木質素磺酸鈣固化黃土的力學性能研究

摘 要：文章以木質素磺酸鈣為固化劑，以蘭州市西固區的黃土為固化對象，開展木質素磺酸鈣固化黃土的力學性能研究。通過重型標準擊實試驗、無側限抗壓強度試驗及回彈模量試驗，研究固化劑摻量和養護齡期對木質素磺酸鈣固化黃土無側限抗壓強度和回彈模量的影響。結果表明：當木質素磺酸鈣摻量增加時固化黃土的最大干密度上升、最優含水率下降；固化劑摻量不超過1%時，固化黃土的無側限抗壓強度隨養護齡期的增長而增加，而當摻量超過1%后，固化黃土的無側限抗壓強度則會出現下降；隨著養護時間的增加，固化黃土的回彈模量逐漸增大，隨固化劑摻量的增加回彈模量先增大后減小；基于無側限抗壓強度的試驗數據，建立了木質素磺酸鈣固化黃土無側限抗壓強度與養護齡期的關系，所得成果可為工程實踐提供參考。

關鍵詞：黃土；木質素磺酸鈣；無側限抗壓強度；回彈模量

中圖分類號：TU472 文獻標志碼：A*基金項目：甘肅省重點研發計劃-工業類項目“高性能玻化微珠保溫砂漿的研制與應用示范”（23YFGA0052）；2023年度中鐵二十一局集團第二工程有限公司企業級課題“高效節能玻化微珠保溫砂漿的研制與應用示范”（2023-YTHJJDKY-003）。

作者簡介：張康（1988-），男，大學本科，助理工程師，主要研究方向：工業與民用建筑施工和管理。

0 引言

黃土在中國的分布非常廣泛，約占中國國土面積的6.6%，總面積大約為6.3×10 5 km 2[1-2]。在中國西部大開發戰略的實施背景下，大量的工業與民用建筑、公用基礎設施等工程在黃土地區大規模建設，而黃土的地基承載能力較低，因此必須對其進行加固處理才能滿足工程建設中對土體強度和穩定性的要求。傳統土體加固劑如石灰、水泥和粉煤灰等無機結合材料經濟性、加固效果較好，被廣泛用于黃土的固化中。但這類加固方法容易造成資源消耗嚴重、環境污染加劇等問題[3]，并且會導致土壤的pH大幅上升[4]。因此，研究可再生、環境友好的固化劑是實現黃土地區工程建設可持續發展的必然選擇。

木質素是一種碳元素豐富的高分子化合物，地球上儲量僅次于纖維素，廣泛分布在植物中，不同植物中木質素的結構也有所差異[5-6]。目前，中國工業木質素年產量可達2 000億t[7]，但其綜合利用效率不到5%，大量的工業木質素作為“黑液”排入河流和湖泊，對生態環境產生了嚴重影響。木質素磺酸鈣是一種陰離子表面活性劑、屬于木質素衍生物，將其應用于黃土的固化中既可以提高黃土的強度，又可以變廢為寶，降低環境污染。

多年來，對木質素加固土體的研究持續不斷推進。Ceylan等[8]采用2種不同類型的木質素加固黏土，發現2種方法均能提升土體的強度，木質素穩定黏土存在最佳摻量，摻量超過 12%后強度開始下降。Chen等[9]嘗試用木質素磺酸鹽對黏土的強度進行增強，發現黏土的強度有明顯提升，得出木質素磺酸鹽增強黏土的最優摻量為2%。張濤等[10]發現木質素能夠提高粉土的路用性能。鑒于木質素磺酸鈣作為一種環境友好、可再生的新型土體固化劑，目前國內關于其在黃土中的應用尚不多見，因此，文章選擇黃土作為固化對象，木質素磺酸鈣為固化劑，通過重型標準擊實試驗、無側限壓抗壓強度試驗、回彈模量試驗，系統研究木質素磺酸鈣摻量、養護時間對固化黃土力學性能的影響。

1 原材料及試驗介紹

1.1 試驗材料

試驗用黃土取自蘭州市西固區棚戶區改造項目某基坑，將天然黃土風干后碾碎，過0.5 mm的標準篩。試驗所用木質素磺酸鈣是造紙工業的副產品，分子式為C 20 H 24 CaO 10 S 2 ，易溶于水、不溶于有機物，具有黏結性、芳香氣味的淺棕色粉末，木質素磺酸鈣購自河南省某化工有限公司，其質量標準見表1。

1.2 試驗配合比

借鑒劉釗釗[11]的研究結果，選定木質素磺酸鈣固化黃土的摻量（質量比）為0%、0.6%、1%、1.5%、2%、3%，養護齡期分別為3 d、7 d、14 d、28 d。

1.3 重型標準擊實試驗

按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019），采用重型標準擊實方法，試樣分3層擊實。測得不同配合比木質素磺酸鈣固化黃土的最大干密度和最優含水率試驗結果見表2。

1.4 無側限抗壓強度試驗

無側限抗壓強度是試樣在無任何側向限制的情況下所能承受軸向壓力的最大值。采用上海華龍測試儀器股份有限公司生產的WHY-3000型微機控制壓力試驗機，將試樣放置于升降板上加壓直至試樣破壞，儀器所記錄試樣破壞時的軸向壓力與試樣截面積的比值為試樣的無側限抗壓強度。

1.5 回彈模量試驗

回彈模量是指試樣在垂直荷載作用下，試樣所產生的應力與其所產生的回彈應變的比值。試驗采用杠桿壓力儀法測試固化黃土的回彈模量，記錄各級荷載作用下的回彈變形，并計算試樣最終的回彈模量。

1.6 試樣的制備

采用 TYS-50 型土樣壓實裝置完成試樣的制作，試樣為圓柱形，長125 mm、直徑61.8 mm。計算制備一個試樣所需材料的數量，為減少試驗誤差每組配合比的木質素磺酸鈣固化黃土制備6個平行試樣。首先將木質素磺酸鈣和黃土混合，然后加入適量水進行攪拌。攪拌均勻后，將混合物裝入密封袋，放在平整的制樣臺上浸潤24 h，然后開始制備試樣。無側限抗壓強度試驗試樣分5層壓實，壓實完一層后，還需進行試樣表面的拉毛步驟，試樣制備完成后包裹保鮮膜，放入標準養護箱中進行養護，達到養護時間取出試樣測定無側限抗壓強度。

回彈模量試樣采用重型標準擊實試驗大擊實桶制備試樣，試樣為圓柱狀，高度為120 mm、直徑為152 mm。稱取相應的黃土、木質素磺酸鈣、加水攪拌均勻，放入密封袋靜置24 h后分3層擊實，將制備好的試樣放入養護箱養護，達到養護齡期的試樣取出測試其回彈模量。

2 結果與討論

2.1 標準擊實試驗

各配合比木質素磺酸鈣固化黃土含水率與干密度的關系如圖1所示。從圖中可知黃土中添加木質素磺酸鈣后，其最大干密度和最優含水率都發生了明顯變化。摻入少量的木質素磺酸鈣會使得黃土的最優含水率大幅度降低，這表明木質素磺酸鈣能夠降低黃土的最優含水率。隨著木質素磺酸鈣摻量的增加，固化黃土的最大干密度持續增大，最優含水率不斷降低，但隨著摻量逐漸增加，這種變化趨勢會逐漸減緩。當木質素磺酸鈣摻量達到2%和3%時，固化黃土的最大干密度和最優含水率趨于穩定。由于木質素磺酸鈣顆粒較小，可以填充黃土顆粒之間的孔隙，當木質素磺酸鈣摻量達到2%～3%時，木質素磺酸鈣對黃土孔隙的填充已趨于飽和。因此，固化黃土的最大干密度和最優含水率將保持在一個穩定的范圍。

2.2 養護齡期對固化黃土無側限抗壓強度的影響

各配合比木質素磺酸鈣固化黃土的無側限抗壓強度與養護齡期的關系如圖2所示，從圖中可以看出隨著木質素磺酸鈣摻量的增加，固化黃土的無側限抗壓強度隨養護齡期的變化趨勢不一致。當木質素磺酸鈣摻量不超過1%時，固化黃土的無限抗壓強度隨著養護時間的增長而逐漸提高；當摻量超過1%后，木質素磺酸鈣固化黃土試樣的無限抗壓強度在養護3 d后均有所提升。隨著養護時間的增長，添加3%和2%的木質素磺酸鈣固化黃土試樣的無限抗壓強度開始出現下降趨勢。在養護齡期為28 d時，添加1.5%木質素磺酸鈣的固化黃土試樣的無限抗壓強度也開始下降。對于高摻量（木質素磺酸鈣摻量大于1%）的固化黃土，隨著養護時間的推移其無側限抗壓強度會有所降低。特別是在摻量較高的情況下，無側限抗壓強度出現下降的時間在養護早期發生。由于木質素磺酸鈣摻量過多，其黏結性與螯合性使得多余的木質素磺酸鈣在黃土顆粒中形成團聚體，從而產生“潤滑作用”。這種現象導致固化黃土中缺少土體骨架，進而使木質素磺酸鈣固化黃土的強度出現了下降。

2.3 木質素磺酸鈣摻量對固化黃土無側限抗壓強度的影響

通過比較不同養護齡期固化黃土無側限抗壓強度的測試數據（圖3），可以得出隨著養護齡期的增長，固化黃土的無側限抗壓強度基本不變，沒有隨養護時間的增加無側限抗壓強度出現明顯的改變。因此，采用木質素磺酸鈣固化黃土時，應該在摻量上做出適當的平衡，以保證最優的無側限抗壓強度。黃土中僅摻加0.6%的木質素磺酸鈣可明顯提高其無側限抗壓強度。盡管添加1%的木質素磺酸鈣可使固化黃土的無側限抗壓強度比摻加0.6%的更大，但提升幅度相對較小。添加1%的木質素磺酸鈣時，固化黃土的無側限抗壓強度達到最大值；隨著木質素磺酸鈣摻量的進一步增加，固化黃土的無側限抗壓強度開始逐漸降低，摻量越高無側限抗壓強度反而越低，3%木質素磺酸鈣固化黃土的最終強度甚至低于重塑黃土。主要是木質素磺酸鈣屬于陰離子表面活性劑，加入適量的木質素磺酸鈣可以吸附在土顆粒表面并產生膠結作用，降低土顆粒之間的斥力，從而使土體的結構變得更為緊密；同時，木質素磺酸鈣還具有充填土體孔隙、降低孔隙率等作用，提高了黃土的力學性能。摻入過量的木質素磺酸鈣對黃土具有“潤滑”效應，使其強度反而下降。

2.4 木質素磺酸鈣固化黃土的回彈模量

各配合比木質素磺酸鈣固化黃土的回彈模量隨養護齡期的變化情況如圖4所示，當養護齡期為3 d、木質素磺酸鈣摻量為0.6%～3%的固化黃土回彈模量分別為61.36 MPa、64 MPa、57 MPa、33.77 MPa、33.87 MPa，較重塑黃土分別提升了124.2%、133.9%、108.3%、23.4%、23.7%。從試驗結果可知，將木質素磺酸鈣摻入黃土中可以有效地提升黃土的回彈模量。其中，1%的木質素磺酸鈣摻量取得了最高的回彈模量，0.6%的木質素磺酸鈣摻量也對提升固化黃土的回彈模量有一定作用。但當木質素磺酸鈣摻量超過1%后，固化黃土的回彈模量開始下降，木質素磺酸鈣摻量超過1.5%后固化黃土的回彈模量下降速度加快。從圖4可以看出，木質素磺酸鈣固化黃土的回彈模量在養護早期增長較快，養護后期逐漸趨于穩定；小摻量木質素磺酸鈣的固化黃土隨齡期增長較大，高摻量木質素磺酸鈣隨齡期變化較小。說明木質素磺酸鈣固化黃土時需謹慎選擇摻量，當摻量過高時則會增加固化成本，也會降低黃土的回彈模量。

2.5 固化黃土無側限抗壓強度數據的回歸擬合

固化黃土的無側限抗壓強度能否滿足工程要求是關鍵，如果能對其進行準確預測，將會對施工進度和人力資源的合理配置起到非常重要作用。由2.3節的研究結果可知，摻入木質素磺酸鈣可以提高黃土的無側限抗壓強度，但當摻量超過1%時，無側限抗壓強度開始下降。高摻量的木質素磺酸鈣固化黃土不僅成本較高，而且其強度較小，還會隨養護齡期的增長而出現強度倒縮。因此，該節僅探討木質素磺酸鈣摻量為0.6%和1%固化黃土無側限抗壓強度與養護時間的關系。通過試驗數據的回歸擬合，發現冪函數公式（1）和雙曲線函數公式（2）可以擬合抗壓強度與養護時間的關系，具體擬合結果如圖5和圖6所示。

UCS=At B（1）

式中：UCS為固化黃土的無側限抗壓強度；A、B為回歸系數。

式中：t為養護齡期；C、D、E為回歸系數。

從圖5可知采用冪函數擬合固化黃土無側限抗壓強度與養護齡期的相關系數均為0.84，擬合曲線與實測值的重合度較低，因此不建議使用冪函數預測木質素磺酸鈣固化黃土的無側限抗壓強度。

從圖6可知雙曲線函數擬合固化黃土無側限抗壓強度與養護齡期的相關系數均為0.99，雙曲線擬合效果優于冪函數。雙曲線的擬合值與實測值重合度較高，能夠很好地反映木質素磺酸鈣固化黃土早期強度增長較快、后期強度增長較慢的趨勢，在實際工程中可采用所擬合的雙曲線函數來預測固化黃土的無側限抗壓強度隨養護齡期的變化趨勢。

3 結論

通過木質素磺酸鈣固化黃土的試驗研究，主要所得結論如下：

（1）黃土中摻入木質素磺酸鈣可提高無側限抗壓強度。隨著木質素磺酸鈣固化劑摻量的增加，固化黃土的無側限抗壓強度呈現先增加后減小的趨勢，當木質素磺酸鈣摻量超過1%后，固化土的無側限抗壓強度則呈下降趨勢。

（2）隨著養護齡期的增長，木質素磺酸鈣固化黃土的回彈模量呈上升趨勢；木質素磺酸鈣摻量增加時固化黃土的回彈模量呈現出先增加后減小的趨勢，摻量為1%時固化黃土的回彈模量達到最大值。

（3）采用冪函數和雙曲線函數對固化黃土的無側限抗壓強度和養護齡期之間的相關關系進行了擬合，比較擬合效果得出雙曲線函數的擬合相關性最佳。

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Study on Mechanical Properties of Loess Solidified by Calcium Lignosulfonate

ZHANG Kang

（China Railway 21st Bureau Group Second Engineering Corporation Limited， Lanzhou Gansu 730030，China）

Abstract：This paper study the mechanical properties of calcium lignosulfonate solidified loess by using calci?um lignosulfonate as curing agent and loess in Xigu District of Lanzhou City as curing object. The effects of curing agent content and curing age on the unconfined compressive strength and rebound modulus of calcium lignosulfo?nate solidified loess were studied by heavy standard compaction test， unconfined compressive strength test and re?bound modulus test. The results show that the maximum dry density of solidified loess increases and the optimal moisture content decreases with the increase of calcium lignosulfonate content. When the content of curing agent is less than 1 %， the unconfined compressive strength of solidified loess increases with the increase of curing age， but decreases when the content is more than 1 %. With the increase of curing time， the resilience modulus of solidified loess gradually increased， and with the increase of curing agent content，the resilience modulus first increased and then decreased. Based on the experimental data of unconfined compressive strength， the relationship between un?confined compressive strength and curing age of calcium lignosulfonate solidified loess was established. The ob?tained results can provide reference for engineering practice.

Key words：loess; calcium lignosulfonate; unconfined compressive strength; resilient modulus