木質素磺酸鈣改良紫色土力學性能試驗研究

向楊 鮑安紅 羅書偉 薛樂

摘要：針對紫色土杭侵蝕性差、遇水容易崩解破壞造成嚴重水土流失等問題，采用木質素磺酸鈣對重慶市紫色土進行改良。通過直剪試驗、無側限杭壓強度試驗、濕化崩解試驗對改良土進行研究，結果表明：木質素磺酸鈣能夠改善紫色土力學性能，隨著摻量的增加，改良土杭剪強度、無側限杭壓強度均呈現先增大后減小的趨勢;木質素磺酸鈣摻量為5.0%時，各項指標達到最優，崩解特性得到顯著改善;當摻量超過5.0%時，改良土不崩解，因此建議木質素磺酸鈣摻量為5.0%。

關鍵詞：水土保持;紫色土;木質素磺酸鈣;力學性能

中圖分類號：S157.2 文獻標志碼：A

紫色土是由紫色巖石風化而形成的一種巖性土，我國的紫色土主要分布在四川盆地的丘陵地區和海拔800m以下的低山地區，是重慶市分布面積最廣的土類[1]。天然紫色土質地松軟，抗侵蝕性差，且重慶地區降水豐富而集中，極易產生嚴重水土流失。

研究表明，木質素副產品是一種環境友好型土壤改良劑，自然界中木質素儲量僅次于纖維素。相關數據顯示，中國制漿造紙行業每年約有5000萬t木質素副產品產生，其中95%以“黑液”形式直接排放，回收率低，對環境造成很大危害[2]。

目前，國外將木質素副產品廣泛應用于土壤改良領域中。Tingle等[3]將木質素磺酸鹽應用于固化黏土，發現固化土的強度和水穩定性都有顯著改善;Santoni等[4]將木質素磺酸鹽應用于固化粉沙，得到顯著的改良效果;Kim等[5]和Gopalakrishnan等[6]使用兩種類型的木質素副產品對愛荷華低塑性黏土進行改良試驗，結果表明能夠滿足工程要求。

國內學者對木質素副產品應用于土壤改良領域研究相對較少，但近幾年研究熱度上升。張濤等[7-12]對工業副產品木質素微觀機制、剪切特性、邊界面塑性模型、熱學與力學特性等進行了深入研究，并將其應用于粉土改良，結果表明木質素可有效改善粉土的基本工程特性;劉文白等[13]對木質素固化疏浚土進行研究，探討了固化材料摻量、齡期等對固化土壓縮特性的影響;賀智強等[14]針對黃土水穩定性差等缺點，對木質素磺酸鹽固化黃土的工程性質進行試驗研究，結果表明，木質素磺酸鈣能夠改善黃土工程性能，且最優摻量為1.0%。

目前，國內尚無木質素磺酸鈣改良紫色土的相關報道。筆者采用直剪試驗、無側限抗壓強度試驗和濕化崩解試驗對木質素磺酸鈣改良重慶市紫色土的力學性能進行研究，探討其改良紫色土的可行性，并確定其合理摻量，以期為紫色土水土保持研究提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土料

試驗用土取自西南大學后山某邊坡，取土深度為30cm，土樣粒徑小于2mm，顆粒級配曲線（采用篩分析法和移液管法測定）見圖1，天然土樣物理性質參數見表1。結合土壤分類，將其定義為砂質黏性紫色土。

1.1.2 木質素磺酸鈣

木質素磺酸鈣（簡稱木鈣）分子式為C₂₀H₂₄Ca₁₀S₂，是一種多組分高分子聚合物陰離子表面活性劑，略有芳香氣味，無毒，易溶于水，化學性質穩定，具有很強的分散性、黏結性、鰲合性，為硫酸鹽木漿廢液的主要成分。試驗用木鈣來自山東優索化工科技有限公司，其基本特征見表2。

1.2 試驗方法

1.2.1 制樣

取土樣風干、碾散、過篩（篩孔為2mm），木鈣摻量分別為0.5%、2.0%、5.0%、8.0%、12.0%（摻量為風干木鈣質量與干土質量之比）。將配置好的土和木鈣混合均勻后，噴水至含水率為18%，密封浸潤12h后制樣。采用壓樣法制備試樣，控制每個試樣干密度為1.5g/cm³，無側限抗壓強度試樣采用千斤頂靜壓法分5層壓實成50mm×100mm圓柱樣，直剪試樣為61.8mm×20.0mm環刀樣，濕化崩解試樣為50mm×20mm圓餅樣。試樣用薄膜包裹放入標準養護室內（養護條件為溫度20℃±3℃，相對濕度≥95%）養護7d。

1.2.2 試驗

試驗按照《土工試驗規程》進行。直剪試驗采用南京土壤儀器廠生產的ZJ型應變控制式直剪儀（四聯剪），剪切速率為0.8mm/min;無側限抗壓強度試驗采用YSH-2型應變控制式無側限抗壓強度儀，軸向速率為1%/min。測試不同摻量改良土3組平行試樣，取其平均值作為試驗結果。

2 試驗結果與分析

2.1 直剪試驗

黏性土抗剪強度包括黏聚力c和內摩擦力（以內摩擦角φ表征）兩部分，是土壤的重要力學性質指標。黏性土的黏聚力主要來源于土粒間的各種物理化學作用，包括范德華力、庫侖力（靜電力）、膠結作用等;內摩擦力是土顆粒相對移動的摩擦力，包括滑動摩擦和咬合摩擦[15]。表3為不同木鈣摻量下土體抗剪強度指標。

土體抗剪強度與木鈣摻量關系曲線見圖2，可以看出，隨著木鈣摻量增大，改良土黏聚力和內摩擦角均呈現先增大后減小的趨勢。當木鈣摻量為5.0%時，改良土黏聚力和內摩擦角均達到最大，較不摻木鈣分別增大35.79%、16.85%。

土體抗剪強度與垂直壓力的相關關系見圖3。可以看出，隨著垂直壓力增大，土體抗剪強度增大，兩者之間線性相關度較高。

紫色土摻加木鈣后強度提高的原因與膠結土顆粒和增大土體密實度有關[14]。適當摻量的木鈣與土體充分作用，形成膠結物質，包裹聯結土顆粒，使土顆粒間黏聚力增大，同時膠結物填充土體孔隙，形成較為致密穩定的結構，使內摩擦角增大[7]。隨著木鈣摻量增大，多余的木鈣未與土顆粒充分作用，在土體中形成局部聚集，導致土顆粒間距增大，削弱了土顆粒的骨架作用，顆粒間易出現相對滑動，表現為土體抗剪強度減小。

2.2 無側限抗壓強度試驗

土體無側限抗壓強度與木鈣摻量關系曲線見圖4。木鈣摻量為0時，土樣無側限抗壓強度為247.58kPa，強度較低。隨著木鈣摻量增大，改良土無側限抗壓強度呈先增大后減小的趨勢，與抗剪強度變化趨勢一致。當木鈣摻量為5.0%時，改良土抗壓強度達到峰值，為306.77kPa，比不摻木鈣的高23.9%;當摻量超過8.0%時，改良土強度低于不摻木鈣的。綜上所述，紫色土摻人適量木鈣能提高其無側限抗壓強度。

湯怡新等[16]認為當改良土壓縮破壞時，破壞應變ε_f可作為衡量其變形特性的重要指標，破壞應變與材料韌性成正相關關系。無側限抗壓應力與應變關系曲線見圖5，可以看出，木鈣改良土破壞應變均大于2.0%，且隨木鈣摻量增加有增大趨勢，表現出優于水泥改良土（破壞應變為0.5%～2.0%）的韌性特性。

木鈣主要含有醇羥基（-OH，3355cm^-1）、C-C鍵（1595、774、650cm^-1）、甲氧基（-OCH₃，1269cm^-1）、磺酸基（-SO₃H，1119cm^-1）和羰基（-CO，1045cm^-1）等活性官能基團，是其能夠改良土體的主要原因[17]。木鈣加入土體后，在土體孔隙水中水解出高價陽離子后與土體中低價陽離子置換，雙電層厚度減小，帶正電荷的有機大分子與帶負電荷的土顆粒結合[18]，生成木質素磺酸鹽聚合物，與土顆粒形成膠結，土顆粒間膠結力增大，并填充土體孔隙，宏觀上表現為抗壓強度提高。

2.3 濕化崩解試驗

濕化崩解是指黏土在靜水中結構聯結和強度削弱而解體坍落的現象[19]，在一定程度上反映了土體的抗侵蝕能力。不同木鈣摻量的土體濕化崩解特征見表4，不同浸潤時間、不同木鈣摻量的土體濕化崩解情況見圖6。將圓餅土樣放入水中后，不摻木鈣試樣產生大量氣泡，迅速出現崩解，且崩解速度較快，60min后完全崩解，碎屑物呈粒狀，說明紫色土水穩定性較差。隨著木鈣摻量增大，氣泡產生量、崩解量、崩解速度均呈減小趨勢。當木鈣摻量超過5.0%時，試樣24h未出現崩解現象，但有木鈣持續析出，表明木鈣能使紫色土抗侵蝕能力增強。

土壤抗蝕性與土粒間的膠結力有關，在水的浸潤作用下，土顆粒間大部分膠結鍵斷裂或削弱，使土顆粒間膠結力減小，土壤發生崩解[20]。木鈣摻入土體后，一方面膠結物質的生成使顆粒間膠結力增大，膠結鍵不易斷裂;另一方面，膠結物的填充作用使土體密實度增大，顆粒間孔隙減小，阻塞了水分子侵人通道，削弱了水的浸潤作用，使土體抗侵蝕能力進一步增強。而隨著木鈣摻量增大，部分木鈣未與土顆粒反應，在水中析出。

3 結論

（1）木質素磺酸鈣可以提高紫色土抗剪強度、無側限抗壓強度和水穩定性，應用于紫色土水土保持具有廣闊前景。

（2）木質素磺酸鈣摻入土體后，改良土抗剪強度、無側限抗壓強度均呈現先增大后減小的趨勢。木質素磺酸鈣摻量為5.0%時，改良土抗剪強度和無側限抗壓強度最大;摻量超過5.0%時，改良土不崩解，水穩定性良好，因此建議木質素磺酸鈣摻量為5.0%。

（3）木質素磺酸鈣改良紫色土主要通過水解作用與土顆粒產生膠結物質，并填充土體孔隙，增大土顆粒間膠結作用和提高土體密實度，宏觀上表現為土體強度提高、抗蝕性增強。

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