0 引言

混凝土空心植草砌块作为一种生态防护形式，具有很好的防雨水冲刷性能，能为植物提供优良的生长环境。张红丽^[1]以不同防护类型下生长2年的植被为研究对象，结果表明六角空心砖的防护效果最佳，其植被覆盖率要明显高于土工格室和格子梁防护形式下的边坡。邢振贤^[2]等通过六角砖护坡现场试验，其研究结果表明采用预制混凝土六角砖护坡，其抗冲刷稳定性好，固土能力强。陈志强^[3]等通过对沈抚高速沿线4种典型边坡防护措施下土壤水分的变化进行监测，研究各措施下土壤水分的变化规律，试验结果表明六角空心砖配合草本植被的护坡形式保水效果较好。以上研究结果表明采用混凝土植草空心砌块防护边坡^[4-5]能够有效防止水土流失，促进坡面植被快速生长。但这种方法在工程中应用中存在造价高、消耗水泥砂石量大、并需要较高的运输成本等缺陷，从而影响了这种方法的推广应用。因此有必要研究一种防护效果好、经济成本低、资源消耗少的植草空心砌块。

鉴于废物利用和可持续发展的理念^[6-10]，本研究提出了一种以稻秸秆、工程开挖后的废弃土、少量水泥为原料制作而成的植草型空心砌块，既能够发挥混凝土空心砌块防强降雨冲刷的优点，有效防止坡面水土流失、促进坡面植被快速生长，又能减少对自然资源的消耗，降低工程造价。

由稻秸秆加筋水泥土制作而成的空心砌块能否应用到边坡中的关键问题是其自身的力学性能以及耐久性能不能达到工程实际应用要求。为此本研究通过稻秸秆加筋水泥土及其空心砌块的无侧限抗压强度试验研究其物理力学性能、耐久性能及其变化规律，并通过室内强降雨冲刷试验和野外现场试验验证稻秸秆加筋水泥土空心砌块的抗冲蚀效果，为稻秸秆加筋水泥土空心砌块在边坡防护中的应用提供依据。

1 试验材料

本次试验用土取自湖南娄益高速宁乡段某边坡开挖后的花岗岩残积砾质黏性土，土样主要矿物成分为云母、高岭石、钾长石及石英颗粒等。土样基本物理参数如表 1和图 1所示。

本次试验所用水泥采用湖南省某公司生产的普通硅酸盐水泥P.O 42.5。水泥的基本性能指标见表 2。

试验所用的稻秸秆按其直径不同分为4个等级：粗秆、中粗秆、中细秆、细秆，其中粗秆的直径范围为4.3~5.8 mm、中粗秆3.4~4.2 mm、中细秆2.2~3.3 mm和细秆1.4~2.1 mm，如图 2所示。

2 试验方法 2.1 稻秸秆加筋水泥土空心砌块强度试验

首先将风干后的花岗岩残积土与水泥充分搅拌均匀后再加入水进行拌和，然后再加入稻秸秆进行搅拌，最后将混合料分3次装入标准砂浆试模内，各层界面处应刮毛。借鉴纤维加筋土的研究成果^[11-12]，初定稻秸秆的质量加筋率为0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%；加筋长度为5，10，15，20 mm；水泥掺量为15 %、掺水量为最优含水率16%，制备稻秸秆加筋水泥土试样，然后将其放入水箱中养护至规定的龄期后进行无侧限抗压强度试验。试验整体过程按照水泥土配合比设计规程(JGJT 233—2011)中规定的步骤进行。

以上述试验得出的几种较优的稻秸秆掺合比、长度为基础，通过添加不同水泥含量制备稻秸秆加筋水泥土材料，装入尺寸20 cm×20 cm×8 cm、空心率为39%的空心砌块模具中，静力挤压至空心砌块成型(如图 3所示)，然后将其养护至28 d后进行无侧限抗压强度试验^[13]。

2.2 室内干湿循环及野外自然环境下砌块强度变化试验

在实际工程中，混凝土植草空心砌块更经常遇到的是干湿循环环境。在南方地区，夏季降雨集中，气温高、温差大，空心砌块几乎不可避免地遭受到暴雨的冲刷和干湿循环的反复作用。基于这种情况，研究稻秸秆加筋水泥土空心砌块在干湿循环作用^[14]下的强度变化规律，为稻秸秆加筋水泥土空心砌块的工程应用提供一定的理论依据和参考。

室内干湿循环强度试验，定义试件在雨水中浸泡12 h为浸水饱和过程，试块在105 ℃烘箱中干烘12 h为失水干燥过程，一次失水干燥、浸水饱和过程作为一个完整的干湿循环周期，每次干湿循环后，在浸水饱和结束时饱水状态下测定无侧限抗压强度。

砌块在大气自然环境等复杂因素的作用下，其力学性能会随着时间的增长逐渐弱化。为考察室外自然环境条件对稻秸秆加筋水泥土空心砌块强度发展规律的影响，将在室内条件下养护28 d的砌块置于长沙室外裸露边坡上，每隔一个月测量砌块在大气环境下的强度变化。

2.3 室内模拟降雨冲刷实验

为了定量对比稻秸秆加筋水泥土空心砌块护坡的抗冲刷性能，采用稻秸秆加筋水泥土空心砌块护坡、三维土工网护坡以及无坡面防护的花岗岩残积土边坡进行强降雨冲刷模拟试验^[15-18]。边坡坡率为1:1和1:1.75，降雨强度采用特大暴雨雨强6 mm/min，冲刷时间为1 h。试验开始后每5 min采集一次冲蚀水样，用烘干法测定其泥沙质量(见图 4)。

2.4 野外空心砌块植草试验

为了验证稻秸秆加筋水泥土植草空心砌块处于大气环境下的植被生长效果，在野外边坡分别采用三维土工网、天然裸坡、稻秸秆加筋水泥土空心砌块护坡，采用同一草种黑麦草播撒后，定期对植物生长情况进行观察记录，通过对比分析不同防护形式的植物生长高度、覆盖度来评价防护形式的好坏。

3 试验结果分析 3.1 无侧限抗压强度及影响因素试验结果分析 3.1.1 稻秸秆掺量对无侧限抗压强度的影响

图 5中给出了在不同养护龄期下稻秸秆加筋水泥土无侧限抗压强度随着稻秸秆加筋率的变化曲线。从图 6中可以看出:随着稻秸秆掺量的增加，其无侧限抗压强度呈先增后降的趋势。当稻秸秆掺量在0.1%~0.3%之间变化时，其无侧限抗压强度增长较为明显，这主要是由于随着稻秸秆掺量的增加以及水泥土的凝结硬化，稻秸秆和水泥土界面之间产生的机械咬合力和摩檫力也越大。当有外力作用时，稻秸秆与水泥土颗粒之间通过筋土摩擦力和稻秸秆自身的抗拉性能，抑制微裂缝的发展，约束水泥土的竖向和横向变形，从而提高了加筋土的整体性和抗压强度。但当稻秸秆掺量超过0.3%时，强度开始逐渐下降。一方面是因为稻秸秆掺量过多，会增大土中的孔隙，降低土体的密实度，减弱了稻秸秆的加筋效果；另一方面，稻秸秆掺量过多很容易在土中重叠，减弱了水泥土颗粒之间的联结，从而会导致其抗压强度下降。

3.1.2 稻秸秆长度对无侧限抗压强度的影响

图 6为不同养护龄期下的加筋水泥土无侧限抗压强度与稻秸秆长度的关系。由图 6可知，随着稻秸秆长度的增加，稻秸秆加筋水泥土抗压强度先增后降，峰值点对应的稻秸秆长度为15 mm。其原因主要是当稻秸秆长度过小时，水泥土中的裂纹容易绕开稻秸秆继续发展，因此不能起到很好的加筋作用。但如果稻秸秆长度过长，很容易在水泥土体内部形成薄弱面，将会抵消稻秸秆对水泥土的加筋效果。

3.2 稻秸秆加筋水泥土空心砌块强度试验结果分析

根据上述试验结果得出的稻秸秆长度在15 mm，掺和比例为0.2%，0.3%时强度较高。考虑到稻秸秆为轻质材料，加筋率的微小变动能使稻秸秆的根数改变较多，因此在加筋率为0.2%~0.3%之间增加1个0.25%的加筋率。最终选取15mm长度，0.2%，0.25%，0.3%掺和比例以及12%，15%，18%的水泥掺量制备稻秸秆加筋水泥土空心砌块试样，养护28 d后进行无侧限抗压强度试验。试验结果如图 7所示。

从图 7可以看出，稻秸秆加筋水泥土空心砌块的无侧限抗压强度基本上是随水泥掺量的增加而增加。这是由于水泥掺量增加，水泥水化作用的产物也就增多，使得土颗粒之间的胶结作用逐渐增强，摩擦力也逐渐增加，从而使得空心砌块的强度得到了提高。在水泥掺量相同的情况下，稻秸秆掺量为0.25%时强度最高，说明在此种条件下加筋效果最好。

另外从图 8中可以看出因为稻秸秆加筋水泥土空心砌块在拐角处存在应力集中，裂缝主要集中在此处发展，其他部分虽然也有裂缝，但与之相比数量较少而且宽度不大。随着荷载的增加，裂缝逐渐扩张，最后形成贯通的裂缝而破坏。

3.3 室内干湿循环和野外自然环境下砌块强度变化试验结果分析

由图 9可知，随干湿循环次数增加，试件强度逐渐降低。在前3次干湿循环中强度衰减较为明显，之后逐渐趋于平缓。这主要是因为砌块反复经历高温干燥和吸水膨胀作用，导致砌块内部产生相应的拉应力，当这种集中内应力超过砌块自身的强度时，会形成微裂缝，而裂隙的开展在一定程度上也破坏了砌块的整体性，从而导致砌块强度下降。同时随着干湿循环次数的继续增加，由于砌块中稻秸秆的存在，能够在一定程度上抑制裂纹的发展，从而减轻了因干湿循环引起的收缩和膨胀变形导致的强度下降。总体而言，经历多次干湿循环作用后砌块的强度并未发生明显下降，表现出了较好的抗干湿循环破裂能力。

图 10给出了砌块在大气自然环境下强度随时间变化的关系。从图 10中可以看出空心砌块在置于室外自然条件下，强度仍有增长，表明稻秸秆加筋水泥土空心砌块在28 d时水化反应尚未完成。之后随着南方梅雨季节的到来，降雨增多，昼夜温差大，空心砌块强度开始逐渐下降，但下降幅度逐渐趋于平缓。空心砌块暴露在大气自然环境下，经过5个月后的强度仍然具有初始强度的89%，表现出了良好的耐久性能，能够满足工程要求。

3.4 室内模拟降雨冲刷试验结果分析

由图 11可以看出，稻秸秆加筋水泥土空心砌块边坡抗冲刷效果非常明显。在两种不同工况下三维土工网以及无坡面防护的花岗岩残积土边坡在雨水的冲刷下形成了较深、较宽的冲沟。而稻秸秆加筋水泥土空心砌块防护的坡面无论是哪种工况下，都只形成了少量的冲蚀，其主要原因是水泥土空心砌块在边坡表面形成了一种保护层，减少了雨水与边坡表层土体的直接接触，形成的径流绝大部分沿着砌块表面流走，少部分下渗到空心部分土体中，从而能够有效控制土粒流失。

由图 12给出的边坡累计侵蚀量随时间的变化关系曲线可以看出：(1)在两种工况下，三维土工网防护下的边坡在降雨初期其累计侵蚀量与裸露花岗岩残积土边坡相差不大，然而在降雨后期，随着三维土工网垫的出露，坡面流阻滞作用明显加强，造成坡面流侵蚀携沙能力的减弱，累计侵蚀量增幅逐渐变缓并低于裸露边坡产沙量；(2)与三维土工网以及无防护的裸坡相比，稻秸秆加筋水泥土空心砌块防冲刷能力强，能够很大程度上减弱雨滴的滴溅效果，使边坡的累计泥沙侵蚀量减少70%~80%左右。综合防护效果从大到小依次为稻秸秆加筋水泥土空心砌块、三维网土工网与裸坡。

3.5 野外空心砌块植草试验结果分析

从表 3、图 13可以看出：稻秸秆加筋水泥土植草空心砌块防护后的坡面植物无论是从覆盖度和植被生长高度而言，相较于其他两个坡面都具备明显的优势。在边坡建成一个月后，由稻秸秆加筋水泥土空心砌块防护的边坡其植被覆盖度就可以达到100%。而裸坡以及由三维网防护的边坡，因为雨水的冲刷作用，草籽大多被雨水冲到坡脚，从而导致植物防护效果不佳。

室外现场试验表明，稻秸秆加筋水泥土空心砌块护坡水土保持效果显著，植被长势良好，是一种值得推广的防护措施。

4 稻秸秆加筋水泥土空心砌块边坡防护技术经济性与适用性分析 4.1 经济性分析

通过调研分析相同规格的稻秸秆加筋水泥土空心砌块以及护坡常用普通混凝土空心砌块每平米的工程造价，其结果如表 4和表 5所示。由表 4和表 5可知，稻秸秆加筋水泥土空心砌块所使用的水泥量比普通混凝土空心护坡砌块节省40%左右，且因为充分利用了工程开挖后的废弃土取代不可再生的砂、石等资源，大大降低了产品自身生产成本。通过计算，采用稻秸秆加筋水泥土空心砌块护坡的人工以及材料费用(不含其他费用)仅为16元/m²，相比普通混凝土空心砌块而言成本减少了约40%左右，经济效益十分显著。

另外稻秸秆加筋水泥土空心砌块的生产因充分利用工程开挖后的废弃土、稻秸秆等，解决了这些废弃材料的堆放与处理问题，从而实现资源的循环利用，又可替代不可再生的石料资源，减少矿山的开采，利于生态环保，具有良好的应用和推广价值。

4.2 适用性分析

空心砌块作为一种非承重边坡防护结构，砌块材料的强度要求并不高。根据调研，护坡用的普通混凝土空心砌块强度大多在2 MPa左右，因此从砌块强度和耐久性这两点而言，稻秸秆加筋水泥土空心砌块应用于边坡防护是可行的。综合考虑到工程实际应用以及降低工程造价，因此最终确定15%水泥掺入量、15 mm长度的稻秸秆，0.25%的掺入量为最优配合比。

本研究中稻秸秆加筋水泥土空心砌块的空心率为39%，预留了较大的孔洞, 用于栽植植物, 施工方便。在施工工艺方面与普通混凝土空心砌块基本一致。首先按设计坡度将铺设基面找平、夯实，在坡脚位置做浆砌石护脚，稻秸秆加筋水泥土空心砌块的铺设则按照“自下而上”的顺序进行。相邻护坡砌块要挤紧，做到横、竖、斜线对齐，护坡砌块铺设完成后，将种植土填入护坡砌块中，并人工栽植灌木、种植草种。

考虑施工、边坡稳定和经济合理性等因素，稻秸秆加筋水泥土空心砌块适用于高度不高、坡度较缓、边坡稳定的土质或石质边坡防护，以及路基边坡的生态防护和公路、矿山生态恢复以及公园景观建设等领域的边坡防护。

本研究在综合考虑工程造价、耐久性、边坡防护效果的基础上，认为稻秸秆加筋水泥土空心砌块作为一种新型植草空心砌块护坡形式优势突出，具有良好的应用和推广价值。

5 结论

(1) 稻秸秆的加入可小幅度提高水泥土空心砌块材料的抗压强度，减小其裂缝的开展，改善砌块的力学性能。

(2) 与三维土工网以及无防护的裸坡相比，稻秸秆加筋水泥土空心砌块抗冲刷能力强，能够大幅度减弱雨滴的滴溅作用，使边坡的累计泥沙侵蚀量减少70%~80%。

(3) 从砌块强度和耐久性而言，稻秸秆加筋水泥土空心砌块应用于边坡防护是可行的，空心砌块在暴露于大气自然环境下，经过5个月后其强度仍然具有初始强度的89%，表现出了良好的耐久性能，能够满足工程应用要求。

(4) 稻秸秆加筋水泥土空心砌块护坡水土保持效果显著，植被长势良好，是一种值得推广的防护措施。

(5) 相同规格的稻秸秆加筋水泥土空心砌块与普通混凝土空心砌块相比成本减少了约40%左右，在考虑工程实际应用及工程造价的前提下，确定稻秸秆加筋水泥土空心砌块的最经济合理配比：稻秸秆加筋率0.25%，加筋长度15 mm，水泥掺量15%，含水率16%。