季凍區木質素改良土工程性質試驗研究

徐永豐 冉貴營 朱可予 司雪婷 李家宇

摘要：在季凍區，凍融作用對路基的性能和穩定性提出了更高的要求，使用新型環保的木質素作為路基改良劑作為路基填料具有廣闊的應用前景。本文對木質素改良土的工程性質進行研究，試驗研究結果表明，凍融前，隨著木質素摻量增加，CBR先升高再降低，膨脹率先降低再升高，吸水量規律不明顯，無側限抗壓強度不斷降低，動回彈模量不斷上升;凍融后，隨著木質素摻量增加，無側限抗壓強度先增大再減小，動回彈模量不斷增加。無側限抗壓強度和動回彈模量在凍融后的衰減量均小于素土，說明木質素的摻入可以提高土體的抗凍性。

關鍵詞：季凍區，路基，木質素改良，工程性質

引言

目前在路基工程中大多采用對路基填料進行改良，使用化學改良劑石灰、水泥等無機改良材料，Croft[1]通過試驗研究得出石灰加入土中可以顯著改善膨脹土的膨脹性，進而提高強度，Bahar[2]發現水泥能有效提高砂土的抗壓強度。賀建清[3]通過掃描電鏡和能譜分析發現石灰在土體內部形成網狀的鈣礬石晶體。本文通過導熱系數與CBR試驗研究了凍融與木質素摻量對土體的導熱性、承載能力、膨脹量及吸水量的影響，利用SEM探究了凍融與木質素對土體微觀結構的影響，并借助EDS、XRD與FTIR分析了木質素對土體化學元素、礦物成分及官能團的影響，從而建立了凍融條件下木質素改良土宏觀工程性質與微觀結構特征的關系。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

土樣取自吉林省西部地區某高速公路工程，土顆粒相對密度為 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%。試驗用木質素取自河南省漯河市某造紙廠，呈現黃褐色，粉末狀固體，含少量水分，帶有腐臭味。

1.2試樣準備

取代表性風干土樣過篩，按照土樣的最佳含水率和最大干密度，計算好摻量為1%、3%、5%的木質素和土樣，將其拌和好并放入黑色塑料袋中密封浸潤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。無側限抗壓強度模具尺寸為直徑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，動三軸試驗的模具尺寸為直徑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℃，相對濕度為95%條件下的標準養護箱中，養生7d。完成養護的土樣一部用于凍融循環前的試驗研究，一部分放入高低溫交變試驗箱內進行凍融循環，設置凍結和融化的溫度為20℃和-20℃，凍結和融化時間分別為24h，凍融循環次數為9次。

1.3 試驗方法

采用路面材料強度試驗機完成木質素改良土的無側限抗壓強度的測定。在路面材料強度試驗儀上，安放好試件，采用50 kN加載感應頭，加載速率為1 mm/min，進行貫入試驗，記錄位移值與壓力值，依據規程計算膨脹量、吸水量與CBR。本文依據規范[8]試驗方法與文獻[9]制定出的細粒土路基三軸試驗加載序。采用的德國Wille生產的動三軸試驗儀進行重復加載三軸試驗。

2試驗結果分析

2.1 CBR

木質素改良土的CBR值隨著木質素摻量的增加呈先增大后減小的趨勢，1%木質素改良土CBR較素土增加了29.0%，而3%和5%木質素改良土CBR降低了5.8%、31.4%。由此可知，1%木質素為最佳摻量，CBR取得最大值，而木質素摻量過多，會使土體的CBR值降低。

2.2 膨脹率

木質素改良土的膨脹率隨著木質素摻量的增加呈先降低后上升的趨勢，1%和3%木質素改良土的膨脹率較素土降低了16.7%、5.6%，而5%木質素改良土上升了7.4%。由此可知，少量木質素可以減小膨脹率，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性能。

2.3 吸水量

木質素改良土的吸水量隨著木質素摻量的增大，呈先減小后增大再減小的趨勢。1%、3%和5%木質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，可能由于木質素摻入土體后起到了填充孔隙的作用，而且木質素具有膠結作用，使土顆粒之間連結更密實。

2.4 無側限抗壓強度

凍融前，木質素改良土的無側限抗壓強度隨著木質素摻量增加而減小;凍融后，木質素改良粉質黏土的無側限抗壓強度隨著木質素摻量增加呈先增加后減小的趨勢，且凍融后的無側限抗壓強度均比凍融前的強度低。凍融前，木質素摻量為1%、3%及5%的改良土較素土無側限抗壓強度減小了2.9%、17.8%、27.4%。凍融后，木質素摻量為1%、3%及5%的改良土較素土無側限抗壓強度提高了19.5%、8.6%、6.1%，這說明木質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遠小于素土。

2.5 動回彈模量

凍融前后木質素改良土的動回彈模量隨著木質素摻量的增加而增加，經歷凍融循環作用以后的改良土動回彈模量普遍降低。偏應力一定的條件下，圍壓15kPa、30kPa、45kPa和60kPa條件下敵營的動回彈模量在凍融循環后，素土的下降了22.3%、21.1%、19.3%、17.6%，1%木質素改良土下降了14.6%、12.0%、9.7%、8.2%，3%木質素改良土下降了15.2%、10.0%、6.1%、4.4%，5%木質素改良土下降了4.2%、5.7%、5.9%、6.4%。

3 結論

本文分析了凍融循環作用與木質素摻量對木質素改良土的宏觀工程性質的影響規律，得出如下結論：

（1）木質素摻量從0%增加到5%，CBR值先增大再降低，在1%木質素摻量達到最大值，膨脹量先降低后升高，吸水量規律并不明顯，少量木質素可以提高土體的強度和水穩性，木質素摻量增多則效果下降，木質素最佳摻量為1%。

（2）凍融前，無側限抗壓強度隨木質素摻量的增加逐漸減小，凍融后，無側限抗壓強度隨著木質素摻量的增加先升高再降低，木質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）凍融前后木質素改良土的動回彈模量隨著木質素摻量的增加而增加，凍融的改良土動回彈模量普遍降低。凍融后的木質素改良土動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

[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.

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[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

基金項目：國家級大學生創新創業訓練計劃項目（202110191133X）;省級大學生創新創業訓練計劃項目（S202110191102）

作者簡介：徐永豐，男，1998年11月生，大學本科，主要從事道路工程材料的研究。