木質(zhì)素改良膨脹土的工程特性及微觀機(jī)理

中圖分類號(hào)： TU443 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.103

摘要

為了探究木質(zhì)素對新鄉(xiāng)地區(qū)弱膨脹土的作用效果，通過室內(nèi)試驗(yàn)、ESEM（環(huán)境掃描電子顯微鏡）試驗(yàn)研究了不同摻量木質(zhì)素改良新鄉(xiāng)地區(qū)弱膨脹土的物理性質(zhì)及力學(xué)特性，對不同摻量改良土體微觀結(jié)構(gòu)特征及其孔隙形態(tài)特征進(jìn)行定性描述與量化表征，并基于XRD（X射線衍射）試驗(yàn)結(jié)果探討了改良土體中礦物成分的變化，從而揭示木質(zhì)素與土體間的相互作用機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用木質(zhì)素改良膨脹土?xí)r，3%木質(zhì)素抑制膨脹土膨脹性效果最好，且此時(shí)土體抗壓強(qiáng)度最高，超過最優(yōu)摻量后，土體抗壓強(qiáng)度反而降低。土體中孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，孔隙排列混亂無秩序、定向性較差，木質(zhì)素膠結(jié)物可以填充土體孔隙使其微觀結(jié)構(gòu)更加密實(shí)。木質(zhì)素在膨脹土中起膠結(jié)作用，并不能與膨脹土反應(yīng)生成新的礦物成分，與土作用時(shí)穩(wěn)定性較好，屬于物理改良。木質(zhì)素作為一種高效、環(huán)保的改良劑，可有效改善膨脹土的基本工程特性，值得深入研究。

關(guān)鍵詞

改良土; 膨脹土; 木質(zhì)素; 微觀特性; 改良機(jī)理

膨脹土是一種特殊黏性土，其主要礦物成分有蒙脫石、高嶺石、伊利石等[1]，在中國多個(gè)省份均存在[2]，且分布面積十分廣泛，高達(dá)1×105 km2 [3]。由于膨脹土成因類型復(fù)雜且具有吸水膨脹和失水收縮的特性，在反復(fù)的吸水膨脹和失水收縮過程中，膨脹土內(nèi)部結(jié)構(gòu)往往發(fā)生變形，產(chǎn)生大量裂隙，進(jìn)而使得土體結(jié)構(gòu)遭到破壞[4]，造成土體承載力、抗剪強(qiáng)度驟然下降[5]，從而給工程項(xiàng)目帶來巨大的安全隱患，嚴(yán)重威脅人們的生命財(cái)產(chǎn)安全。在膨脹土廣泛存在的地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，為了避免膨脹土帶來的潛在威脅，往往采用添加外加劑的方法對膨脹土進(jìn)行改良。以水泥[6]、粉煤灰[7]、石灰[8]等作為外加劑改良膨脹土工程特性目前已經(jīng)取得了良好效果，但具有一定的弊端。傳統(tǒng)外加劑改良土體容易給周圍環(huán)境及土體帶來嚴(yán)重污染，不符合綠色發(fā)展的基本方針，為了消除傳統(tǒng)外加劑的弊端，尋求一種經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保的外加劑至關(guān)重要。

木質(zhì)素是造紙產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品之一，是一種天然、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的材料[9]。學(xué)者們對木質(zhì)素改良土體的研究已經(jīng)取得了諸多成果。王明岳等[10]研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素能減小濟(jì)南低液限粉土空隙，提高土體最大干密度及無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。Tingle等[11]采用木質(zhì)素磺酸鹽分別對粉砂和黏土進(jìn)行改良，木質(zhì)素主要通過填充土體內(nèi)孔隙、離子交換和膠結(jié)作用對土體進(jìn)行改良。于寶富等[12]對比了木質(zhì)素磺酸鈣（木鈣）與木質(zhì)素磺酸鈉（木鈉）對高液限黏土的改良效果，結(jié)果表明，木鈣改良高液限黏土的抗壓強(qiáng)度效果更好。Ceylan等[13]探討了生物燃料副產(chǎn)物木質(zhì)素在固化土體中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠提高土體強(qiáng)度，且滿足路基工程建設(shè)要求，但摻量過高強(qiáng)度反而會(huì)下降。張濤等[14]研究發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素在一定范圍內(nèi)可以提高粉土的強(qiáng)度，且強(qiáng)度與pH值呈線性關(guān)系；木質(zhì)素能夠提高土體的致密性。并從微觀結(jié)構(gòu)方面揭示了木質(zhì)素與土體間的作用機(jī)理。賀智強(qiáng)等[15]利用木質(zhì)素磺酸鹽加固黃土，結(jié)果表明，木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土效果明顯，而木質(zhì)素磺酸鈉則相反；木質(zhì)素磺酸鈣加入土體后，能夠提高土體的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度、改善黃土的崩解特性、降低其滲透性。Indraratna等[16]研究發(fā)現(xiàn)，用木質(zhì)素磺酸鹽處理后土的抗剪強(qiáng)度、剛度等性能均有所提高。另外，黏土中礦物在黏土的穩(wěn)定中起著重要作用，其穩(wěn)定機(jī)理主要是由于木質(zhì)素磺酸鹽-黏土通過靜電反應(yīng)過程形成非晶態(tài)化合物。

目前，中國關(guān)于木質(zhì)素改良膨脹土方面的研究不多。筆者采用自由膨脹率試驗(yàn)、無荷載膨脹率試驗(yàn)、重型擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、微觀掃描電鏡試驗(yàn)、XRD衍射實(shí)驗(yàn)，對木質(zhì)素改良膨脹土的脹縮性以及力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討木質(zhì)素改良膨脹土的可行性，并從微觀角度探討木質(zhì)素改良土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)而研究木質(zhì)素與土體間相互作用的機(jī)制。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用膨脹土土樣選自河南省新鄉(xiāng)市潞王墳段兩泉路與新中大道交界點(diǎn)附近，潞王墳段以弱膨脹土為主，其次為中、強(qiáng)膨脹土，取土深度為0.5～1.5 m[17]。對膨脹土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 "膨脹土基本物理指標(biāo)

Table 1 "Basic physical indexes of expansive soil

最優(yōu)含水率/%"""""" 最大干密度/（g/cm3） 液限WL/%

16.94""""" 1.67 33.6

塑限WP/%""" 塑性指數(shù)IP/%""""" 自由膨脹率/%

16.2 17.4 49.6

測得膨脹土自由膨脹率為49.6%，根據(jù)規(guī)范[18]，可以判斷試驗(yàn)土樣為弱膨脹土。

試驗(yàn)用木質(zhì)素（lignin）采購于河北省靈壽縣玖寶建材銷售部，粉劑顏色為黃褐色，有輕微芳香氣味，主要成分為β-萘磺酸鈉甲醛縮合物，易溶于水，水溶液pH值為10.8，呈堿性，常作為混凝土減水劑使用，木質(zhì)素粉末及水溶液如圖1、圖2所示。

1.2 試驗(yàn)方案

將取回的天然膨脹土烘干、碾碎、過2 mm篩后，在標(biāo)準(zhǔn)條件下，將膨脹土分別與1%、3%、5%、7%木質(zhì)素混合均勻，分別進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn)、無荷載膨脹率試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)步驟按照《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3430—2020）[19]進(jìn)行。

微觀試驗(yàn)儀器采用環(huán)境掃描電子顯微鏡（FEI Quanta 250）。將不同摻量的改良膨脹土養(yǎng)護(hù)7 d，取尺寸5 mm×5 mm×2 mm的試塊各一個(gè)，在40 ℃烘箱內(nèi)烘干48 h。首先對土樣表面進(jìn)行噴金處理，并保證噴涂均勻，然后放進(jìn)掃描電鏡倉里抽真空，對土樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，得到放大2 000倍的微觀掃描圖像。

利用PCAS（Pores and Cracks Analysis System）軟件對微觀圖片進(jìn)行圖像二值化處理與孔隙識(shí)別。首先將圖片導(dǎo)入系統(tǒng)，然后通過分割閾值對SEM圖像進(jìn)行二值化處理，調(diào)整合適的灰度值進(jìn)行分割優(yōu)化，設(shè)置Element radius（元素半徑）為2.1 pixel，Minimum area（最小面積）為50 pixel，最后統(tǒng)計(jì)得到土體孔隙的定向概率熵、分形維數(shù)、形狀系數(shù)、孔隙度、平均面積等參數(shù)。

稱取養(yǎng)護(hù)7 d齡期下的改良膨脹土試樣50 g，對其進(jìn)行風(fēng)干處理后過0.075 mm篩，采用德國布魯克AXS有限公司的Bluker D8 ADVANCE型X射線衍射儀（X-ray Diffraction）對土樣晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行物性表征。測試條件：掃描范圍10°～80°，光源Cu Kα輻射，波長λ近似為0.154 nm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 木質(zhì)素改良膨脹土擊實(shí)特性

圖3、圖4為不同配比木質(zhì)素加入膨脹土后的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果。從圖3可看出，改良土的干密度峰值均大于膨脹土，5種土樣的干密度均呈先升后降趨勢。從圖4可看出，隨著木質(zhì)素的加入，改良土的最大干密度先不斷增加后降低。摻量為3%時(shí)最大干密度達(dá)到最大值1.73 g/cm3，超過3%后呈逐漸下降態(tài)勢，但總體改良土最大干密度仍大于素膨脹土。木質(zhì)素?fù)饺氡确謩e是1%、3%、5%、7%時(shí)，改良土的ρmax（最大干密度）與素土相比分別增大了0.03、0.06、0.03、0.02 g/cm3。這表明木質(zhì)素的添加使膨脹土的ρmax增加，這是因?yàn)槟举|(zhì)素可以黏結(jié)土顆粒形成團(tuán)聚體，填充孔隙。但過多木質(zhì)素的加入反而會(huì)降低土體ρmax，主要是因?yàn)檫^量木質(zhì)素的存在會(huì)阻礙土顆粒間的接觸，團(tuán)聚體增多，但團(tuán)聚體間空隙增大，從而降低土體密實(shí)度。從圖4還可看出，改良土的最優(yōu)含水率隨木質(zhì)素?fù)搅康脑黾映什粩嘟档偷内厔荩?dāng)木質(zhì)素?fù)搅繛?%、3%、5%、7%時(shí)，改良土的最優(yōu)含水率與素土相比分別下降了0.24%、0.58%、0.84%、1.07%、1.00%。這與木質(zhì)素本身性質(zhì)有關(guān)，在工程中木質(zhì)素常常作為混凝土減水劑使用，因此，木質(zhì)素的加入會(huì)降低混合料的最優(yōu)含水率。

2.2 木質(zhì)素改良膨脹土膨脹性

選取試驗(yàn)進(jìn)行72 h后的無荷載膨脹率作為基準(zhǔn)，對不同木質(zhì)素?fù)搅肯赂男耘蛎浲僚蛎浰俾蔬M(jìn)行分析，從圖5可以看出，改良膨脹土的膨脹速率可大致分為3個(gè)階段：急劇膨脹階段、慢速膨脹階段、膨脹穩(wěn)定階段。在注入純水后6 h以內(nèi)，改良膨脹土處于快速膨脹階段，此時(shí)膨脹性急速上升，無荷載膨脹率從0分別上升至6.5%、5.7%、4.4%、4.5%、4.8%，注入純水6～24 h，相較于前6 h，無荷載膨脹率增長緩慢，注入純水72 h后，逐漸趨于穩(wěn)定。并且可以發(fā)現(xiàn)，加入木質(zhì)素后，相較于素膨脹土，改良膨脹土的膨脹速率和增長幅度均有顯著降低。木質(zhì)素?fù)搅繛?%時(shí)，對無荷載膨脹率的抑制效果最為明顯。這主要是因?yàn)槟举|(zhì)素的加入限制了外界水分向土體內(nèi)的滲入，導(dǎo)致土體吸水率降低，使得改良后的土體膨脹率降低。

2.3 木質(zhì)素改良膨脹土力學(xué)特性

由圖6可以看出，在1%～3%范圍內(nèi)，木質(zhì)素改良土抗壓強(qiáng)度逐步提高，木質(zhì)素?fù)搅繛?%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，超過3%時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度反而有所降低。這表明適當(dāng)?shù)哪举|(zhì)素加入可以有效填充土體中孔隙，將土顆粒膠結(jié)在一起，從而提升土體抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)超過最佳摻量時(shí)，可能會(huì)造成土體內(nèi)部木質(zhì)素存在堆疊、聚集現(xiàn)象，促使木質(zhì)素之間的相互結(jié)合，使得土顆粒間距離變大，降低土顆粒間黏聚力與吸引力，從而降低土體抗壓強(qiáng)度。因此，適量的木質(zhì)素對膨脹土進(jìn)行改良，可以提高膨脹土的峰值抗壓強(qiáng)度，超過一定范圍時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度反而降低。

3 木質(zhì)素改良膨脹土機(jī)理分析

為了探究膨脹土改良前后微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，對不同木質(zhì)素?fù)搅康母牧纪翗舆M(jìn)行微觀掃描電鏡試驗(yàn)，圖7所示為木質(zhì)素改良膨脹土放大2 000倍微觀掃描圖像（左）及PCAS處理后孔隙分布結(jié)果（右）。

3.1 ESEM微觀結(jié)構(gòu)分析

由圖7可以看出，素膨脹土中土顆粒排列松散、雜亂堆積，存在許多較大的架空孔隙，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為疏松，顆粒間連接處有較多裂縫出現(xiàn)，導(dǎo)致顆粒間連接作用差，土體結(jié)構(gòu)不夠致密、較為松散。隨著木質(zhì)素的加入，土顆粒間孔隙被木質(zhì)素填充，土顆粒聯(lián)結(jié)成團(tuán)聚體，放大后發(fā)現(xiàn)，相較于素膨脹土，土體結(jié)構(gòu)變得更加致密。當(dāng)摻量增加到3%時(shí)，可以看到土體中較大孔隙逐漸消失，大量小團(tuán)聚體相互靠攏、聚集形成較大團(tuán)聚體，這是由于土體內(nèi)部形成的絮狀膠結(jié)物進(jìn)一步填充團(tuán)聚體間空隙，使得土體結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)，這也表明土顆粒間的聯(lián)結(jié)能力變得更強(qiáng)。然而當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅吭黾又?%、7%時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)土體間空隙逐漸增大，原因是過多木質(zhì)素使得木質(zhì)素-木質(zhì)素相互接觸增多，土顆粒-土顆粒、木質(zhì)素-土顆粒間的接觸減少，阻礙了土顆粒間的相互接觸，使得木質(zhì)素改性膨脹土結(jié)構(gòu)間出現(xiàn)明顯的交錯(cuò)重疊現(xiàn)象，從而導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)密實(shí)度降低。

對比不同木質(zhì)素?fù)饺氡鹊?種土樣可以發(fā)現(xiàn)，3%木質(zhì)素對于膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)作用效果最好，木質(zhì)素膠結(jié)物可以有效填充膨脹土顆粒間空隙、改善顆粒級(jí)配，使改良土體微觀結(jié)構(gòu)更為致密，整體性、穩(wěn)定性更好。

利用PCAS軟件對土體微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行分類測量，提取孔隙的定向概率熵、分形維數(shù)、形狀系數(shù)、孔隙度、平均面積等基本微觀參數(shù)。

1） 定向概率熵[20]

H=?∑i=1nPilgn（Pi）

（1）

式中：H為定向概率熵；Pi為孔隙在某個(gè)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的概率；n為區(qū)間個(gè)數(shù)，將方向區(qū)間按10°分成18個(gè)部分，n=18。

2） 分形維數(shù)[21]

lg C=（Df/2）·lg S+c1 （2）

式中：Df為分形維數(shù)；C為孔隙周長；S為孔隙面積；c1為常數(shù)。

3） 形狀系數(shù)[21]

ff=4πS/C2""" （3）

式中：ff為形狀系數(shù)。

計(jì)算得到孔隙參數(shù)如表2所示。

表2 "不同木質(zhì)素?fù)搅肯峦馏w孔隙統(tǒng)計(jì)參數(shù)

Table 2 "Pore statistical parameters of soil under different lignin contents

配比"""""" 定向概率熵""" 分形維數(shù)"""""" 形狀系數(shù)"""""" 孔隙度/%"""""" 平均面積/像素

（0，0）"" 0.950 2"" 1.254""""" 0.431""""" 58.71""""" 1 769.68

（1，0）"" 0.986 6"" 1.234""""" 0.436""""" 61.72""""" 1 709.74

（3，0）"" 0.987 2"" 1.253""""" 0.416""""" 41.46""""" 884.03

（5，0）"" 0.973 7"" 1.278""""" 0.389""""" 55.88""""" 1 352.77

（7，0）"" 0.969 0"" 1.278""""" 0.410""""" 57.57""""" 1 036.46

從表2可以看出，隨著木質(zhì)素的加入，土樣的定向概率熵、分形維數(shù)、形狀系數(shù)均無明顯變化。土體孔隙的定向概率熵均在0.95左右，表明土體中顆粒排列混亂無秩序，顆粒的定向性較差，也意味著顆粒間接觸點(diǎn)較多、孔隙較少，土體結(jié)構(gòu)較密實(shí)。土體孔隙分形維數(shù)為1.23～1.28，表明孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜性較高。孔隙平均形狀系數(shù)較低，范圍在0.38～0.44之間，表明孔隙輪廓結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。

此外可以看到，土體微觀結(jié)構(gòu)孔隙度、孔隙平均面積的變化規(guī)律與微觀圖像定性分析結(jié)論基本一致。隨著木質(zhì)素的加入，土體的孔隙度及孔隙平均面積有所變化，改良土的孔隙度、孔隙平均面積總體上都小于素土，且在木質(zhì)素?fù)搅繛?%時(shí)達(dá)到最小，說明此時(shí)土體中孔隙較少，結(jié)構(gòu)比較密實(shí)。

土體結(jié)構(gòu)越密實(shí)，抗壓性能越好，外界水分進(jìn)入土體的過程就越受到限制，這也解釋了改良土膨脹性降低、抗壓強(qiáng)度提高的原因。

3.2 物相分析

為了確認(rèn)木質(zhì)素與膨脹土作用是否有新礦物生成，對膨脹土及木質(zhì)素改良膨脹土進(jìn)行XRD衍射試驗(yàn)，并對兩組衍射圖譜利用jade 6.0軟件對土體內(nèi)各組成礦物成分進(jìn)行分析。XRD測試分析結(jié)果如圖8所示。

從膨脹土及木質(zhì)素改良膨脹土的XRD衍射圖譜可以發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素的加入并沒有使木質(zhì)素改良土產(chǎn)生新的峰強(qiáng)，峰強(qiáng)也沒有產(chǎn)生明顯的偏移，膨脹土與改良土中礦物成分較多是石英、拉長石、伊利石。這表明，摻入木質(zhì)素后，土體內(nèi)部并沒有新礦物產(chǎn)生，說明木質(zhì)素不與膨脹土發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其在膨脹土中起到膠結(jié)、黏聚的作用，能夠填充顆粒間孔隙和聯(lián)結(jié)土顆粒，提高土體的致密性、整體性，改良土體時(shí)穩(wěn)定性較好，這種改良效果屬于物理變化。然而在加入木質(zhì)素后礦物晶體的峰強(qiáng)都有所降低。Alazigha等[22]認(rèn)為，這可能是由于木質(zhì)素吸附在土體礦物表面，木質(zhì)素膠結(jié)物限制了原子平面的特征衍射，并且阻止了水分進(jìn)入黏土基質(zhì)，從而抑制了土體膨脹。

4 結(jié)論

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入木質(zhì)素后，膨脹土的擊實(shí)特性、膨脹性、抗壓性等工程性質(zhì)有所改善。

1）木質(zhì)素可以提高膨脹土的最大干密度，降低其最優(yōu)含水率，使得土體更易壓實(shí)，進(jìn)而對土體的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生影響，使得工程性質(zhì)得到改善。木質(zhì)素?fù)搅?%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，相比于素膨脹土，改良土抗壓強(qiáng)度值提高了25.3%，超過最優(yōu)摻量時(shí)，土體抗壓強(qiáng)度反而降低。

2）木質(zhì)素可以降低膨脹土的膨脹性能，并且木質(zhì)素?fù)搅繛?%時(shí)，膨脹性降至最低，無荷載膨脹率降低了4.6%。摻量過高時(shí)，對脹縮性的抑制效果并不明顯，但相比于素膨脹土膨脹性仍然有所下降。

3）適量木質(zhì)素可以填充膨脹土內(nèi)部孔隙，并且在土體內(nèi)部產(chǎn)生木質(zhì)素膠結(jié)物填充孔隙、包裹土顆粒，優(yōu)化土體結(jié)構(gòu)，使得土體結(jié)構(gòu)變得更加密實(shí)。土體孔隙定量分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：土體中孔隙形態(tài)復(fù)雜，孔隙排列混亂無秩序，定向性較差。適量木質(zhì)素的加入可以降低膨脹土的孔隙度、平均孔隙面積。土體孔隙越少，結(jié)構(gòu)越密實(shí)，這也是土體膨脹性降低、強(qiáng)度提高的原因。木質(zhì)素在膨脹土中起到膠結(jié)作用，能夠填充孔隙、聯(lián)結(jié)土顆粒，提高土體的整體性，屬于物理變化。

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