冻融作用下木质素改良碳酸盐渍土力学性能研究

张淼鑫，袁方正，李治斌，苏安双

(1.黑龙江大学 水利电力学院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江大学 建筑工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080；3.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080)

木质素及其衍生物作为存在于大多数的陆生植物的木质部的一种复杂的有机高分子化合物，每年可以以500亿t的速度再生。作为最丰富的可再生生物质资源，其商业化应用比较广泛：(1)作为混凝土减水剂[1-3]。(2)作为农药缓释剂及肥料[4-6]。(3)作为矿粉絮凝剂[7]。(4)作为饲料添加剂等[8-9]。(5)用于生产树脂和黏合剂[10]。(6)用于生产水处理剂和阻垢剂[11-13]等。

木质素及其衍生物可作为一种新型的土壤固化剂，因为它的化学成分与水泥、石灰等传统的无机固化剂不相同，所以它作为固土剂使用时固化机理也与传统的无机固化剂存在着不同。如Qingsheng Chen等[14]通过对不同应力路径条件下的非饱和土进行抗剪强度试验，建立一个模型用来描述木质素磺酸盐在不饱和土中引起的键合作用，并通过试验得已验证。Tao Zhang等[15]通过木质素对土体改良试验，提出了木质素能显著提高土体无侧限抗压强度和弹性模量。Mariano T.Fernndez等[16]研究了木质素磺酸钙(CLS)作为膨胀土稳定剂的有效性。贺智强等[17]在加固黄土的工程性质试验中，在黄土中添加木质素磺酸盐进行研究，试验结果表明：木质素磺酸钙可以提高黄土的抗剪强度，通过胶结来加强土颗粒间的联系，通过填充孔隙来降低孔隙率，以此增强黄土的水稳定性，使黄土的崩解性大幅度提高，但渗透性降低。

木质素及其衍生物在基础工程中的应用，为工程技术革新带来了新的方向，同时也使得造纸及生物能源行业产生的废弃物得到了二次利用，避免了环境污染，带来了经济效益。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

为了保证整个试验所有试样的基本状况一致，笔者采用人工调配的方法来控制试样含盐量。本试验用土取自哈尔滨市某地区的粉质黏土，《岩土工程勘察规范[2009年版]》(GB 50021—2001)[18]规定: 岩土中易溶盐含量>0.3%，应判定为盐渍土。故取回粉质黏土土样后，烘干并碾散，过2 mm 筛，人工调配碳酸盐渍土，碳酸氢钠含量占盐渍土质量的1%，土体物理力学指标见表 1，木质素选取山东某化工有限公司生产的木质素磺酸钙(下文简称木钙)，其木质素含量为40%～50%，见图1，木钙为拥有特殊气味的棕黄色粉末，具有较强的水溶性，溶于水后显黑色，黏性强。是高分子聚合物阴离子表面活性剂。

表1 试验所用土基本物理指标

图1 木质素磺酸钙

1.2 试样制备及方案

分别添加占盐渍土质量的不同比例的木钙如:0掺量、0.25%、0.5%、0.75%、1%、3%、5%，准备不同掺量的试样，拌和均匀，密封并浸润12 h，采用击样法制备39.1 mm×80.0 mm土工试验标准试样，见图2。成型后的试样用多层聚酯薄膜密封，放入温度为20 ℃、相对湿度为95%的标准养护室内，在标准养护室内养护28 d。完成养护的木钙改良碳酸盐渍土试件与0掺量碳酸盐渍土试件一同放入冰箱内，设冰箱冻结温度为-20 ℃，冷冻12 h后放入 20℃的标准养护室内融化12 h，以此为一个冻融循环。本试验试样所需冻融循环次数分别设为0次、1次、3次、5次、7次、9次、12次。土体经历冻融循环后用WDW-100 型电子万能实验机,见图3，进行无侧限抗压强度试验。对比不同掺量木钙改良后碳酸盐渍土在不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度，开展木钙改良碳酸盐渍土的力学指标与抗冻性研究，研究其改良土是否具有良好的强度和抗冻融的稳定性。

图2 39.1 mm×80.0 mm土工试验标准试样

图3 WDW-100型电子万能实验机

2 试验结果及分析

试验发现，单掺木钙掺量超过5%的改良碳酸盐渍土试样在养护期间自行崩裂，已无研究价值，这是因为过高掺量可能会使木质素与土体矿物间不能完全反应，土体中存在因木质素过多而造成的局部软弱，从而表现出木钙改良土无侧限抗压强度降低的现象[19]，且掺量较高时木钙会优先与自身结合，产生局部聚集，降低土颗粒间吸引力，从而削弱团聚体的均匀性，增大土体孔隙率，暴露出较多孔隙，使得力学性能下降[20]。故在上述条件下改良的碳酸盐渍土木钙掺量不能超过5%。图 4 为木钙掺量和冻融循环次数对改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度的影响。从图中可以看出，冻融循环0次下，随着木钙掺量的增加，改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度也有所增加，在木钙掺量达到0.5%时无侧限抗压强度最高。伴随着冻融循环次数的增加，试样的无侧限抗压强度均减小，在木钙掺量为0.75%时的改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度降幅最小。木钙掺量为5%时，经冻融循环3次以上后，试样发生严重冻胀现象，表面粗糙易碎，蓬松多孔，如图5，力学性能骤降，这是因为木钙具有一定的引气性[21]，加入过量的木钙导致试样土体中微小气泡过多，且5%掺量的试样中部分木钙的局部聚集，再加上冻融循环作用，破坏了土体原有结构，造成严重的冻胀。

图4 木钙掺量及冻融循环次数对碳酸盐渍土无侧限抗压强度的影响

图5 木钙单掺量为5%及冻融循环3次以上的土样

对不同掺量的木钙改良土进行无侧限抗压强度试验后，绘制改良土的应力-应变曲线如图6所示。从图中可以看出不同木钙掺量下改良土的应力都随着应变的变化先增大后减小，掺量在3%以下的改良土试样在初始阶段内的斜率与碳酸盐渍土的斜率基本相同，说明改良土在弹性阶段与0掺量碳酸盐渍土的弹性模量基本相同。0掺量碳酸盐渍土破坏时应变在5.6%左右，属于脆性破坏；当木钙掺量为0.5%时试样破坏的应变在10.4%左右，属于塑性破坏，说明木钙可以有效改善粉土的力学性能，使土样的破坏得到延缓。

图7是不同掺量的木钙改良土经过冻融循环7次 后进行无侧限抗压强度试验后绘制改良土的应力-应变曲线图。与图6相比，图7中试样受冻融循环破坏作用，不同掺量的木钙改良土的无侧限抗压强度应力-应变曲线已经产生了明显的变化。其中，3%木钙掺量的改良土其应力-应变曲线与0掺量的应力-应变曲线基本契合。而木钙掺量在1%以下的改良碳酸盐渍土在相同的应变条件下其应力均高于0掺量，在此等条件下最优掺量为0.50%及0.75%。土体试样出现应变硬化现象，破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏，证明了木钙具有良好的抗冻性，这是因为木钙在土体中发生了化学反应，产生了具有一定强度的胶结性物质，连接了土颗粒，使土颗粒之间更加密实[22]。

图6 不同掺量木钙改良土的应力-应变曲线

图7 不同掺量木钙改良土冻融循环7次后的应力-应变曲线

3 结 论

(1)在寒区碳酸盐渍土中加入一定量的木钙可以有效地改善其力学性能，其无侧限抗压强度伴随着木钙掺量的增加先增大后减小，改良土木钙的最佳掺量在0.5%左右。

(2)由木钙改良土的应力-应变曲线可知，掺入适量的木钙可以使土体的破坏得到延缓，由脆性破坏转变为塑性破坏。

(3)木钙改良后的碳酸盐渍土经冻融循环后，由其无侧限抗压强度和应力-应变曲线可知，改良土的抗冻最优掺量在0.75%左右。