木质素抑制黄土湿陷性试验研究

刘伟 连佳胜 赵吉祥

摘要：黃土湿陷性常引发黄土地区构筑物基础发生沉降甚至破坏，给黄土地区基础设施建设造成了严重的威胁。通过改良黄土可减轻和降低湿陷性的危害，拟采用绿色可降解工业废料木质素对湿陷性黄土进行改良，发现木质素改性黄土可显著减轻黄土湿陷性的危害，并从形变机制和微结构两方面对改良机制进行解释。研究结果表明：2%木质素掺量的黄土试样，其原有的强烈湿陷性已基本消除，改良效果在4%木质素掺量达到峰值;从形变机制看，木质素的加入改变了其结构特征，原本由湿陷性导致的结构失稳在加压期间被释放，致使改良土受湿陷影响降低;从微结构角度看，木质素会使黄土颗粒之间产生新的胶结物，使颗粒之间的联结力增强，从而提升其改良效果。通过室内试验验证木质素在抑制湿陷方面的有效性，2%木质素掺量即可达到改良效果且具有量省效宏的优点，同时符合绿色施工理念并提高工业副产品木质素的利用率，为实际工程解决湿陷问题提供新参考。

关键词：湿陷性黄土; 木质素; 改良土; 黄土湿陷性试验

中图分类号： TU414      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2024）03-0557-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220717003

Collapsibility test on the loess inhibited by lignin

LIU Wei1， LIAN Jiasheng1，2， ZHAO Jixiang1，3

（1.Institute of Transportation， Inner Mongolia University， Hohhot 010070， Inner Mongolia， China;

（2.North Branch of the Third Construction Co.， Ltd.， of China Construction Third Engineering Bureau， Beijing 100089， China;

（3.Civil-military Integration Department of China Construction Third Engineering Bureau， Beijing 100089， China）

Abstract： Subsidence or even destruction of the foundation of structures in the loess area is often caused by the collapsibility of loess， which poses a serious threat to the infrastructure construction in these areas. Improving loess can help alleviate and reduce the harmful effects of collapsibility. Therefore， this paper investigates the collapsible loess improved by the environmental-friendly degradable industrial waste， that is， lignin. Lignin-modified loess can substantially reduce collapsibility， and the improvement mechanism is explained from the perspective of the deformation mechanism and microstructure. Research results show that 2% lignin content eliminated the collapsibility of the loess sample， and 4% lignin content yielded the best improvement effect. From the perspective of the deformation mechanism， the addition of lignin changes the loess structure. Therefore， the structural instability induced by the collapsibility is released during the pre-pressurization period. From the viewpoint of microstructure， lignin generates new cements between loess particles， which enhances the bonding force between particles. Overall， laboratory experiment results verified the effectiveness of lignin in inhibiting collapsibility. A satisfactory improvement effect is realized by 2% lignin content. The use of lignin conforms to the concept of green construction， improves the utilization rate of industrial byproduct lignin， and provides a new reference for solving the collapsible problem in practical projects.

Keywords：collapsible loess; lignin; improved soil; loess collapsibility test

0 引言

我国幅员辽阔，土壤资源丰富、类型繁多。其中黄土与黄土状沉积物面积近64万km2，占全国土地面积近6%，湿陷性黄土总面积可达38万km2［1］。随着黄土地区的基础建设逐渐增多，黄土本身所具有的大孔隙、弱胶结结构、强水敏性和动力易损性的不良工程特点［2］，常常会引发地基沉降、失稳破坏及隧道塌方等工程事故［3］，对黄土地区构筑物的建设和使用造成极大的威胁甚至破坏。因此，消除黄土湿陷性对黄土地区的工程建设至关重要。

木质素是自然界中丰富的可再生资源，每年有大量的木质素被作为工业废弃物排放，不仅对生态环境产生扰动，还浪费了木质素的利用价值。木质素具有优秀的分散性及表面活性，在生化等领域均取得了一定的成效［4］。

工业副产品木质素具有很好的黏结性、螯合性和抗腐蚀性，可以提高散体材料的胶结强度［5］。在自然界中木质素可以被白腐菌彻底分解为水和二氧化碳［6］，但其降解过程复杂且漫长。与传统改良材料相比，木质素对环境的适应性强且对地下水系及微生物的影响较小，且本身所具有的非水溶性、化学结构的复杂性［5］也为加固土体结构提供了可能性。

王谦［7］在研究中提出木质素改良可有效抑制动变形和孔隙水压力的增长，木质素掺量为3%时的改良黄土抗液化效果最佳。在无侧限抗压强度试验的基础上，Tingle等［8］研究了改性木质素砂土和黏土的抗压强度，指出当木质素含量为5%时，改良土的抗压强度提升最为显著。Kong等［9］在研究中发现木质素能有效地改善淤泥的水稳定性，其中木质素的最佳含量为12%。Santoni等［10］在粉砂、黏性土和粉质黏土中掺入木质素磺酸盐进行改良，并发现最优掺量为5%。董超凡等［11］在研究中指出当木质素掺量为5%时，改良黄土试样的抗剪强度较高，而木质素纤维掺量为7%时，改良黄土试样的抗剪强度有所降低。陈学军等［12］在研究中指出木质素过多的掺入会使改良效果适得其反。在木质素改良黄土热学性质方面，董超凡等［13］通过室内试验发现随着掺量的增加，改良土导热系数的逐渐减小，比热呈先增加后减小的趋势，热扩散率先增加后减小再增加，并指出5%掺量可有效减小温度对建筑物的影响。在冻融作用下，木质素仍有优秀的改良效果，马昕杨等［14］通过研究发现，相比较于素土，木质素改良土冻融损失率较小，6%木质素掺量即可有效减小冻融影响。众多学者对木质素改良土不同方面的改良效果进行验证，并提出了最优掺量，但缺乏对木质素在改善黄土湿陷性方面的系统研究，本文通过室内试验研究木质素在抑制黄土湿陷性方面的有效性及最优掺量，并对其改良机理进行分析。

1 研究方法

1.1 試验材料

本次试验黄土取自兰州市和平镇（图1），黄土呈现黄褐色，具有少量根孔和虫孔，垂直节理发育，

偶有少量的白色钙质结核。土样颗粒分布曲线见图2所示，基本物理性质如表1所列。

本试验所用木质素为对羟基苯基丙烷单元形成的对羟基苯基木质素，呈白色絮状固体（图3）。

1.2 制样与试验方法

（1） 试样制备

将采用探井取样取出的黄土在室内进行风干、碾碎后再过2 mm筛。试验中黄土干密度为1.3 g/cm3，含水率为9%，分别制备0%、2%、4%、6%、8%、10%木质素掺量的重塑黄土试样。由于木质素直接加入会产生团聚现象，故用1 mm筛将木质素慢慢过筛，每过1/5木质素及时进行拌和，拌和均匀后再次进行过筛［16］，按此方法多次进行操作至木质素与风干黄土充分混合，且分布均匀后，再将水按照预定的含水量加入，进行拌和。之后将拌好的黄土放入密封袋中养护湿化24 h，其目的是使其水分分布更加均匀，减少后期脱模后土样的膨胀。为使试样密度均匀，将养护好的黄土分等量的5～6份加入Φ 61.8×120 mm的圆柱形制样模具（图4）中，每次加入之后进行夯击。将试样夯好之后，脱模取样（图5）。

（2） 黄土湿陷性试验

对试验器材进行预处理，减少机械误差等无关变量对试验的影响。试验采用《湿陷性地区黄土建筑标准（GB 50025—2018）》［17］中的单线法测定湿陷系数。相比之下，虽然双线法简单，工作量小，但与实际工况存在差异性。故为更好地研究木质素在实际情况中对黄土湿陷性的改善，采用单线法进行湿陷系数的测定并做记录。完成黄土湿陷性试验后，测定每个试样的含水率。为保证试验环境的恒定湿度，在试验中用保鲜膜包裹试样，并设置对照平行试验，取试验组的平均值数据作为参考。试验器材如图6所示。

（3） 微结构测试

光学显微镜观察实验使用Dino-Lite-AM7915型号光电数码显微镜（图7）。将不同木质素掺量的试样进行自然风干，并制备3个平行观测样本，掰开取其新鲜断面，并将其背面进行磨平处理，制备成半径为1 cm的圆形薄片，将其放入数码显微镜的观测台进行观测。拍摄倍数分别选取30倍、90倍、120倍、150倍、180倍和200倍，每个放大倍数拍摄4～6张。本实验在试样的处理中保留了黄土完整的断面，可与扫描电镜实验结果互相参照，便于分析。

对0%、2%、4%、6%、8%及10%木质素掺量的试样分别进行扫描电镜实验。在实验过程中，首先使用冻干法将样品干燥，为每个木质素改良黄土样品制备2个平行样品，取其新鲜断面，制成10 mm（长）×10 mm（宽）×2 mm（高）方形切片，用离子溅射仪进行喷金处理，使样品表面传导电流并反射二次电子图像。喷金处理之后将试样放入扫描电子显微镜中进行试验并获取图像，拍摄倍数选取300倍，每个放大倍数拍摄6～8张，取其中成像清晰的图像进行分析。实验使用的是中科科仪KYKY-2800B扫描电镜，如图8所示。

2 结果分析

2.1 黄土湿陷性试验结果分析

湿陷系数和浸水压力是研究湿陷程度的主要指标，且工民建的基底压力主要在200 kPa以下，故200 kPa的浸水压力更加接近实际荷载。因此，200 kPa的浸水压力被用作评估湿陷系数的标准。在使用单线法测定黄土湿陷系数的过程中，得到了浸水前后的压缩曲线，如图9～图14所示，各木质素掺量试样逐级加压至200 kPa的压缩曲线图。

将试验所得湿陷系数整理，发现土样木质素掺量与湿陷程度有一定规律性。2%、4%及6%掺量试样较素土试样相比，湿陷系数分别减小98.77%、99.38%和96.91%，且改良后湿陷系数小于0.015。根据《湿陷性地区黄土建筑标准（GB 50025—2018）》［17］中关于湿陷性黄土的规定，此时的黄土试样的湿陷性已基本消除，但在8%、10%高木质素掺量中，改良效果适得其反，其湿陷程度又重新回到接近于素土的强烈湿陷，如图13～图15所示。

其湿陷性已被消除，但8%、10%掺量的土样湿陷程度又重新回到接近于素土的强烈湿陷。故木质素的持续增加，并不会导致孔隙填充效果和胶结强度的持续增强［8］，而在抗湿陷方面仍然有此规律。

单独观察2%～6%之间湿陷系数与木质素掺量的关系（图17），4%木质素掺量的黄土湿陷系数普遍最小，较素土湿陷系数减少99.38%，且改善效果达到峰值。但2%的木质素掺量已在很大程度上消除了黄土的湿陷性，考虑到在实际工程中的经济性，2%木质素的掺量较为合适。

湿陷系数计算公式［17］：

δs=hp-h′ph0

式中：δs为湿陷系数，计算至 0.001;

hp为在某级压力下，试样变形稳定后的高度（mm）;

h′p为在某级压力下，试样浸水湿陷变形稳定后的高度（mm）;h0為试样初始高度（mm）。

通过对黄土湿陷性试验数据的整理，如表2所列，掺入木质素的黄土试样在前期逐级加压阶段的沉降变形程度往往要比素土试样沉降变形程度大。从数据上看，200 kPa下不同试样的总体沉降变形差距不大，其标准差仅有0.157 mm。而浸水前持续加压过程中的沉降变形却并不相同，2%、4%及6%掺量的试样在湿陷前的形变分别占总体形变的99.58%、99.79%及98.88%。由此可见，木质素改良土在未遇水湿陷以前，在压力下的纵向变形要比未改良的大。重塑过程中，黄土的原生结构被破坏，重塑土颗粒间的联结尚未稳定，导致重塑土样处于亚稳定状态。易团聚的木质素会在黄土中形成微小的胶结物，这些胶结物与黄土当中的水分接触时会发生微弱的膨胀，这种易变性使土颗粒之间的稳定联结难以形成，随之产生的弱胶结状态导致了加压过程的沉降变形。

木质素在黄土中改变了原有稳定的内部结构，其自身密度小易膨胀的特点和新产生的纤维状胶结物架空了土颗粒之间原有的紧实接触，产生了更多较大的孔隙，从而使荷载下的土样发生了比素土更明显的沉降变形。而浸水之后，黄土中的木质素在一定理化反应下产生新的胶结物，加固了在前期施压下被破坏的孔隙结构。因此，木质素能有效抑制黄土湿陷性，不仅内部产生新的胶结物质，加固了土颗粒之间的联结，且前期加压时期木质素引起了土样过多沉降变形，提前释放了原本浸水后湿陷部分的纵向变形，使内部结构变形方式发生变化。

2.2 微结构结果分析

电子光学显微镜结果见图18～图24。相较于重塑土样，木质素改良土含有大量丝状胶结物，而且此类丝状物随着掺量的增大而增多。在2%～6%木质素掺量的试样黄土中，新产生的纤维状胶结物使土样的内部结构更加复杂，错综复杂的丝状物对土粒有了支撑作用。而在8%、10%木质素掺量的土样照片中，过量的丝状物架空了土壤内部结构，使内部较大孔隙增多，这也揭示了过量木质素改良湿陷效果变差的内在原因。通过对比，200倍放大图片的观测效果较好。

基于对木质素改良黄土孔隙特点的观察，黄土内部颗粒和胶结物质相互填充、相互交错。黄土中木质素掺入后形成的网络结构式纤维胶结物与土颗粒形成了错综复杂的内部结构，从而提高了黄土的抗湿陷能力。

通过扫描电镜结果可知，具有黏结性和螯合性的木质素，对散体结构的胶结性能有着显著的提升，能够使得黄土中原来较小的颗粒结合成团粒。并且黄土颗粒之间有了木质素的黏结后，使得土颗粒之间的胶结作用进一步增强，较大孔隙也伴随着木质素团聚物的出现而增多。研究证明木质素中具有碳原子和氢原子等疏水基，对水具有排斥作用［18］，在其包裹着黄土颗粒时，能减少水对黄土力学性质的影响，因此木质素改良黄土的抗湿陷能力也有显著提高。借助Liu等［19-20］开发的PCAS孔隙图像识别与分析系统，对电镜图片中的孔隙和裂隙进行识别与统计，可对试样土孔隙的形态、尺度和数量进行进一步分析。

表观孔隙比是孔隙面积与颗粒面积之比，能间接反映土体孔隙比［21］。平均孔隙面积可以反映孔径大小，其值越大表示大孔隙越多［22］。相较于2%木质素掺量的试样，4%木质素掺量的试样平均孔隙面积增大，而表观孔隙比减小（图25，表3）。随着木质素的增加，孔隙被不断地填充，孔隙总量减小。与此同时，孔径较大的孔隙却在不断增加，黄土结构强度降低，导致了木质素高掺量改良效果降低。

3 结论

木质素是一种环境友好型材料。相比于传统湿陷改良剂，木质素不仅绿色可降解，还在抑制黄土湿陷性方面具有量省效宏的特点。木质素具备的可降解却不易降解的特点，既保证了它的长效性，又避免了对土壤和地下水的不利影响。本文通过黄土湿陷性试验验证其改良效果，并通过电子光学显微镜和扫描电镜实验对其改良机理进行探究。主要结论如下：

（1） 利用黄土湿陷性试验，验证了木质素在抑制黄土湿陷性方面的效果，木质素掺量2%时即可达到改良效果，4%时效果最佳。当木质素掺量进一步增加，会引起改良效果逐渐降低。

（2） 木质素改良土在未遇水湿陷前垂向变形较大。木质素形成的团聚物，与黄土当中的水分接触时会发生微弱的膨胀，这种易变性使土颗粒之间的稳定联结难以形成，随之产生的弱胶结状态导致了形变提前释放，间接减少了湿陷的影响。

（3） 基于微结构分析发现了木质素可与土颗粒形成具有网络结构的纤维状胶结物。木质素遇水后形成的团聚物填充了土颗粒间的孔隙，同时加固了颗粒骨架，从而提高了土样的抗湿陷能力。

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（本文编辑：任 栋）

基金项目：鄂尔多斯市科技合作重大专项（2021EEDSCXQDFZ013）;国家自然科学基金项目（51778590）

第一作者简介：刘 伟，男，讲师，主要从事复杂环境下岩土体力学特性方面的研究工作。E-mail：liuwei@imu.edu.cn。

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