon et al.，2021）。周天宝等 （2019）对黄原胶加固粉土进行研究分析，结果表明黄原胶在自然环境中通过脱水吸附于土颗粒表面从而起到胶结作用。雷华阳等（2023）选取琼胶、瓜尔胶天然增稠剂代替传统高分子材料制作新型泥浆，研究发现瓜尔胶增稠效果更强。Sulaiman et al. （2022）通过对不同含量的黄原胶和瓜尔胶改良土体进行研究，研究表明少量生物胶的添加增加土体 pH 值，降低比重及最大干密度，提高最佳含水率及塑性指数；同时，试样的无侧限抗压强度随着生物胶的添加量的增多呈上升趋势。Kwon et al.（2023） 采用黄原胶对红黏土的力学性能进行改善，发现黄原胶与红黏土之间形成的离子键在微观结构演化过程中产生显著的胶结作用和填充作用，形成致密的复合基质。上述研究表明，生物胶在土体加固方面具有良好的效果，当用于客土喷播基材时可以有效改善边坡地质条件。

本文采用瓜尔胶作为矿山陡坡生态修复基材的黏结剂，通过蒸发开裂试验及抗冲刷试验，研究不同瓜尔胶含量对试样蒸发速率、开裂破坏程度及冲刷破坏情况的影响，并结合扫描电镜对瓜尔胶改良黏土基材的机理进行分析研究。

1 试验方案

1.1 试验材料

本文试验所用土样取自南京市江宁区某土质边坡，黏土风干并过 2 mm 的筛后级配如图1 所示。其最大干密度为 1.70 g/cm³，液塑限分别为 38.41%、21.12%，塑性指数 17.29，最优含水率 18.94%。试验土样 X 光衍射矿物晶体分析结果如表1所示，试验土样矿物成分以斜长石和石英为主，其次为蒙脱石。

试验所用瓜尔胶是一种白色到微黄色的粉末颗粒，稍带臭味（图2a）。其化学名称为瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵，是从瓜尔豆中提取的一种高纯化天然多糖，由甘露糖与半乳糖按2∶1组成，分子量为 2.5×10⁵～6.5×10⁵，其结构式如图2b 所示。因其独特的分子结构特点，使其在冷水和热水中均能迅速溶解；瓜尔胶主链与侧链相互作用，相互缠结，在溶液中形成超分子结构，从而赋予其优异的增稠性能；水合后的瓜尔胶可与多种化学试剂发生胶联作用，形成具有一定黏弹性的非牛顿型水基凝胶，在静态或低剪切作用下具有高黏度。

a—瓜尔胶粉末；b—瓜尔胶结构式

1.2 试验方案

为研究瓜尔胶含量对改良黏土蒸发开裂及抗冲刷破坏的影响，选取瓜尔含量为 0%、0.1%、 0.2%、0.3%及 0.4%共 5个含量。将瓜尔胶与过筛后的 500 g土样按设计参数制成含水率为 50% 的试验土样，置于边长为 20 cm、高 4 cm 的正方形容器中，均匀振动 5 min排出制备时试样中混入的气体。试样容器盒底部黏贴有 800 目的砂纸，用来模拟原状土中界面的粗糙程度。将试样在恒温条件下养护，并定时使用精度0.1 g的电子秤称量试样因水分蒸发而产生的重量变化，并拍摄不同时期试样开裂情况，根据不同瓜尔胶含量试样的含水率，计算不同瓜尔胶含量试样的蒸发速率R_e：

式（1）中，m_t为 t 时刻称量的试样质量（g）；m_t－1 为t时刻前一次称量的试样质量（g）；t为两次称量间隔的时间（min）。

当试样含水率达到稳定时进行抗冲刷试验。试验采用自行设计的冲刷模拟装置进行，并用固定拍摄装置进行拍摄，试验装置示意图如图3所示。

根据南京市气象资料记录，近年来累计月降雨量最大可达 778 mm，平均日降雨量为 25.9 mm。试验中模拟降雨强度为 78 mm/d，达到暴雨等级，冲刷时间为40 min，坡度为30°。收集次数为40次，通过风干称量每分钟收集的干土质量，绘制各时间段的累计冲刷干土质量冲刷特性曲线，结合冲刷破坏形态对瓜尔胶改良黏土试样抗冲刷特性进行分析评价。

2 试验结果分析及讨论

2.1 对试样蒸发特性的影响

在试样的干燥养护过程中，土体质量因水分蒸发而减小，通过计算试样各时间段的蒸发量及蒸发速率，绘制瓜尔胶改良黏土试样的蒸发特性曲线图 （图4）。通过观察不同瓜尔胶含量下试样蒸发速率的变化趋势，可将试样的蒸发过程分为3个阶段：匀速蒸发阶段，减速蒸发阶段及稳定蒸发阶段。计算各试样匀速崩解阶段蒸发速率的平均值，并以辅助线形式标注于曲线图上，以便直观地观察不同含量瓜尔胶蒸发速率的变化情况。

瓜尔胶改良黏土匀速蒸发阶段的平均蒸发速率随瓜尔胶含量的提升而减小。从素土试样到瓜尔胶含量为 0.4%的改良黏土试样的匀速蒸发阶段的平均速率分别为 2.68 g/h、2.47 g/h、2.32 g/h、 2.16 g/h、2. 09 g/h。试样掺加瓜尔胶之后，匀速蒸发阶段的蒸发速率明显降低，且随着瓜尔胶含量的提升，平均蒸发速率降低程度逐渐降低。

由此可知，瓜尔胶的掺加使得试样匀速蒸发阶段的蒸发速率得到大幅度的下降，即瓜尔胶的掺入使得试样内部颗粒孔隙发生改变，一定程度地改变了试样中水分蒸发时的迁移路线，使得改良黏土试样中水分经过更长时间的迁移才能从试样表面逸失，同时，因为迁移路径的改变，部分水分滞留于复杂的试样孔隙之中，使得试样含水率得到提升，从而较好地保持试样内水分。

观察瓜尔胶改良黏土试样蒸发量曲线可知，在匀速蒸发阶段试样蒸发量呈线性增长，且此阶段直线段斜率即蒸发速率明显随瓜尔胶含量的提升而有些许下降。蒸发量曲线由线性转为非线性的时间即为试样由匀速蒸发阶段转变为减速蒸发阶段的时间。当试样进入稳定蒸发阶段时，试样蒸发量曲线接近水平。最终瓜尔胶含量从 0% 到 0.4% 的试样蒸发量稳定值分别为 242 g、240 g、237.2 g、 235.4 g、233.1 g，即随着瓜尔胶含量的提升，试样内部的瓜尔胶凝胶对部分土体颗粒进行包裹，并形成封闭孔隙，有效防止水分蒸发，进而使得水分得以保存。

2.2 对试样开裂特性的影响

试样在干燥脱水过程中会出现干缩开裂的情况，对试样的干缩开裂情况进行定期拍摄，观察对比素土及瓜尔胶在含量为 0.1%、0.2%、0.3% 及 0.4% 时的改良黏土试样裂隙发育情况，并利用 MATLAB 软件进行裂隙发育情况分析，得出各试样的裂隙最大宽度、裂隙平均宽度及裂隙面积占比，研究不同含量下瓜尔胶改良黏土试样的抗开裂性能。

将素土试样及瓜尔胶改良黏土试样随时间变化的开裂特征图进行整理汇总，为直观表现试样裂隙发育情况，选取试样裂隙发育的 3 个阶段绘制成图，分别为始裂阶段，发育阶段及稳定阶段，裂隙发育特性如图5所示，对应裂隙参数如图6所示。

a—含量0；b—含量0.1%；c—含量0.2%；d—含量0.3%；e—含量0.4%

由图5 可知，素土试样中部有“Y”字型裂隙发育。裂隙发育均呈细微状，延伸较长，部分裂隙之间出现连接，使得裂隙进一步发育。当试样中水分继续蒸发，使得土体颗粒间原本被水分占据的空间体积减小，进而使得试样土体收缩。试样内部产生张拉应力场，部分土体颗粒相互黏结作用力较小，使得试样出现张拉破坏，导致裂隙发育。随着试样中水分进一步蒸发，试样持续收缩，试样内部张拉应力增强，试样裂隙进一步发育。

结合图5 及图6 可知，瓜尔胶的掺入使得试样抗开裂能力得到提升，改良试样裂隙面积均明显低于素土试样。当瓜尔胶含量为 0.1% 时，试样表现出明显的完整性，整个蒸发过程中未出现肉眼可见的裂隙发育。当瓜尔胶含量为 0.2% 时，试样始裂阶段在试样发育有细小裂隙，随后裂隙末端发育并将试样分为不同块体，试样未存在次级裂隙发育。裂隙的平均宽度及最大宽度均小于素土试样。当瓜尔胶含量为0.3%及0.4%时，试样始裂阶段均出现由试样边缘向中心发育的裂隙，试样表面凹凸不平。随着试样失水，裂隙末端向试样内部延伸，且试样整体收缩，试样完整性较高。其中，瓜尔胶含量为 0.3% 的改良黏土试样的裂隙平均宽度、裂隙最大宽度及裂隙面积占比均小于瓜尔胶含量为 0.2% 及 0.4% 的改良黏土试样，且裂隙随时间发育未发生较明显发育，各参数变化较小。综上可知，瓜尔胶的掺加使得试样抗开裂能力得到加强，然而随着瓜尔胶含量的提升，试样开裂程度出现先降低后增加的趋势。推测由于瓜尔胶的吸水性，使得试样中的部分水分随着瓜尔胶含量的提升而与瓜尔胶结合，进而使得试样失水开裂而试样蒸发量未出现明显增加。其中，瓜尔胶含量为0.3%时，可以使试样抗开裂性能达到最佳。

a—裂隙宽度；b—裂隙率

2.3 对试样抗冲刷特性的影响

不同含量下瓜尔胶改良黏土冲刷特征曲线如图7 所示，由图可知，随着瓜尔胶含量的提升，试样冲刷量大幅度减小，抗冲刷能力明显提升。

素土及瓜尔胶含量 0.1% 的试样冲刷破坏过程如图8所示，结合图7及图8a可知，当试样开始冲刷时试样立刻产生冲蚀破坏，冲刷量呈线性增长，5 min 后试样冲刷破坏程度减缓，20 min 后试样几乎冲刷破坏完全，冲刷量增长较小，冲刷特征曲线呈 “上凸”状。当瓜尔胶含量为0.1%时，结合图7及图8b 可知，试样抗冲刷破坏程度明显增强，试样冲刷前5 min试样表面出现少量破坏，10 min后冲刷量开始提升，试样出现较大冲蚀破坏，30 min后试样冲刷量几乎不产生变化，剩余部分可以较好地抵抗降雨侵蚀。即瓜尔胶的掺入可以明显提高试样整体完整性，在冲刷破坏前期于试样表面可以较好地抵抗冲蚀破坏，延缓试样大量破坏的时间，且在试样出现大面积冲蚀破坏后可以维持残余部分的整体强度，使得试样不会完全冲刷破坏。

a—素土试样；b—瓜尔胶含量0.1%试样

当瓜尔胶含量达到 0.2% 后，试样抗冲刷能力大幅度提高，几乎不产生冲刷破坏，其冲刷前及冲刷后的试样如图8 所示，结合图7 及图9 可知，试样受降雨冲刷后，仅有表面部分土体脱落产生冲蚀破坏，且试样表面裂隙处未因降雨产生明显破坏。由此可知，当瓜尔胶含量达到0.2%后，其抗冲刷破坏能力大幅度提高，仅在试样表面产生些许冲蚀破坏，瓜尔胶在试样内部生成瓜尔胶黏膜，可以有效黏结土体颗粒，使土体颗粒之间有较强黏聚力。

3 机理分析

瓜尔胶改良黏土的抗崩解能力得到显著提高，其扫描电镜图如图10 所示，由图可知，瓜尔胶在试样内部形成瓜尔胶凝胶，提升试样整体强度，其主要从以下几方面对土体进行改良：

（1）黏结作用，瓜尔胶的羟基（-OH）和羧基 （-COOH）可以形成离子键相互联结，使土体颗粒相互联系，共同组成较为稳定的整体。

（2）保护作用，瓜尔胶对土体颗粒进行包裹，使得土体颗粒与外部环境中的水相互隔离，减少土体颗粒吸水膨胀及失水收缩而产生的体积变化。

（3）填充孔隙，瓜尔胶掺入土体后形成的凝胶在胶结加固土体的同时填充土颗粒间孔隙，减少水分进出，使试样维持相对稳定的状态，增强试样强度的同时，降低试样的体积变化。

瓜尔胶改良黏土蒸发过程示意图如图11所示，当瓜尔胶含量较低时，其形成的弹性膜未能有效起到桥接作用，仅能使得试样中出现小部分团聚体，未能出现有效的桥接作用。随着瓜尔胶含量的提升，其形成的弹性膜在土体颗粒建扩散，形成稳定的三维网状结构，可以有效地对土体颗粒进行包裹、桥接，有效填充土体颗粒间的孔隙，使土体颗粒间接触更为紧密。瓜尔胶黏膜可以大幅度地提升土体颗粒之间抵抗形变的作用力，当土体颗粒受到外界作用力，弹性膜的存在使得土体颗粒间的大部分拉力被分担，当试样发生位移时，弹性膜首先被破坏。因此，试样抗拉强度大幅度提升，遭受开裂冲刷时的抵抗能力增强。

由于土体颗粒表面附着一层结合水化膜，使颗粒间无法进行直接接触，同时在土体失水收缩时提供空间。因此在干燥失水时，土体表面的自由水蒸发，土体下层的水分在毛细作用下运移至表层并产生基质吸力，孔隙半径减小，进而形成张拉应力场。当土体内部某处的张拉应力超过抗拉强度时，产生拉裂破坏，形成“V”字形裂隙（图12）。瓜尔胶掺入土体后与细小颗粒形成基质，胶结加固土体并填充粒间孔隙，阻塞了土体下层的水分向上运移补偿表层蒸发的通道，减少并延长了水分迁移路径，减缓水分蒸发（图10）。瓜尔胶掺入后减小土体表面拉张应力，同时增强土颗粒间的联结，降低土体的孔隙度，增强土体的完整性，提高土体的抗拉性能。随着瓜尔胶含量的提升，其与土体颗粒的联结更加紧密，土体结构更加稳定，土体抗裂性能增强。

因为瓜尔胶在掺入黏土后形成瓜尔胶黏膜，通过包裹土体颗粒使得相邻土体颗粒间具有更强的黏聚力，同时可以将大量土体颗粒黏结，相对固定于某一位置，可以较好地提升试样内土体颗粒的完整性，使得试样在遭受雨水冲蚀及雨水径流时抵抗水滴冲击，减小土体颗粒因冲蚀而脱落的情况，且瓜尔胶基质阻碍了水流下渗，进而有效提升试样的抗冲刷能力。在相同瓜尔胶含量的改良黏土试样中，瓜尔胶改良黏土对土体颗粒的包裹联结程度更大，可以有效地将较多土体颗粒结合成一个整体，拥有更强的稳定性。

4 结论

本文使用瓜尔胶对黏土进行改良，通过掺加不同含量的瓜尔胶，分析改良黏土试样的蒸发特征曲线，开裂形态及裂隙情况和冲刷量及冲刷破坏特征，研究其蒸发开裂及抗冲刷方面的特性，得出以下结论：

（1）瓜尔胶的掺入使得改良黏土试样保水特性得到提升。试样的总蒸发量随着瓜尔胶含量的提升而降低。当含量达到0.4%时效果最为显著。

（2）瓜尔胶的掺入使得试样抗开裂性能得到提升，随着瓜尔胶含量的提升，试样的裂隙数量及裂隙发育程度出现先增加后减少的趋势，瓜尔胶含量为 0.1%时未出现明显裂隙。这表明瓜尔胶掺入试样中形成的瓜尔胶黏膜可以有效提升土体颗粒间的黏聚力，减少土体因水分蒸发受到的张拉应力，有效减少试样裂隙的产生，保持试样完整性。

（3）瓜尔胶的掺入使得改良试样抗冲刷性能得到大幅度提升，随着瓜尔胶的掺入，试样冲刷破坏程度明显能降低，当瓜尔胶含量达到0.2%之后，试样未出现明显冲蚀破坏。

（4）综合试样保水性能、抗开裂特性、抗冲刷特性以及经济角度，当瓜尔胶含量为0.3%时，可以使裸露土质边坡具有较好的抗裂抗冲刷特性。

参考文献