木質素改良土抗剪強度參數試驗研究

陳 斌，王高強，劉 春，張海濤，孫兆強

(1.山東泰和公路工程有限公司 淄博市 256410； 2.山東建筑大學 交通工程學院 濟南市 250101)

0 引言

水泥和石灰等傳統固化劑，在生產過程中不僅會消耗大量石灰石、黏土等自然資源，并且消耗大量電能、熱能，同時還會排出CO2、SO2、粉塵等有害物質。隨著社會環保意識的整體增強，新型綠色固化材料的研發已成為不良土體加固領域的熱點[1]。木質素是紙漿造紙產業的副產品，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]。付星等[3]通過界限含水率試驗，發現粉砂經過木質素改良后，改良土的液限與塑限整體會有下降趨勢，塑性指數趨于6左右。王明岳等[4]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。

土的抗剪強度反映土體抵抗剪切破壞的能力，工程實踐和室內試驗都證實了土是由于受剪而產生破壞，剪切破壞是土體強度破壞的重要特點，因此，土的強度問題實質上就是土的抗剪強度問題[5]。路基工程中地基承載力、路堤填土穩定性、邊坡穩定性分析等問題都與土的抗剪強度有密切關系。近些年，研究較多的且能直接地反映抗剪強度的力學試驗主要是直接剪切試驗[6]。以木質素改良高液限土為研究對象，通過直接剪切試驗，探索木質素摻量、養護齡期對改良土抗剪強度參數的影響規律，為不良土路基加固處理提供一定的參考。

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。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。

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1所示，最佳含水率為16.67%，最大干密度為1.77g/cm3。

圖1 擊實試驗結果

承載比試驗結果如圖2所示，貫入量為2.5mm時的單位壓力為168kPa，貫入量為5mm時的單位壓力為240kPa，根據承載比計算公式：CBR2.5=2.4%,CBR5=2.3%。根據《公路路基設計規范》(JTG D30-2015)，該土樣不滿足路基填料的要求[7]。

圖2 承載比試驗結果

2 直剪試驗

2.1 試樣方案及材料

木質素改良高液限黏土摻量設定為：0(素土)、1%、2%、3%、4%、6%，其中摻量為固化劑與干土的質量比。養護齡期為1d、7d、28d。

木質素(木質素磺酸鈣)購于臨沂綠森化工有限公司，木質素含量約為65%，具有輕微的芳香氣味，呈棕褐色粉末狀，如圖3所示，pH值5.4，呈弱酸性。

圖3 木質素磺酸鈣

2.2 試驗方法

所用試驗設備為ZJ型應變控制式直剪儀(四聯剪)，應力環中百分表量程為10mm，最小刻度值為0.1mm，試驗用環刀直徑為61.8mm，高2mm。按規范制定土樣，環刀取出土樣后用透水石將試樣推入剪切盒中，直剪儀按照0.8mm/min的剪切速率進行快剪試驗。在土樣破損時測讀出剪切力，得出抗剪強度，再由抗剪強度與垂直壓力之間的關系，可得到內摩擦角和粘聚力。

以素土為例，抗剪強度與垂直壓力關系曲線如圖4所示。抗剪強度和垂直壓力關系為y=0.227x+91.37，其中y為抗剪強度，x為垂直壓力。由此可知試驗土樣的內摩擦角為12.81°，粘聚力為91.37kPa。

圖4 直接剪切試驗結果

3 試驗結果分析

3.1 改良土抗剪強度

不同養護齡期下木質素摻量對改良土抗剪強度的影響如圖5所示。由圖5可以看出，隨著木質素摻量的增加，改良土的抗剪強度整體上呈現先增大后減小的趨勢，不同養護齡期下木質素摻量為3%時，改良土的抗剪強度最大，摻量超過3%后，抗剪強度不斷降低。以28d齡期為例，木質素摻量從0增加至3%，各級豎向應力下改良土的抗剪強度平均提高了55.9%，而4%和6%摻量的改良土比素土強度平均提高了53%和48.1%。

圖5 木質素改良土抗剪強度

1d養護齡期時，各摻量下木質素改良土抗剪強度相差不大，各級豎向應力下，3%木質素摻量的改良土比素土強度平均提高了7.2%，改良效果并不明顯；7d養護齡期下，3%摻量的改良土比素土強度分別提高了28.2%。由此可見，改良土抗剪強度的增長需要保證一定的養護齡期。

3.2 改良土黏聚力

木質素摻量與養護齡期對改良土黏聚力的影響如圖6所示。由圖6(a)可以看出，同抗剪強度的變化規律類似，隨著木質素摻量的增加，改良土的黏聚力整體上也是呈現先增大后減小的趨勢，不同養護齡期下木質素摻量為3%時，改良土的黏聚力最大，摻量超過3%后，黏聚力不斷降低。1d養護齡期時，各摻量下木質素改良土的黏聚力相差不大，木質素摻量為3%時的改良土比素土的黏聚力提高了6.5%。7d養護齡期下，3%摻量的改良土黏聚力比素土提高了33.5%，而4%和6%摻量下，黏聚力的提高幅度分別降為25.7%和15.2%。28d養護齡期下，3%摻量的改良土黏聚力比素土提高了45%，而4%和6%摻量下，黏聚力的提高幅度分別降為31%和22.6%。形成這種現象的主要原因是木質素與黏土礦物之間由于吸附作用會形成膠結物，該膠結物能填充土體孔隙，從而對土體產生強化作用；但隨著木質素摻量的持續增加，并不會引起黏聚力的繼續提高，當木質素摻量超過3%后，改良土中會存在一部分游離狀態下的木質素，摻量越高，游離狀態的木質素含量越高，導致改良土的黏聚力快速降低，可見土顆粒中游離態的木質素會抑制土體黏聚力的增加。

圖6 木質素改良土粘聚力變化規律

由圖6(b)可以看出，隨著養護時間的增加，各摻量下木質素改良土的黏聚力不斷增大，前7d增長速率較快，7d后增長速率放緩。以3%木質素摻量為例，前7d的黏聚力增幅為32.1%，7～28d的增長幅度為9.5%，說明前期的養護對于木質素改良土的黏聚力影響較大。

3.3 改良土內摩擦角

木質素摻量與養護齡期對改良土內摩擦角的影響如圖7所示。整體上看，改良土的內摩擦角隨著木質素摻量的增加而逐漸增大，隨著養護時間的增加也呈現逐漸增大的趨勢。與上述抗剪強度和黏聚力的變化規律不同，改良土的內摩擦角在木質素摻量3%時并不是最大值，在0～6%的范圍內，隨著木質素摻量的增加而增大。與素土相比，6%摻量改良土的內摩擦角在1d、7d和28d齡期下分別增大了17.7%、42.1%和92.2%。由此可見木質素加入土中后，需要經過一段時間的養護，在膠結物的包裹和聯結作用下形成致密緊湊結構體，從而提高改良土的抗剪能力。

為了提高高液限黏土的工程性能，采用工業副產品木質素對其固化改良，探討了改良土抗剪強度參數的變化規律。

圖7 木質素改良土內摩擦角變化規律

4 結語

(1)隨著木質素摻量的增加，改良土的抗剪強度及黏聚力指標表現出先增高后降低的趨勢，二者

均在木質素摻量為3%時達到最大值，而改良土的內摩擦角則隨著木質素摻量的增加而逐漸增大。

(2)隨著養護時間的增加，木質素改良土的抗剪強度、粘聚力和內摩擦角都呈現逐漸增大的趨勢，其中內摩擦角的增長幅度尤為明顯。

(3)木質素摻量超過3%后，改良土中存在一部分游離狀態的木質素，這部分木質素會抑制黏聚力的增加，但對內摩擦角影響不大。