EICP-木质素联合固化粉土的试验研究

张建伟，王小锯，李贝贝，韩一，边汉亮

(河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004)

目前，把木质素和EICP结合起来改良土体的研究几乎没有，为了弥补这一空白，改良EICP技术中碳酸钙的聚集方式，利用木质素-EICP联合技术，对粉土进行改良，通过三轴试验、无侧限抗压强度试验、SEM扫描电镜试验和XRD分析，研究EICP-木质素联合技术对土体宏观和微观特性的影响，试验结果表明：在EICP技术中添加木质素，可以提高土体的黏聚力和内摩擦角，无侧限抗压强度也有所提高。从微观上，添加木质素可以为EICP技术生成的碳酸钙提供成核位点，且生成的碳酸钙晶型都是稳定的方解石。

采取不同掺量的木质素对EICP固化土加以改良，进行三轴固结不排水剪切试验。取烘干后的土样过筛，取不同掺量的木质素与土样搅拌均匀，将EICP溶液代替水溶液加入粉土中进行搅拌和处理制样，然后进行三轴试验，其中，反应液浓度为0.75 mol/L，氯化钙与尿素1∶1混合。结果发现：与未掺木质素的EICP改良土相比，EICP-木质素改良土的抗剪强度、黏聚力和内摩擦角都更高。

采用无侧限抗压强度试验对不同的改良土试件进行对比试验，其中，木质素掺量都为5%，试验过程严格按照规范进行，计算试验数据得到不同改良土的应力-应变关系曲线，如图1所示，不同改良土的应力都随着应变的增加先增大后减小，这是由于试件应力达到最高点后开始产生破坏，试件产生屈服，不同的改良土试件在弹性阶段内的斜率要大于素土的斜率，说明改良土弹性阶段持续时间短，素土破坏时应变在4.5%左右，EICP改良土的试件破坏时的应变在3%左右，木质素掺量为5%的改良土试件破坏时的应变在2.3%左右，而EICP-木质素试件破坏时的应变在1.6%左右，说明在EICP技术中添加木质素可以有效改善粉土的力学性能。

图1 不同改良土的应力-应变曲线Fig.1 Stress-strain curves of different reinforced

为了进一步研究木质素在EICP改良土中的作用机理，取试验后的土样进行放大500、2 000倍的扫描电镜实验。结果如图2所示，图2(a)是木质素处理过的粉土样微观图，图2(b)是EICP技术处理过的粉土样微观图，图2(c)是用EICP-木质素联合固化技术处理过的土样微观图。

从图2放大500倍的微观对比图可以看到：图2(a)、(b)虽然也形成了联结土颗粒的胶结物质，但是与图2(c)相比，生成的胶结物质明显减少很多。从图2放大2 000倍的微观图可以看到：图2(a)生成的有填充土颗粒孔隙的丝状结构，图2(b)生成的有块状碳酸钙，但分布杂乱，没有成核点，图2(c)的土颗粒之间相互联结最好，红圈标出的是木质素和碳酸钙联结在一起形成的花瓣状的胶结物，填充了土颗粒之间的孔隙，说明木质素为碳酸钙提供了成核位点，弥补了EICP技术中没有成核位点的缺陷，在宏观上可以体现为提高抗剪强度和黏聚力，改善土体的工程性质。

图2 不同改良土的SEM图Fig.2 SEM images of different improved

EICP技术中生成的碳酸钙有同质多象体，同质多象体是具有相同的化学组分，在不同的物理化学环境中，能形成结构不同的几种晶体。碳酸钙的同质多象体分别为方解石(calcite)、文石(aragonite)和球霰石(vaterite)。其中，方解石是热力学最稳定的矿物相，具有较高的机械强度；文石在地表呈亚稳定相；通常情况下球霰石是热力学最不稳定的晶型，结构松散，稳定性差，很难被保存，作为加固用的碳酸钙晶型，本身具有短板。图3是用EICP-木质素改良粉土(木质素掺量为0%、3%、5%)进行XRD试验得到的物质分析图，碳酸钙的晶型只有方解石，没有球霰石，说明使用该技术加固土体可以从内部消除工程隐患。

图3 XRD分析

EICP-木质素联合固化技术能提高土体的抗剪强度和粘聚力，通过微观试验可以看出，木质素的作用机理主要是改变了EICP产生分散碳酸钙的方式，为碳酸钙提供成核位点，在土颗粒间隙中将无规律的碳酸钙聚拢成型。