木質素改良高液限黏土試驗研究

于寶富，王明岳，鞏曰明，高文喜，劉 巖

(1. 山東泰和公路工程有限公司 淄博市 256410；2.水發規劃設計有限公司 濟南市 250100)

0 引言

高液限黏土壓實性差，級配分布不均勻，再加上其特有的高液限、高塑性指數和較高的天然含水率等特性，極易造成地基不均勻沉降，引起路面開裂、沉陷或者道路滑移，嚴重影響行車的舒適性和安全性。因此規范中規定高液限黏土不能直接用于路基填筑，確需使用時，必須進行技術處理[1]。土體改良是工程上較為常用的處理方法，常用的傳統固化劑主要有粉煤灰、水泥、石灰等，這些固化劑與土顆粒發生一系列的理化反應，改變土體顆粒組成與礦物成分，從而使土體的路用性能得到提高。但傳統固化劑也會產生一些負面影響，例如無機結合料形成的強堿環境會污染周圍土體和地下水，另外水泥和石灰等的生產會消耗大量石灰石、黏土等自然資源，并且在生產過程中消耗大量電能、熱能，同時還會排出影響空氣質量的CO2、SO2、粉塵等有害物質。因此，在環境問題日益突出的今天，尋找一種經濟、高效、環保的新型固化劑尤為重要。

木質素是紙漿造紙產業的副產品，每年會產生大約5000多萬噸的工業木質素，目前大多采用直接排放或焚燒的簡單處理方式，不僅污染自然環境，還造成了天然資源的嚴重浪費。已有學者指出，木質素中含有多種活性官能團，是一種新型土體固化劑，具有廣闊的工程應用前景[2]。張濤等[3]對木質素改良粉土機理進行了細致研究，提出在水解、離子交換、質子化和靜電引力等作用下，雙電層厚度減小，帶正電荷的木質素高分子聚合物聯結土顆粒并填充孔隙，改良土工程性質得以改善。賀智強等[4]對比分析木質素磺酸鈣和木質素磺酸鈉加固黃土的工程特性，認為木質素磺酸鈣可有效提高黃土的力學特性。婁勇等[5]認為土體內部孔隙可被木質素填充，使外界水分無法滲入到土體內部，使改良土具有良好的耐水性和耐浸泡性能。楊添元等[6]通過界限含水率試驗，發現粉土經過木質素改良后，土體的液塑限變化比較明顯，整體呈現下降的趨勢。課題組前期對濟南地區黃河沖積粉土進行過改良試驗，發現木質素磺酸鈣對改良土的強度和水穩定性能均有明顯提高[7]。

以山東省淄博市魯山大道工程沿線分布的高液限黏土為研究對象，分別采用木質素磺酸鈣(木鈣)和木質素磺酸鈉(木鈉)作為固化劑對其改良，通過對比分析改良土的無側限抗壓強度，評價兩種木質素磺酸鹽對高液限黏土的改良效果。

1 高液限黏土基本性質

試驗土樣取自淄博市魯山大道-張辛路互通工程項目，取樣深度為地表下1m，土樣呈黃褐色，土顆粒團聚，粘聚力較強，如圖1所示。土樣天然含水率為23.6%，液限為51.31%，塑限為24.71%，塑性指數26.6，屬于高液限黏土。

圖1 取樣場地

土樣中粉粒和黏粒含量為89.9%，其中粉粒(0.002～0.075mm)含量58.7%，黏粒(<0.002mm)含量31.2%，屬于細粒土。經計算曲率系數為0.15，屬不良級配土。

擊實試驗結果如圖2所示，最佳含水率為16.67%，最大干密度為1.77g/cm3。

圖2 擊實試驗結果

2 試驗方法

2.1 試樣方案及材料

木鈣、木鈉改良高液限黏土摻量都設定為0(素土)、1%、3%、6%、9%、12%，其中摻量為固化劑與干土的質量比。養護齡期為3d、7d、14d、28d、60d。

木鈣和木鈉購于臨沂綠森化工有限公司，木質素含量約為65%，二者都具有輕微的芳香氣味。木鈣呈棕褐色粉末狀，如圖3(a)所示，PH值5.4，呈弱酸性。木鈉呈黃褐色粉末狀，如圖3(b)所示，PH值為9.1，呈弱堿性。

圖3 木質素磺酸鹽

2.2 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度是試件在側面不受任何限制的條件下所承受的最大軸向應力。試驗采用應變控制式無側限抗壓強度試驗儀。試件采用千斤頂靜壓一次成型法，尺寸為直徑39.1mm，高80mm的圓柱體。

取過2mm篩下試驗用風干土與固化劑拌和均勻，用噴霧設備噴灑預計的加水量，并拌和均勻后裝入密閉容器中，悶料一夜備用。悶好的土料分三次倒入試模，每次振搗10～20次，靜壓1min后脫模。將成型試件放入保鮮袋中，在標準養護箱中(養護溫度20℃±3℃，相對濕度≥95%)密封養護。待試件到養護齡期后，進行無側限抗壓強度試驗。

3 試驗結果分析

3.1 木鈣改良土

木鈣改良土的抗壓強度試驗結果見表1。圖4為木鈣摻量與養護齡期對改良土抗壓強度的影響。由圖4(a)可以看出，在各級養護齡期下，隨著木鈣摻量的增加，改良土強度呈現先增大后降低的趨勢，木鈣摻量為3%時改良土的抗壓強度最大，而當摻量超過3%后強度呈現急速下降趨勢。以28d齡期為例，木鈣摻量為1%、3%、6%、9%和12%時的抗壓強度為2609.9kPa、2887.5kPa、1799.0kPa、1698.7kPa和1489.6kPa，分別為素土強度(1698.9kPa)的154%、170%、106%、100%和88%，可見3%摻量的木鈣對高液限黏土改良效果顯著，抗壓強度能提高70%。

表1 木鈣改良土無側限抗壓強度試驗結果(單位：kPa)

由圖4(b)可以看出，在各級木鈣摻量下，改良土的抗壓強度隨著齡期的增長不斷增大，前14d的增長速率較快，后期強度增速逐漸變緩，這種趨勢在木鈣摻量為1%和3%時表現尤為明顯。以3%木鈣摻量為例，改良土養護3d、7d、14d、28d和60d抗壓強度分別為2074.6kPa、2505.3 kPa、2764.3 kPa、2887.5 kPa和2943.7 kPa，14d齡期的強度能達到60d齡期強度的94%。

(a)木鈣摻量對強度的影響

(b)養護齡期對強度的影響圖4 木鈣改良土無側限抗壓強度

3.2 木鈉改良土

木鈉改良土的抗壓強度試驗結果見表2。圖5為木鈉摻量與養護齡期對改良土抗壓強度的影響。由圖5(a)可以看出，在各級養護齡期下，隨著木鈉摻量的增加，改良土強度呈現先增大后降低的趨勢，木鈉摻量為6%時改良土的抗壓強度最大，當摻量超過6%后強度呈現下降趨勢，尤其摻量超過9%時，強度下降態勢加快。以28d齡期為例，木鈉摻量為1%、3%、6%、9%和12%時的抗壓強度為2128.9kPa、2339.7kPa、2530.7kPa、2403.7kPa和1738.1kPa，分別為素土強度(1698.9kPa)的125%、138%、149%、141%和102%，可見6%摻量的木鈉對高液限黏土改良效果最好，抗壓強度能提高49%。

表2 木鈉改良土無側限抗壓強度試驗結果(單位：kPa)

(a)木鈉摻量對強度的影響

(b)養護齡期對強度的影響圖5 木鈉改良土無側限抗壓強度

由圖5(b)可以看出，在各級木鈉摻量下，改良土的抗壓強度隨著齡期的增長不斷增大，前14d的增長速率較快，后期強度增速逐漸變緩。以6%木鈉摻量為例，改良土養護3d、7d、14d、28d和60d抗壓強度分別為1899.3kPa、2270.5kPa、2445.3kPa、2530.7kPa和2604.2kPa，14d齡期的強度能達到60d齡期強度的94%。

3.3 改良效果對比

為了直觀地對比木鈣與木鈉對高液限黏土的改良效果，將兩種木質素在最優摻量下的改良土與素土進行強度比較，如圖6所示，其中木鈣最優摻量為3%，木鈉最優摻量為6%。與素土相比，養護齡期3d、7d、14d、28d、60d時，木鈣改良土強度可分別提高30%、50%、66%、70%、73%，木鈉改良土強度可分別提高19%、36%、46%、49%、53%。由此可知，木鈣和木鈉都可用于高液限黏土的改良，但木鈣的改良效果更佳。

圖6 兩種木質素改良效果對比

4 結論

為了減少水泥、石灰等無機結合料的使用，同時避免木質素的直接排放對環境的污染，使木質素“變廢為寶”，開展了兩種木質素磺酸鹽(木鈣、木鈉)改良高液限黏土的試驗研究，探討木質素提升高液限黏土工程性能的可行性與有效性，所得結論如下：

(1)隨著木質素摻量的增加，兩種改良土的抗壓強度均呈現先增大后降低的趨勢，木鈣的最佳摻量為3%，而木鈉的最佳摻量為6%。

(2)木鈣改良土和木鈉改良土的抗壓強度都隨著養護齡期的增長不斷增大，前14d的增長速率較快，后期強度增速逐漸變緩。

(3)養護齡期28d時，3%摻量的木鈣改良土抗壓強度比素土提高了70%，6%摻量的木鈉改良土抗壓強度比素土提高了49%，對于高液限黏土而言，木鈣的改良效果更好。