木質素纖維改性季凍區膨脹土強度特性與微觀結構研究

樊科偉，嚴俊，劉苓杰，裴秋陽，鄒維列

(1.武漢大學土木建筑工程學院，湖北武漢，430072；2.中國水利水電科學研究院水利部水工程建設與安全重點實驗室，北京，100048)

膨脹土含有蒙脫石、伊利石等親水性的黏土礦物，在寒季的凍融作用下，位于季凍區的膨脹土土體內水分會產生相變，等質量冰與水的體積差異會導致土體發生變形，對土體的結構造成嚴重破壞，同時對膨脹土的強度特性也產生較大影響，進而對季凍區渠道、公路、鐵路、機場等工程中的建筑物產生嚴重破壞作用[1-5]。為改善膨脹土經受凍融循環作用的強度特性，國內外學者提出了化學方法和物理方法。化學方法主要通過向膨脹土中摻入化學試劑，通過化學反應來提高土體強度。其中，摻水泥法和石灰法是目前工程中最常用的化學改良方法[6]。相較于化學方法，物理方法不會改變土的礦物成分，常用的有置換法、強夯法以及纖維加筋法[7-8]。化學方法和物理方法各有優缺點，但化學方法往往會導致較嚴重的環境污染問題，不符合我國倡導的綠色發展理念。纖維加筋法自從20世紀60年代被提出以來，由于采用纖維加筋的土強度高、施工簡便和對環境無害等優點[9]，被越來越多地應用于土木工程。常用的纖維加筋法是向土體中添加一定數量的纖維絲，形成纖維土工復合材料。在添加纖維時，由于纖維絲能夠均勻地分布在整個土體中，因此，可以在土體的所有方向上起到相同的增強作用，使得土體呈現出比較優良的各向同性[10]。自然界中纖維絲的來源十分廣泛，木質素纖維是其中的一種。木質纖維素是造紙工藝中產生的一種高分子化合物，全球年產量可達到600億t。但在生產生活中，對大部分木質素纖維直接進行焚燒或者排放處理，不僅造成資源的嚴重浪費，而且會造成污染[11]，因此，若能使用木質素纖維改善季凍區膨脹土的強度特性，并將其應用于邊坡或路基工程中，不僅可以降低工程造價，而且可以解決環境污染和能源浪費的問題。目前對纖維改善膨脹土特性的研究主要集中在聚丙烯纖維上[12-16]，而對木質素纖維的研究較少。為此，本文作者以摻木質素纖維的季凍區膨脹土為對象，通過固結不排水三軸剪切試驗，分別研究木質素纖維摻量和凍融循環作用對膨脹土剪切強度特性的影響，并通過電鏡掃描試驗，對不同纖維摻量和凍融循環作用前后改性膨脹土的微觀結構進行觀測，探究纖維改性季凍區膨脹土的作用機理。

1 試驗材料與試樣制備

1.1 試驗材料

試驗所用膨脹土取自黑龍江引嫩干渠烏北38 km處的渠道邊坡。對所取膨脹土去除腐化植物和石塊后，所得土塊多為灰褐色土塊。采集的膨脹土經風干、研磨后過孔徑為2 mm的篩以去除大顆粒，其基本物理性質指標如表1所示。通過顆粒分析試驗測得土樣中砂粒質量分數為10%，粉粒質量分數為49%，黏粒質量分數為41%，X線衍射試驗顯示該膨脹土的主要礦物成分為石英、伊利石、鈉長石、方解石。

表1 膨脹土樣基本物理性質指標Table 1 Basic physical index properties of the tested expansive clay

本試驗使用的木質素纖維來自河北晴俊纖維素廠，外觀為白色，呈絮狀，中性，不溶于水，無毒無味，無污染，無放射性，如圖1(a)所示。

1.2 試樣制備

首先取一定量的風干膨脹土樣，碾碎過孔徑為2 mm的篩，然后在烘箱中烘干12 h后取出，放入干燥器中冷卻。由于木質素纖維遇水時很容易集聚成團，若直接在膨脹土中加入木質素纖維，再噴水至目標含水率，則木質素纖維將無法在膨脹土中均勻分布，不僅不能提高改性膨脹土的穩定性、硬度和強度，反而會損害土的整體性，使膨脹土強度降低，因此，本試驗利用直徑為1 mm的篩將木質素慢慢過篩(如圖1(b)所示)，并將所需的木質素纖維分5次摻入干燥的膨脹土中并拌合均勻，然后，按照最優含水率向拌和物中加水，再次進行拌合。將木質素纖維改性膨脹土放入雙層密封袋中，放置24 h，以確保膨脹土中水分均勻分布。在混合膨脹土與木質素纖維過程中發現，當木質素纖維摻量(質量分數)為0～2%時，土質素纖維可以較均勻地與膨脹土混合；當摻量超過2%時，木質素纖維很容易產生團聚現象，嚴重影響均勻性。因此，本次試驗采用的木質素纖維的摻量(質量分數)分別為0(素土)、1%和2%。

圖1 絮狀木質素纖維照片Fig.1 Pictures of flocculent lignin fiber

本試驗所用三軸試樣直徑為38 mm，高度為76 mm。試樣具體制作流程如下：將木質素纖維改性膨脹土分3層裝入圓柱形模具中，采用千斤頂兩端靜壓，直至達到預定的干密度1.59 g/cm3。擊實試驗獲得最大干密度為1.67 g/cm3，膨脹土最優含水率為21.17%。每層壓實后用土工刀在其表面拉毛，保證每層之間不要產生斷層現象。為保證試樣水分均勻分布，將制好的三軸試樣用保鮮膜包裹后靜置1 d再開展后續試驗。

2 試驗方法及凍融循環方案

2.1 三軸剪切試驗方法

為模擬膨脹土在邊坡或路基工程中的工作環境，采用固結不排水三軸剪切試驗，所用試驗儀器為英國GDS靜力三軸壓縮試驗儀。三軸剪切試驗的圍壓分別設置為50，100，200 和300 kPa，固結完成后進行剪切，剪切速率設置為0.076 mm/min。當剪切應變達到20%時，終止試驗。

2.2 微觀結構的觀測

采用電鏡掃描(SEM)試驗觀測木質纖維素改性膨脹土試樣的微觀結構。具體操作流程如下：1) 由于電鏡掃描試驗一定要保證試樣完全干燥，故在試驗開始前采用液氮冷凍法將試樣凍干，防止水分蒸發引起土樣孔隙收縮；2)掰取試樣中心部位的適量土樣進行抽真空和噴金，放到電子顯微鏡下觀測(放大倍數為200)。

2.3 凍融循環方案

定義1次完整的凍融循環過程具體為：用保鮮膜包裹試樣并放置在恒溫恒濕箱，參考試樣所在地(即黑龍江齊齊哈爾市)的年均溫度變化范圍，確定試樣首先在-20 ℃下凍結12 h，然后在20 ℃下融化12 h，即完成1次凍融循環。將經歷了凍融循環后的試樣放入塑料盒中，在25 ℃環境下靜置24 h，使試樣的含水率分布均勻，最后再進行固結不排水三軸剪切試驗。

已有研究表明，經歷6次左右的凍融循環作用后，膨脹土各方面性質的變化不再明顯[5,17]，因此，本文選取10 次凍融循環次數模擬季凍區整個冬春兩季的凍融循環。

3 試驗結果與分析

3.1 木質素纖維摻量對膨脹土強度特性和微觀結構的影響

3.1.1 強度特性

圖2所示為不同圍壓下，不同摻量的木質素纖維改性膨脹土的應力-應變曲線。從圖2可以看出：膨脹土在纖維加筋前后，其應力-應變關系均表現為應變硬化型的應力-應變關系；在同一圍壓下，當軸向應變較小時，各個摻量下的膨脹土應力-應變曲線基本重合，這說明在加載初期，木質素纖維改性膨脹土的效果并不明顯；當軸向應變逐漸增大時，隨著木質素纖維摻入量增加，其強度明顯提升。

圖2 不同圍壓下木質素纖維改性膨脹土的應力-應變曲線Fig.2 Stress-strain curves of expansive soil treated with lignin fibers under different confining pressures

采用莫爾圓對試樣在三軸試驗破壞時的應力進行分析，結果如圖3所示。從圖3可以看出：木質素纖維改性后的膨脹土仍符合Mohr-Coulomb 抗剪強度理論，且隨著木質素纖維摻量增多，膨脹土土體的黏聚力有所增大，而內摩擦角基本沒有變化。VIDAL等[18-20]在研究土工合成材料加筋土的強度時也得到相似結果。一般認為在加筋土受到剪切的過程中，筋材的約束力相當于對土樣施加了側向壓力，從而使得土樣能夠承受更大的豎向壓力。筋材的約束力并未提高土本身的內摩擦角，而是提高了其黏聚力。由于該黏聚力并非土自身的黏聚力，因此，將該黏聚力稱為準黏聚力，并在此基礎上提出了準黏聚力理論。本文提出的木質素纖維增強膨脹土強度的原理與土工合成材料增強土強度的原理類似。

圖3 不同木質素纖維摻量改性后的膨脹土應力圓Fig.3 Mohr's stress circle of expansive soil treated with lignin fibers under different confining pressures

吳繼玲等[12]對聚丙烯纖維改性膨脹土的強度特性進行了研究，結果如表2所示。從表2可以看出：聚丙烯纖維和本文采用木質素纖維改性后的膨脹土的黏聚力均有所提高，而內摩擦角提高不明顯，說明木質素纖維與聚丙烯纖維在改性膨脹土方面具有類似的效果。

表2 不同纖維改性膨脹土剪切強度指標Table 2 Shear strength index of expansive soils treated with different fibers

3.1.2 微觀結構

不同摻量木質素纖維改性膨脹土放大200倍的微觀結構見圖4。從圖4可以看出：膨脹土在天然狀態下存在一些微裂縫、貫通裂縫和孔隙，影響了土體的結構整體性；將木質素纖維摻入膨脹土后，木質素纖維被周圍的土顆粒所包圍，從而形成土顆粒和相鄰纖維的“橋聯”結構或空間網絡結構；隨著纖維質量分數增加，纖維之間的交織點更多，這種“橋聯”結構或網狀結構的作用越明顯；當承受外力時，土顆粒受到的應力會傳遞到纖維上，而纖維會將這部分拉應力分攤到更多的纖維和土顆粒上，從而加強了土顆粒間的聯結力，從宏觀上表現為土樣強度提高(主要是“準黏聚力”增大)。

圖4 不同摻量木質素纖維改性膨脹土的SEM照片(放大倍數為200)Fig.4 SEM photos of expansive soils treated with different fiber mass fractions

3.2 凍融循環對木質素纖維改性膨脹土強度特性和微觀結構的影響

3.2.1 強度特性

纖維摻量為0，1%和2%時的改性膨脹土經過0次和10次凍融循環后，不同圍壓條件下的應力-應變曲線如圖5所示(其中，“0次，0”表示循環次數為0 次，木質素纖維質量分數為0，其余依此類推)。從圖5可以看出：纖維改性膨脹土經過凍融循環后的應力-應變曲線依然表現為應變硬化，經歷凍融循環后，纖維改性膨脹土的強度均有所降低。根據圖5計算不同木質素纖維摻量的改性膨脹土凍融前后的剪切強度，結果如表3所示。從表3可以看出：摻量為1%的木質素纖維改性膨脹土經歷10 次凍融循環后，剪切強度接近沒有改性的膨脹土凍融循環前的剪切強度；摻量為2%的木質素纖維改性膨脹土經歷10 次凍融循環后，剪切強度高于沒有改性的膨脹土凍融循環前的剪切強度；摻量為0，1%和2%的改性膨脹土經凍融循環后，黏聚力衰減值分別為11.4，9.2和10.8 kPa，內摩擦角衰減值分別為1.2°，1.2°和0.5°，即摻入纖維后，膨脹土經過凍融循環作用后的強度降低值有所減小；黏聚力相對衰減率分別為42%，28%和25%，內摩擦角相對衰減率分別為5%，5%和2%。可見，隨著纖維摻量增大，土體剪切強度相對衰減值越來越小，即土體抗凍融的能力越來越強，這說明木質素纖維的摻入能有效提高膨脹土的抗凍融能力。

表3 凍融循環前后不同摻量的纖維改性膨脹土的剪切強度指標Table 3 Shear strength index of lignin fiber-treated expansive soils with different mass fractions before and after freezethaw cycles

圖5 凍融循環在不同圍壓下對木質素纖維改性膨脹土應力-應變曲線的影響Fig.5 Effect of freeze-thaw cycles on stress-strain curve of expansive soil treated with lignin fibers under different confining pressures

3.2.2 微觀結構

纖維摻量為0，1%和2%的改性膨脹土凍融循環前后的微觀結構分別如圖6～8所示。從圖6～8可以看出：對于沒有采用纖維改性的膨脹土，其本身存在著一些天然微裂縫、貫通裂縫和孔隙；經歷凍融循環后，試樣中的微小裂隙會因為土的凍脹現象逐漸發展成為大裂隙，同時，土顆粒間的錯動與重排會產生更多的孔隙，從而導致其抗剪強度降低；與未經過改性的膨脹土相比，采用纖維改性的膨脹土，纖維被周圍土體包裹，纖維和土顆粒之間的摩擦力能夠有效地阻止土顆粒間的錯動與重排，在一定程度上能夠延緩微裂隙的形成與發展，減小裂隙數量與裂隙寬度，降低裂隙貫通率，從而提高了土體抗凍融能力；隨著纖維質量分數增加，纖維改性能力也有所增強，經過凍融循環后基本不出現貫穿裂隙。

圖6 纖維摻量為0時改性膨脹土經過凍融循環后的SEM照片Fig.6 SEM photos of expansive soils without lignin fibers before and after freeze-thaw cycles

圖7 纖維摻量為1%時改性膨脹土經過凍融循環后的SEM照片Fig.7 SEM photos of expansive soils with 1%lignin fibers before and after freeze-thaw cycles

圖8 纖維摻量為2%時改性膨脹土經過凍融循環后的SEM照片Fig.8 SEM photos of expansive soils with 2%lignin fibers before and after freeze-thaw cycles

4 結論

1)木質素纖維與周圍土顆粒會形成“橋聯”結構或空間網絡結構，利用自身抗拉能力限制周圍土體變形，從而有效提高膨脹土的“準黏聚力”，而對土體內摩擦角基本沒有影響。隨著木質素纖維摻量增多，膨脹土“準黏聚力”的增強效果越明顯。

2)膨脹土本身存在著一些天然微裂縫、貫通裂縫和孔隙，經歷凍融循環后，土體內微小裂隙會發展成為大裂隙，同時，土顆粒間的錯動與重排會產生更多孔隙，從而導致其抗剪強度降低。

3)木質素纖維摻入膨脹土后，纖維和土顆粒之間的摩擦力能夠有效地阻止土顆粒間的錯動與重排，延緩微裂隙的形成與發展，減小裂隙數量與裂隙寬度，降低裂隙貫通率，從而提高土體抗凍融能力。隨著纖維質量分數增加，纖維改性能力有所增強。