季冻区木质素改良土工程性质试验研究

徐永丰 冉贵营 朱可予 司雪婷 李家宇

摘要：在季冻区，冻融作用对路基的性能和稳定性提出了更高的要求，使用新型环保的木质素作为路基改良剂作为路基填料具有广阔的应用前景。本文对木质素改良土的工程性质进行研究，试验研究结果表明，冻融前，随着木质素掺量增加，CBR先升高再降低，膨胀率先降低再升高，吸水量规律不明显，无侧限抗压强度不断降低，动回弹模量不断上升;冻融后，随着木质素掺量增加，无侧限抗压强度先增大再减小，动回弹模量不断增加。无侧限抗压强度和动回弹模量在冻融后的衰减量均小于素土，说明木质素的掺入可以提高土体的抗冻性。

关键词：季冻区，路基，木质素改良，工程性质

引言

目前在路基工程中大多采用对路基填料进行改良，使用化学改良剂石灰、水泥等无机改良材料，Croft[1]通过试验研究得出石灰加入土中可以显著改善膨胀土的膨胀性，进而提高强度，Bahar[2]发现水泥能有效提高砂土的抗压强度。贺建清[3]通过扫描电镜和能谱分析发现石灰在土体内部形成网状的钙矾石晶体。本文通过导热系数与CBR试验研究了冻融与木质素掺量对土体的导热性、承载能力、膨胀量及吸水量的影响，利用SEM探究了冻融与木质素对土体微观结构的影响，并借助EDS、XRD与FTIR分析了木质素对土体化学元素、矿物成分及官能团的影响，从而建立了冻融条件下木质素改良土宏观工程性质与微观结构特征的关系。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

土样取自吉林省西部地区某高速公路工程，土颗粒相对密度为 2.612。颗粒分析得出：大于0.075 mm颗粒含量为10.6%，0.005 mm～0.075 mm的颗粒含量为65.4%，0.000 mm～0.005 mm的颗粒含量为24%。试验用木质素取自河南省漯河市某造纸厂，呈现黄褐色，粉末状固体，含少量水分，带有腐臭味。

1.2试样准备

取代表性风干土样过筛，按照土样的最佳含水率和最大干密度，计算好掺量为1%、3%、5%的木质素和土样，将其拌和好并放入黑色塑料袋中密封浸润24h，然后将土料倒入模具中，采用静压法成型，每种掺量的试件为6个。无侧限抗压强度模具尺寸为直径50mm，高度50mm的圆柱体钢膜，CBR的模具尺寸为直径152mm，高度120mm的圆柱体钢膜，动三轴试验的模具尺寸为直径39.1mm，高度为80.0mm的圆柱体钢膜。成型后的试件放入温度为20℃，相对湿度为95%条件下的标准养护箱中，养生7d。完成养护的土样一部用于冻融循环前的试验研究，一部分放入高低温交变试验箱内进行冻融循环，设置冻结和融化的温度为20℃和-20℃，冻结和融化时间分别为24h，冻融循环次数为9次。

1.3 试验方法

采用路面材料强度试验机完成木质素改良土的无侧限抗压强度的测定。在路面材料强度试验仪上，安放好试件，采用50 kN加载感应头，加载速率为1 mm/min，进行贯入试验，记录位移值与压力值，依据规程计算膨胀量、吸水量与CBR。本文依据规范[8]试验方法与文献[9]制定出的细粒土路基三轴试验加载序。采用的德国Wille生产的动三轴试验仪进行重复加载三轴试验。

2试验结果分析

2.1 CBR

木质素改良土的CBR值随着木质素掺量的增加呈先增大后减小的趋势，1%木质素改良土CBR较素土增加了29.0%，而3%和5%木质素改良土CBR降低了5.8%、31.4%。由此可知，1%木质素为最佳掺量，CBR取得最大值，而木质素掺量过多，会使土体的CBR值降低。

2.2 膨胀率

木质素改良土的膨胀率随着木质素掺量的增加呈先降低后上升的趨势，1%和3%木质素改良土的膨胀率较素土降低了16.7%、5.6%，而5%木质素改良土上升了7.4%。由此可知，少量木质素可以减小膨胀率，起到减小浸水膨胀的效果，也能在一定程度上提高土体的抗变形能力和水稳性能。

2.3 吸水量

木质素改良土的吸水量随着木质素掺量的增大，呈先减小后增大再减小的趋势。1%、3%和5%木质素改良土的吸水量较素土分别减小了22.5%、9.2%、13.4%。由此可知木质素的掺入可以起到一定的阻水作用，并且掺量少效果更佳，可能由于木质素掺入土体后起到了填充孔隙的作用，而且木质素具有胶结作用，使土颗粒之间连结更密实。

2.4 无侧限抗压强度

冻融前，木质素改良土的无侧限抗压强度随着木质素掺量增加而减小;冻融后，木质素改良粉质黏土的无侧限抗压强度随着木质素掺量增加呈先增加后减小的趋势，且冻融后的无侧限抗压强度均比冻融前的强度低。冻融前，木质素掺量为1%、3%及5%的改良土较素土无侧限抗压强度减小了2.9%、17.8%、27.4%。冻融后，木质素掺量为1%、3%及5%的改良土较素土无侧限抗压强度提高了19.5%、8.6%、6.1%，这说明木质素的掺入有效提高了土体的抗冻性，而且冻融以后的衰减量也远远小于素土。

2.5 动回弹模量

冻融前后木质素改良土的动回弹模量随着木质素掺量的增加而增加，经历冻融循环作用以后的改良土动回弹模量普遍降低。偏应力一定的条件下，围压15kPa、30kPa、45kPa和60kPa条件下敌营的动回弹模量在冻融循环后，素土的下降了22.3%、21.1%、19.3%、17.6%，1%木质素改良土下降了14.6%、12.0%、9.7%、8.2%，3%木质素改良土下降了15.2%、10.0%、6.1%、4.4%，5%木质素改良土下降了4.2%、5.7%、5.9%、6.4%。

3 结论

本文分析了冻融循环作用与木质素掺量对木质素改良土的宏观工程性质的影响规律，得出如下结论：

（1）木质素掺量从0%增加到5%，CBR值先增大再降低，在1%木质素掺量达到最大值，膨胀量先降低后升高，吸水量规律并不明显，少量木质素可以提高土体的强度和水稳性，木质素掺量增多则效果下降，木质素最佳掺量为1%。

（2）冻融前，无侧限抗压强度随木质素掺量的增加逐渐减小，冻融后，无侧限抗压强度随着木质素掺量的增加先升高再降低，木质素的掺入使冻融后的衰减量小于素土，提高了土体的抗冻性。

（3）冻融前后木质素改良土的动回弹模量随着木质素掺量的增加而增加，冻融的改良土动回弹模量普遍降低。冻融后的木质素改良土动回弹模量衰减率明显小于素土，提高了土体的抗冻性。

参考文献

[1]Croft JB.The influence of soil mineralogical composition on cement stabilization[J]. Geotechnique， 1967， 17， 119-135.

[2]Bahar R， Benazzoug M， Kenai S.Performance of compacted cement-stabilized soil[J]. Cement and Concrete Composites， 2004， 26（7）， 812-820.

[3]Ceylan H， Gopalakrishnan K， Kim S.Soil stabilization with bioenergy coproduct[J]. Transportation Research Board， 2010， 2186： 130-137.

[4]贺建清. 石灰改良土路基填料的动力特性及应用研究[D]. 长沙： 中南大学， 2005.

[5]贺智强， 樊恒辉， 王军强等. 木质素加固黄土的工程性能试验研究[J]. 岩土力学， 2017， 38（03）： 731-739.

[6]胡翔宇. 木质素基土壤稳化剂的机理研究和原子模拟[D]. 南京： 东南大学， 2018.

[7]中交第二公路勘察设计研究院有限公司. JTG D30-2015 公路路基设计规范[S]. 北京： 人民交通出版社股份有限公司， 2015.

[8]陈声凯，凌建明，罗志刚. 路基土回弹模量应力依赖性分析及预估模型[J].土木工程学报，2007，40（6）： 95-104.

[9]Fu Zhu， Weizhi Dong， et al. （2018） Geotechnical properties and microstructure of lime-stabilized silt clay. Bulletin of Engineering Geology and the Environment. 78，2345-2354.

doi：10.1007/s10064-018-1307-5

收稿日期：2021-04-02

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（202110191133X）;省级大学生创新创业训练计划项目（S202110191102）

作者簡介：徐永丰，男，1998年11月生，大学本科，主要从事道路工程材料的研究。