掺木质素花岗岩残积土的单轴抗压强度特性

李自立，陈志波，胡 屏，安亚洲

(福州大学 环境与资源学院岩土与地质工程系；国土资源部丘陵山地地质灾害防治重点实验室(福建省地质灾害重点实验室)；地质工程福建省高校工程研究中心，福州 350116)

0 引 言

木质素和纤维素、半纤维素是构成植物骨架的主要成分，其在陆地植物中的含量仅次于纤维素，是第二大天然有机物，每年产量约600亿t。工业木质素主要来源于造纸废液，全世界每年可产生3 000万t，其中我国每年产生约500万t。目前，工业木质素的利用率不足10%，大部分作为废物排放，浪费资源，污染环境[1-3]，如何合理处理木质素已成为世界性的问题。

为了解决木质素废弃污染问题，许多国内外学者对木质素在岩土工程中的应用进行了研究。Ceylan等[4]以木质素为掺入材料对低塑性黏土进行了改良试验，表明木质素能提高土体的强度。Palmer等[5]结合常规力学试验评价了木质素固化土体的强度特性。Vinod等[6]以能谱分析试验、红外光谱试验和化学元素分析等测试手段分析研究了木质素加固粉砂的微观变化，探究了改良土抗侵蚀的机理。Indrarama等[7]根据能量守恒原理建立了木质素改良土的侵蚀数学模型。Blanck等[8]研究了酸溶液、酶溶液和木质素磺酸钙3种添加剂对淤泥压实性和无侧限抗压强度等工程特性的影响。Santoni等[9]研究表明，酶、酸溶液和木质素磺酸钙在浸湿条件下固化效果不佳，树胶和水泥具有较好的水稳定性，试验结果认为木质素的最佳掺量为5%。Athukorala等[10]研究提出了木质素固化粉砂的本构模型，并通过室内试验确定模型参数并验证了所提出的DSC模型。与国外相比，国内在相关方面的研究还较少，贺智强等[11]采用木质素磺酸钙、水泥、生物体液等多种材料为添加剂对黄土进行了改良研究，通过对比研究了改良前后的土体宏观、微观及化学成分的变化，综合分析了各种固化剂与土体相互作用的机理。张涛等[12]以木质素为固化剂，对改良粉土的工程力学性能和耐久性进行评价分析，并通过进行改良土的路基现场试验，验证了木质素改良粉土方案的可行性和工程价值。侯鑫等[13]用木质素对兰州地区的黄土进行了改良试验，并研究分析了固化土体的工程力学特性。林罗斌等[14]将木质素添加到粉煤灰路基土中，通过三轴试验研究了改良土体在冻融条件下的强度特性。Muge等[15]探讨了木质素固化土在冻融作用下的工程力学特性，建立了改良土的剪切模量与多种试验变量之间的函数关系。

本文将木质素掺入花岗岩残积土，通过对不同木质素掺量和含水率的土样进行击实试验和单轴压缩试验，研究木质素掺量及含水率的变化对花岗岩残积土压实性和单轴抗压强度特性的影响，为木质素的应用及花岗岩残积土的工程应用提供指导。

1 试 验

1.1 试验材料

本试验采用福州某待建场地开挖出的花岗岩残积土作为试验用土，其基本物理性质如下：天然密度1.843 g/cm3，天然孔隙比0.609，天然含水率13.2%，比重2.617，液限40.3%，塑限24.7%。其颗粒粒径累计曲线如图1所示，测试方法参照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)。采用的工业木质素来自山东临沂某造纸厂，为黑褐色粉末，其主要成分如下：木质素含量≥55%,还原物≤13%,水不溶物≤1.5%,水分≤10%。

图1 花岗岩残积土的粒径累计曲线

1.2 试验方案

分别取过2 mm筛和5 mm筛后的花岗岩残积土(下文分别简称“≤2 mm土样”和“≤5 mm土样”)，分别掺入占残积土质量0、2%、4%、6%、8%和10%的木质素配制土样。首先，进行击实试验，测得试样的最大干密度和最优含水率。然后，根据击实试验成果，取压实系数为0.95，按最优含水率配置土样并采用击样法制取φ61.8 mm×125 mm的试样。制样后，将成型试样置于烘箱(设置温度为40℃，模拟福州夏天的天气环境，避免天气变化的影响)中风干，风干时间分别为0、6、12、24和48 h，达到对应风干时长后，采用万能试验机分别对不同木质素掺量的试样进行单轴压缩试验，压缩速率为2 mm/min。

2 试验结果与分析

2.1 改良花岗岩残积土的击实特性

对击实试验结果进行整理，得到≤2 mm土样和≤5 mm土样的对比击实曲线，如图2所示。图中，“2-2%”指≤2 mm土样、木质素掺量为2%的试样，其余类推。各土样最大干密度和最优含水率的对比如图3所示。

图2 土样击实曲线对比图

由图2可见，在试验研究范围内，除10%掺量土样(≤5 mm)外，与未掺花岗岩残积土样相比，≤2 mm土样和≤5 mm土样的击实曲线均往左上方移动，可见木质素的掺入使得土样的最大干密度增加，最优含水率下降。一方面，由于木质素的掺入有效填充了土颗粒之间的孔隙，使土体在较低的含水率下也能变得更加密实，土样的干密度增大；另一方面，作为减水剂的木质素掺入土体中后，分子中磺酸根很容易和水分子中以氢键形式结合起来，在土颗粒表面形成一层稳定的水膜，使土颗粒之间容易滑动[16-19]，从而使土样在较低含水量下获得最大干密度。

图3 土样压实性对比图

与≤5 mm土样相比，≤2 mm土样的击实曲线位于相对偏右下方的位置，且击实曲线更加密集，说明≤2 mm土样的最大干密度更小、最优含水率更大。这主要是因为未掺木质素的≤2 mm土样中细颗粒含量更高，含水率较低时，由于土粒表面的结合水膜较薄，土粒间距较小，粒间电作用力就以引力占优势，土粒的相对位移阻力大，在击实功能作用下，比较难以克服这种阻力，因此在较低含水率时压实效果就差[20]，只有在较高的含水率下才能获得最大干密度。另外，≤2 mm土样中以石英为主的粗颗粒含量少，而细颗粒和木质素的密度较小，石英的密度较大，相应地，≤2 mm土样经击实后获得的最大干密度偏小，木质素的掺入对≤2 mm土样最大干密度的影响也就偏小。

掺入木质素后，各土样击实曲线的坡度都变得更陡，木质素的掺入使得各土样干密度对含水率的敏感性增大。相比于≤5 mm土样，≤2 mm土样的击实曲线“驼峰”附近的斜率更大，可击实含水率区域较窄，可见≤2 mm土样的含水率对干密度的影响更大。≤2 mm土样中细颗粒含量更高，对含水率要求更高，而木质素能在细颗粒表面形成一层稳定的水膜，使土颗粒之间容易滑动[16-19]，所以木质素的掺入使其干密度对含水率的敏感性更加显著。因此，对于掺入木质素的土样，在工程实践中要注意严格控制其含水率的变化，才能达到较为理想的压实效果；对于不同级配的土样，也要区别对待，细颗粒含量较高的土对含水率要求更高。

由图3可知，随着木质素掺量的增加，各土样的最优含水率先降低后升高，最大干密度先增大后减小。其中对于≤2 mm土样，6%掺量土样的最优含水率最低、最大干密度最大，对于≤5 mm土样，4%掺量土样的最优含水率最低、最大干密度最大。这主要是由于木质素的密度比土粒密度小，当掺入的木质素含量较低时，木质素能有效填充土颗粒之间的孔隙，使土样的最大干密度增大，但是随着木质素掺量的增加，使得土样的最大干密度下降。

2.2 改良花岗岩残积土的压缩特性

≤2 mm土样经不同的风干时长后的单轴压缩试验结果如图4和图5所示，≤5 mm土样经不同的风干时长后的单轴压缩试验结果如图6和图7所示。

图4 ≤2 mm土样单轴抗压强度与含水率的关系

图5 ≤2 mm土样单轴抗压强度与掺量的关系

图6 ≤5 mm土样单轴抗压强度与含水率的关系

由图4和图6可知，随着风干时长的增加，各土样含水率逐渐减小，土样的单轴抗压强度均逐渐增大。由图5和图7可知，随着木质素掺量的增加，在较短风干时间下单轴抗压强度总体上呈下降的趋势。

图7 ≤5 mm土样单轴抗压强度与掺量的关系

由图4和图6对比可知，对于≤2 mm土样，单轴抗压强度与风干时长关系曲线的拐点均主要在风干12 h，对于≤5 mm土样，单轴抗压强度和含水率与风干时长关系曲线的拐点主要在风干6 h，其主要原因有两点：① ≤2 mm各掺量土样由击实试验获得的最优含水率，即土样的初始含水率均要比≤5 mm土样的含水率更高，土样在风干条件下达到低含水率高强度状态需要更长的时间；② ≤2 mm土样的细颗粒含量比≤5mm土样更多，在风干条件下土样水分更不容易丧失，通过图5和图7中含水率的对比即可验证这一点。

由图5和图7可以得到，在未风干条件下，≤2 mm土样和≤5 mm土样在低掺量下的单轴抗压强度变化不明显，随着风干时间的增加，土样含水率逐渐降低，土样单轴压缩强度的差异性逐渐增大。以≤2 mm土样为例，在未风干条件下，2%、4%和6%土样的单轴抗压强度相差不大(见图5)，其主要原因是击实与木质素综合作用的结果：一方面，≤2 mm各掺量土样中，6%掺量土样的最大干密度最大而最优含水率最小，密实度的增大和含水率的降低均有利于强度的提升，另一方面，木质素产生的引气性等多种作用增强了土体的和易性，不利于土样强度的提高，因此，4%和6%掺量的土样强度并没有因为木质素掺入量的增加而出现显著的下降，只是稍微出现了下降的趋势。

由图5和图7对比可知，随着风干时间的增加，木质素作用和含水率的变化对各掺量土体强度的影响逐渐起主导作用，以最大干密度和最优含水率为依据的制样方式对土体强度的影响逐渐弱化。以≤2 mm土样为例，分析图5可得，在未风干和风干6 h的条件下，各掺量土样的含水率并未随木质素掺量的增加而增加，而是分别在6%和4%掺量下，土样的含水率达到最低，可见制样方式仍对土样含水率产生一定影响。但是，在风干12 h之后，各土样的含水率与木质素掺量呈正相关关系，制样方式对土样含水率的影响逐渐减弱。在图5中，除未风干土样外，各有掺木质素土样的单轴抗压强度与掺量呈负相关关系，含水率曲线的变化直接影响着强度曲线的变化，如未风干和风干6 h与风干24 h和风干48 h的含水率变化较为明显，相对应风干时长的强度变化也较为显著；同样地，6、12和24 h的强度变化规律与其含水率的变化规律也基本表现一致。

3 讨 论

与未掺土样相比，较低掺量土样的强度提升对比结果如表1所示。由表1可知，在低掺量和较长风干时长下，木质素磺酸钙的掺入能够有效提高花岗岩残积土单轴抗压强度，特别对于≤5 mm土样，效果更佳。工业木质素结构复杂，含有大量酚羟基和醇羟基，使得木质素易于改性，改性木质素在工业生产中得到了有效应用[21-22]，这些官能团使得掺木质素土样对水的敏感性更强，这在击实试验结果中表现显著。而水在工程实践中是不可避免的，如果通过对工业木质素进行改性以改变土样的亲水性和疏水性，木质素针对土体强度的提升效果可能更佳。

表1 土样强度提升对比

4 结 论

通过上述分析讨论，得出以下结论：

(1)在试验研究范围内，掺入木质素后，花岗岩残积土土样干密度对含水率的敏感性增大；随着木质素掺量增加，各土样的最优含水率先降低后升高，最大干密度先增大后减小。对于≤2 mm土样，6%掺量土样的最优含水率最低、最大干密度最大，对于≤5 mm土样，4%掺量土样最优含水率最低、最大干密度最大。工程应用中采用小掺量即可达到最佳压实效果。

(2)随着含水率的减小，花岗岩残积土土样的单轴抗压强度逐渐增大；随着木质素掺量的增加，各土样在较高含水率下单轴抗压强度总体上呈下降的趋势，在较低含水率下土样的单轴抗压强度得到有效提高。