1.本发明涉及边坡土壤抗蚀技术领域，尤其涉及一种离子型土壤抗蚀剂及其制备方法与应用。
背景技术：
2.随着我国工程建设不断更新拓展，在带来巨大经济收益的同时又会出现一定的安全隐患，如边坡工程水蚀的现象日益凸显，所谓的坡面水蚀包括降雨击溅和径流冲刷引起的土壤颗粒分离、泥沙输移和沉积三大过程。土壤团聚体是土壤结构的基本单位，土壤水蚀主要源自土壤团聚体的破碎及其产物被雨滴或者薄层水流的搬运。
3.膨胀土是一种高塑性黏土，具有较强的收缩性、裂隙性，一般呈红、棕、黄及灰白色，主要分布于我国云南、贵州、四川、广西、河北、内蒙、河南、湖北、山西、陕西、安徽和江苏等地，其在成土过程中受到温度、水分以及不均匀胀缩效应的影响易产生网状交错裂隙，造成膨胀土体内产生软弱结构面，导致自身抗剪强度降低，严重影响道路及其它工程边坡的稳定性。有研究发现，膨胀土边坡的失稳主要发生在雨季，表明降雨入渗是诱发边坡失稳的重要因素。这是由于水体流入坡体后降低边坡整体抗剪切能力，导致坡体内部土壤松动，这样不但破坏植被生长，影响边坡整体稳定性，还易出现泥石流等自然灾害，堵塞交通运输，摧毁建筑设施，甚至威胁附近人员生命安全。因此，该地区需要进行工程边坡抗水蚀及坡体稳固防护。
4.目前，国内边坡工程中抗蚀防护多采用水泥、石灰、煤灰等传统固化材料，但是，这存在明显不足，主要表现为固化土壤强度形成缓慢，早期强度低，影响施工进度；固化土干缩大、易开裂、保水性能低。也有一些工程选用土壤粘合剂作为抗蚀材料，以解决上述问题，但是施工成本过高、添加量大、持续效果短的问题依然困扰着研究设计人员。因此，如何提高边坡土壤抗蚀、抗剪切能力，加快土壤固化效果产生时间、延长作用持续时间，提高土壤保水性和透气性，降低施工成本等，已成为国内外专家学者讨论的热门话题。
5.离子型土壤稳固剂的研发成功则给这一热门话题带来新的思路，虽然国际上离子型土壤稳固剂的发展较快，但我国自主研发的离子型土壤稳固剂目前还处于起步阶段，其对施工环境要求较高，价格昂贵，实际施工现场应用较少。
技术实现要素：
6.有鉴于此，本发明提供了一种离子型土壤抗蚀剂及其制备方法与应用，本发明针对膨胀土边坡因降雨失稳的问题，提出了边坡抗蚀研究的新成果，能从根本上改变土体内部结构，提高固化土的强度，最终使边坡整体稳定持久，同时还能不受施工环境影响，节约施工成本等。
7.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明提供一种离子型土壤抗蚀剂，所述离子型土壤抗蚀剂包括离子型土壤高分子活化剂和离子交换剂；
9.所述离子型土壤高分子活化剂的结构式为r-nhso3na，其中，r为c
15-20
的直链或环状饱和基；
10.所述离子交换剂为硅酸盐。
11.作为优选，所述离子型土壤高分子活化剂和离子交换剂的质量比为0.75～1：1.5～2。
12.本发明还提供了所述离子型土壤抗蚀剂的制备方法，包括如下步骤：
13.将离子型土壤高分子活化剂和离子交换剂混合，得到所述离子型土壤抗蚀剂。
14.作为优选，所述混合的温度为20～30℃，混合的时间为0.5～1.5h。
15.本发明还提供了所述离子型土壤抗蚀剂在边坡防护层中的应用。
16.作为优选，所述边坡防护层的制备包括如下步骤：
17.(1)底层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤混合制成基质层，将基质层覆盖在需要修复的坡体表面上；
18.(2)中层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、微生物材料与土壤混合制成微生物层，将微生物层覆盖在底层抗蚀层上；
19.(3)表层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤混合得混合层，将混合层覆盖在中层抗蚀层上，得到边坡防护层。
20.作为优选，所述基质材料独立地为草炭土、鸡粪、牛粪和有机肥中的一种或多种；所述微生物材料为根瘤菌、嗜麦芽窄食单胞菌株、假单胞杆菌和am菌根菌中的一种或多种。
21.作为优选，所述步骤(1)中，离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤的质量比为2.25～3：45；所述步骤(2)中，离子型土壤抗蚀剂、微生物材料与土壤的质量比为2.25～3：85；所述步骤(3)中，离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤的质量比为2.25～3：32。
22.作为优选，所述基质层覆盖的厚度为10～15cm；所述微生物层覆盖的厚度为5～10cm；所述混合层覆盖的厚度为2～15cm。
23.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明有益效果如下：
24.本发明显著提高边坡土壤抗冲刷及抗剪切能力，提高土壤保水性，加速固化土壤，持续时间长，促进种子萌发，提高植株成活率，不受施工环境影响，降低施工成本，配料简单，易于施工等功能。
具体实施方式
25.本发明提供一种离子型土壤抗蚀剂，所述离子型土壤抗蚀剂包括离子型土壤高分子活化剂和离子交换剂；
26.所述离子型土壤高分子活化剂的结构式为r-nhso3na，其中，r为c
15-20
的直链或环状饱和基；
27.所述离子交换剂为硅酸盐。
28.在本发明中，所述土壤高分子活化剂，在功能上，能够激发土壤颗粒活性，使惰性土壤颗粒转化为活性的；在结构上，通过电解作用从而产生一个so
32-，使之与土壤表面的一价阳离子如na
+
、k
+
等发生交换，抑制土壤的湿胀干缩，从而达到稳定土壤的作用。
29.在本发明中，所述硅酸盐为硅酸铝、硅酸钙或硅酸镁。
30.在本发明中，所述离子交换剂将活性极强的离子(如al
3+
、ca
2+
、mg
2+
等)分散到土壤
中，后与离子型土壤高分子活化剂两端的带电离子结合形成新的价键。同一分子链又将土壤颗粒通过分子键桥搭接，形成于不易溶于水的大分子，错综结合的长键将相邻的土壤颗粒有机连在一起，并且互相缠结成立体空间的网状结构。
31.在本发明中，所述离子型土壤高分子活化剂和离子交换剂的质量比优选为0.75～1：1.5～2，进一步优选为0.85～0.9:1.6～1.8。
32.本发明还提供了所述离子型土壤抗蚀剂的制备方法，包括如下步骤：
33.将离子型土壤高分子活化剂和离子交换剂混合，得到所述离子型土壤抗蚀剂。
34.在本发明中，所述混合的温度优选为20～30℃，进一步优选为23～28℃；混合的时间优选为0.5～1.5h，进一步优选为0.8～1.2h。
35.本发明还提供了所述离子型土壤抗蚀剂在边坡防护层中的应用。
36.在本发明中，所述边坡防护层的制备包括如下步骤：
37.(1)底层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤混合制成基质层，将基质层覆盖在需要修复的坡体表面上；
38.(2)中层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、微生物材料与土壤混合制成微生物层，将微生物层覆盖在底层抗蚀层上；
39.(3)表层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤混合得混合层，将混合层覆盖在中层抗蚀层上，得到边坡防护层。
40.在本发明中，所述基质材料独立地优选为草炭土、鸡粪、牛粪和有机肥中的一种或多种，进一步优选为鸡粪、牛粪和有机肥中的一种或多种；所述微生物材料优选为根瘤菌、嗜麦芽窄食单胞菌株、假单胞杆菌和am菌根菌中的一种或多种，进一步优选为嗜麦芽窄食单胞菌株和/或假单胞杆菌。
41.在本发明中，所述步骤(3)中，得到边坡防护层前，通过普通喷播或者客土喷播得到种子层；所述种子层厚度为2～5cm；所述种子层所用种子为石竹、无芒雀麦、黄花苜蓿、紫花苜蓿、胡枝子、扁穗冰草、披碱草、绣线菊、马莲、柠条和小叶锦鸡儿中的一种或多种。
42.在本发明中，所述步骤(1)中，离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤的质量比优选为2.25～3：45：1000，进一步优选为2.5～2.8：45:1000；所述步骤(2)中，离子型土壤抗蚀剂、微生物材料与土壤的质量比优选为2.25～3：85：1000，进一步优选为2.6～2.8:85:1000；所述步骤(3)中，离子型土壤抗蚀剂、基质材料与土壤的质量比优选为2.25～3：32：1000，进一步优选为2.5～2.7:32:1000。
43.在本发明中，所述基质层覆盖的厚度优选为10～15cm，进一步优选为12～14cm；所述微生物层覆盖的厚度优选为5～10cm，进一步优选为6～8cm；所述混合层覆盖的厚度优选为2～15cm，进一步优选为4～12cm。
44.下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
45.以下实施例的检测标准如下：
46.1、降雨强度：收集工程所在地区的气象站10年雨量观测资料，按照《公路排水设计规范jtg/t d33-2012》中9.1.6条来计算该地区雨季平均降雨强度及时长；若缺乏雨量观测资料或数据不足，可按照《公路排水设计规范jtg/t d33-2012》中9.1.7条，计算降雨强度及时长；
47.2、边坡土壤侵蚀强度分级指标、容许平均土壤抗蚀模数和容许平均土壤流失厚度：依据《开发建设项目水土流失防治标准gb/t 50434-2008》中2.0.3条，设计边坡防护适宜的坡度，根据《土壤侵蚀分类分级标准sl190-2007》中4.1.2条，确定工程边坡土壤侵蚀强度分级指标、容许平均土壤抗蚀模数和容许平均土壤流失厚度；
48.3、土壤抗蚀模数与流失厚度：按照《开发建设项目水土保持技术规范gb/t 50433-2008》中5.7.6条的要求，结合所获得降雨强度及时长，开展人工降雨边坡模拟冲刷试验，试验获得土壤抗蚀模数与流失厚度；
49.4、种子层的养护：种子层的养护管理、浇水次数等均按照《高速公路边坡养护技术规范db33/t 2099-2018》中4.4.3和4.5.1条规定要求。
50.实施例1
51.工程所在地位于云南省文山州广南县(e：104
°
31'-105
°
39'；n：23
°
29'-24
°
28')，土壤类型为红黏土，该地年均降雨量为1056.5mm，5～10月份为雨季，易出现暴雨洪涝、滑坡泥石流等自然灾害，因此，该地的工程边坡土壤需要进行水土防护处理。利用该地红黏土制作模拟坡面，设置添加本发明所述离子型土壤抗蚀剂的处理，形成表层、中层和底层三大抗蚀层，将其添加到模拟坡面中，设计模拟坡面的适宜坡度为1:0.75。
52.其中，设置添加本发明所述离子型土壤抗蚀剂的处理方法为：
53.将离子型土壤高分子活化剂与离子交换剂按0.85：1.5的质量比混合，得到离子型土壤抗蚀剂；高分子活化剂为(c
17h10-nhso3na)，离子交换剂为硅酸铝。
54.(1)底层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、草炭土与土壤按2.6：32：1000的质量比混合制成基质层，将基质层覆盖在需要修复的坡体表面上，覆盖厚度为10cm；
55.(2)中层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、假单胞杆菌与土壤按2.3：85：1000的质量比混合制成微生物层，将微生物层覆盖在底层抗蚀层上，覆盖厚度为5cm；
56.(3)表层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、鸡粪与土壤按2.6：32：1000的质量比混合得混合层，将混合层覆盖在中层抗蚀层上，覆盖厚度为10cm；之后通过普通喷播石竹种子得到厚度为2cm的种子层，得到边坡防护层。
57.设计好模拟坡面后收集当地近10年降雨强度及时长数据，并据此模拟人工降雨，于2018年3月5日起每隔1d冲刷坡面1次，共冲刷10次，降雨量为108mm/h，冲刷时间1h，回收每次冲刷下的泥土，于2018年3月26日数据计算，分析边坡土壤ph值、抗冲刷系数、抗蚀指数、失水量、抗蚀模数与流失厚度。
58.《土壤侵蚀分类分级标准sl190-2007》中规定南方红土区抗蚀模数不能超过500t/(km2·
a)，平均流失厚度不能超过0.37mm/a，本发明中离子型抗蚀剂则使土壤抗蚀模数(413t/(km2·
a))和流失厚度(0.15mm/a)控制在这一范围内，由此可以说明本发明中的离子型土壤抗蚀剂的添加有助于提高红黏土边坡抗蚀能力，在雨季有效的降低坡体坍塌、泥石流等灾害发生率，有效防止水土流失。
59.实施例2
60.用取自内蒙古自治区神华宝日希勒露天煤矿排土场边坡的土壤，开展边坡种植实验，利用该露天矿排土场边坡土壤制作模拟坡面，设置添加本发明所述离子型土壤抗蚀剂的处理，形成表层、中层和底层三大抗蚀层，将其添加到模拟坡面中，设计当地边坡防护的适宜坡度为1:1。
61.其中，设置添加本发明所述离子型土壤抗蚀剂的处理方法为：
62.将离子型土壤高分子活化剂与离子交换剂按0.9：1.5的质量比混合，得到离子型土壤抗蚀剂；高分子活化剂为(c
17h10-nhso3na)，离子交换剂为硅酸铝。
63.(1)底层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、有机肥与土壤按2.5：45：1000的质量比混合制成基质层，将基质层覆盖在需要修复的坡体表面上，覆盖厚度为15cm；
64.(2)中层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、am菌根菌与土壤按2.25：85：1000的质量比混合制成微生物层，将微生物层覆盖在底层抗蚀层上，覆盖厚度为7cm；
65.(3)表层抗蚀层铺设：将离子型土壤抗蚀剂、牛粪与土壤按2.25：32：1000的质量比混合得混合层，将混合层覆盖在中层抗蚀层上，覆盖厚度为10cm；之后通过普通喷播紫花苜蓿、批碱草、胡枝子、柠条、绣线菊五种混合种子得到厚度为2cm的种子层，得到边坡防护层。
66.设计好模拟坡面后收集当地近10年降雨强度及时长数据，并据此模拟人工降雨，于2018年3月15日开始试验，每隔1d冲刷坡面1次，共冲刷9次，降雨量为108mm/h，冲刷时间1h，于2018年4月4日观察、分析离子型土壤抗蚀剂的添加量对土壤养分及植被长势的影响。
67.对比例1
68.与实施例1的区别为设计模拟坡面时，将离子型土壤抗蚀剂替换为土壤，其它同实施例1。
69.对比例2
70.与实施例2的区别为设计模拟坡面时，将离子型土壤抗蚀剂替换为土壤，其它同实施例2。
71.通过对比实施例1与对比例1的结果发现添加离子型土壤抗蚀剂后模拟边坡土壤ph值为6.85，比未添加离子型土壤抗蚀剂的增加了9.47％；添加离子型土壤抗蚀剂后坡体抗冲刷系数为105.26，约为未添加离子型土壤抗蚀剂的7倍；添加离子型土壤抗蚀剂后坡体抗蚀指数为80.08％，是未添加离子型土壤抗蚀剂的4倍；添加离子型土壤抗蚀剂后坡面失水率为-0.10％，显著高于失水率为-0.69％的未添加离子型土壤抗蚀剂。表明本发明所述离子型土壤抗蚀剂的添加能有效的提高土体内抗剪切强度，降低坡体表面裂纹发生率。
72.通过对比实施例2和对比例2的结果发现添加离子型土壤抗蚀剂后的土壤全氮、全磷、全钾、有效磷、速效氮和速效钾的含量与未添加离子型土壤抗蚀剂的土壤相比，均无显著差异，由此可以说明，本发明中的离子型土壤抗蚀剂的添加不会对土壤养分造成明显的影响。而经过模拟当地降雨强度和时长冲刷后，观察添加离子型土壤抗蚀剂和未添加离子型土壤抗蚀剂的处理间植被的长势情况，发现加入本发明的离子抗蚀剂后的模拟边坡植被株高明显优于未添加离子型土壤抗蚀剂的，且植被盖度比未添加离子型土壤抗蚀剂的坡面增加了60％，由此可以说明，经雨水冲刷后，添加离子型土壤抗蚀剂的坡面植被长势良好，覆盖度明显高于未添加离子型土壤抗蚀剂的。
73.本发明中的离子型土壤抗蚀剂能显著提高边坡土壤抗冲刷、抗剪切力，加速固化土壤，持续时间长，促进种子萌发，提高植株成活率，露天矿排土场边坡土壤固化效果显著，植被生长状况较好。
74.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。