季凍區(qū)木質(zhì)素改良土工程性質(zhì)試驗(yàn)研究

徐永豐 冉貴營(yíng) 朱可予 司雪婷 李家宇

摘要：在季凍區(qū)，凍融作用對(duì)路基的性能和穩(wěn)定性提出了更高的要求，使用新型環(huán)保的木質(zhì)素作為路基改良劑作為路基填料具有廣闊的應(yīng)用前景。本文對(duì)木質(zhì)素改良土的工程性質(zhì)進(jìn)行研究，試驗(yàn)研究結(jié)果表明，凍融前，隨著木質(zhì)素?fù)搅吭黾?，CBR先升高再降低，膨脹率先降低再升高，吸水量規(guī)律不明顯，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不斷降低，動(dòng)回彈模量不斷上升;凍融后，隨著木質(zhì)素?fù)搅吭黾樱瑹o(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度先增大再減小，動(dòng)回彈模量不斷增加。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和動(dòng)回彈模量在凍融后的衰減量均小于素土，說(shuō)明木質(zhì)素的摻入可以提高土體的抗凍性。

關(guān)鍵詞：季凍區(qū)，路基，木質(zhì)素改良，工程性質(zhì)

引言

目前在路基工程中大多采用對(duì)路基填料進(jìn)行改良，使用化學(xué)改良劑石灰、水泥等無(wú)機(jī)改良材料，Croft[1]通過(guò)試驗(yàn)研究得出石灰加入土中可以顯著改善膨脹土的膨脹性，進(jìn)而提高強(qiáng)度，Bahar[2]發(fā)現(xiàn)水泥能有效提高砂土的抗壓強(qiáng)度。賀建清[3]通過(guò)掃描電鏡和能譜分析發(fā)現(xiàn)石灰在土體內(nèi)部形成網(wǎng)狀的鈣礬石晶體。本文通過(guò)導(dǎo)熱系數(shù)與CBR試驗(yàn)研究了凍融與木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)土體的導(dǎo)熱性、承載能力、膨脹量及吸水量的影響，利用SEM探究了凍融與木質(zhì)素對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)的影響，并借助EDS、XRD與FTIR分析了木質(zhì)素對(duì)土體化學(xué)元素、礦物成分及官能團(tuán)的影響，從而建立了凍融條件下木質(zhì)素改良土宏觀工程性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)特征的關(guān)系。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

土樣取自吉林省西部地區(qū)某高速公路工程，土顆粒相對(duì)密度為 2.612。顆粒分析得出：大于0.075 mm顆粒含量為10.6%，0.005 mm～0.075 mm的顆粒含量為65.4%，0.000 mm～0.005 mm的顆粒含量為24%。試驗(yàn)用木質(zhì)素取自河南省漯河市某造紙廠，呈現(xiàn)黃褐色，粉末狀固體，含少量水分，帶有腐臭味。

1.2試樣準(zhǔn)備

取代表性風(fēng)干土樣過(guò)篩，按照土樣的最佳含水率和最大干密度，計(jì)算好摻量為1%、3%、5%的木質(zhì)素和土樣，將其拌和好并放入黑色塑料袋中密封浸潤(rùn)24h，然后將土料倒入模具中，采用靜壓法成型，每種摻量的試件為6個(gè)。無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度模具尺寸為直徑50mm，高度50mm的圓柱體鋼膜，CBR的模具尺寸為直徑152mm，高度120mm的圓柱體鋼膜，動(dòng)三軸試驗(yàn)的模具尺寸為直徑39.1mm，高度為80.0mm的圓柱體鋼膜。成型后的試件放入溫度為20℃，相對(duì)濕度為95%條件下的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中，養(yǎng)生7d。完成養(yǎng)護(hù)的土樣一部用于凍融循環(huán)前的試驗(yàn)研究，一部分放入高低溫交變?cè)囼?yàn)箱內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)，設(shè)置凍結(jié)和融化的溫度為20℃和-20℃，凍結(jié)和融化時(shí)間分別為24h，凍融循環(huán)次數(shù)為9次。

1.3 試驗(yàn)方法

采用路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)完成木質(zhì)素改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)定。在路面材料強(qiáng)度試驗(yàn)儀上，安放好試件，采用50 kN加載感應(yīng)頭，加載速率為1 mm/min，進(jìn)行貫入試驗(yàn)，記錄位移值與壓力值，依據(jù)規(guī)程計(jì)算膨脹量、吸水量與CBR。本文依據(jù)規(guī)范[8]試驗(yàn)方法與文獻(xiàn)[9]制定出的細(xì)粒土路基三軸試驗(yàn)加載序。采用的德國(guó)Wille生產(chǎn)的動(dòng)三軸試驗(yàn)儀進(jìn)行重復(fù)加載三軸試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 CBR

木質(zhì)素改良土的CBR值隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾映氏仍龃蠛鬁p小的趨勢(shì)，1%木質(zhì)素改良土CBR較素土增加了29.0%，而3%和5%木質(zhì)素改良土CBR降低了5.8%、31.4%。由此可知，1%木質(zhì)素為最佳摻量，CBR取得最大值，而木質(zhì)素?fù)搅窟^(guò)多，會(huì)使土體的CBR值降低。

2.2 膨脹率

木質(zhì)素改良土的膨脹率隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾映氏冉档秃笊仙内厔?shì)，1%和3%木質(zhì)素改良土的膨脹率較素土降低了16.7%、5.6%，而5%木質(zhì)素改良土上升了7.4%。由此可知，少量木質(zhì)素可以減小膨脹率，起到減小浸水膨脹的效果，也能在一定程度上提高土體的抗變形能力和水穩(wěn)性能。

2.3 吸水量

木質(zhì)素改良土的吸水量隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑龃?，呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)。1%、3%和5%木質(zhì)素改良土的吸水量較素土分別減小了22.5%、9.2%、13.4%。由此可知木質(zhì)素的摻入可以起到一定的阻水作用，并且摻量少效果更佳，可能由于木質(zhì)素?fù)饺胪馏w后起到了填充孔隙的作用，而且木質(zhì)素具有膠結(jié)作用，使土顆粒之間連結(jié)更密實(shí)。

2.4 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

凍融前，木質(zhì)素改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著木質(zhì)素?fù)搅吭黾佣鴾p小;凍融后，木質(zhì)素改良粉質(zhì)黏土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著木質(zhì)素?fù)搅吭黾映氏仍黾雍鬁p小的趨勢(shì)，且凍融后的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均比凍融前的強(qiáng)度低。凍融前，木質(zhì)素?fù)搅繛?%、3%及5%的改良土較素土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度減小了2.9%、17.8%、27.4%。凍融后，木質(zhì)素?fù)搅繛?%、3%及5%的改良土較素土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了19.5%、8.6%、6.1%，這說(shuō)明木質(zhì)素的摻入有效提高了土體的抗凍性，而且凍融以后的衰減量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于素土。

2.5 動(dòng)回彈模量

凍融前后木質(zhì)素改良土的動(dòng)回彈模量隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣黾?，?jīng)歷凍融循環(huán)作用以后的改良土動(dòng)回彈模量普遍降低。偏應(yīng)力一定的條件下，圍壓15kPa、30kPa、45kPa和60kPa條件下敵營(yíng)的動(dòng)回彈模量在凍融循環(huán)后，素土的下降了22.3%、21.1%、19.3%、17.6%，1%木質(zhì)素改良土下降了14.6%、12.0%、9.7%、8.2%，3%木質(zhì)素改良土下降了15.2%、10.0%、6.1%、4.4%，5%木質(zhì)素改良土下降了4.2%、5.7%、5.9%、6.4%。

3 結(jié)論

本文分析了凍融循環(huán)作用與木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)木質(zhì)素改良土的宏觀工程性質(zhì)的影響規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）木質(zhì)素?fù)搅繌?%增加到5%，CBR值先增大再降低，在1%木質(zhì)素?fù)搅窟_(dá)到最大值，膨脹量先降低后升高，吸水量規(guī)律并不明顯，少量木質(zhì)素可以提高土體的強(qiáng)度和水穩(wěn)性，木質(zhì)素?fù)搅吭龆鄤t效果下降，木質(zhì)素最佳摻量為1%。

（2）凍融前，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨木質(zhì)素?fù)搅康脑黾又饾u減小，凍融后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾酉壬咴俳档停举|(zhì)素的摻入使凍融后的衰減量小于素土，提高了土體的抗凍性。

（3）凍融前后木質(zhì)素改良土的動(dòng)回彈模量隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣黾?，凍融的改良土?dòng)回彈模量普遍降低。凍融后的木質(zhì)素改良土動(dòng)回彈模量衰減率明顯小于素土，提高了土體的抗凍性。

參考文獻(xiàn)

[1]Croft JB.The influence of soil mineralogical composition on cement stabilization[J]. Geotechnique， 1967， 17， 119-135.

[2]Bahar R， Benazzoug M， Kenai S.Performance of compacted cement-stabilized soil[J]. Cement and Concrete Composites， 2004， 26（7）， 812-820.

[3]Ceylan H， Gopalakrishnan K， Kim S.Soil stabilization with bioenergy coproduct[J]. Transportation Research Board， 2010， 2186： 130-137.

[4]賀建清. 石灰改良土路基填料的動(dòng)力特性及應(yīng)用研究[D]. 長(zhǎng)沙： 中南大學(xué)， 2005.

[5]賀智強(qiáng)， 樊恒輝， 王軍強(qiáng)等. 木質(zhì)素加固黃土的工程性能試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2017， 38（03）： 731-739.

[6]胡翔宇. 木質(zhì)素基土壤穩(wěn)化劑的機(jī)理研究和原子模擬[D]. 南京： 東南大學(xué)， 2018.

[7]中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司. JTG D30-2015 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. 北京： 人民交通出版社股份有限公司， 2015.

[8]陳聲凱，凌建明，羅志剛. 路基土回彈模量應(yīng)力依賴性分析及預(yù)估模型[J].土木工程學(xué)報(bào)，2007，40（6）： 95-104.

[9]Fu Zhu， Weizhi Dong， et al. （2018） Geotechnical properties and microstructure of lime-stabilized silt clay. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 78，2345-2354.

doi：10.1007/s10064-018-1307-5

收稿日期：2021-04-02

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（202110191133X）;省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（S202110191102）

作者簡(jiǎn)介：徐永豐，男，1998年11月生，大學(xué)本科，主要從事道路工程材料的研究。