木質素磺酸鈣改良的低液限黏土三軸壓縮特性

魏世杰,趙洪巖,郝社鋒,梅 紅,卜 凡,劉 瑾,葛禮強,任靜華,梁 雨

(1.河海大學地球科學與工程學院,江蘇 南京 211100; 2.國家開發銀行江蘇省分行,江蘇 南京 210019;3.自然資源部國土(耕地)生態監測與修復工程技術創新中心,江蘇 南京 210018;4.江蘇省地質調查研究院,江蘇 南京 210018)

工程建設中經常遇見強度特性達不到施工要求的土體,因此需要利用各種方法對其進行改良處理。隨著國家區域發展總體戰略的逐步實施,各地區推出了數量眾多的基礎設施建設政策[1],大量基礎工程建設項目的開展對土體強度特性的提升提出了更高的要求。為了更方便地獲取工程性質優良的建筑材料并提高資源利用率,開展針對土體改良技術的研究很有必要。

土體改良技術是指向土體中摻入由多種無機、有機材料復合而成的固化劑,從而改變土體成分與結構特征,以達到改善土體工程性質的目的。目前常用土體固化劑可分為無機類和有機類,其中無機類土體固化劑具有成本低、性能穩定等優點,缺點是容易造成資源浪費、不夠環保等。而有機類土體固化劑一般由環氧樹脂、高分子聚合物等配制而成,通過有機材料本身性質膠結土粒。有機類固化劑具有摻入量少、施工方便、環保無污染等優點,具有良好的應用前景。為了減輕生產和使用無機類加固材料造成的環境污染,對環保友好型的新型加固材料的研究早有開展[2-4]。

木質素是一種典型的生物資源,在植物界儲量僅次于纖維素,具有可再生、成本低、環境友好等特點[5]。造紙產業中將木質素與纖維素分離,木質素及其副產品被作為廢棄物大量排放到自然界,增加碳排放的同時也不能充分利用資源。將木質素用于土體改良技術中,不僅能夠更經濟有效地改良土體工程特性,還有助于避免傳統土體固化劑帶來的環境污染問題。隨著木質素被越來越多地應用于土體改良,其對土體性質的影響也越來越受到重視。目前基于木質素類固化劑的土體改良技術已有開展,Ceylan等[6]通過試驗驗證了木質素用于改良土體的可行性;張濤等[7-9]采用木質素對粉土進行了改良,分別進行了無側限單軸抗壓、固結不排水剪、固結排水剪等試驗,發現木質素改良粉土的最優摻量為12%,改良土的孔隙水壓力低于素土,且齡期對改良土強度有著顯著影響;陳學軍等[10]研究發現木質素改良紅黏土的最優摻量為8%,且紅黏土液塑限和pH值隨著木質素摻量的增加而增大。根據造紙產業分離方法的不同,工業木質素可分為酸木質素、堿木質素、木質素磺酸鹽等[11],其中木質素磺酸鹽用途最為廣泛,在土體改良方面也有應用。Sharmila等[12]將木質素磺酸鈣(以下簡稱“木鈣”)用于改良膨脹土,發現處理后的膨脹土膨脹壓力大大降低;賀智強等[13]對木鈣加固黃土的工程性能進行了試驗研究,結果表明適量木鈣的摻入能夠明顯加強黃土的抗滲透性、抗崩解性;姬勝戈等[14]用木鈣進行了改性分散性土試驗,研究結果表明木鈣的摻入能夠顯著降低分散性土的崩解性。張建偉等[15]采用木鈣對黃泛區粉土進行了改良,結果表明木鈣最優摻量為5%,且在經歷凍融循環后改良土的無側限抗壓強度仍明顯高于素土。

目前國內對于木鈣改良土體的研究主要集中在其分散性、崩解性等方面,對木鈣改良低液限黏土的力學特性與內部結構之間聯系的研究較少,特別是缺少自然養護條件下改良土抗剪強度參數變化的研究。因此本文對不同木鈣的摻量、不同土樣養護時間條件下低液限黏土的改良土進行三軸壓縮試驗,研究了木鈣摻量和養護時間對其強度特性的影響,并結合微觀掃描電鏡試驗分析總結其內在機制,以期為木鈣改良黏土的工程實踐應用提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

1.1.1試驗土樣

試驗用土取自南京江寧某邊坡,根據篩分試驗結果,試驗用土中粒徑大于0.075mm的土粒質量分數為12.81%,粒徑為0.005～0.075mm的土粒含量為71.77%,粒徑小于0.005mm的土粒含量為15.42%,塑性指數為10.21,為低液限黏土。通過標準擊實試驗測得試驗用土的最優含水率為14.13%,最大干密度為1.73g/cm3,比重為2.72,液限為25.55%,塑限為15.34%。

1.1.2木鈣

木鈣是一種高分子聚合物,通常來自酸法制漿的蒸煮廢液,經噴霧干燥形成,其水溶液呈黑色,如果不對其進行合理利用,作為廢水排放便會污染自然環境[16]。試驗所用木鈣為某化工公司生產產品,外觀為棕黃色粉末,略帶芳香氣味,木質素質量分數大于或等于55%,還原物質量分數小于或等于10%,水分質量分數小于或等于9%,pH值(1%水溶液)在4～6之間,水不溶物質量分數小于或等于1.5%,分子式為C20H24CaO10S2,無毒無害,穩定性好。

1.2 試驗方案

1.2.1制樣過程

將試驗用土敲碎放入105℃烘箱烘干10h,取出土樣降至室溫后用研磨機磨碎,過2mm篩后密封備用。本次試驗取木鈣摻量和試樣養護時間為變量,木鈣摻量(與黏土的干質量比)分別取0%、4%、8%、12%,試樣養護時間分別取1、3、5、7d。根據試驗設計,按95%壓實度分別取一定量的黏土和木鈣粉末攪拌均勻,按含水率(與黏土質量比)14.13%取適量常溫水,倒入混合物中充分攪拌。攪拌好的土料按質量平均分為5份,依次倒入模具中擊實到相應高度,直至擊實最后一層結束后用千斤頂將試樣壓出。最終得到直徑39.1mm、高80.0mm的圓柱形試樣,制備好的試樣在室溫25℃、濕度50%條件下自然養護至相應齡期。

1.2.2試驗過程

三軸剪切試驗采用儀器為南京土壤儀器廠生產的TSZ-1型全自動三軸剪切儀,分別以100、200、300kPa圍壓進行不固結不排水剪試驗,試驗前不對試樣進行飽和處理。試驗過程按照GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行,控制剪切儀的應變速率為0.8mm/min。試驗結束后根據不同圍壓下的峰值偏應力繪制破壞應力圓及包絡線,以此獲得不同試樣的強度參數。

2 試驗結果與分析

2.1 應力應變曲線分析

圖1為100kPa圍壓下不同養護時間的試樣應力應變曲線,圍壓200、300kPa時也有類似規律。從曲線形態上看,三軸壓縮試驗開始階段為彈性階段,試樣的偏應力與軸向應變近似線性關系,曲線切線模量較大;隨著試驗過程的進行,試樣達到屈服強度后轉變為塑性階段,應力應變曲線變為非線性,試樣達到峰值強度后剪破。由圖1可知,木鈣摻量的變化對試樣的強度特性有著顯著影響,當木鈣摻量為8%時試樣強度最高。與純黏土相比,改良土的抗剪切變形能力明顯更強,后者的屈服強度和破壞強度更高。隨著應變的增加,純黏土試樣的軸向偏應力表現為先增加后平緩,而改良土試樣的應力應變曲線則有較明顯的峰值。這是因為當試樣摻入木鈣并養護一定時間后,其一部分抗剪切變形能力由木鈣膠結物提供,發生剪切破壞后這部分抗剪切能力消失或大幅度減小,使得試樣進一步發生應變所需的應力比原來要小,從而出現應變軟化現象。

圖1 100kPa圍壓下不同養護時間試樣應力應變曲線

隨著養護時間的增加,試樣的強度特性也會發生明顯變化。土體剪切破壞后偏應力衰減率D的計算公式為

D=(1-q20/q)×100%

(1)

式中:q20為試樣軸向應變20%時的偏應力;q為試樣破壞強度。對于應力應變曲線峰值明顯的試樣,取峰值偏應力為破壞強度;無明顯峰值時,取軸向應變15%時的偏應力為破壞強度。通過分析衰減率的變化,可以更好地了解試樣的強度特性。

圍壓為100kPa時,試樣剪切破壞后的偏應力衰減率與養護時間、木鈣摻量的關系如圖2所示。由圖2可知,養護時間的增加對改良土力學特性的影響更為顯著。與純黏土試樣相比,改良土試樣在4個不同養護時間下的衰減率變化幅度更大,且衰減率與養護時間成正相關,說明改良土試樣在4個養護時間的應力應變曲線均產生應變軟化,且養護時間越長應變軟化越明顯。這是由于隨著養護時間的增加,試樣中木鈣與土體反應更徹底,試樣脆性增強。

圖2 100kPa圍壓下試樣的偏應力衰減率

根據應力應變曲線可確定試樣的彈性模量。圖3為100kPa圍壓下試樣彈性模量與木鈣摻量關系圖。由圖3可知,養護時間為1d時,不同木鈣摻量的試樣彈性模量幾乎一致。養護時間延長后,試樣的彈性模量受木鈣摻量影響明顯,隨著木鈣摻量的增加,彈性模量先增加后降低,即適量木鈣有利于提高黏土彈性模量,過量的木鈣摻入會使黏土彈性模量下降。當養護時間為7d時,木鈣摻量為8%的試樣彈性模量達到60.07MPa,比養護相同時間的純黏土增加了138.02%。

圖3 100kPa圍壓下試樣彈性模量與木鈣摻量關系

2.2 峰值偏應力分析

圖4為不同圍壓條件下試樣峰值偏應力隨木鈣摻量變化的曲線。從圖4可以看出,摻入木鈣能夠顯著提升土體抗剪強度,且峰值偏應力與圍壓之間存在正相關關系。這是因為圍壓越大,受壓試樣受到的側向約束也越強,試樣軸向的抗變形能力也因此變強。峰值偏應力隨著木鈣摻量的增加呈現先增加后下降的趨勢,在0%到8%區間內均表現為隨著木鈣摻量單調增強,到12%摻量時下降。木鈣摻量超過8%后,木鈣本身更容易與其他木鈣發生團聚,缺少了土粒骨架的支撐作用,因此導致試樣峰值強度降低。張濤等[7]、Chen等[17]分別從木質素磺酸鹽改良粉土、砂質粉土的試驗研究中得到了與本文相似的結論,土體強度隨木質素磺酸鹽摻量的增加而增加,超過一定值后土體強度降低。

圖4 木鈣摻量對不同養護時間試樣峰值偏應力的影響

當木鈣摻量達到12%后,峰值偏應力相較摻量8%的試樣稍有下降,但高于木鈣摻量4%的試樣和純黏土試樣,仍然能起到加固效果。由圖4(b)可知,養護1d時,200kPa圍壓條件下木鈣摻量8%、12%的試樣峰值強度分別為1440.26、1054.86kPa,相比純黏土試樣的增長幅度分別為130.17%、68.58%,養護7d后的增長幅度分別為152.98%、133.40%,可以看出隨著養護時間的增加,8%與12%木鈣摻量試樣的強度變得接近。養護時間較短時,木鈣加固效果不充分,富余木鈣會造成受壓試樣局部軟弱[6,18],12%摻量的改良土強度比8%摻量的更低。隨著養護時間的增加,木鈣凝固黏結在土粒表面和孔隙中,多余的木鈣影響變小,12%摻量與8%摻量改良土的抗剪強度越來越接近。綜上,對于本試驗所取用的黏土而言,木鈣加固的最佳摻量為8%。

從圖4還可以看出,隨著養護時間的增加,試樣峰值偏應力也不斷提升,其中改良土試樣增強幅度遠遠超過純黏土試樣。由圖4(c)可知,當養護時間為7d時,木鈣摻量為8%的試樣的峰值偏應力達到最大值2017.23kPa,相較養護同樣時間的純黏土試樣提升了236.25%。改良土試樣在養護1～3d區段增強幅度較大,300kPa圍壓下4%摻量改良土試樣養護3d后的峰值偏應力相較養護1d時提升了46.77%。隨著養護時間的增加,增強速度也隨之變緩,當養護時間達到7d后,8%和12%摻量的試樣峰值偏應力差異不大,說明此時摻入土體中的木鈣已經充分發揮加固作用。

2.3 抗剪強度參數分析

圖5為試樣抗剪強度參數隨木鈣摻量的變化。從圖5(a)可以看出,摻入木鈣能夠提升試樣的內摩擦角。養護時間較短時,隨著木鈣摻量從0%增加到12%,試樣內摩擦角呈現先升高后降低的趨勢;在養護時間延長后,試樣內摩擦角呈現先增加后不變的趨勢,而摻量0%到4%的試樣摩擦角變化幅度最大。

圖5 試樣抗剪強度參數隨木鈣摻量的變化

從圖5(b)可以看出,隨著木鈣摻量的增加,改良土的黏聚力呈現出先增加后減小的趨勢,在木鈣摻量8%時達到最大值。相同養護時間下,木鈣摻量12%的試樣黏聚力小于8%的試樣,但仍然高于純黏土試樣和4%摻量的改良土,試樣抗剪強度隨木鈣摻量變化的趨勢高度相似。結合圖5(a)不難發現,當黏土摻入過量的木鈣并養護一定時間后,改良土抗剪強度的減小是由其黏聚力降低引起的。富余的木鈣聚集在土粒之間,缺少了土粒作為骨架,從而起到了反作用,降低了土體黏聚力,而內摩擦角受富余木鈣的影響較小。

木鈣被摻入黏土后,會覆蓋在土壤顆粒表面或填充在顆粒間的孔隙中,包裹、聯結土粒形成團聚體,增強土體穩定性。因此相比純黏土,改良土的黏聚力有明顯的提升,且隨著養護時間的增加,試樣水分蒸發后木鈣凝固形成強度更高的膠結物質,阻止試樣發生變形破壞的能力更強,導致改良土的黏聚力升高,土體抗剪強度更強。Kong等[19]使用木質素磺酸鹽改良淤泥土,取得了相似的結果。

3 改良土微觀結構分析

為進一步研究改良土的強度提升機制,并對上述試驗結果從微觀角度進行驗證,對摻入木鈣的試樣進行了微觀掃描電鏡試驗。圖6為8%摻量改良土試樣的微觀掃描電鏡圖像,分別放大3000～7000倍。從圖6(a)可以看出,木鈣生成的膠結物質在土粒之間架橋,從而增強了土體的黏聚力,限制了土粒的相對滑動。從圖6(b)(c)可以看出,木鈣填充土粒間的空隙,同時吸附于土粒表面。圖6(d)顯示木鈣與多個土粒形成團聚體,從而增強土體的整體性和穩定性,試樣抵抗受外力變形的能力因此變得更強,并且最終形成致密、穩定的土體結構,宏觀上表現為改良土抗剪強度增強。

圖6 8%木鈣摻量試樣微觀掃描電鏡圖

結合三軸壓縮試驗和微觀掃描電鏡試驗結果,對木鈣改良試驗土體的反應過程進行探討,圖7為木鈣的固土機制示意圖。木鈣固土機制可以歸納為以下幾個方面:①填充孔隙。如圖7(a)所示,木鈣摻入土體后會填充土粒間的大孔隙,隨著摻量增加填充小孔隙,增加土體密實度,圖6(b)也驗證了這一點。②離子交換。木鈣溶于水后會釋放出Ca2+,增大土體自由水中的Ca2+濃度,由于土體中陽離子交換作用與離子濃度有關[20],且不同價的陽離子與土粒表面的親和力也不同,高價陽離子(Ca2+、Mg2+、Al3+)可以替換結合水膜中的低價陽離子(Na+)。文獻[14]經過試驗發現木鈣改良分散性土后土壤吸附的交換性鈉離子占陽離子總量的百分比(ESP)下降,說明木鈣摻入土體促使Ca2+與土粒吸附的陽離子發生離子交換反應,削弱了土粒表面吸附的結合水層厚度,土體粒間作用力相應增大。③吸附包裹土粒。木鈣摻入土體中會吸附在土粒表面(圖6(c)),文獻[8,21]指出這是由于木鈣發生質子化反應形成帶正電荷的木質素磺酸鹽化合物,吸附在帶負電荷的黏土表面,從而包裹覆蓋土粒。④膠結作用。木鈣形成的膠結物質在土體孔隙中沉淀,在距離遠的土粒之間架橋聯結(圖6(a)),把距離近的土粒黏結成團聚體(圖6(d)),形成更穩定的土體結構。隨著養護時間的增長,膠結物的強度也逐漸變強,改良土試樣的抗剪強度也隨之增強。改良土的抗剪強度隨著木鈣摻量的增加而增加,當土體中木鈣摻量超過最佳摻量時,由于缺少土粒作為骨架,富余的木質素聚集會降低土體密實性,形成局部軟弱帶,使得改良土抗剪強度降低。

圖7 木鈣固土機制示意圖

4 結 論

a.木鈣摻入黏土能顯著提升土體抗剪強度,改良土的應力應變曲線有較明顯的峰值,達到峰值后的曲線有應變軟化現象。與純黏土相比,養護時間對改良土的強度特性影響更為顯著。

b.改良土試樣峰值偏應力與養護時間和圍壓呈正相關關系。隨著木鈣摻量的增加,抗剪強度先增后減,最優摻量為8%。養護7d后8%摻量的改良土獲得最大峰值偏應力2017.23kPa,相較純黏土提升了236.25%。摻入木鈣的土體試樣黏聚力也同樣隨著木鈣摻量的增加先增后減,內摩擦角則先增加至一定值后趨于穩定。

c.木鈣改良黏土的內在機制可以概括為填充孔隙、離子交換、吸附包裹土粒以及膠結土粒團聚體,通過增強土體密實度、削減結合水層厚、吸附膠結土粒團聚體來形成更穩定的土體結構,從而增強土體抗剪強度。由于木鈣是一種有機物,其用于土體改良時存在發生降解的可能,因此木鈣改良土體的耐久性還需要進一步研究。