凍融作用下木質素改良碳酸鹽漬土力學性能研究

張淼鑫，袁方正，李治斌，蘇安雙

(1.黑龍江大學 水利電力學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江大學 建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；3.黑龍江省水利科學研究院，黑龍江 哈爾濱 150080)

木質素及其衍生物作為存在于大多數的陸生植物的木質部的一種復雜的有機高分子化合物，每年可以以500億t的速度再生。作為最豐富的可再生生物質資源，其商業化應用比較廣泛：(1)作為混凝土減水劑[1-3]。(2)作為農藥緩釋劑及肥料[4-6]。(3)作為礦粉絮凝劑[7]。(4)作為飼料添加劑等[8-9]。(5)用于生產樹脂和黏合劑[10]。(6)用于生產水處理劑和阻垢劑[11-13]等。

木質素及其衍生物可作為一種新型的土壤固化劑，因為它的化學成分與水泥、石灰等傳統的無機固化劑不相同，所以它作為固土劑使用時固化機理也與傳統的無機固化劑存在著不同。如Qingsheng Chen等[14]通過對不同應力路徑條件下的非飽和土進行抗剪強度試驗，建立一個模型用來描述木質素磺酸鹽在不飽和土中引起的鍵合作用，并通過試驗得已驗證。Tao Zhang等[15]通過木質素對土體改良試驗，提出了木質素能顯著提高土體無側限抗壓強度和彈性模量。Mariano T.Fernndez等[16]研究了木質素磺酸鈣(CLS)作為膨脹土穩定劑的有效性。賀智強等[17]在加固黃土的工程性質試驗中，在黃土中添加木質素磺酸鹽進行研究，試驗結果表明：木質素磺酸鈣可以提高黃土的抗剪強度，通過膠結來加強土顆粒間的聯系，通過填充孔隙來降低孔隙率，以此增強黃土的水穩定性，使黃土的崩解性大幅度提高，但滲透性降低。

木質素及其衍生物在基礎工程中的應用，為工程技術革新帶來了新的方向，同時也使得造紙及生物能源行業產生的廢棄物得到了二次利用，避免了環境污染，帶來了經濟效益。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

為了保證整個試驗所有試樣的基本狀況一致，筆者采用人工調配的方法來控制試樣含鹽量。本試驗用土取自哈爾濱市某地區的粉質黏土，《巖土工程勘察規范[2009年版]》(GB 50021—2001)[18]規定: 巖土中易溶鹽含量>0.3%，應判定為鹽漬土。故取回粉質黏土土樣后，烘干并碾散，過2 mm 篩，人工調配碳酸鹽漬土，碳酸氫鈉含量占鹽漬土質量的1%，土體物理力學指標見表 1，木質素選取山東某化工有限公司生產的木質素磺酸鈣(下文簡稱木鈣)，其木質素含量為40%～50%，見圖1，木鈣為擁有特殊氣味的棕黃色粉末，具有較強的水溶性，溶于水后顯黑色，黏性強。是高分子聚合物陰離子表面活性劑。

表1 試驗所用土基本物理指標

圖1 木質素磺酸鈣

1.2 試樣制備及方案

分別添加占鹽漬土質量的不同比例的木鈣如:0摻量、0.25%、0.5%、0.75%、1%、3%、5%，準備不同摻量的試樣，拌和均勻，密封并浸潤12 h，采用擊樣法制備39.1 mm×80.0 mm土工試驗標準試樣，見圖2。成型后的試樣用多層聚酯薄膜密封，放入溫度為20 ℃、相對濕度為95%的標準養護室內，在標準養護室內養護28 d。完成養護的木鈣改良碳酸鹽漬土試件與0摻量碳酸鹽漬土試件一同放入冰箱內，設冰箱凍結溫度為-20 ℃，冷凍12 h后放入 20℃的標準養護室內融化12 h，以此為一個凍融循環。本試驗試樣所需凍融循環次數分別設為0次、1次、3次、5次、7次、9次、12次。土體經歷凍融循環后用WDW-100 型電子萬能實驗機,見圖3，進行無側限抗壓強度試驗。對比不同摻量木鈣改良后碳酸鹽漬土在不同凍融循環次數下的無側限抗壓強度，開展木鈣改良碳酸鹽漬土的力學指標與抗凍性研究，研究其改良土是否具有良好的強度和抗凍融的穩定性。

圖2 39.1 mm×80.0 mm土工試驗標準試樣

圖3 WDW-100型電子萬能實驗機

2 試驗結果及分析

試驗發現，單摻木鈣摻量超過5%的改良碳酸鹽漬土試樣在養護期間自行崩裂，已無研究價值，這是因為過高摻量可能會使木質素與土體礦物間不能完全反應，土體中存在因木質素過多而造成的局部軟弱，從而表現出木鈣改良土無側限抗壓強度降低的現象[19]，且摻量較高時木鈣會優先與自身結合，產生局部聚集，降低土顆粒間吸引力，從而削弱團聚體的均勻性，增大土體孔隙率，暴露出較多孔隙，使得力學性能下降[20]。故在上述條件下改良的碳酸鹽漬土木鈣摻量不能超過5%。圖 4 為木鈣摻量和凍融循環次數對改良碳酸鹽漬土的無側限抗壓強度的影響。從圖中可以看出，凍融循環0次下，隨著木鈣摻量的增加，改良碳酸鹽漬土的無側限抗壓強度也有所增加，在木鈣摻量達到0.5%時無側限抗壓強度最高。伴隨著凍融循環次數的增加，試樣的無側限抗壓強度均減小，在木鈣摻量為0.75%時的改良碳酸鹽漬土的無側限抗壓強度降幅最小。木鈣摻量為5%時，經凍融循環3次以上后，試樣發生嚴重凍脹現象，表面粗糙易碎，蓬松多孔，如圖5，力學性能驟降，這是因為木鈣具有一定的引氣性[21]，加入過量的木鈣導致試樣土體中微小氣泡過多，且5%摻量的試樣中部分木鈣的局部聚集，再加上凍融循環作用，破壞了土體原有結構，造成嚴重的凍脹。

圖4 木鈣摻量及凍融循環次數對碳酸鹽漬土無側限抗壓強度的影響

圖5 木鈣單摻量為5%及凍融循環3次以上的土樣

對不同摻量的木鈣改良土進行無側限抗壓強度試驗后，繪制改良土的應力-應變曲線如圖6所示。從圖中可以看出不同木鈣摻量下改良土的應力都隨著應變的變化先增大后減小，摻量在3%以下的改良土試樣在初始階段內的斜率與碳酸鹽漬土的斜率基本相同，說明改良土在彈性階段與0摻量碳酸鹽漬土的彈性模量基本相同。0摻量碳酸鹽漬土破壞時應變在5.6%左右，屬于脆性破壞；當木鈣摻量為0.5%時試樣破壞的應變在10.4%左右，屬于塑性破壞，說明木鈣可以有效改善粉土的力學性能，使土樣的破壞得到延緩。

圖7是不同摻量的木鈣改良土經過凍融循環7次 后進行無側限抗壓強度試驗后繪制改良土的應力-應變曲線圖。與圖6相比，圖7中試樣受凍融循環破壞作用，不同摻量的木鈣改良土的無側限抗壓強度應力-應變曲線已經產生了明顯的變化。其中，3%木鈣摻量的改良土其應力-應變曲線與0摻量的應力-應變曲線基本契合。而木鈣摻量在1%以下的改良碳酸鹽漬土在相同的應變條件下其應力均高于0摻量，在此等條件下最優摻量為0.50%及0.75%。土體試樣出現應變硬化現象，破壞形式由脆性破壞轉變為塑性破壞，證明了木鈣具有良好的抗凍性，這是因為木鈣在土體中發生了化學反應，產生了具有一定強度的膠結性物質，連接了土顆粒，使土顆粒之間更加密實[22]。

圖6 不同摻量木鈣改良土的應力-應變曲線

圖7 不同摻量木鈣改良土凍融循環7次后的應力-應變曲線

3 結 論

(1)在寒區碳酸鹽漬土中加入一定量的木鈣可以有效地改善其力學性能，其無側限抗壓強度伴隨著木鈣摻量的增加先增大后減小，改良土木鈣的最佳摻量在0.5%左右。

(2)由木鈣改良土的應力-應變曲線可知，摻入適量的木鈣可以使土體的破壞得到延緩，由脆性破壞轉變為塑性破壞。

(3)木鈣改良后的碳酸鹽漬土經凍融循環后，由其無側限抗壓強度和應力-應變曲線可知，改良土的抗凍最優摻量在0.75%左右。