木质素纤维改性季冻区膨胀土强度特性与微观结构研究

樊科伟，严俊，刘苓杰，裴秋阳，邹维列

(1.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉，430072；2.中国水利水电科学研究院水利部水工程建设与安全重点实验室，北京，100048)

膨胀土含有蒙脱石、伊利石等亲水性的黏土矿物，在寒季的冻融作用下，位于季冻区的膨胀土土体内水分会产生相变，等质量冰与水的体积差异会导致土体发生变形，对土体的结构造成严重破坏，同时对膨胀土的强度特性也产生较大影响，进而对季冻区渠道、公路、铁路、机场等工程中的建筑物产生严重破坏作用[1-5]。为改善膨胀土经受冻融循环作用的强度特性，国内外学者提出了化学方法和物理方法。化学方法主要通过向膨胀土中掺入化学试剂，通过化学反应来提高土体强度。其中，掺水泥法和石灰法是目前工程中最常用的化学改良方法[6]。相较于化学方法，物理方法不会改变土的矿物成分，常用的有置换法、强夯法以及纤维加筋法[7-8]。化学方法和物理方法各有优缺点，但化学方法往往会导致较严重的环境污染问题，不符合我国倡导的绿色发展理念。纤维加筋法自从20世纪60年代被提出以来，由于采用纤维加筋的土强度高、施工简便和对环境无害等优点[9]，被越来越多地应用于土木工程。常用的纤维加筋法是向土体中添加一定数量的纤维丝，形成纤维土工复合材料。在添加纤维时，由于纤维丝能够均匀地分布在整个土体中，因此，可以在土体的所有方向上起到相同的增强作用，使得土体呈现出比较优良的各向同性[10]。自然界中纤维丝的来源十分广泛，木质素纤维是其中的一种。木质纤维素是造纸工艺中产生的一种高分子化合物，全球年产量可达到600亿t。但在生产生活中，对大部分木质素纤维直接进行焚烧或者排放处理，不仅造成资源的严重浪费，而且会造成污染[11]，因此，若能使用木质素纤维改善季冻区膨胀土的强度特性，并将其应用于边坡或路基工程中，不仅可以降低工程造价，而且可以解决环境污染和能源浪费的问题。目前对纤维改善膨胀土特性的研究主要集中在聚丙烯纤维上[12-16]，而对木质素纤维的研究较少。为此，本文作者以掺木质素纤维的季冻区膨胀土为对象，通过固结不排水三轴剪切试验，分别研究木质素纤维掺量和冻融循环作用对膨胀土剪切强度特性的影响，并通过电镜扫描试验，对不同纤维掺量和冻融循环作用前后改性膨胀土的微观结构进行观测，探究纤维改性季冻区膨胀土的作用机理。

1 试验材料与试样制备

1.1 试验材料

试验所用膨胀土取自黑龙江引嫩干渠乌北38 km处的渠道边坡。对所取膨胀土去除腐化植物和石块后，所得土块多为灰褐色土块。采集的膨胀土经风干、研磨后过孔径为2 mm的筛以去除大颗粒，其基本物理性质指标如表1所示。通过颗粒分析试验测得土样中砂粒质量分数为10%，粉粒质量分数为49%，黏粒质量分数为41%，X线衍射试验显示该膨胀土的主要矿物成分为石英、伊利石、钠长石、方解石。

表1 膨胀土样基本物理性质指标Table 1 Basic physical index properties of the tested expansive clay

本试验使用的木质素纤维来自河北晴俊纤维素厂，外观为白色，呈絮状，中性，不溶于水，无毒无味，无污染，无放射性，如图1(a)所示。

1.2 试样制备

首先取一定量的风干膨胀土样，碾碎过孔径为2 mm的筛，然后在烘箱中烘干12 h后取出，放入干燥器中冷却。由于木质素纤维遇水时很容易集聚成团，若直接在膨胀土中加入木质素纤维，再喷水至目标含水率，则木质素纤维将无法在膨胀土中均匀分布，不仅不能提高改性膨胀土的稳定性、硬度和强度，反而会损害土的整体性，使膨胀土强度降低，因此，本试验利用直径为1 mm的筛将木质素慢慢过筛(如图1(b)所示)，并将所需的木质素纤维分5次掺入干燥的膨胀土中并拌合均匀，然后，按照最优含水率向拌和物中加水，再次进行拌合。将木质素纤维改性膨胀土放入双层密封袋中，放置24 h，以确保膨胀土中水分均匀分布。在混合膨胀土与木质素纤维过程中发现，当木质素纤维掺量(质量分数)为0～2%时，土质素纤维可以较均匀地与膨胀土混合；当掺量超过2%时，木质素纤维很容易产生团聚现象，严重影响均匀性。因此，本次试验采用的木质素纤维的掺量(质量分数)分别为0(素土)、1%和2%。

图1 絮状木质素纤维照片Fig.1 Pictures of flocculent lignin fiber

本试验所用三轴试样直径为38 mm，高度为76 mm。试样具体制作流程如下：将木质素纤维改性膨胀土分3层装入圆柱形模具中，采用千斤顶两端静压，直至达到预定的干密度1.59 g/cm3。击实试验获得最大干密度为1.67 g/cm3，膨胀土最优含水率为21.17%。每层压实后用土工刀在其表面拉毛，保证每层之间不要产生断层现象。为保证试样水分均匀分布，将制好的三轴试样用保鲜膜包裹后静置1 d再开展后续试验。

2 试验方法及冻融循环方案

2.1 三轴剪切试验方法

为模拟膨胀土在边坡或路基工程中的工作环境，采用固结不排水三轴剪切试验，所用试验仪器为英国GDS静力三轴压缩试验仪。三轴剪切试验的围压分别设置为50，100，200 和300 kPa，固结完成后进行剪切，剪切速率设置为0.076 mm/min。当剪切应变达到20%时，终止试验。

2.2 微观结构的观测

采用电镜扫描(SEM)试验观测木质纤维素改性膨胀土试样的微观结构。具体操作流程如下：1) 由于电镜扫描试验一定要保证试样完全干燥，故在试验开始前采用液氮冷冻法将试样冻干，防止水分蒸发引起土样孔隙收缩；2)掰取试样中心部位的适量土样进行抽真空和喷金，放到电子显微镜下观测(放大倍数为200)。

2.3 冻融循环方案

定义1次完整的冻融循环过程具体为：用保鲜膜包裹试样并放置在恒温恒湿箱，参考试样所在地(即黑龙江齐齐哈尔市)的年均温度变化范围，确定试样首先在-20 ℃下冻结12 h，然后在20 ℃下融化12 h，即完成1次冻融循环。将经历了冻融循环后的试样放入塑料盒中，在25 ℃环境下静置24 h，使试样的含水率分布均匀，最后再进行固结不排水三轴剪切试验。

已有研究表明，经历6次左右的冻融循环作用后，膨胀土各方面性质的变化不再明显[5,17]，因此，本文选取10 次冻融循环次数模拟季冻区整个冬春两季的冻融循环。

3 试验结果与分析

3.1 木质素纤维掺量对膨胀土强度特性和微观结构的影响

3.1.1 强度特性

图2所示为不同围压下，不同掺量的木质素纤维改性膨胀土的应力-应变曲线。从图2可以看出：膨胀土在纤维加筋前后，其应力-应变关系均表现为应变硬化型的应力-应变关系；在同一围压下，当轴向应变较小时，各个掺量下的膨胀土应力-应变曲线基本重合，这说明在加载初期，木质素纤维改性膨胀土的效果并不明显；当轴向应变逐渐增大时，随着木质素纤维掺入量增加，其强度明显提升。

图2 不同围压下木质素纤维改性膨胀土的应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of expansive soil treated with lignin fibers under different confining pressures

采用莫尔圆对试样在三轴试验破坏时的应力进行分析，结果如图3所示。从图3可以看出：木质素纤维改性后的膨胀土仍符合Mohr-Coulomb 抗剪强度理论，且随着木质素纤维掺量增多，膨胀土土体的黏聚力有所增大，而内摩擦角基本没有变化。VIDAL等[18-20]在研究土工合成材料加筋土的强度时也得到相似结果。一般认为在加筋土受到剪切的过程中，筋材的约束力相当于对土样施加了侧向压力，从而使得土样能够承受更大的竖向压力。筋材的约束力并未提高土本身的内摩擦角，而是提高了其黏聚力。由于该黏聚力并非土自身的黏聚力，因此，将该黏聚力称为准黏聚力，并在此基础上提出了准黏聚力理论。本文提出的木质素纤维增强膨胀土强度的原理与土工合成材料增强土强度的原理类似。

图3 不同木质素纤维掺量改性后的膨胀土应力圆Fig.3 Mohr's stress circle of expansive soil treated with lignin fibers under different confining pressures

吴继玲等[12]对聚丙烯纤维改性膨胀土的强度特性进行了研究，结果如表2所示。从表2可以看出：聚丙烯纤维和本文采用木质素纤维改性后的膨胀土的黏聚力均有所提高，而内摩擦角提高不明显，说明木质素纤维与聚丙烯纤维在改性膨胀土方面具有类似的效果。

表2 不同纤维改性膨胀土剪切强度指标Table 2 Shear strength index of expansive soils treated with different fibers

3.1.2 微观结构

不同掺量木质素纤维改性膨胀土放大200倍的微观结构见图4。从图4可以看出：膨胀土在天然状态下存在一些微裂缝、贯通裂缝和孔隙，影响了土体的结构整体性；将木质素纤维掺入膨胀土后，木质素纤维被周围的土颗粒所包围，从而形成土颗粒和相邻纤维的“桥联”结构或空间网络结构；随着纤维质量分数增加，纤维之间的交织点更多，这种“桥联”结构或网状结构的作用越明显；当承受外力时，土颗粒受到的应力会传递到纤维上，而纤维会将这部分拉应力分摊到更多的纤维和土颗粒上，从而加强了土颗粒间的联结力，从宏观上表现为土样强度提高(主要是“准黏聚力”增大)。

图4 不同掺量木质素纤维改性膨胀土的SEM照片(放大倍数为200)Fig.4 SEM photos of expansive soils treated with different fiber mass fractions

3.2 冻融循环对木质素纤维改性膨胀土强度特性和微观结构的影响

3.2.1 强度特性

纤维掺量为0，1%和2%时的改性膨胀土经过0次和10次冻融循环后，不同围压条件下的应力-应变曲线如图5所示(其中，“0次，0”表示循环次数为0 次，木质素纤维质量分数为0，其余依此类推)。从图5可以看出：纤维改性膨胀土经过冻融循环后的应力-应变曲线依然表现为应变硬化，经历冻融循环后，纤维改性膨胀土的强度均有所降低。根据图5计算不同木质素纤维掺量的改性膨胀土冻融前后的剪切强度，结果如表3所示。从表3可以看出：掺量为1%的木质素纤维改性膨胀土经历10 次冻融循环后，剪切强度接近没有改性的膨胀土冻融循环前的剪切强度；掺量为2%的木质素纤维改性膨胀土经历10 次冻融循环后，剪切强度高于没有改性的膨胀土冻融循环前的剪切强度；掺量为0，1%和2%的改性膨胀土经冻融循环后，黏聚力衰减值分别为11.4，9.2和10.8 kPa，内摩擦角衰减值分别为1.2°，1.2°和0.5°，即掺入纤维后，膨胀土经过冻融循环作用后的强度降低值有所减小；黏聚力相对衰减率分别为42%，28%和25%，内摩擦角相对衰减率分别为5%，5%和2%。可见，随着纤维掺量增大，土体剪切强度相对衰减值越来越小，即土体抗冻融的能力越来越强，这说明木质素纤维的掺入能有效提高膨胀土的抗冻融能力。

表3 冻融循环前后不同掺量的纤维改性膨胀土的剪切强度指标Table 3 Shear strength index of lignin fiber-treated expansive soils with different mass fractions before and after freezethaw cycles

图5 冻融循环在不同围压下对木质素纤维改性膨胀土应力-应变曲线的影响Fig.5 Effect of freeze-thaw cycles on stress-strain curve of expansive soil treated with lignin fibers under different confining pressures

3.2.2 微观结构

纤维掺量为0，1%和2%的改性膨胀土冻融循环前后的微观结构分别如图6～8所示。从图6～8可以看出：对于没有采用纤维改性的膨胀土，其本身存在着一些天然微裂缝、贯通裂缝和孔隙；经历冻融循环后，试样中的微小裂隙会因为土的冻胀现象逐渐发展成为大裂隙，同时，土颗粒间的错动与重排会产生更多的孔隙，从而导致其抗剪强度降低；与未经过改性的膨胀土相比，采用纤维改性的膨胀土，纤维被周围土体包裹，纤维和土颗粒之间的摩擦力能够有效地阻止土颗粒间的错动与重排，在一定程度上能够延缓微裂隙的形成与发展，减小裂隙数量与裂隙宽度，降低裂隙贯通率，从而提高了土体抗冻融能力；随着纤维质量分数增加，纤维改性能力也有所增强，经过冻融循环后基本不出现贯穿裂隙。

图6 纤维掺量为0时改性膨胀土经过冻融循环后的SEM照片Fig.6 SEM photos of expansive soils without lignin fibers before and after freeze-thaw cycles

图7 纤维掺量为1%时改性膨胀土经过冻融循环后的SEM照片Fig.7 SEM photos of expansive soils with 1%lignin fibers before and after freeze-thaw cycles

图8 纤维掺量为2%时改性膨胀土经过冻融循环后的SEM照片Fig.8 SEM photos of expansive soils with 2%lignin fibers before and after freeze-thaw cycles

4 结论

1)木质素纤维与周围土颗粒会形成“桥联”结构或空间网络结构，利用自身抗拉能力限制周围土体变形，从而有效提高膨胀土的“准黏聚力”，而对土体内摩擦角基本没有影响。随着木质素纤维掺量增多，膨胀土“准黏聚力”的增强效果越明显。

2)膨胀土本身存在着一些天然微裂缝、贯通裂缝和孔隙，经历冻融循环后，土体内微小裂隙会发展成为大裂隙，同时，土颗粒间的错动与重排会产生更多孔隙，从而导致其抗剪强度降低。

3)木质素纤维掺入膨胀土后，纤维和土颗粒之间的摩擦力能够有效地阻止土颗粒间的错动与重排，延缓微裂隙的形成与发展，减小裂隙数量与裂隙宽度，降低裂隙贯通率，从而提高土体抗冻融能力。随着纤维质量分数增加，纤维改性能力有所增强。