木质素固化疏浚土的压缩特性研究

刘文白，张恩槐

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

木质素固化疏浚土的压缩特性研究

刘文白，张恩槐

(上海海事大学 海洋科学与工程学院，上海 201306)

为研究木质素固化疏浚土的压缩性状，对固化疏浚土进行了多组不同配比下的木质素固化土压缩试验。通过室内固结试验以及无侧限抗压试验，研究了木质素固化土以及木质素水泥双掺固化土的压缩性状，探讨了固化材料掺量、龄期等对固化土压缩特性的影响。试验结果表明：木质素固化土的最优掺量为10%，抗压强度可达到8.6 MPa。木质素固化疏浚土与水泥土类似，二者的压缩曲线都有一个明显的结构屈服点。当上部所加荷载未达到结构屈服应力时，固化土的压缩性很小，而当荷载超过结构屈服应力以后固化土的压缩量比未达到结构屈服应力之前增大了3倍。木质素水泥双掺固化土随着二者掺量的增加，抗压强度有显著的提升，25%木质素掺量的固化土水泥掺量从10%增加到30%后土体抗压强度增长了8.9倍，最为明显。研究结果可为实际工程中木质素固化土强度提供数据参考。

固化疏浚土；木质素掺量；压缩试验；结构屈服应力；双掺技术

1 研究背景

在海洋、航道以及湖泊的建设、清淤过程中都要产生大量的疏浚土，固化处理是其再生资源化中较为成熟的技术，国内外常采用再生资源化处理技术将疏浚土转化为可以再生利用的土工材料[1]。

Puppala等[2]对木质素混合硫酸盐改良黏性土的强度、弹性模量和膨胀性等基本特性进行了研究，结果表明固化土与素土相比，其工程特性有显著提高。Vinod等[3-4]研究了木质素固化分散性土的应力-应变特性，并对其抗侵蚀性进行了研究，发现木质素在提高土体抗侵蚀能力方面与水泥等传统固化剂类似，随着掺量增加，土体产生侵蚀的临界剪切应力逐渐增大，侵蚀系数逐渐减小。姚穆等[5]和邱学青等[6]对木质素的开发和利用进行了广泛的研究，刘松玉等[7-8]对木质素加固后土体的强度变化进行了一系列的研究和试验。

本文为了探讨木质素固化土的压缩性质，进行了一系列室内压缩试验。通过对固化疏浚土的压缩试验，研究了固化材料的掺入量、龄期对木质素固化土的压缩特性以及结构屈服应力的影响。

2 压缩及固结试验方案

2.1 固化土配比设计

本文压缩试验的对象是木质素固化疏浚土。疏浚土来自于上海市临港新城地区的吹填土，基本土性指标见表1，属粉土；木质素为粉末状木质素磺酸盐。

表1 疏浚土的物理性质指标Table 1 Physical properties of dredging soil

木质素固化土的配比设计主要为了得出不同的木质素掺量下木质素固化疏浚土的抗压曲线，从而得到最优的木质素掺量。进行了下列9种木质素掺量，见表2。考虑到实际工程中施工进度的要求，其中取木质素掺量为15%和20%的木质素固化土分别进行7，14，21，28 d龄期的无侧限压缩试验，以便为实际工程中木质素固化土早期强度提供数据参考。

木质素与水泥双掺固化土中的水泥选取P.O 42.5海螺牌水泥，选取了木质素掺量为20%和25%的木质素固化土再掺加水泥，具体配比见表3。

表2 固化疏浚土木质素掺量Table 2 Contents of lignin in solidified dredging soils

注：掺量指质量百分比，下同。

表3 木质素水泥双掺固化疏浚土掺量配比Table 3 Proportions of cement and lignin mixed in solidified dredging soil

双掺固化土的掺量高于工程实际较多，应用价值较小，旨在得出木质素水泥双掺固化土的抗压强度随掺量变化的曲线特征。

2.2 制样方法及试验仪器

由于最初的疏浚土的含水率较低，无法与木质素充分搅拌均匀并制成无侧限压缩试样，因而将木质素固化土的含水率统一配制成25%。将搅拌均匀的木质素固化土浇入100 mm×100 mm×100 mm的混凝土模具中，待其凝固成形以后进行脱模，脱模后的木质素固化土试样如图1所示。注意事先在模具中涂抹薄薄的一层凡士林，以防在脱模时对固化土样产生扰动，尽量保持土样的原有结构。然后将固化土放入温度为20 ℃、湿度为95%以上的养护箱进行养护，到设定龄期以后进行压缩试验。无侧限压缩试验采用TYE-2000A型压力试验机(图2)进行。

木质素与水泥双掺固化疏浚土在搅拌均匀以后采用环刀制样，之后连同环刀一起放入温度为20 ℃、湿度为95%以上的养护箱进行养护，到设定龄期以后进行固结试验。

图1 木质素固化疏浚土试样
Fig.1 Dredgingsoilspecimensolidifiedbylignin

图2 压力试验机
Fig.2 Pressuretestingmachine

图3 木质素掺量与抗压强度关系曲线Fig.3 Relationship between lignin content and compressive strength

3 木质素固化疏浚土的压缩曲线及分析

为了得到木质素固化疏浚土的抗压强度与木质素掺量的关系，无侧限压缩试验的土样全部采用养护28 d之后的土样，使用压力试验机进行压缩试验，所得到的关系曲线见图3。

由图3可以看出：木质素固化疏浚土的抗压强度有一个明显的峰值，在木质素掺量10%处木质素固化疏浚土的抗压强度最大，为8.6 MPa。当掺量达到20%时抗压强度为6.1 MPa，此后抗压强度有明显的下滑，而在25%以后抗压强度的下降趋势又趋于平缓，最终30%掺量的木质素固化疏浚土的抗压强度为1.8 MPa。

由此可以看出：对于该种粉土添加木质素可以显著地提升土体的抗压强度，但是当木质素掺量超过一定量以后抗压强度会出现明显的回落，因此该粉土木质素掺量10%为最优掺量。

在探讨养护天数与抗压强度的关系时，选取木质素掺量为15%和20%的固化疏浚土，分别测得养护天数为7，14，21，28 d的抗压强度，所得的结果见图4。

图4 养护龄期与抗压强度关系曲线Fig.4 Relationshipbetween curing age and compressive strength

由图4可以看到：随着养护龄期的增长，木质素固化疏浚土的抗压强度有明显的提高，强度提高幅度与木质素掺量的多少并无关系，曲线随养护龄期的变化基本趋于线性。木质素掺量15%的固化疏浚土抗压强度在开始7 d龄期时为3.5 MPa，28 d后增长为7.5 MPa；木质素掺量20%的固化疏浚土抗压强度在开始7 d龄期时为2.9 MPa，28 d后增长为6.1 MPa。通过比较会发现28 d时的抗压强度大约可以达到7 d时抗压强度的2倍。

4 木质素固化疏浚土的结构屈服应力

4.1 结构屈服应力的确定

图5 木质素掺量30%的ln(1+e)-p双对数曲线Fig.5 Double logarithmic curve of ln(1+e) vs. p with lignin content of 30%

丁建文等[9-11]通过对疏浚土中掺入水泥及磷石膏的方法来提高疏浚土的工程特性，并通过ln(1+e)(e为孔隙比)曲线得出了双掺固化疏浚土的结构屈服应力。下面采用同样的方法对木质素固化疏浚土的结构屈服应力进行测定，试验曲线如图5所示。

由图5可以观察出在固结试验中，随着压力增加，ln(1+e)曲线在固结应力为2 400 kPa时有一个突然的转折，该转折点处所加的应力大小即为结构屈服应力。该结果与很多水泥土的表现相类似，压缩曲线初始很平缓，而当压力超过了某一值以后固化土的孔隙比急剧缩小，结构压缩性增长速度比未达到结构屈服应力之前增大了3倍，因此在结构屈服前后固化土的性质发生了很大的变化。这对于实际工程的危害性很大，不易察觉，极易在超过了屈服应力以后，固化土发生大变形破坏，造成很大损失。

按照传统的Casagrande方法所绘制的e-p曲线的最小曲率难以确定，本文借鉴了Butterfield的ln(1+e)-p双对数法，压缩曲线可以很好地用2段直线表示出来，而得到的交点即为结构屈服应力。

图6 木质素固化疏浚土的水泥掺量与抗压强度的关系Fig.6 Relationship between cement content and compressive strength of dredging soil solidified by lignin

4.2 影响结构屈服应力的因素

由于木质素固化疏浚土在结构屈服应力前后的力学性质发生了极大变化，因此讨论影响木质素固化疏浚土结构屈服应力的因素是十分有必要的。对水泥掺量这一影响因素进行分析时采用的是28 d养护龄期的试样，对其进行固结试验，试验曲线见图6。

图6为分别选取木质素掺量20%，25%的木质素固化疏浚土，对其分别加入掺量10%，20%，30%的水泥得到的关系曲线。木质素掺量20%时水泥掺量从10%增加到30%，固化土的抗压强度从7.9 MPa增长到11.7 MPa，增长了50%；而木质素掺量25%时水泥掺量从10%增加到30%，固化土的抗压强度从2.2 MPa增长到21.9 MPa，增长了近9倍，非常明显，当木质素掺量25%时，增加水泥掺量对固化土强度提高更为有效。

通过对图6中2条曲线进行观察可以发现木质素掺量20%的曲线增长比较缓慢，而木质素掺量25%的曲线增长比较迅速。猜测是由于木质素磺酸盐在土体空隙液中首先水解出高价阳离子，并与土中低价的阳离子置换，土颗粒表面双电层厚度减小，土层间距减小，由于土颗粒表面带有一定量的负电荷，带正电的有机大分子被吸引至土颗粒表面形成胶结物质并填充孔隙，使土颗粒间以摩擦联结以及物理联结2种方式联系起来[7]。水解以后的木质素与水泥反应，生成产生体积膨胀的物质，使土颗粒更加密实，从而达到更好的固结效果。因而，木质素掺量在添加水泥这一因素下对结构的屈服应力有较大的影响。木质素掺量25%时水泥掺量从10%增加到30%，固化土强度增长了8.9倍，有效提高了材料强度。

5 结 论

(1) 木质素固化疏浚土存在最优木质素掺量，当处于最优掺量之前抗压强度处于上升趋势，而超过了最优掺量10%以后抗压强度从8.6 MPa下降到1.8 MPa，30%掺量时的固化土抗压强度只有10%掺量时的20%。

(2) 固结试验表明，木质素固化疏浚土存在明显的结构屈服应力，在荷载未达到结构屈服应力的时候，结构稳定性较好；当荷载超出了结构屈服应力时，结构压缩性增长速度比未达到结构屈服应力之前增大了3倍，从而当压力超出了结构屈服应力以后固化土的破坏严重。

(3) 木质素水泥双掺固化疏浚土中水泥掺量从10%增长到30%时，木质素掺量为20%的固化土抗压强度提升只有50%，而木质素掺量25%的固化土抗压强度提升8.9倍，可见木质素掺量25%时掺入水泥对固化土强度提升更加明显。推测是由于木质素水解后与水泥发生了化学反应，生成了可以填密土颗粒孔隙的物质，从而使固化土抗压强度提高。

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[4]VINOD J S,INDRARATNA B, MAHAMUD M A A.Stabilisation of an Erodible Soil Using a Chemical Admixture[J].Proceedings of the Institution of Civil Engineers Ground Improvement,2010,163(1)：43-51.

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(编辑：罗 娟)

Compression Characteristics of Dredging Soil Solidifiedby Lignin

LIU Wen-bai，ZHANG En-huai

(School of Marine Science and Engineering, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China)

Compression tests of dredging soil solidified by different contents of lignin were conducted to study the compression characteristics. Through indoor consolidation tests and unconfined compression tests, the compressive properties of soil solidified by lignin and cement-lignin were studied. The effects of solidifying material content and curing age on the compressive properties of solidified soil were investigated. Test results showed that the optimum content of lignin was 10% and the compressive strength reached 8.6 MPa. Dredging soil solidified by lignin is similar to cement soil in an obvious structural yield point of their compression curves. The compressibility of the solidified soil is very small when the upper load has not achieved structural yield stress; while the compressive capacity is three times larger when the load exceeds the structural yield stress. With the increase of lignin and cement contents, the compressive strength of soil solidified by cement and lignin has significantly improved. With the cement content of dredging soil with 25% lignin increasing from 10% to 30%, the compressive strength increased by 8.9 times, of which the increase was the most obvious. The research results provide data reference for the strength of soil solidified by lignin in practical engineering.

solidified dredging soil; lignin content; compression test; structural yield stress; double mixing technique

2016-01-19；

2016-01-29

国家自然科学基金项目(51078228)；国家海洋公益性行业科研专项经费项目(201105024-5)；2013年上海市研究生教育创新计划实施项目(20131129)

刘文白(1955-)，男，山东济宁人，教授，博士，主要从事岩土工程和港口结构工程方面的研究，(电话)13818256956(电子信箱)liuwb8848@163.com。

张恩槐(1992-)，男，天津人，硕士研究生，研究方向为固化疏浚土，(电话)18801909877(电子信箱)1522419636@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160057

2017,34(4):83-86

TU41

A

1001-5485(2017)04-0083-04