EICP-木質素聯合固化粉土的試驗研究

張建偉，王小鋸，李貝貝，韓一，邊漢亮

(河南大學 土木建筑學院，河南 開封 475004)

目前，把木質素和EICP結合起來改良土體的研究幾乎沒有，為了彌補這一空白，改良EICP技術中碳酸鈣的聚集方式，利用木質素-EICP聯合技術，對粉土進行改良，通過三軸試驗、無側限抗壓強度試驗、SEM掃描電鏡試驗和XRD分析，研究EICP-木質素聯合技術對土體宏觀和微觀特性的影響，試驗結果表明：在EICP技術中添加木質素，可以提高土體的黏聚力和內摩擦角，無側限抗壓強度也有所提高。從微觀上，添加木質素可以為EICP技術生成的碳酸鈣提供成核位點，且生成的碳酸鈣晶型都是穩定的方解石。

采取不同摻量的木質素對EICP固化土加以改良，進行三軸固結不排水剪切試驗。取烘干后的土樣過篩，取不同摻量的木質素與土樣攪拌均勻，將EICP溶液代替水溶液加入粉土中進行攪拌和處理制樣，然后進行三軸試驗，其中，反應液濃度為0.75 mol/L，氯化鈣與尿素1∶1混合。結果發現：與未摻木質素的EICP改良土相比，EICP-木質素改良土的抗剪強度、黏聚力和內摩擦角都更高。

采用無側限抗壓強度試驗對不同的改良土試件進行對比試驗，其中，木質素摻量都為5%，試驗過程嚴格按照規范進行，計算試驗數據得到不同改良土的應力-應變關系曲線，如圖1所示，不同改良土的應力都隨著應變的增加先增大后減小，這是由于試件應力達到最高點后開始產生破壞，試件產生屈服，不同的改良土試件在彈性階段內的斜率要大于素土的斜率，說明改良土彈性階段持續時間短，素土破壞時應變在4.5%左右，EICP改良土的試件破壞時的應變在3%左右，木質素摻量為5%的改良土試件破壞時的應變在2.3%左右，而EICP-木質素試件破壞時的應變在1.6%左右，說明在EICP技術中添加木質素可以有效改善粉土的力學性能。

圖1 不同改良土的應力-應變曲線Fig.1 Stress-strain curves of different reinforced

為了進一步研究木質素在EICP改良土中的作用機理，取試驗后的土樣進行放大500、2 000倍的掃描電鏡實驗。結果如圖2所示，圖2(a)是木質素處理過的粉土樣微觀圖，圖2(b)是EICP技術處理過的粉土樣微觀圖，圖2(c)是用EICP-木質素聯合固化技術處理過的土樣微觀圖。

從圖2放大500倍的微觀對比圖可以看到：圖2(a)、(b)雖然也形成了聯結土顆粒的膠結物質，但是與圖2(c)相比，生成的膠結物質明顯減少很多。從圖2放大2 000倍的微觀圖可以看到：圖2(a)生成的有填充土顆粒孔隙的絲狀結構，圖2(b)生成的有塊狀碳酸鈣，但分布雜亂，沒有成核點，圖2(c)的土顆粒之間相互聯結最好，紅圈標出的是木質素和碳酸鈣聯結在一起形成的花瓣狀的膠結物，填充了土顆粒之間的孔隙，說明木質素為碳酸鈣提供了成核位點，彌補了EICP技術中沒有成核位點的缺陷，在宏觀上可以體現為提高抗剪強度和黏聚力，改善土體的工程性質。

圖2 不同改良土的SEM圖Fig.2 SEM images of different improved

EICP技術中生成的碳酸鈣有同質多象體，同質多象體是具有相同的化學組分，在不同的物理化學環境中，能形成結構不同的幾種晶體。碳酸鈣的同質多象體分別為方解石(calcite)、文石(aragonite)和球霰石(vaterite)。其中，方解石是熱力學最穩定的礦物相，具有較高的機械強度；文石在地表呈亞穩定相；通常情況下球霰石是熱力學最不穩定的晶型，結構松散，穩定性差，很難被保存，作為加固用的碳酸鈣晶型，本身具有短板。圖3是用EICP-木質素改良粉土(木質素摻量為0%、3%、5%)進行XRD試驗得到的物質分析圖，碳酸鈣的晶型只有方解石，沒有球霰石，說明使用該技術加固土體可以從內部消除工程隱患。

圖3 XRD分析

EICP-木質素聯合固化技術能提高土體的抗剪強度和粘聚力，通過微觀試驗可以看出，木質素的作用機理主要是改變了EICP產生分散碳酸鈣的方式，為碳酸鈣提供成核位點，在土顆粒間隙中將無規律的碳酸鈣聚攏成型。