冻融作用下木质素改良土的力学性能研究

马昕杨，董伟智*，夏林枫，欧阳云

1吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118 2中交一公局公路勘察设计院有限公司,北京 100024

0 引言

我国季节性冻土分布广泛,冻害问题一直是季冻区路基设计使用的一个难题[1-2].在外界温度的季节性交替变化中,路基土反复经受着冻结和融化过程,不良土质如粉质粘土,因其透水性能较差,在冬季低温时，路基内部会出现强烈的毛细水迁移和集聚现象,从而出现冻胀现象；在春季融化时,路基内部会聚集大量的水,在行车荷载的作用下,会产生翻浆现象,冻涨和翻浆严重影响着填料的强度和路基的使用寿命[3-7].在道路施工中通常采用相应的技术对不良路基填料进行改良,由于传统改良剂石灰水泥等在使用时会造成环境污染和能源消耗的问题,因此就需要寻找一种新型的替代材料.

木质素是一种广泛存在于植物体内高分子化合物,工业木质素主要来源于制浆造纸的副产物.我国造纸行业每年产生的绝大多数木质素仍作为废弃物处理,造成严重的资源浪费,还对环境产生一定的危害[8-10].将木质素用作土体改良剂,就可以实现资源的重新利用,变废为宝.目前已有许多学者对木质素的土体改良技术进行研究，刘松玉等[11]人、张涛等[12]人利用木质素改良粉土,通过宏观试验发现木质素可有效提高粉土的强度和耐久性,又通过微观研究揭示了木质素与土体间的相互作用机制.侯鑫等[13]人、贺智强等[14]人发现木质素可改善黄土的崩解特性,显著提高黄土的强度和刚度.向杨等[15]人发现木质素可以改善重庆紫色土的抗侵蚀性能.王明岳等[16]人研究发现木质素可以减小土体空隙,提高低液限粉土的最大干密度.钟秀梅等[17]人研究了不同制样方法对木质素改良黄土力学特性影响.

目前，对于木质素改良季冻区路基的研究较少,本文通过三轴压缩试验来研究在最佳含水率的条件下,不同木质素掺量、不同养生龄期和不同冻融循环次数对于改良土的影响.

图1 木质素Fig.1 Lignin

1 试验材料及方法

1.1 试验土料

试验用土取自吉林省某高速公路附近土场,基本物理指标见表1.

表1 土样的基本物理指标Table 1 Basic physical properties of soil samples

1.2 木质素

试验中所用的木质素源于河南某造纸厂的造纸副产物,

外观为黄褐色粉末,易溶于水,pH为10.14,如图1所示.

1.3 三轴试件的制备及试验方法

将试验用土风干碾碎后过2 mm筛,选用96 %的压实度,计算并准确称取所需质量的土样和木质素放入洁净的容器中,两者首先混合均匀,然后根据最佳含水率计算所需水的质量,使用喷壶洒水的方式,分多次加入,拌合均匀.最后将试料放入塑料袋内密封放置16 h后,取出使用制件脱模一体机静压成型.试件为直径39.1 mm,高度80 mm的圆柱体.将制作好的试件使用聚酯薄膜严密包裹,置于标准恒温恒湿养生箱(养生温度20 ℃±2 ℃,相对湿度≥ 95 %)内养生,到达预定龄期后对不同掺量和不同养生龄期的试件进行试验.试验方案如表2所示.

表2 三轴试验方案Table 2 Triaxial test scheme

1.4 冻融循环试验方法

冻融循环试验采用三轴试验的试件,冻结过程选在低温箱进行,温度设置为-20℃,时间设置为12 h.融化过程选在恒温干燥箱内进行,温度设置为20℃,时间设置为12 h.一次冻结一次融化为一次循环,共进行1～15次循环,取出一系列不同冻融循环次数的试件进行三轴试验.

1.5 三轴试验方法

选用TSZ-2 S全自动三轴试验仪进行三轴压缩试验,剪切速率为0.08 mm/min,采取不固结不排水(UU)的方法.

2 试验结果及分析

2.1 剪切峰值

2.1.1 养生龄期对改良土剪切峰值的影响

不同围压与不同木质素掺量的情况下,不同养生龄期对木质素改良土剪切峰值的影响如图2所示.

(a) 围压30 kPa (b) 围压60 kPa (c) 围压90 kPa图2 改良土剪切峰值与养生龄期的关系曲线Fig.2 Curve of the relationship between shear peak value and age of improved soil

由图2可知,随着围压的增大,改良土的剪切峰值随之增大.随着养生龄期的增加,各掺量改良土的剪切峰值均有明显增长；在14 d到28 d之间改良土剪切峰值增加最快,60 kPa下3 %峰值增加了24.50 %,6 %增加了24.62 %,9 %增加了28.22 %,12 %增加了7.84 %；28 d到60 d之间增速减慢,60 kPa下3 %峰值增加了13.44 %,6 %增加了10.21 %,9 %增加了2.21 %,12 %增加了1.18 %；经历60 d后,各个围压下9 %掺量的改良土剪切峰值处于最低,且弱于素土,其他掺量均优于素土,其中6 %和12 %的峰值较高.

在0 d养生期下,各掺量改良土剪切峰值都低于素土,原因可能在于木质素的加入打破了原有土体结构,填充了土颗粒的空隙,起到了一部分润滑的作用,导致剪切峰值有所下降.而经历养生改良土内部结构重组并趋于稳定,木质素起到了粘结土颗粒的作用,从而使得剪切峰值增大.

2.1.2 冻融循环次数对改良土剪切峰值的影响

图3为60 d养生龄期,不同冻融循环次数对改良土剪切峰值的影响.

(a) 围压30 kPa (b) 围压60 kPa (c) 围压90 kPa图3 改良土剪切峰值与冻融循环次数的关系曲线Fig.3 Curves of the relationship between shear peak value and freeze-thaw cycles of improved soil

整体来看,剪切峰值随着冻融次数的增加而减小,在12次循环后降幅趋于稳定.经历15次冻融后,3 %和6 %的剪切峰值较高,优于素土和其他掺量；30 kPa下素土降低了24.08 %,3 %降低了15.96 %,6 %降低了16.08 %,9 %降低了17.24 %,12 %降低了30.71 %.少量木质素的加入对于减少土体冻融损失率,提高抗冻性能具有一定积极的意义.反复的冻融循环破坏了土体本身的结构,改变内部空隙的大小,木质素的加入填充了土颗粒间隙,内部空间变得更加紧密,一定程度上减小冻融的影响[18].

2.2 抗剪强度参数

土的黏聚力和内摩擦角是土体的两个重要参数.图4为60 d养生龄期,不同木质素掺量的改良土黏聚力、内摩擦角与冻融循环次数的关系曲线.

(a) 黏聚力

(b) 内摩擦角

从图4(a)中可以看出,黏聚力随冻融次数的增加而降低,9次循环后变化趋于稳定.冻融0次时,3 %和6 %的黏聚力高于素土,而9 %和12 %的黏聚力低于素土,可以看出低掺量木质素的加入可以提高土体的黏聚力,高掺量时降低土体的黏聚力.6 %掺量的改良土经历15次冻融后降低了11.3 %,优于素土的19.43 %.素土孔隙中的水冻结后体积增大,破坏了原有结构,改变了土颗粒的连接,冻融前后土体内部孔隙变大,黏聚力下降[19].少量木质素包裹在土颗粒表面,起到粘结和减小空隙的作用,一定意义上减弱水冻结融化的影响并提高了整体的抗冻能力,而过多的木质素填充在土颗粒之间反而扩大了原本的间距,降低了抗冻性.

从图4(b)可以看出,6 %掺量的改良土内摩擦角受冻融影响较小,12 %掺量受影响变化较大,9 %掺量内摩擦角数值最小,素土的内摩擦角随冻融次数的增加出现先增大后减小的趋势；15次循环后6 %和3 %掺量内摩擦角较高,与黏聚力的试验结果类似.

3 结语

(1) 木质素在一定程度上提高了土体的抗冻性能,用于路基土改良具有一定可行性.

(2) 养生对于木质素改良土有积极意义,剪切峰值在14 d到28 d之间增长较快；28 d到60 d增长减慢,可选择养生28 d.

(3) 在冻融作用下,素土和改良土剪切峰值减小,在12次循环后趋于稳定.相比较于素土,木质素改良土冻融损失率较小.少量木质素的加入可以提高土体的黏聚力和内摩擦角,减弱冻融的影响,本试验中使用的木质素应用于土体改良可选择6 %.