干湿循环条件下的木质素改良土三轴试验研究

夏林枫，董伟智*，葛世平，马昕杨，杨添元

1 吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118 2 吉林省高速公路集团有限公司,长春 130033

0 引言

木质素是造纸工业的副产品之一.国内外学者在木质素的工程应用方面做了大量的研究工作,主要将其用作沥青、混凝土的稳定剂,是一种经济环保的天然材料,但将木质素掺入土中用来改善土体相关性能的研究和应用较少[1].本文主要研究干湿循环作用下素土及3%掺量木质素改良土粘聚力、内摩擦角和抗剪强度的变化规律.

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

本试验所用土样取自吉林松原地区,基本物理指标见表1,试验所用木质素呈红褐色,粉末状固体,为河南漯河华东木质素有限公司生产.

表1 土样的基本物理指标Table 1 Basic physical indicators of soil samples

1.2 试验方法

(1) 试件制备. 依据《公路土工试验规程》(JTG E 40-2007)[2]进行试验,将配好的土料用塑料袋密封闷料一昼夜,使用制样脱模一体机静压成型,试件直径39.1mm，高度80 mm.

(2) 干湿循环试验. 为了模拟最不利干湿循环条件对土体强度的影响,试件一次干湿循环过程为:将制备好的试件放置于50℃烘箱风干12 h以上(防止温度过高破坏木质素的结构),确保试件的含水率在2 %以下;待试件冷却后通过保鲜膜将风干后的试件侧面包裹住[3],上下两面各贴上一块透水石,将透水石与保鲜膜的连接部分用橡皮筋箍起来,将整个试件置于水中浸泡20 h以上,在此期间每隔2 h称量试件的质量,待试件吸水饱和以后将其置于自然环境下风干至最佳含水率.

(3) 室内三轴试验. 本试验的试验仪器为南京智龙科技开发有限公司生产的TSZ-2 S全自动三轴仪,采用不固结不排水(UU),剪切速率为0.8 mm/min.不同干湿循环次数下分别进行围压为30 kPa,60 kPa,90 kPa的三轴试验.

2 试验结果分析

2.1 不同干湿循环次数对粘聚力和内摩擦角的影响

图1(a)表明,在干湿循环前素土的粘聚力略高于木质素改良土,随干湿循环次数的增加,素土和木质素改良土的粘聚力均有所降低;干湿循环使土体颗粒碎裂化破坏了原有结构,降低了颗粒间胶结力,这是粘聚力降低的主要原因[4].素土的粘聚力随干湿循环次数的增加持续降低,五次干湿循环后,素土的粘聚力降低幅度达80.07 %;木质素改良土粘聚力在第1次干湿循环后随干湿循环次数的增加基本趋于平缓,在第2次干湿循环后木质素改良土的粘聚力大于素土,5次干湿循环后,木质素改良土的粘聚力仅降低31.53 %.图1(b)表明,干湿循环前后素土的内摩擦角均比木质素改良土要大,随着干湿循环次数增加,素土的内摩擦角先减小后增大,在第2～5次干湿循环过程中内摩擦角增加了3.5°,木质改良土的内摩擦角小幅波动,基本保持稳定.

(a) 粘聚力(a) Cohesive force

(b) 内摩擦角(b) Internal friction angle

2.2 不同干湿循环次数对抗剪强度的影响

图2表明,干湿循环前素土的抗剪强度大于木质素改良土;随着干湿循环次数的增加,素土的抗剪强度持续降低,5次干湿循环后素土在围压为30 kPa,60 kPa,90 kPa的抗剪强度分别85.49 kPa,135.48 kPa,183.06 kPa;木质素改良土的抗剪强度在1次干湿循环后即趋于稳定,在第3次干湿循环后高于素土,5次干湿循环后的抗剪强度分别为145.86 kPa,185.96 kPa,226.07 kPa;干湿循环后木质素改良土的抗剪强度远高于素土,这是由于土体矿物一般带负电荷，木质素在土体颗粒孔隙水中发生水解，带正电荷的木质素聚合物吸附在土体颗粒表面，中和一部分负电荷，同时减小了双电层厚度，使颗粒的间距减小，形成致密稳定的土体结构[5],降低了干湿循环对木质素改良土的影响,表现出良好的水稳定性.

(a) 围压为30 kPa(a) Confining pressure 30 kPa

(b) 围压为60 kPa(b) Confining pressure 60 kPa

(c) 围压为90 kPa(c) Confining pressure 90 kPa图2 不同木质素掺量下土的抗剪强度随干湿循环的曲线Fig.2 The curves of shear strength with wetting- drying cycles under different lignin content

3 结论

本文针对吉林松原地区粉土进行干湿循环试验,通过室内静三轴试验探究了粉土和最佳掺量条件下木质素改良土的粘聚力、内摩擦角和抗剪强度的变化,得出结论如下:

(1) 土体的抗剪强度主要取决于土的粘聚力和内摩擦角. 木质素的掺入能显著降低干湿循环对土体胶结力的破坏，5次干湿循环后素土的粘聚力降低了80.07 %，木质素改良土的粘聚力仅降低了31.53 %，干湿循环前后素土和木质素改良土的内摩擦角相对于粘聚力的变化不是很明显,从而使得木质素改良土的抗剪强度远高于素土.

(2) 木质素的掺入能减小颗粒表面吸附的结合水膜的厚度，使颗粒的间距减小，排列更加紧密，降低了干湿循环对土体的侵蚀和破坏,增强了土体的水稳性.