木质素改良高液限黏土试验研究

于宝富，王明岳，巩曰明，高文喜，刘 岩

(1. 山东泰和公路工程有限公司 淄博市 256410；2.水发规划设计有限公司 济南市 250100)

0 引言

高液限黏土压实性差，级配分布不均匀，再加上其特有的高液限、高塑性指数和较高的天然含水率等特性，极易造成地基不均匀沉降，引起路面开裂、沉陷或者道路滑移，严重影响行车的舒适性和安全性。因此规范中规定高液限黏土不能直接用于路基填筑，确需使用时，必须进行技术处理[1]。土体改良是工程上较为常用的处理方法，常用的传统固化剂主要有粉煤灰、水泥、石灰等，这些固化剂与土颗粒发生一系列的理化反应，改变土体颗粒组成与矿物成分，从而使土体的路用性能得到提高。但传统固化剂也会产生一些负面影响，例如无机结合料形成的强碱环境会污染周围土体和地下水，另外水泥和石灰等的生产会消耗大量石灰石、黏土等自然资源，并且在生产过程中消耗大量电能、热能，同时还会排出影响空气质量的CO2、SO2、粉尘等有害物质。因此，在环境问题日益突出的今天，寻找一种经济、高效、环保的新型固化剂尤为重要。

木质素是纸浆造纸产业的副产品，每年会产生大约5000多万吨的工业木质素，目前大多采用直接排放或焚烧的简单处理方式，不仅污染自然环境，还造成了天然资源的严重浪费。已有学者指出，木质素中含有多种活性官能团，是一种新型土体固化剂，具有广阔的工程应用前景[2]。张涛等[3]对木质素改良粉土机理进行了细致研究，提出在水解、离子交换、质子化和静电引力等作用下，双电层厚度减小，带正电荷的木质素高分子聚合物联结土颗粒并填充孔隙，改良土工程性质得以改善。贺智强等[4]对比分析木质素磺酸钙和木质素磺酸钠加固黄土的工程特性，认为木质素磺酸钙可有效提高黄土的力学特性。娄勇等[5]认为土体内部孔隙可被木质素填充，使外界水分无法渗入到土体内部，使改良土具有良好的耐水性和耐浸泡性能。杨添元等[6]通过界限含水率试验，发现粉土经过木质素改良后，土体的液塑限变化比较明显，整体呈现下降的趋势。课题组前期对济南地区黄河冲积粉土进行过改良试验，发现木质素磺酸钙对改良土的强度和水稳定性能均有明显提高[7]。

以山东省淄博市鲁山大道工程沿线分布的高液限黏土为研究对象，分别采用木质素磺酸钙(木钙)和木质素磺酸钠(木钠)作为固化剂对其改良，通过对比分析改良土的无侧限抗压强度，评价两种木质素磺酸盐对高液限黏土的改良效果。

1 高液限黏土基本性质

试验土样取自淄博市鲁山大道-张辛路互通工程项目，取样深度为地表下1m，土样呈黄褐色，土颗粒团聚，粘聚力较强，如图1所示。土样天然含水率为23.6%，液限为51.31%，塑限为24.71%，塑性指数26.6，属于高液限黏土。

图1 取样场地

土样中粉粒和黏粒含量为89.9%，其中粉粒(0.002～0.075mm)含量58.7%，黏粒(<0.002mm)含量31.2%，属于细粒土。经计算曲率系数为0.15，属不良级配土。

击实试验结果如图2所示，最佳含水率为16.67%，最大干密度为1.77g/cm3。

图2 击实试验结果

2 试验方法

2.1 试样方案及材料

木钙、木钠改良高液限黏土掺量都设定为0(素土)、1%、3%、6%、9%、12%，其中掺量为固化剂与干土的质量比。养护龄期为3d、7d、14d、28d、60d。

木钙和木钠购于临沂绿森化工有限公司，木质素含量约为65%，二者都具有轻微的芳香气味。木钙呈棕褐色粉末状，如图3(a)所示，PH值5.4，呈弱酸性。木钠呈黄褐色粉末状，如图3(b)所示，PH值为9.1，呈弱碱性。

图3 木质素磺酸盐

2.2 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度是试件在侧面不受任何限制的条件下所承受的最大轴向应力。试验采用应变控制式无侧限抗压强度试验仪。试件采用千斤顶静压一次成型法，尺寸为直径39.1mm，高80mm的圆柱体。

取过2mm筛下试验用风干土与固化剂拌和均匀，用喷雾设备喷洒预计的加水量，并拌和均匀后装入密闭容器中，闷料一夜备用。闷好的土料分三次倒入试模，每次振捣10～20次，静压1min后脱模。将成型试件放入保鲜袋中，在标准养护箱中(养护温度20℃±3℃，相对湿度≥95%)密封养护。待试件到养护龄期后，进行无侧限抗压强度试验。

3 试验结果分析

3.1 木钙改良土

木钙改良土的抗压强度试验结果见表1。图4为木钙掺量与养护龄期对改良土抗压强度的影响。由图4(a)可以看出，在各级养护龄期下，随着木钙掺量的增加，改良土强度呈现先增大后降低的趋势，木钙掺量为3%时改良土的抗压强度最大，而当掺量超过3%后强度呈现急速下降趋势。以28d龄期为例，木钙掺量为1%、3%、6%、9%和12%时的抗压强度为2609.9kPa、2887.5kPa、1799.0kPa、1698.7kPa和1489.6kPa，分别为素土强度(1698.9kPa)的154%、170%、106%、100%和88%，可见3%掺量的木钙对高液限黏土改良效果显著，抗压强度能提高70%。

表1 木钙改良土无侧限抗压强度试验结果(单位：kPa)

由图4(b)可以看出，在各级木钙掺量下，改良土的抗压强度随着龄期的增长不断增大，前14d的增长速率较快，后期强度增速逐渐变缓，这种趋势在木钙掺量为1%和3%时表现尤为明显。以3%木钙掺量为例，改良土养护3d、7d、14d、28d和60d抗压强度分别为2074.6kPa、2505.3 kPa、2764.3 kPa、2887.5 kPa和2943.7 kPa，14d龄期的强度能达到60d龄期强度的94%。

(a)木钙掺量对强度的影响

(b)养护龄期对强度的影响图4 木钙改良土无侧限抗压强度

3.2 木钠改良土

木钠改良土的抗压强度试验结果见表2。图5为木钠掺量与养护龄期对改良土抗压强度的影响。由图5(a)可以看出，在各级养护龄期下，随着木钠掺量的增加，改良土强度呈现先增大后降低的趋势，木钠掺量为6%时改良土的抗压强度最大，当掺量超过6%后强度呈现下降趋势，尤其掺量超过9%时，强度下降态势加快。以28d龄期为例，木钠掺量为1%、3%、6%、9%和12%时的抗压强度为2128.9kPa、2339.7kPa、2530.7kPa、2403.7kPa和1738.1kPa，分别为素土强度(1698.9kPa)的125%、138%、149%、141%和102%，可见6%掺量的木钠对高液限黏土改良效果最好，抗压强度能提高49%。

表2 木钠改良土无侧限抗压强度试验结果(单位：kPa)

(a)木钠掺量对强度的影响

(b)养护龄期对强度的影响图5 木钠改良土无侧限抗压强度

由图5(b)可以看出，在各级木钠掺量下，改良土的抗压强度随着龄期的增长不断增大，前14d的增长速率较快，后期强度增速逐渐变缓。以6%木钠掺量为例，改良土养护3d、7d、14d、28d和60d抗压强度分别为1899.3kPa、2270.5kPa、2445.3kPa、2530.7kPa和2604.2kPa，14d龄期的强度能达到60d龄期强度的94%。

3.3 改良效果对比

为了直观地对比木钙与木钠对高液限黏土的改良效果，将两种木质素在最优掺量下的改良土与素土进行强度比较，如图6所示，其中木钙最优掺量为3%，木钠最优掺量为6%。与素土相比，养护龄期3d、7d、14d、28d、60d时，木钙改良土强度可分别提高30%、50%、66%、70%、73%，木钠改良土强度可分别提高19%、36%、46%、49%、53%。由此可知，木钙和木钠都可用于高液限黏土的改良，但木钙的改良效果更佳。

图6 两种木质素改良效果对比

4 结论

为了减少水泥、石灰等无机结合料的使用，同时避免木质素的直接排放对环境的污染，使木质素“变废为宝”，开展了两种木质素磺酸盐(木钙、木钠)改良高液限黏土的试验研究，探讨木质素提升高液限黏土工程性能的可行性与有效性，所得结论如下：

(1)随着木质素掺量的增加，两种改良土的抗压强度均呈现先增大后降低的趋势，木钙的最佳掺量为3%，而木钠的最佳掺量为6%。

(2)木钙改良土和木钠改良土的抗压强度都随着养护龄期的增长不断增大，前14d的增长速率较快，后期强度增速逐渐变缓。

(3)养护龄期28d时，3%掺量的木钙改良土抗压强度比素土提高了70%，6%掺量的木钠改良土抗压强度比素土提高了49%，对于高液限黏土而言，木钙的改良效果更好。