木钙对兰州黄土水理性质的影响

王沈力 李晓龙 刘辰麟 刘东发

摘要：為揭示木钙对兰州黄土水理性质的影响，基于不同的木钙掺量和养护龄期，通过水滴入渗试验、渗透试验和崩解试验分析木钙土斥水性、渗透性和水稳性，并利用X射线衍射试验、扫描电镜试验探讨木钙土的改良机理。研究结果表明：木钙的掺入可以提升黄土的斥水性、水稳性，低掺量木钙土提升幅度有限，高掺量木钙土整体表现良好，而减弱渗透性的作用有限;木钙土的水理性质发挥具有龄期效应;28 d养护龄期下，木钙土的水理性质参数随木钙掺量的变化存在广义上的峰值，但峰值与木钙掺量的关系存在一定差异;木钙土的水理性质同力学性质保持了一定的正向关联性。木钙土并未产生新的矿物成分，但土颗粒双电层厚度变薄，而且胶结生成物包裹联结颗粒、填充孔隙，从而改善木钙土的水理性质。

关键词：黄土; 木钙; 水理性质; 影响

中图分类号： TU444      文献标志码：A   文章编号： 1000-0844（2024）03-0637-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002

Influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess

WANG Shenli1， LI Xiaolong1， LIU Chenlin1， LIU Dongfa2

（1. Gansu CSCEC Municipal Engineering Investigation and Design Institute Co. Ltd.， Lanzhou 730000， Gansu， China;2. College of Civil Engineering and Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract： Based on the different contents of calcium lignosulfonate and curing ages， the water repellency， permeability， and water stability of calcium lignosulfonate were analyzed using the water drop infiltration， penetration， and disintegration tests， respectively， to reveal the influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess. The improvement mechanism of enhanced loess by calcium lignosulfonate is also discussed using X-ray diffraction and scanning electron microscope tests. Results show that the water repellency and stability of loess improved with the addition of calcium lignosulfonate. Moreover， the improvement of calcium lignosulfonate with low content is limited， while the overall performance of loess improved by high-content calcium lignosulfonate is good. However， the effect of reducing permeability is limited. The hydraulic properties of loess improved by calcium lignosulfonate demonstrate age effects： under the curing age of 28 d， a generalized peak value is observed in the hydraulic property parameters of loess improved by calcium lignosulfonate with its content. However， the relationship between peak value and content is different. A certain positive correlation is also observed between the hydraulic and mechanical properties of loess improved by calcium lignosulfonate. No new mineral composition is found in the loess improved by calcium lignosulfonate. However， the thickness of the electric double layer of soil particles becomes thin， and the cementing products wrap the connecting particles and fill the pores， thus improving the hydraulic properties of the loess.

Keywords：loess; calcium lignosulfonate; hydrological properties; influence

0 引言

我国的黄土［1］主要围绕着西北、华北以及东北地区呈带状展布，范围广且厚度大。黄土属于特殊土，富含钙质成分，具有大孔隙结构。自然状态下，黄土含水率较低，性质稳定，当遇水后，黄土性质和状态急剧劣化，进而呈现湿陷、水敏、液化等特性，所以水对黄土性质影响极大。压实黄土［2］通过重塑改变了原状黄土的结构，在力学性质、水理性质有了较大改善，但黄土成分、颗粒粒径等本体特性决定其工程性质改善的局限性，故长期以来人们一直致力于研究掺入外加剂改良黄土［3-5］，如石灰、粉煤灰、水泥等，使得改良后的黄土更好地满足工程需求。目前，利用工业副产物木质素改良黄土符合国家“变废为宝”的绿色发展方向，相关研究方兴未艾。

木质素［6］一般是指木质素制备物和木质素的衍生物。木质素属于三维高分子化合物，与纤维素、半纤维素构成植物的主要骨架，自然界储量极其丰富，仅次于纤维素。造纸业每分离提取3 t纤维素，就会产生约1 t木质素副产物。据不完全统计，我国造纸厂每年产生约5 000万t木质素副产物，多数以黑液的形式直接排入江河或浓缩后焚烧，这样处理不仅极大浪费资源，还严重污染了环境。因此，利用工业副产物木质素改良土体的技术应运而生，如Vinod等［7］提出了木质素磺酸盐加固粉砂的机理，认为木质素磺酸盐在土体中发生水解和中和作用，生成木质素磺酸盐聚合物，将土颗粒胶结并联结在一起，形成一个整体;Santoni等［8-9］利用木质素磺酸盐改良黏土和粉砂，其无限抗压强度明显增大，并提出木质素磺酸盐的最佳掺入比5%;张涛［10］主要从木质素改良粉土的物理力学性质、耐久性、微观表征、本构模型、应力-应变特性、效果评价等方面进行了系统性研究，为木质素改良土在国内推广应用提供重要支撑;侯琳等［11］研究得到木质素改良粉土和粉砂的抗冻性强于素土。国内外学者分别利用工业副产物木质素改良黏土、粉砂及粉土等，并取得了良好的效果。利用工业副产物木质素改良黄土也具有可行性，如贺智强等［12］和侯鑫等［13］通过研究得出木质素磺酸钙改良黄土的加固效果良好，并对其改良机制做出解释。

研究木质素改良黄土，力学性质的提升是重要目的，而水理性质也直接关系到工程建设的安全性和稳定性，是黄土地区必须考虑的问题，如地基工程、路基工程、大坝工程等。本文在木质素磺酸钙改良黄土（简称“木钙土”）物理力学性质研究的基础上，通过水滴入渗试验、渗透试验及崩解试验研究木钙土的水理性质，并利用X射线衍射试验、扫描电镜试验分析木钙土的改良机理，研究成果可为木质素在黄土地区的推广应用提供重要依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

（1） 黄土

本试验采用兰州地区黄土，砂粒（2～0.075 mm）、粉粒（0.075～0.005 mm）和黏粒（≤0.005 mm）含量分别为1.7%、87.7%和10.6%，属低液限粉土，基本物理性质列于表1。该黄土呈弱碱性，其中阳离子包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+，陰离子包括SO2-4、HCO-3、Cl-。

（2） 木钙

木质素磺酸钙简称为“木钙”，属于木质素的一种衍生物，淡黄色粉末，略有芳香气味，无毒无害，易溶于水，微酸性，稳定性良好，具有很强的分散性、黏结性、螯合性。木钙的基本指标参数包括pH4.5、含水量5.5%、木质素含量62.5%、钙离子含量5.28%等。

（3） 水泥

采用42.5普通硅酸盐水泥。

1.2 试验方法

定义掺量为干木钙与干土的质量之比，掺量选取1%、3%、5%、7%、9%（素土掺量为0%）。各掺量轻型击实试验结果列于表2。标准试样制备采用压实系数0.97、最优含水量，利用静压法制样，每组额外制备1～2个备用样。将制备好的试样立即置于密闭养护室养护，养护条件为温度（20±3） ℃，相对湿度≥45%。选用水泥掺量10%的水泥土为对照组。

试验参照《土工试验方法标准》［14］进行，各试验测试对应试样见图1。水滴入渗试验，又叫水滴穿透时间法，采用标准滴定管将蒸馏水（体积为0.05 mL）滴到土样表面，秒表记录水滴反光现象消失的时间即为水滴完全入渗时间，取3组平行试验结果的平均值作为水滴入渗时间，试样的直径102 mm、高60 mm，养护龄期选用1 d、7 d、28 d、90 d、180 d;渗透试验采用变水头渗透装置，试样的直径61.8 mm、高40 mm，养护龄期选用1 d、7 d、28 d、90 d;崩解试验是利用崩解仪测试试样完全崩解所需的时间，试样为边长50 mm的立方体，养护龄期选用1 d、7 d、28 d、90 d、180 d;X射线衍射试验采用日本Rigaku生产的X射线衍射仪分析，采用CuKa辐射，扫描范围为6°～80°，扫描速度为1°（2θ/min），工作电压为40 kV，工作电流为40 mA，制备试样的直径61.8 mm、高20 mm，养护龄期选用28 d，试验

时对试样再加工处理至满足试验要求;扫描电镜试验的设备为JSM-6510电子显微镜，试样规格、养护龄期同X射线衍射试验。另外，无侧限抗压强度试验采用TSZ-3型应变控制式三轴仪，试样的直径39.1 mm、高80 mm，试验过程中应变速率为每分钟轴向应变的2%，取3个平行试样的平均值作为试验结果，养护龄期选用28 d。

2 试验结果与分析

2.1 斥水性

土体斥水性是指水分不能或很难湿润土体颗粒表面的物理现象。水分滴在土体颗粒表面时，首先会保持液滴形状，如图2所示。在土体、水分、空气的三项系统中，存在接触角α，α越大，表明土体的斥水性越强。当土体的斥水性较弱时，表现为亲水性，α<90°，见图2（a）;当土体的斥水性较强时，α>90°，见图2（b）。

然而接触角一般很难直接测定，通常采用水滴入渗试验来测试土体的斥水性，水滴入渗时间越长，表明土体的斥水性越强。Dekker等［15］根据水滴入渗时间将斥水性分为5个等级，详列于表3，其中，以5 s作为是否具有斥水性的分界线。

图3为水滴入渗时间与龄期的关系曲线。木钙土的水滴入渗时间随着龄期的递增逐渐增长，前期速度较快后期较为平缓，且在28 d内完成了主要的增长，为180 d的76.9%～92.9%;参照表3，试样的斥水性可分为三类，高掺量（本文高掺量定义为5%～9%）木钙土跨越两个斥水等级，28 d内具有轻微斥水性，超过28 d后发展有强烈斥水性;低掺量（本文低掺量定义为1%～3%）木钙土各龄期范围内具有轻微斥水性;而素土和水泥土的水滴入渗时间随着龄期的增长变化很小，且各龄期范围内水滴入渗时间均小于5 s，即素土和水泥土具有亲水性。

由图4可知，各龄期的水滴入渗时间随木钙掺量增加先急剧增大后微弱减小。高掺量木钙土各龄期的水滴入渗时间均最高，即斥水性最强，其中28 d龄期后的水滴入渗时间可达素土的67～95倍。

相较于素土，木钙土的斥水性得到了显著提升，可以较好地阻止水分进入土体，有利于保持土体内部的干燥状态。分析认为，一方面是土颗粒双电层厚度变;另一方面，木钙属于一种有机高分子聚合物，含有疏水基团，如碳链、苯环等［10］，其覆盖土颗粒表面，持续发挥着斥水作用。

2.2 渗透性

图5为渗透系数与龄期、木钙掺量的关系曲线。可以看出各类土的渗透系数随着龄期的递增逐步减小，超过28 d后减小趋势放缓。试样渗透系数的位次为素土＞水泥土＞木钙土，说明木钙对渗透性有一定影响。渗透系数随着木钙掺量的增加而减小，减小幅度也在逐步降低，7%和9%木钙土的渗透系数基本相等。所有测定的渗透系数仅限于10-6级别，虽然木钙土的渗透性有所减弱，但作用有限。

2.3 水稳性

水稳性可通过崩解所需时间测试，崩解时间越长，表明水稳性越强。崩解，又称湿化崩解，是指土体在浸入静水后，由于土粒间的结构联结和强度丧失，使土体崩散解体的特性。素土和7%木钙土的具体崩解过程见图6。素土试样浸入水中后表面立即出现大量气泡，气泡向上漂浮至水面逸出，试样底部边缘先以粉末状剥落，周边逐步出现裂隙、孔洞，随后夹有片状、块状剥落，整个过程由外向内，由下向上发展，直至完全崩解。7%木钙土试样浸入水中后表面气泡很少，试样边缘处以粉末状缓慢剥落，剥落次序也是由外向内、由下向上，同素土的主要区别在于，7%木钙土崩解过程中没有片状、块状剥落，而且剥落速度缓慢。片状、块状剥落主要是由于水分沿着裂隙快速进入土体内部破坏结构联结引起，即素土试样发育有较多裂隙，7%木钙土更加致密，整体性好。

如图7所示，木钙土随着龄期的递增崩解所需时间快速增长，当超过28 d后，增长速度逐渐放缓并趋于平稳，28 d崩解时间达到180 d的62.5%～90.6%。素土的崩解时间随龄期变化不大。

由图8可知，各龄期的试样崩解时间随木钙掺量增长先增大后减小，且在掺量7%时达到最大值。过量的木钙优先同自身结合，形成较大粒径的木钙团粒，反而削弱了胶结作用力，水稳性随即减小。各龄期高掺量木钙土的崩解时间均最高，即水稳性最好，且28 d龄期后的崩解时间可达素土的17～36倍。

2.4 水理性质分析

木钙土水理性质的各表征参数在28 d内均快速变化，完成了主要的变化，说明木钙土的内部化学反应基本在28 d内完成;而超过28 d后，变化速度放缓并趋于平稳，因此，针对水理性质，木钙土的养护龄期可以定为28 d。

土体的水理性质，但木钙土的斥水性、水稳性并不是随着木钙掺量增加而持续增强，渗透性并不是随着木钙掺量增加而持续减弱。素土水理性质表现较差，低掺量木钙土提升幅度有限，而高掺量木钙土水理性质整体表现良好。

28 d龄期下，木钙土水理性质参数随掺量的变化呈现先增长后减小（渗透系数为先减小后平缓）的规律，即均存在广义上的峰值，但峰值与掺量的关系存在一定差异。为此，选定7%木钙土所对应参数为基准，计算5%和9%木钙土水理性质参数与7%木钙土的比值（表4）。由表4可知，9%木钙土的斥水性、渗透性、水稳性均略弱于7%木钙土，但整体差别很小;5%木钙土相较于7%木钙土，水稳性弱，渗透性强，差异约有30%～40%，斥水性基本相同。所以，从改善水理性质角度出发，针对兰州黄土，木钙土的最优掺量为7%。

图9中也加入了木钙土力学性质指标的对比，无侧限抗压强度是随木钙掺量的增加先增大后减小，在掺量7%时达到峰值，高掺量木钙土的无侧限抗压强度达到素土的4.5～5.2倍，即木钙土的力学性质同水理性质保持了一定的正向关联性。

3 改良机理探讨

选取素土、木钙土的X射线衍射试验测试图谱分析。由图10可知，素土和木钙土的衍射峰位基本相同，且衍射峰强比接近，说明木钙土中并未产生新的矿物成分，其矿物成分与素土一致，通过Jade6.0分析，木钙土主要矿物成分包括石英、白云母、钠长石、方解石、高岭石及伊利石等，各矿物成分含量依次为石英＞钠长石＞高岭石＞白云母＞方解石＞伊利石，与素土基本一致。

有研究［10］认为，木质素掺入土中发生一系列反应，形成带有正电荷的胶结聚合物，该聚合物通过静电引力作用吸附在带有负电荷的土颗粒表面，中和土颗粒电位。另外，木钙掺入土中引入了Ca2+，Ca2+与土中Na+发生离子交换反应，所以土颗粒双电层厚度变薄。

如图11所示，素土的骨架颗粒或是相互穿插，紧密堆积，形成缝隙状镶嵌孔隙，或是相互支架，形成较大的支架孔隙，孔隙体积偏大且數量较多，而木钙土中孔隙体积小且数量较少，主要由于土颗粒双电层厚度变薄，润滑性提高，利于填充孔隙，而且胶结生成物在不断包裹联结颗粒、填充孔隙，所以木钙土的密实程度提升较大。相同渗透压力下，水在木钙土试样内流通的速度放缓，渗透性得到一定程度减弱;木钙土中土颗粒双电层厚度变薄，从而也提升其斥水性;崩解的本质是水分进入土体内部、并弱化颗粒间胶结，最终破坏土体结构。木钙的掺入可改善土体的斥水性和渗透性，分别从土体表面和孔隙通道有效减缓水分进入土体，有利于保持土体内部干燥状态，另外，木钙本身具有很强的黏结性、螯合性，黄土颗粒间多黏附着木钙，且反应产生胶结生成物，胶结性能增强，所以木钙土的水稳性也得到提升。

4 结论

（1） 木钙对黄土具有改良作用。木钙的掺入可以提高黄土的斥水性、水稳性，低掺量木钙土提升幅度有限，高掺量木钙土整体表现良好，而减弱渗透性的作用有限。

（2） 木钙土的水理性质发挥具有龄期效应，工程应用时可取28 d为标准养护龄期。

（3） 同一养护龄期下，不同掺量木钙土的斥水性、渗透性和水稳性对应参数的变化规律存在一定差异。综合水理性质指标，建议木钙土的最佳掺量为7%。

（4） 木钙土并未产生新的矿物成分，但土颗粒双电层厚度变薄，而且胶结生成物包裹联结颗粒、填充孔隙，从而改善木钙土的水理性质。

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（本文编辑：张向红）

基金项目：甘肃省住房和城乡建设厅科研项目（JK2020-16）

第一作者简介：王沈力（1983-），男，硕士研究生，主要从事黄土地区工程地质的研究。E-mail：29275417@qq.com。

王沈力，李晓龙，刘辰麟，等.木钙对兰州黄土水理性质的影响［J］.地震工程学报，2024，46（3）：637-643.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002

WANG Shenli，LI Xiaolong，LIU Chenlin，et al.Influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：637-643.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002