木質(zhì)素改良季凍土工程性質(zhì)研究

李家宇，朱 福

(吉林建筑大學 交通科學與工程學院 長春市 130118)

0 引言

吉舒高速公路路基經(jīng)常因為冬季凍結、春季融化，導致發(fā)生嚴重病害，需改變土體原有的物理力學性質(zhì)，以減少路基損害。一般采用石灰、水泥等無機改良劑對路基土進行改良處理，但這些改良劑抗凍能力不足，同時也對環(huán)境造成一定的危害。因此，新型和保護環(huán)境的改良劑的開發(fā)具有重要意義。木質(zhì)素在自然界中儲存量極大，每年新增量可達幾百億噸，木質(zhì)素單價低廉，這種有機改良劑具有保護環(huán)境、化學性質(zhì)相對穩(wěn)定等優(yōu)點。Muge Elif Orakoglu等采用三軸試驗研究了木質(zhì)素改良土凍融循環(huán)條件下的力學性質(zhì)，得出了木質(zhì)素有效改善改良土的強度與抗凍性。Tao Zhang等將木質(zhì)素改良粉土應用于江蘇省阜建高速公路，開展了現(xiàn)場CBR、回彈模量、回彈彎沉、輕型動力觸探及壓實度等的測試，并對木質(zhì)素和石灰改良粉土的應用效果進行了比較分析，論證了木質(zhì)素改良粉土技術的可行性和優(yōu)越性。

中國在工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素改良劑方面的研究才剛剛起步，尤其是工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素改良劑在寒區(qū)凍融循環(huán)條件下的性能還需要進一步考察。所以本實驗采用吉舒高速公路路基常用的黏性土，研究工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素改良粘性土是否具有良好的強度和抗凍融的穩(wěn)定性，分析其內(nèi)在力學性質(zhì)，從而為工程提供一種成本低廉和改良效果較好的有機改良劑，實現(xiàn)工程安全與生態(tài)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1 抗凍性試驗方案設計與方法

1.1 試驗方案設計

借鑒國內(nèi)外學者研究得出的木質(zhì)素摻量范圍，選定木質(zhì)素摻配比例、凍融循環(huán)作為影響因素，開展木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的力學指標與抗凍性研究，試驗方案見表1。

表1 木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土抗凍性試驗方案

1.2 試驗方法

(1)試件成型與凍融循環(huán)試驗

將粉質(zhì)黏土風干過2mm篩，稱取一定量的風干土與木質(zhì)素，按照木質(zhì)素摻量為 0%、2%、4%、6%的摻配比例，依據(jù)擊實試驗得到木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的最佳含水率與最大干密度的96%，準備不同木質(zhì)素摻量的試樣，拌和均勻，密封并浸潤12h，然后將試樣倒入鋼模內(nèi)，采用靜壓法成型試件，動態(tài)回彈模量試驗試件尺寸為直徑×高為100mm×200mm；CBR試驗試件尺寸為直徑×高為152mm×120mm。成型后的試件采用聚酯薄膜密封，放入標準養(yǎng)生箱內(nèi)，在溫度為20℃、相對濕度為95%的條件下養(yǎng)生7d、28d。完成養(yǎng)生的木質(zhì)素改良粉質(zhì)土試件與粉質(zhì)黏土試件一同放入高低溫交變試驗箱內(nèi)，設冰箱凍結融化溫度分別為-20℃與20℃，凍結融化時間各24h，凍融循環(huán)10次。

(2)重復加載動態(tài)回彈模量試驗

三軸重復加載試驗采用DTS 30通用試驗機完成測試，其中圍壓為氣壓加載，半正矢脈沖荷載，荷載頻率10Hz，加載時間為0.2s，荷載間歇時間為0.8s。通過DTS 30配套的Testlab軟件完成數(shù)據(jù)采集與分析。試驗中各土樣制作3個平行試件，每個試件含水率與壓實度誤差控制在1%以內(nèi)。

試件浸泡4晝夜后，讀取百分表讀數(shù)，將試件從水槽中取出，倒出試件頂面的水，靜置15min，卸去框架、荷載板等附件，稱量筒和試件質(zhì)量。在MQS-2型路面材料強度試驗儀上，安放好試件，進行貫入試驗。采用50kN加載感應頭，加載速率為1mm/min，記錄位移值與壓力值。按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40-2007)中公式(T0134-2)至公式(T0134-7)，計算 CBR、膨脹量與吸水量。

(3)導熱系數(shù)試驗

導熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下，1m 厚的材料兩側(cè)表面的溫差為1度(K，℃)，在1s內(nèi)，通過1m2面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度 (W/(m·K))。本研究采用導熱系數(shù)儀完成粉質(zhì)黏土與木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的導熱系數(shù)測定。儀器導熱系數(shù)測量范圍為0.005～500W/(m·K)，精度為±3%，傳感器類型為Kapton(聚酰亞胺)覆膜，測試時間1～2560s。基于瞬態(tài)平板熱源的技術理論，采用了雙螺旋探頭結構，該探頭在測試過程中起到兩個作用，它既是一個用來加熱樣品的熱源，又是一個用來記錄溫度隨時間升高的阻值溫度計。這種螺旋結構由外部薄膜材料保護起來，該材料一方面提供探頭一定的機械強度，另一方面保證探頭在使用中的電絕緣性。在測試材料的導熱系數(shù)時，被膜裝的鎳螺旋探頭夾于兩塊樣品之中。在測試時間內(nèi)，探頭的阻值變化將被一一記錄下來，基于阻值的大小系統(tǒng)建立起測試期間探頭所經(jīng)歷的溫度隨時間的變化關系。根據(jù)不同材料的導熱系數(shù)大小，系統(tǒng)要選擇不同的測試參數(shù)，包括：輸出功率、測試時間以及采用探頭的尺寸等。

2 抗凍性試驗結果分析

2.1 凍融試驗

在經(jīng)過凍融作用后素土與木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的表面情況，如圖1所示。

由圖1可知，經(jīng)過凍融作用后的素土試件表面存在明顯的裂縫，縱橫方向均有裂縫的痕跡，但是摻量4%與6%的木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的表面卻未見裂縫。所以綜上現(xiàn)象可以說明木質(zhì)素可以增強粉質(zhì)黏土路基的抗凍性。

2.2 重復加載動態(tài)回彈模量試驗

選取日常路基施工圍壓30kPa條件下的試驗結果，繪成圖2與圖3。由圖2和圖3可知，在圍壓一定的條件下，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的動態(tài)回彈模量均隨著偏應力的增大而減小。由圖2(a)、圖2(b)可知，在試件凍融前，隨著木質(zhì)素摻配比例的增大，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的動態(tài)回彈模量不斷減小。由圖3(a)、圖3(b)可知，試件經(jīng)過10次凍融循環(huán)作用后，隨著木質(zhì)素摻配比例的增大，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的動態(tài)回彈模量不斷增大，這說明木質(zhì)素改良劑的摻入提高了凍融后土體的強度，并且有效地改善了粉質(zhì)黏土的抗凍性。

2.3 承載比試驗

木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土試件在經(jīng)歷凍融前后的承載比試驗結果如表2及表3所示。

表2 凍融前木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的CBR試驗結果

表3 凍融后木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的CBR試驗結果

由表2及表3可知，隨著木質(zhì)素的摻量不斷增加，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的CBR值呈先增大后減小的趨勢。在試件進行凍融之前，養(yǎng)生7d木質(zhì)素摻量為2%、4%以及6%的改良粉質(zhì)黏土CBR值較素土增長了127%、131.2%、57.4%，而養(yǎng)生28d的木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土CBR值增長了134.4%、143.2%、66.7%。素土經(jīng)歷凍融后，CBR值較凍融之前減小了53%，而木質(zhì)素摻量為2%、4%及6%的改良粉質(zhì)黏土，在養(yǎng)生7d凍融后，CBR值減小了29.9%、9.3%、8.2%，在養(yǎng)生28d凍融后，CBR值減小了21.4%、7.8%、10.1%。可以得出雖然在試件經(jīng)歷凍融之后，素土與木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的CBR值均在減小，但是木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的CBR減小幅度比較小。

2.4 導熱性試驗

由圖4和圖5可知，無論素土和木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土是否經(jīng)歷凍融循環(huán)，導熱系數(shù)都隨著木質(zhì)素摻量的增加而減小。凍融前，養(yǎng)生7d的木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土在功率150w條件下導熱系數(shù)與素土相比最大減少了14%，功率180w條件下導熱系數(shù)最大減少了13.76%；而養(yǎng)生28d的木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土在功率150w條件下導熱系數(shù)與素土相比最大減少了15.93%，功率180w條件下導熱系數(shù)最大減少了13.18%。凍融后，養(yǎng)生7d的木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土在功率150w條件下與素土相比導熱系數(shù)最大減少了16.02%，功率180w條件下導熱系數(shù)最大減少了15.37%；而養(yǎng)生28d的木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土在功率150w條件下導熱系數(shù)與素土相比最大減少了12.76%，在功率180w條件下導熱系數(shù)最大減少了12.22%。素土與木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土在經(jīng)歷凍融循環(huán)作用以后導熱系數(shù)均有不同程度的增加。

3 結論

通過重復加載動態(tài)回彈模量、承載比與導熱性試驗得出了在凍融條件下木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土動態(tài)回彈模量、CBR以及導熱系數(shù)的影響規(guī)律，通過分析取得以下結論：

(1)經(jīng)過凍融作用后的素土試件表面存在明顯的裂縫，而摻量為4%與6%的木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土試件表面沒有裂縫，整體性好，說明木質(zhì)素可以提高路基土的抗凍性。

(2)試件經(jīng)歷凍融循環(huán)前后，圍壓一定，木質(zhì)素改良黏土的動態(tài)回彈模量隨著偏應力的增大而減小。隨著木質(zhì)素摻配比例的增大，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的動態(tài)回彈模量不斷減小，經(jīng)歷凍融后，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的回彈模量增加，這說明木質(zhì)素改良劑的摻入有效地改善了粉質(zhì)黏土的抗凍性。

(3)試件經(jīng)歷凍融循環(huán)前后，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的CBR值隨著木質(zhì)素摻量的增加，呈先增大后減小的趨勢。經(jīng)歷凍融后，素土和木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的CBR值均減小，但是木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土相較素土下降幅度較小。綜上所述，季凍區(qū)粉質(zhì)黏土最佳木質(zhì)素摻量為4%。

(4)素土與木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土在經(jīng)歷凍融后導熱系數(shù)均有增加。但隨著木質(zhì)素摻量的增加木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的導熱系數(shù)逐漸減小，這說明由于木質(zhì)素的添加有效降低了土體的導熱性，提高了粉質(zhì)黏土的抗凍性。