制样拌和方法对木质素纤维改良黄土强度的影响

高中南,王 谦,2,赵乘程,郑 龙,马紫娟,钟秀梅,2

(1.中国地震局兰州地震研究所,甘肃 兰州 730000;2.中国地震局黄土地震工程重点实验室,甘肃 兰州 730000)

0 引言

黄土作为一种广泛分布在我国西北及华北地区的特殊土,具有强水敏性与动力易损性等不良工程特性,部分情况下需经过处理才能满足工程建设要求。而改善黄土性能、抑制其不良工程特性的处理方法大致可分为密实处理方法(强夯法、挤密桩法、预浸水法),桩基处理方法和材料改良处理方法等。其中,材料改良处理方法因其具有稳定的改良效果和便捷的施工方式,逐渐得到研究人员的广泛关注。传统改良材料(如水泥、石灰、粉煤灰等)能够有效提升黄土的静力与动力性能,抑制黄土的不良工程性质[1-5]。在传统改良材料固化黄土的过程中,尽管其与黄土进行的化学反应(火山灰反应、碳酸化反应)会提高土体强度,但还会改变土体中的矿物成分与pH值,对一定范围内的环境产生污染[6-7]。因此,广大研究人员开始逐渐研究使用新型环保黄土改良材料替代传统材料的可能性。

木质素纤维作为一种有机纤维,通常由天然木材经过化学处理得到,在自然界中的存储量非常巨大[8]。其韧性较强,不溶于水及弱酸弱碱溶液,无毒无味无污染,生产成本低,是一种具有潜力的经济环保改良材料[9]。为研究木质素纤维对黄土强度的改良效果,使用木质素纤维开展了一系列的强度试验。但是在使用直接拌和法制备的试样试验时,平行试验取得的结果差异较大。通过比较分析试验过程中可能产生误差的原因,发现这种现象是由纤维在试样内分布的随机性造成的。尤其是在一次拌和中使用的纤维数量较少时,纤维长度的不均匀性会对纤维在试样内随机分布产生影响,使得试验结果的离散程度变大。

针对上述现象,寻找适合室内试验的少量木质素纤维改良黄土试样制备拌和方法,对研究木质素纤维对黄土的改良效果具有非常重要的意义。同时,现有研究成果表明制样方法与尺寸效应均会对试验结果产生明显影响,更说明了研究试样制备方法的必要性[10-12]。本文通过对两种不同拌和方法制备的木质素纤维改良黄土试样养护前后的干密度变化以及无侧限抗压强度试验结果进行对比,分析了拌和方法对木质素纤维改良黄土的影响,给出了适合室内试验的木质素纤维改良黄土试样制备的拌和方法。

1 试验概述

1.1 试验所用黄土与木质素纤维性质指标

试验所用黄土取自宁夏回族自治区西吉县某典型黄土场地,基本物性指标列于表1。试验所用木质素纤维来源于河北某建筑材料厂,其外观为白色絮状(图1),工程性能指标列于表2。

表1 试验所用黄土的主要物性指标Table 1 Physical parameters of loess used in this study

表2 试验所用木质素纤维性能指标Table 2 Properties of the lignin fiber used in this study

图1 试验所用木质素纤维Fig.1 The lignin fiber used in this study

1.2 制样及试验方法

为对比拌和方法对试验结果产生的影响,试样制备分两组进行,每组试样制备过程均可分为筛土、改良土拌和与试样压制三个阶段。两组试样制备过程除改良土拌和这一阶段外均相同。第一阶段筛土时先将取得的黄土风干、碾碎,然后过2 mm筛。第二阶段改良黄土按照0%(素土)、1%、2%和3%四种掺量进行拌和,拌和时的掺量为木质素纤维与黄土质量之比。除掺量0%的改良黄土(素土)以外,其余改良土拌和分两组进行(表3),第一组采用直接拌和方法,直接按照1%、2%和3%三种掺量将木质素纤维与黄土干拌均匀。第二组采用稀释拌和方法,先拌和出3%掺量的木质素纤维改良黄土,再经过计算后将3%掺量的改良黄土分成不等的三份,并向其中两份掺入一定质量的素土,反向拌和出掺量1%和2%的改良黄土。改良黄土干拌均匀后,按照素土的最优含水率分别加入蒸馏水拌匀,再闷料24小时以使水分扩散均匀。第三阶段采用两端静压的方法将闷好的不同掺量改良黄土制备成直径39.1 mm,高80 mm的实心圆柱试样。制样压实度为94%,试样密度按照素土的最大干密度进行计算。制备好的试样塑封后在温度20±2 ℃、相对湿度≥95%的环境条件下养护28天。两种制备方法所制改良黄土试样如图2所示。

表3 试样制备拌和方法Table 3 Mixing methods of sample preparation

图2 试样照片Fig.2 The photos of test specimen

养护前试样的干密度由试样压制完成后所测量的尺寸(高度、直径)、质量和试样压制所使用的纤维-土-水混合物的含水率计算得到。养护后试样的干密度由进行无侧限抗压强度试验前试样的尺寸、质量和无侧限抗压强度试验后试样样芯部分黄土的含水率计算得到。试样高度与直径的测量计算以及含水率的测定均按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[13]进行。

无侧限抗压强度试验所使用仪器为南京宁曦土壤仪器有限公司生产的YYW-2型应变控制式无侧限压力仪,试验过程同样遵照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)进行,试验的轴向加载速率为2.4 mm/min。

2 结果分析

2.1 干密度变化对比分析

表4为素土试样与两种拌和方法制备的木质素纤维改良黄土试样养护前后干密度及干密度变化率,直接拌和方法与稀释拌和方法所制备试样的试样编号首字母分别为Z和X。

由表4可知,养护前试样干密度最大为1.698 g/cm3,最小为1.678 g/cm3,试样干密度基本接近。试样养护过程中木质素纤维发生回弹使得试样体积变大,干密度减小。两种拌和方法所制备的同一掺量试样干密度减小幅度均有所偏差,但偏差大小不同。为分析这种情况,引用离散系数对两种拌和方法制备的同一掺量试样干密度变化率的离散程度进行比较,离散系数越大说明数据的离散程度越大,数据分布的范围越大,数据越不稳定,平均数的代表性越小,离散系数由式(1)与(2)计算得到[14],结果如图3所示。

表4 试样养护前后干密度及干密度变化率Table 4 Variation of dry density and its change rate of samples before and after curing

(1)

(2)

如图3所示:相同掺量情况下,使用稀释拌和法所制备试样的干密度变化率离散系数均小于使用直接拌和法所制备试样,试样在养护过程中干密度变化更为接近。说明稀释拌和法对改良黄土试样干密度变化的影响更小,采用稀释拌和法所制备试样能更好的反映出掺量对改良黄土干密度变化的影响。

图3 木质素纤维掺量与干密度变化率离散系数 关系曲线Fig.3 Relationship between lignin fiber content and the discrete coefficient of the dry density change rate using different sample preparation methods

2.2 无侧限抗压强度对比分析

为直观说明拌和方法对木质素纤维改良黄土试样无侧限抗压强度的影响,计算出同一条件下改良黄土试样无侧限抗压强度平均值,绘制出掺量与无侧限抗压强度关系曲线(图4)。再按照式(1)与(2)分别计算出两种拌和方法制备的同一掺量试样无侧限抗压强度的离散系数,绘制出掺量与无侧限抗压强度离散系数关系曲线(图5)。

图4 木质素纤维掺量与无侧限抗压强度关系曲线Fig.4 Relationship between lignin fiber content and unconfined compressive strength using different sample preparation methods

图5 木质素纤维掺量与无侧限抗压强度离散系数 关系曲线Fig.5 Relationship between lignin fiber content and the discrete coefficient of unconfined compressive strength using different sample preparation methods

从图4中可以看出,两种拌和方法所制备试样的掺量与无侧限抗压强度关系曲线大致重合,但在数值上存在不同程度差异。这说明两种拌和方法所制备试样所反映出的无侧限抗压强度试验结果随掺量变化的总体趋势一致,但拌和方法对试验结果的准确性具有明显影响。

据图5所示,稀释拌和法所制备试样的无侧限抗压强度离散系数总体上小于直接拌和法所制备试样,且稀释拌和法所制备试样的无侧限抗压强度离散系数基本不随掺量的变化发生改变,直接拌和法所制备试样的无侧限抗压强度离散系数则有突然增大。表明稀释拌和法所制备的不同掺量改良黄土试样的无侧限抗压强度的总体变化幅度更小,可以更好反应掺量变化对无侧限抗压强度产生的影响,稀释拌和法对试验结果的影响更稳定。

综上所述,两种拌和方法均能体现无侧限抗压强度随掺量变化的总体趋势,但稀释拌和法所制备试样测得的试验数据更加稳定,而直接拌和法会影响试验结果的准确性,试验结果波动较大,不利于分析木质素纤维掺量与无侧限抗压强度之间的关系。

3 结论

通过研究主要得到以下结论:

(1)与直接拌和法所制备木质素纤维改良黄土试样相比,采用稀释拌和法所制备的试样在养护过程中干密度变化更相近,干密度变化率离散程度更小。

(2)稀释拌和法与直接拌和法均能体现无侧限抗压强度随掺量变化的基本趋势,但稀释拌和法所制备试样测得的试验结果更加稳定。

(3)稀释拌和法所制备的木质素纤维改良黄土试样可以更好的体现木质素纤维掺量变化对改良黄土强度的影响。