凍融循環(huán)作用下木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的力學(xué)特性研究

黃雨靈， 張吾渝， 季港澳， 解邦龍， 董超凡

（1.青海大學(xué) 土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016）

0 引言

木質(zhì)素磺酸鈣作為造紙工業(yè)副產(chǎn)品之一，在工業(yè)中通常被直接排放至江河或濃縮后燃燒，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。生態(tài)文明社會(huì)的發(fā)展離不開環(huán)保理念，綠色建材逐漸推廣并運(yùn)用到土木工程行業(yè)中。研究表明木質(zhì)素磺酸鈣具有良好的螯合性、有效膠結(jié)顆粒和提高散體材料強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)［1］，其主要元素為C、H、O、Ca 和Na 等元素［1］，是一種環(huán)保的高分子材料。因此，合理利用木質(zhì)素，既可以保證資源利用最大化又可以達(dá)到環(huán)境保護(hù)的要求。

青海省東北部地區(qū)黃土分布較廣，黃土具有孔隙大、遇水易濕陷等性質(zhì)，因此黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞［2］，致使建筑結(jié)構(gòu)存在較多安全隱患。此外，該地區(qū)黃土位于季節(jié)凍土區(qū)內(nèi)，凍融循環(huán)作用也是導(dǎo)致建筑物產(chǎn)生工程病害的重要因素之一。凍融作用主要以改變土顆粒之間的結(jié)構(gòu)連接和排列方式導(dǎo)致土體劣化，對(duì)土體造成不可逆的損傷，進(jìn)而影響土體的力學(xué)性質(zhì)。季節(jié)凍土區(qū)工程施工中經(jīng)常采用水泥、生石灰和粉煤灰等傳統(tǒng)改良劑對(duì)黃土地基或路基進(jìn)行換土墊層，以提高土體的承載力。同時(shí)，有研究發(fā)現(xiàn)，固化劑的種類及摻量的不同會(huì)造成改良土加固效果的差異，與重塑黃土相比，改良黃土的強(qiáng)度仍明顯提高［3-6］。伴隨著青海省“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”戰(zhàn)略的提出，為順應(yīng)生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的要求，選取一種穩(wěn)定且環(huán)境友好型的改良材料對(duì)土體進(jìn)行加固，顯得尤為重要。

木質(zhì)素具有環(huán)境友好、可再生性強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定的等優(yōu)點(diǎn)［1］。利用木質(zhì)素改良土體的相關(guān)研究已有開展，Santoni 等［7］、Tingle 等［8］分別對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽改良粉砂和粉質(zhì)黏土進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)干濕條件下木質(zhì)素可以有效改善土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度；Indraratna 等［9］對(duì)木質(zhì)素改良粉砂進(jìn)行抗侵蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠提高粉砂抗侵蝕能力，且木質(zhì)素改良粉砂的抗侵蝕性優(yōu)于水泥改良土；Ceylan等［10］研究了木質(zhì)素在黏土路基穩(wěn)定方面的應(yīng)用，結(jié)果表明：木質(zhì)素的摻入能有效提高地基承載力；侯鑫等［11］、賀智強(qiáng)等［12］分別對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土進(jìn)行了加卸載試驗(yàn)和不固結(jié)排水剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改良黃土的回彈模量和抗剪強(qiáng)度明顯高于素土；劉松玉等［13］開展木質(zhì)素磺酸鈣改良粉土路基填料現(xiàn)場試驗(yàn)，研究結(jié)果表明木質(zhì)素磺酸鈣可有效提高粉土的抗壓強(qiáng)度和耐久性。

木質(zhì)素?fù)搅繉?duì)改良土體的力學(xué)性能也有影響，張建偉等［14］對(duì)木質(zhì)素改良土進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：木質(zhì)素改良粉土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨摻量先增加后減小，在5%時(shí)效果最優(yōu)，并且其強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增加而升高，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；劉釗釗等［15］、姬勝戈等［16］基于土水特征曲線、崩解試驗(yàn)和模擬降雨沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鹽的摻入，可以有效改善土體的水理性質(zhì)，最優(yōu)摻量分別為1%～2% 和0.5%～3%。

此外，在探究木質(zhì)素加固土體機(jī)理方面，已有學(xué)者結(jié)合多維度的微觀試驗(yàn)（SEM、XRD、ESP）進(jìn)行研究，姬勝戈等［16］認(rèn)為木質(zhì)素磺酸鈣主要是通過膠結(jié)顆粒和填充黃土孔隙達(dá)到提高土體力學(xué)性能的效果；賀智強(qiáng)等［12］提出木質(zhì)素中的疏水基可包裹黃土顆粒，進(jìn)而提高改良黃土的水穩(wěn)性；侯鑫等［11］、張濤等［17］木質(zhì)素能夠通過水解反應(yīng)和質(zhì)子化反應(yīng)減薄雙電層厚度，達(dá)到密實(shí)結(jié)構(gòu)的效果。

綜上所述，在季節(jié)性凍土區(qū)利用木質(zhì)素對(duì)土體改良具有可行性，且能夠?yàn)楹畢^(qū)工程建設(shè)提供一定的參考依據(jù)。本文主要以木質(zhì)素磺酸鈣和黃土為試驗(yàn)材料，首先進(jìn)行側(cè)限浸水壓縮試驗(yàn)，之后以凍融循環(huán)次數(shù)、木質(zhì)素磺酸鈣摻量和圍壓為試驗(yàn)變量，對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土進(jìn)行凍融試驗(yàn)、不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)和X 射線衍射試驗(yàn)，研究木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)黃土的改良效果及凍融作用對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土力學(xué)特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果可為木質(zhì)素磺酸鈣在黃土地基及路基的處理設(shè)計(jì)中提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土取自青海省西寧市城北區(qū)某場地，取土深度為3 m，顏色為淡黃色，無明顯根系及蟲洞。黃土的基本物理性質(zhì)如表1 所示，并定名該地黃土為低液限黏土。

表1 黃土基本物性指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of loess

試驗(yàn)用木質(zhì)素磺酸鈣如圖1 所示，呈棕色粉末狀固體，有芳香性氣味，且易溶于水。通過掃描電鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)其具有多孔隙和層狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 木質(zhì)素磺酸鈣Fig.1 Calcium lignosulfonate

圖2 木質(zhì)素磺酸鈣的SEM圖像Fig.2 SEM image of calcium lignosulfonate

1.2 試樣制備

將黃土放入105 ℃烘箱烘干12 h后過2 mm 篩。已有研究表明［16］，木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的擊實(shí)曲線較素土波動(dòng)小，因此本試驗(yàn)基于黃土的最優(yōu)含水率進(jìn)行試樣制備［11，18］：按照黃土質(zhì)量比的0%、1%、2%和3%對(duì)改良土進(jìn)行配制，之后將土料攪拌3～5分鐘，保證木質(zhì)素磺酸鈣摻和均勻，最后將配制好的土料靜置12 h 保證水分遷移均衡。按照黃土95%壓實(shí)度分別制作室內(nèi)側(cè)限浸水壓縮試驗(yàn)環(huán)刀試樣和不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)圓柱試樣，尺寸H×R分別為20 mm×61.8 mm 和80 mm×39.1 mm，最后將成型試樣用保鮮膜包裹，防止水分揮發(fā)。

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 室內(nèi)側(cè)限浸水壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)首先采用三聯(lián)固結(jié)儀分別對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣摻量為0%、1%、2%和3%的改良黃土進(jìn)行側(cè)限浸水壓縮試驗(yàn)，各級(jí)加載壓力分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

1.3.2 凍融循環(huán)試驗(yàn)

凍融循環(huán)試驗(yàn)在凍脹循環(huán)試驗(yàn)箱（TMS9018-500）中進(jìn)行，凍融過程為封閉系統(tǒng)下的三維凍融過程。為準(zhǔn)確模擬實(shí)際工程，對(duì)青海省西寧地區(qū)近三年冬季月平均最低氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（圖3），得到平均最低氣溫為-14.4 ℃，故將凍結(jié)溫度設(shè)定為-15 ℃。結(jié)合已有試驗(yàn)，融化溫度對(duì)土體結(jié)構(gòu)的影響不大［19］，因此將融化溫度設(shè)定為15 ℃，最終采用如圖4所示的正弦波形溫控模式進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，起始相位為π，幅值為15 ℃。為保證試驗(yàn)過程中試樣能夠完全凍結(jié)和融化，在凍融循環(huán)試驗(yàn)開始前，在試樣中心嵌入熱電偶，測(cè)試結(jié)果表明試樣在12 h 內(nèi)可完全凍結(jié)和融化［4，19-21］。因此，本次試驗(yàn)以凍結(jié)12 h和融化12 h為1次凍融循環(huán)。

圖3 西寧近3年冬季平均最低氣溫曲線Fig.3 The average lowest temperature curve of Xining in recent 3 years

圖4 正弦溫控模式Fig.4 Sinusoidal temperature control curve

既有的試驗(yàn)結(jié)果表明，土體強(qiáng)度的最低值出現(xiàn)于10 次凍融循環(huán)內(nèi)，而在凍融10 次之后，強(qiáng)度逐漸趨于穩(wěn)定。鑒于此，8～12 次凍融循環(huán)可滿足研究凍融循環(huán)作用對(duì)強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)影響的要求［22］，因此，本研究中凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)定為0、3、6、9 和12 次共5種。

1.3.3 不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)

由于地基處理的壓實(shí)過程中存在超固結(jié)應(yīng)力歷史以及路面基層行車荷載的瞬時(shí)性，低滲透性的粉質(zhì)黏土在融化狀態(tài)下無法完成固結(jié)排水過程［22］，同時(shí)為模擬快速施工的工況，本試驗(yàn)進(jìn)行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)采用SLB-1 型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀，試驗(yàn)操作按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）執(zhí)行。研究表明，路基現(xiàn)場實(shí)際測(cè)得的圍壓較小，通常為20～60 kPa［23］，同時(shí)，青海省冬季地表凍結(jié)深度為1.5 m 左右，因此為了模擬地層壓力，圍壓分別設(shè)置為15 kPa、45 kPa 和75 kPa，剪切應(yīng)變速率設(shè)置為0.8 mm·min-1，在軸向應(yīng)變達(dá)到20% 時(shí)中止試驗(yàn)。

1.3.4 掃描電鏡試驗(yàn)

選擇經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)后，具有代表性的試樣，用真空冷凍干燥儀凍結(jié)干燥，保證試樣干燥并保持原有形態(tài)結(jié)構(gòu)［23］。將干燥完成的土樣掰開并取得新鮮斷面后進(jìn)行噴金處理，之后開展掃描電鏡試驗(yàn)（SEM），掃描倍數(shù)為500倍，從微觀角度分析土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。

1.3.5 X射線衍射試驗(yàn)

取經(jīng)過凍融循環(huán)試驗(yàn)后自然風(fēng)干土樣50 g，利用研缽對(duì)較大顆粒土樣研磨碾碎，再制樣進(jìn)行X射線衍射試驗(yàn)（XRD），分析土樣內(nèi)部礦物成分的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕陷性評(píng)價(jià)

各摻量下改良黃土的濕陷系數(shù)如圖5所示。在100 kPa、150 kPa、200 kPa 壓力下，黃土的濕陷系數(shù)均介于0.015～0.03之間，說明該黃土為弱濕陷性黃土。而各摻量改良黃土在各級(jí)壓力下的濕陷系數(shù)均小于0.015，說明木質(zhì)素磺酸鈣的加入，可以有效消除黃土的濕陷性。

圖5 各摻量下木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的濕陷系數(shù)（L表示木質(zhì)素磺酸鈣摻量，σ3表示圍壓，F(xiàn)-T表示凍融循環(huán)次數(shù)）Fig.5 Collapsibility coefficient of calcium lignosulfonate improved loess with different dosage（L represents the content of calcium lignosulfonate，σ3 represents the confining pressure，F(xiàn)-T represents the number of freeze-thaw cycles）

2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同凍融循環(huán)次數(shù)、摻量和圍壓下試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6所示。隨著圍壓和摻量的增加，改良黃土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由弱硬化型向一般硬化型發(fā)展，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍為弱硬化型。由圖6（a）可知，木質(zhì)素磺酸鈣摻量為0%、1%和3%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線上未出現(xiàn)拐點(diǎn)，偏差應(yīng)力均隨著軸向應(yīng)變的增大而增大，前期增長速度較快，后期增長速度變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。由圖6（b）可知，經(jīng)過6 次凍融循環(huán)后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍為弱硬化型，但破壞強(qiáng)度有所下降，這說明凍融循環(huán)作用對(duì)土體強(qiáng)度造成了劣化。

圖6 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of samples：the effect of content of calcium lignosulfonate and confining pressure（F-T=0）（a）；the effect of content of calcium lignosulfonate and freeze-thaw cycles（σ3=45 kPa）（b）

圖7 為圍壓為45 kPa 條件下，各摻量改良黃土試樣的破壞形態(tài)圖像，圍壓15 kPa 和75 kPa 下的試樣破壞具有相似特征。圖7中從左到右摻量分別為0%、1%、2%和3%，可見試樣沒有出現(xiàn)明顯破壞面，但表現(xiàn)出明顯的剪脹破壞特征，屬于塑性破壞。這是因?yàn)槟举|(zhì)素磺酸鈣的加入，有效膠結(jié)黃土顆粒，土樣的骨架強(qiáng)度得到一定提升，當(dāng)試樣在經(jīng)受剪應(yīng)力破壞時(shí)，僅發(fā)生了剪脹而未表現(xiàn)出顯著的脆性破壞形態(tài)。

圖7 木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土剪切破壞圖像Fig.7 Calcium lignosulfonate modified loess shear failure image

2.3 木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的破壞強(qiáng)度特性

2.3.1 木質(zhì)素磺酸鈣摻量的影響

不同摻量下改良黃土的破壞強(qiáng)度如圖8 所示。由圖8分析可知，在相同圍壓下，改良黃土的破壞強(qiáng)度隨著摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在摻量為1%時(shí)，試樣的破壞強(qiáng)度最高。在相同摻量下，改良黃土的破壞強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。當(dāng)圍壓分別為15 kPa、45 kPa、75 kPa 時(shí)，將摻量為1%的改良黃土試樣的破壞強(qiáng)度與素土試樣進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)前者破壞強(qiáng)度分別增長34.7 kPa、32.3 kPa、47.2 kPa。這是由于隨著圍壓的增大，改良黃土內(nèi)部的土顆粒重新排列擠密，且圍壓越大，顆粒之間接觸會(huì)更加緊密，則土顆粒間的滑動(dòng)摩擦更大，土體的破壞強(qiáng)度逐漸增大，可見圍壓的擠密作用，可以增加土體抵抗變形的能力。當(dāng)圍壓為75 kPa 時(shí)，摻量分別為1%和2%時(shí)，改良黃土的破壞強(qiáng)度較素土分別提高18.6%、14.7%。而摻量增至3%時(shí)，改良黃土的破壞強(qiáng)度較素土降低10.8%，可見適量木質(zhì)素磺酸鈣的摻入才可以有效提高改良黃土的破壞強(qiáng)度。

圖8 不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下破壞強(qiáng)度曲線Fig.8 Relationship of failure strength under different calcium lignosulfonate content

2.3.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

不同圍壓下改良黃土試樣的破壞強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖9 所示。由圖9 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小后穩(wěn)定的趨勢(shì)。經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，土體內(nèi)部的水分不斷凍結(jié)與融化，反復(fù)凍融使得試樣內(nèi)部土顆粒之間的排列方式發(fā)生較大改變，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷變化，對(duì)土體內(nèi)部造成損傷，土體內(nèi)部孔隙不斷增大，試樣內(nèi)部土顆粒之間的咬合作用和膠結(jié)作用減弱，從而導(dǎo)致土體剪切強(qiáng)度下降；而當(dāng)凍融循環(huán)達(dá)到9～12 次后，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)受凍融作用的影響降低，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)逐漸趨于穩(wěn)定，因此對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 不同圍壓下破壞強(qiáng)度和凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between failure strength and number of freeze-thaw cycles under different confining pressures：σ3=15 kPa（a）；σ3=45 kPa（b）；σ3=75 kPa（c）

圖10 給出了摻量為1%時(shí)改良黃土的SEM 圖像。可以發(fā)現(xiàn)，在未經(jīng)凍融作用的改良土體中，木質(zhì)素磺酸鈣的細(xì)小顆粒填充了土顆粒之間的孔隙［圖10（a）］，且由于木質(zhì)素磺酸鈣具有黏結(jié)性和螯合性，促使土體中細(xì)小的顆粒黏結(jié)形成團(tuán)粒并附著于土體原有顆粒的連接處，因此相較于素土，改良土的結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，并且顆粒間的接觸方式以面-面接觸為主。經(jīng)過12次凍融循環(huán)后，土顆粒的棱角變得相對(duì)圓潤，內(nèi)部孔隙被凍融循環(huán)作用剝落的小顆粒填充，顆粒間的接觸方式向點(diǎn)-點(diǎn)和點(diǎn)-面接觸發(fā)展［圖10（b）］。

圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)下1%摻量木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土SEM圖像Fig.10 SEM images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles

2.3.3 破壞強(qiáng)度衰減率

對(duì)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈硬化形式的試樣，選取軸向應(yīng)變15%所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力值作為破壞強(qiáng)度。土體的破壞強(qiáng)度衰減率計(jì)算公式如下。

式中：σ1-σ3（max，i）為凍融循環(huán)第i次后試樣的破壞強(qiáng)度；σ1-σ3（max，0）為未凍融循環(huán)試樣的破壞強(qiáng)度。

圍壓為15 kPa 時(shí)，不同摻量改良黃土的破壞強(qiáng)度衰減率與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線如圖11所示。圍壓為45 kPa、75 kPa時(shí)也有類似規(guī)律。由圖11（a）可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融作用對(duì)土體的劣化效應(yīng)持續(xù)增加，凍融循環(huán)次數(shù)為12 次時(shí)，衰減率有變緩趨勢(shì)，由于本次試驗(yàn)為了更快達(dá)到理想效果，最大凍融次數(shù)僅為12 次，其變化規(guī)律未來可增加循環(huán)次數(shù)進(jìn)一步深入討論。在凍結(jié)過程中，水分遷移及水相變過程可改變顆粒間的連接方式，能夠破壞試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因此破壞強(qiáng)度會(huì)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)；經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，土體顆粒間的排列方式和連接方式以及土體結(jié)構(gòu)逐漸達(dá)到一種新的平衡狀態(tài)，破壞強(qiáng)度衰減率也逐漸趨于穩(wěn)定。隨著摻量的增加，衰減率的擬合直線斜率呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢(shì)，說明適量木質(zhì)素磺酸鈣的摻入，可以有效抵抗凍融循環(huán)作用的影響，由此推測(cè)木質(zhì)素磺酸鈣能有效降低凍融破壞的影響，具有一定的抗凍性。圖11（a）中也可以看出，當(dāng)摻量為1%時(shí)衰減率最低。由圖11（b）還可看出，經(jīng)凍融作用后，摻量為1%的改良黃土相較于素土，破壞強(qiáng)度衰減率明顯下降。

圖11 不同凍融循環(huán)次數(shù)下破壞強(qiáng)度衰減率Fig.11 Attenuation rate of failure strength under different freeze-thaw cycles：different content（a）；L=1%（b）

2.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)分析

土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）是反映土體強(qiáng)度的重要參數(shù)。圖12 為黏聚力與內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的關(guān)系曲線。由圖12 可知，隨著摻量的增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)總體為降低趨勢(shì)。素土和改良黃土在凍融循環(huán)作用的影響下，黏聚力都出現(xiàn)不同程度的降低，對(duì)比未經(jīng)凍融和經(jīng)歷12 次凍融的土樣，發(fā)現(xiàn)素土的黏聚力降低了8.68 kPa，降低率為52.25%；改良黃土的黏聚力隨木質(zhì)素磺酸鈣摻量增 加1%、2% 和3%，分別降低了4.39 kPa、5.34 kPa 和6.89 kPa，降低率分別為17.33%、22.96%和46.59%。可見，未添加木質(zhì)素的素土黏聚力降低最大，木質(zhì)素磺酸鈣摻量1%改良黃土降低最小。

圖12 c、φ值與凍融循環(huán)次數(shù)和摻量的關(guān)系Fig.12 The relationship between the value of c、φ and the number of freeze-thaw cycles and dosage：cohesion（a）；internal friction angle（b）

由圖12（a）中可以看出，試樣的黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)總體為降低趨勢(shì)。分析原因認(rèn)為：試樣在凍結(jié)時(shí)水相變產(chǎn)生的冰晶均勻分布在土體中，造成的體積膨脹，膠結(jié)作用增強(qiáng)。但是土體融化時(shí)，原相變產(chǎn)生的用于支撐土顆粒骨架的冰晶融化成水，已造成的試樣結(jié)構(gòu)變化無法恢復(fù)，土顆粒間的接觸點(diǎn)明顯減少，因此黏聚力降低。而凍融循環(huán)被認(rèn)為是動(dòng)態(tài)平衡的過程，隨著凍融次數(shù)的增加，土體內(nèi)部一般經(jīng)歷破壞-弱穩(wěn)定-弱破壞-穩(wěn)定狀態(tài)，最終土體結(jié)構(gòu)和連結(jié)方式不再明顯改變［25］，因此黏聚力總體為降低趨勢(shì)。從圖12（b）中可以觀察到，相較于黏聚力，改良黃土的內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加有波動(dòng)性，但總體來看內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)呈減小趨勢(shì)。這是由于在凍融過程中，水分凍脹使土顆粒間距增大，導(dǎo)致咬合摩擦角的減小［21］，并且土體內(nèi)部發(fā)生水分重分布及劣化，使得土顆粒間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小的規(guī)律。

2.5 彈性模量

彈性模量是衡量改良土體的重要指標(biāo)。Lee等［25］進(jìn)行了無側(cè)限壓縮試驗(yàn)，認(rèn)為土體產(chǎn)生1%的應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力可以作為判定凍融作用下土彈性模量的變化標(biāo)準(zhǔn)。在本試驗(yàn)中，選取應(yīng)力-應(yīng)變曲線中軸向應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)所對(duì)應(yīng)的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變的比值作為該試樣的彈性模量，計(jì)算公式如（2）所示。

式中：ε1%代表試樣應(yīng)變達(dá)到1%時(shí)的軸向應(yīng)變；σ1%代表土體產(chǎn)生1%的應(yīng)變時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力。

圍壓為45 kPa 時(shí)，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，各摻量改良黃土的彈性模量如圖13 所示。由圖13 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體的彈性模量呈降低的趨勢(shì)。隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾樱馏w的彈性模量呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。摻量為1%的改良土的彈性模量明顯高于素土的彈性模量，說明木質(zhì)素磺酸鈣的摻量為1%時(shí)，對(duì)黃土具有較好的改良效果，抵抗變形的能力明顯強(qiáng)于素土，且具有一定抵抗凍融循環(huán)作用的能力。圍壓為15 kPa、45 kPa時(shí)，也具有類似的規(guī)律。

圖13 不同凍融循環(huán)次數(shù)下黃土的彈性模量與木質(zhì)素磺酸鈣摻量的關(guān)系Fig.13 The relationship between elastic module and different calcium lignosulfonate content of loess with different freeze-thaw cycles

2.6 凍融循環(huán)作用對(duì)改良土的微觀影響

2.6.1 二值化分析

采用顆粒及裂隙識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）對(duì)1%木質(zhì)素磺酸鈣土體掃描電鏡圖像進(jìn)行二值化處理，二值化處理后的圖像如圖14 所示。從圖14（a）可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，圖像內(nèi)部黑色部分較多，且土顆粒棱角分明。從圖14（b）可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)為12次時(shí)的圖像內(nèi)部白色部分較多，并且該部分相互連接，內(nèi)部孔隙較多，大多為先前孔隙周圍的衍生產(chǎn)物。

圖14 不同凍融循環(huán)次數(shù)下1%摻量木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土SEM與二值化圖像Fig.14 SEM and binary images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles

圖15給出了不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下改良土微觀定量參數(shù)的變化關(guān)系曲線。概率熵用來描述土體孔隙、顆粒分布的有序性；分形維數(shù)用于描述土體內(nèi)部顆粒和孔隙復(fù)雜性，其值越大，表明內(nèi)部物質(zhì)的分布越復(fù)雜、越密實(shí)；平均形狀系數(shù)是對(duì)內(nèi)部孔隙形態(tài)定量描述的參數(shù)，其值越大孔隙形態(tài)越圓滑［26］。

由圖15 可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)前6 次時(shí)，概率熵、分形維數(shù)和平均形狀系數(shù)變化幅度較大，試樣內(nèi)部孔隙以圓滑分布為主，內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列疏松，分析其變化規(guī)律主要由于土體內(nèi)部的水分不斷凍結(jié)與融化，反復(fù)凍融過程中產(chǎn)生的凍脹力不斷破壞土體結(jié)構(gòu)，土顆粒結(jié)構(gòu)之間的膠結(jié)作用受到破壞，對(duì)土體內(nèi)部造成損傷，破壞程度增加，宏觀上表現(xiàn)為土體抗剪強(qiáng)度下降。而凍融至12次時(shí)，試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，概率熵、分形維數(shù)和平均形狀系數(shù)變化幅度較小，顆粒間的孔隙增長幅度下降，達(dá)到較為平穩(wěn)的狀態(tài)，說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部受到凍融循環(huán)次數(shù)影響逐漸減弱，對(duì)應(yīng)的破壞強(qiáng)度也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖15 不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下改良土的微觀定量參數(shù)Fig.15 Changes of microscopic quantitative parameters of improved loess under different calcium lignosulfonate content：probability entropy（a）；fractal dimension（b）；average form factor（c）

2.6.2 XRD試驗(yàn)結(jié)果

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，素土和1%摻量的改良土體的X 射線衍射譜結(jié)果如圖16 所示。由圖16 可以看出，素土和1%摻量改良黃土的特征衍射峰出現(xiàn)的位置是相同的，且改良土圖像中并無新峰的出現(xiàn)，說明改良前后土體的內(nèi)部礦物成分未發(fā)生變化，表明木質(zhì)素的改良機(jī)理與水泥和石灰等傳統(tǒng)改良材料的改良機(jī)理是不同的，這也與侯鑫等［11］的研究結(jié)果一致。通過對(duì)XRD試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性分析，發(fā)現(xiàn)試樣所含礦物成分主要均為石英、方解石、鈉長石、鉀長石和斜長石，但是改良土的衍射峰值強(qiáng)度略有減小。Alazigha 等［27］、劉堯伍［28］分別利用木質(zhì)素改良鹽漬土、膨脹土?xí)r都觀察到了相同的現(xiàn)象，這可能是因?yàn)槟举|(zhì)素的無定形特性限制了礦物原子平面的衍射造成的。對(duì)經(jīng)過12 次凍融循環(huán)后摻量為1%的改良土進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其衍射峰基本保持不變，內(nèi)部礦物成分未有變化，可以推測(cè)凍融循環(huán)不會(huì)造成礦物成分的消解，這與劉堯伍［28］的研究結(jié)果一致。

圖16 木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的XRD衍射圖Fig.16 XRD diffraction pattern of calcium lignosulfonate improved loess

2.7 討論

結(jié)合掃描電子顯微鏡及經(jīng)過顆粒及裂隙識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）處理的圖像特征，并根據(jù)木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步探討木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土最優(yōu)摻量為1%的作用機(jī)制。

圖17 為不同摻量下未凍融的改良黃土掃描電鏡以及經(jīng)過顆粒及裂隙識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS）二值化處理后的圖像，二值化圖像中白色代表孔隙，黑色代表土體。從圖17（a）中可以看出，素土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，土顆粒與孔隙區(qū)分明顯，土顆粒棱角分明，大顆粒表面附著粒狀、絮狀的膠結(jié)物質(zhì)。當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量為1%時(shí)，如圖17（b）所示，土體中生成新的膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，其分布于土顆粒間且填充部分顆粒間的孔隙，提供一定的膠結(jié)作用，孔隙變小且數(shù)量減少，使得土體內(nèi)部變得更加密實(shí)。由圖17（c）可知，當(dāng)摻量增至3%時(shí)，土體中大部分孔隙被填充，但從圖像中也可發(fā)現(xiàn)過多的木質(zhì)素磺酸鈣附著于土顆粒上，填充于顆粒之間，反而使顆粒間的間距有所增大。換句話說，摻量過高雖然可使得木質(zhì)素磺酸鈣相互結(jié)合程度增大，但與土顆粒的結(jié)合度反而降低。再結(jié)合圖17（d）～17（f）二值化圖像也可以看到，不同摻量，白色圖像占比均比0%摻量小，也反映出木質(zhì)素磺酸鈣的摻入可減少改良黃土的孔隙；另外，也可觀察到，1%摻量白色圖像占比最小。

圖17 未凍融各摻量SEM與二值化圖像Fig.17 SEM and binary images of each content of unfreeze-thaw：SEM image，L=0%（a）；SEM image，L=1%（b）；SEM image， L=3%（c）；binary image， L=0%（d）；binary image， L=0%（e）；binary image，L=3%（f）

不同摻量下未凍融的改良黃土孔隙率如圖18所示。隨著摻量的增加，改良土體的孔隙率先減小后增加。摻量分別為1%、2%、3%時(shí)，改良土體的孔隙率較素土分別降低了6.1%、4.2%、3.0%。由此推測(cè)，孔隙率的減小是改良土體強(qiáng)度提升的重要原因。木質(zhì)素磺酸鈣摻入后導(dǎo)致改良土體孔隙結(jié)構(gòu)改變，因木質(zhì)素磺酸鈣顆粒的填隙作用及木質(zhì)素磺酸鈣與素土離子交換導(dǎo)致的顆粒成團(tuán)作用［12］，使改良土體孔隙減少，密實(shí)度提高，強(qiáng)度提升。除此之外，木質(zhì)素磺酸鈣具有大分子基團(tuán)磺酸基［1］，磺酸基與相近的土顆粒搭接，形成空間結(jié)構(gòu)。當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量最優(yōu)時(shí)，搭接作用最強(qiáng)，促使改良土體鑲嵌更加緊密，在宏觀上表現(xiàn)為破壞強(qiáng)度最高。但木質(zhì)素磺酸鈣摻量增至3%時(shí)，木質(zhì)素磺酸鈣顆粒優(yōu)先與自身結(jié)合及過多的木質(zhì)素磺酸鈣顆粒會(huì)導(dǎo)致雙電層厚度增加及顆粒間的吸引力降低［1，15］，反而減弱土顆粒間的聯(lián)結(jié)作用，孔隙率增加，宏觀上表現(xiàn)為破壞強(qiáng)度降低。由此可見，木質(zhì)素磺酸鈣改良土的最優(yōu)摻量為1%。

圖18 不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下改良土的孔隙率Fig.18 Void ratio of improved loess under different calcium lignosulfonate content

3 結(jié)論

本文選用木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)黃土進(jìn)行改良，并結(jié)合青海地區(qū)的自然環(huán)境條件，對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土進(jìn)行側(cè)限浸水壓縮試驗(yàn)、凍融循環(huán)試驗(yàn)、不固結(jié)不排水三軸剪切試驗(yàn)、掃描電鏡試驗(yàn)和X 射線衍射試驗(yàn)，分析了凍融循環(huán)次數(shù)、木質(zhì)素磺酸鈣摻量和圍壓對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣改良土力學(xué)性質(zhì)的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）木質(zhì)素磺酸鈣的摻入，可以有效消除黃土的濕陷性。隨著圍壓和木質(zhì)素?fù)搅康脑黾樱牧键S土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線由弱硬化型向一般硬化型發(fā)展；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍為弱硬化型。試樣破壞形態(tài)沒有出現(xiàn)明顯破壞面，表現(xiàn)出明顯的剪脹破壞特征，屬于塑性破壞。

（2）在相同圍壓下，改良黃土的破壞強(qiáng)度隨著木質(zhì)素磺酸鈣摻量的增加呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢(shì)，在摻量為1%時(shí)，試樣的破壞強(qiáng)度最高。各摻量改良黃土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞強(qiáng)度呈現(xiàn)出先減小再趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

（3）隨著木質(zhì)素磺酸鈣摻量的增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強(qiáng)度指標(biāo)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

（4）凍融循環(huán)作用下，1%摻量的木質(zhì)素磺酸鈣改良土的彈性模量高于素土的彈性模量，對(duì)黃土具有較好的改良效果，具有一定的抵抗凍融能力。

（5）根據(jù)SEM 微觀圖像觀察結(jié)果，木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的形成是由木質(zhì)素磺酸鈣膠結(jié)土顆粒與填充孔隙兩部分組成的。凍融循環(huán)作用導(dǎo)致土體顆粒的接觸方式由面-面接觸向點(diǎn)-點(diǎn)、點(diǎn)-面接觸過渡。通過XRD分析發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素改良黃土的改良機(jī)制不同于傳統(tǒng)改良，不會(huì)造成土體礦物成分的改變。