木质素对红黏土物理力学特性的影响

陈学军，丁 翔 ，宋 宇*，徐科宇

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，桂林 541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室，桂林 541004)

木质素是一种丰富的可再生能源物质，存在于大部分陆地植物木质中，在植物的木质部含有大量的木质素使得木质部足以维持极高的硬度以承载整颗植物的重量。木质素在细胞臂的形成中是比较重要的，在木材中，木质素赋予了其刚性且不容易腐烂的性质，且全球年产量可达2×1011t[1-2]。广西木质资源丰富，尤其以桉树为主，已经在广西作为一种经济生产林业资源，人工种植范围超多2×106hm2[3]。桂林位于强岩溶发育地区，并且红黏土及次生红黏土主要分布于侵蚀溶蚀地貌的峰林平原，占整个第四系分布面积的75%，是桂林的主要设施建筑活动范围[4]。研究木质素对于红黏土的改良效果应用前景比较有意义。

中外学者对木质素改良土体已经有了初步研究。Ceylan等[5]认为木质素是一种较好的改良材料，木质素应用于土体有可行性；Tingle等[6]通过实验研究木质素对黏土力学性质的影响，发现木质素能够效提高土体强度；Vinod等[7]研究发现木质素能有效提高分散黏土的抗侵蚀冲击性能；张涛[8]利用木质素改良东南地区的粉土路基得到了木质素的最优掺量为12%，并且通过改良发现木质素改良土的耐久性优于石灰土；林罗斌[9]通过把木质素掺入粉煤灰，两种材料按照一定比例混合形成一种新型改良剂，用作土体抗冻融能力；贺智强等[10]利用木质磺酸钙固化黄土，实验结果发现木质磺酸钙通过胶接土颗粒和填充孔隙改善了黄土的崩解特性；侯鑫等[11]通过掺入5%的木钙使素黄土的无侧限抗压强度提高了5.58倍；张建伟等[12]通过研究木质素对冻融循环下的黄泛区粉土无侧限抗压强度的影响，发现木质素对于黄泛区的耐久性有显著的改良效果。

桂林属于典型的酸雨区pH月平均范围为3.84～5.38，酸雨频率为81%[13]，木质素不溶于水和弱酸，且拥有良好的分散性和柔韧性，能提高红黏土的抗腐蚀性和稳定性，因此探究木质素改性桂林红黏土物理力学的效果，为木质素在桂林红黏土工程性质中的应用提供理论依据，进一步提高广西地区木质资源的利用，降低因改良红黏土造成的环境破坏，保护旅游城市的生态，遵循可持续发展的理念。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为红黏土和木质素，红黏土取自桂林市雁山某工地3.0 mm(图1)，偏酸性，结构分散度高，容重大，孔隙比较大。木质素则为拥有特殊芳香气味的黄色粉末(图2)。桂林红黏土参数如表1所示，木质素纤维基本材料如表2所示。

图1 红黏土取土现场Fig.1 Red clay borrow site

图2 木质素纤维Fig.2 Lignin fiber

表1 桂林红黏土的基本参数Table 1 Basic parameters of Guilin red clay

表2 木质素纤维基本材料Table 2 Basic materials of lignin fiber

1.2 试样制备

将从现场取回的红黏土，放入100～110 ℃烘箱中烘干后，碾散过2 mm标准筛，按照2%、4%、6%、8%的掺入量称取不同质量的木质素和土样充分搅拌均匀，依据最优含水率，加入相应质量的水，配置30%的含水率的土样，用塑料薄膜和湿纸巾覆盖一昼夜，使得土样均匀。再依据不同干密度对于重塑红黏土变形特性的影响[14],当红黏土的干密度为1.4 g/cm3时，红黏土属于硬化性，土骨架密实，土颗粒间接触面积大，所以选取1.4 g/cm3为试验的干密度，并且制备直径为39.1 mm，高度为80 mm的三轴样。

1.3 试验方案

依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[15],利用南京土壤仪器有限公司生产的GYS-2数显式土壤液塑限联合测定仪测定界限含水率试验，使用PHS-3C酸碱测试仪测定pH，分别对0、2%、4%、6%、8%掺量下的木质素改性土进行测试。使用DW-1型无侧限压缩仪进行无侧限抗压强度试验。分别对1、7、14、28 d养护龄期下的不同木质素掺量的改性土进行测试。

2 结果与分析

2.1 界限含水率试验

液塑限是土重要的基本物理性质之一，在工程建设中有重要的意义，室内试验结果表明，随着木质素掺量的不断增大，木质素改性土的界限含水率也会随着发生相应的变化，由图3可以看出，液限和塑限也会随着木质素掺量的增加而增大，当掺量达到8%时，素土塑限上升约5.63%，液限上升约33.3%，塑性指数上升约85.7%。塑限上升的幅度较小，液限上升的幅度较大。塑性指数则上升接近1倍，塑性指数的上升，则意味着黏粒含量的增加或者亲水矿物含量愈高，土在可塑状态的含水量变化愈高。木质素的添加对于红黏土的影响较大，能够改变其稠度界限。

图3 界限含水率随木质素掺量的变化Fig.3 The change of the critical moisture content with the lignin content

2.2 pH试验

(1)

(2)

当木质素和土形成的新的胶结体，或者填充黏粒孔隙时也会吸附金属阳离子。由于木质素的pH在7～9，掺量的增多会导致OH的浓度增大，可选择吸附的离子浓度增大，热力学电位增大。通过和掺量进行对比关联，可得到掺量和pH之间的关系，如图4所示。

2.3 pH对界限含水率的影响

李善梅等[19]研究了pH对于桂林红黏土界限含水率的影响，通过研究酸、碱性环境下的液塑限，判断污染红黏土的稠度界限，以此来定义红黏土的工程分类，根据此想法，木质素改性下的红黏土，会引起pH的变化，改变其酸碱性，探究是否可以根据pH的变化来判断改性土的稠度界限。由传统黏土可塑性理论可知，黏土的颗粒越小、分散度越高、比表面积越大、亲水性越强，其扩散层越厚，可塑性越高，说明木质素作为一种有机质与桂林黏土的可塑性有一定的相关性。界限含水率是红黏土的物性参数之一，木质素的掺入会使得红黏土的pH发生变化，这两种参数之间存在某种内在联系，通过测定不同掺入比下的液限和塑性指数，并将它们与所测得的pH进行对比，找出不同掺入比下界限含水率和塑性指数的关系，如图5所示。

图4 木质素掺入量和pH关系曲线 Fig.4 The relationship curve between the amount of lignin and pH

图5 pH和液限、塑性指数的关系曲线Fig.5 The relationship curve between pH and liquid limit,plasticity index

3 无侧限抗压强度试验

3.1 木质素掺量对红黏土无侧限抗压强度的影响

图6为木质素掺量和养护龄期对改性桂林红黏土的无侧限抗压强度试验结果，从图6可以看出，当木质素掺量在0～8%时，随着木质素掺量的不断增多，在相同龄期下，无侧限抗压强度也呈现不断增大的趋势。当木质素掺量到8%时，在养护龄期28 d下，无侧限抗压强度达到最高。

图6 木质素掺量与红黏土无侧限强度关系Fig.6 The relationship between lignin content and unconfined strength of red clay

通过对不同掺量和不同龄期的木质素改性土进行无侧限抗压强度试验后，得到木质素改性土应力-应变曲线如图7所示。曲线主要分为3个阶段：①为初始屈服阶段，切线模量较大主要表现为土样的压密性；②为应力强化阶段主要表现为轴向应力随轴向应变增大而增大，切线模量较缓；③为破坏阶段主要表现为试样遭到破坏，应力随着应变不断下降，从图7可以看出，不同掺量下的木质素改性土都是随着应变的增大先增大后减小。这是由于试样在应力达到峰值时，开始产生破坏，试样产生屈服，该峰值应力即为试样的无侧限抗压强度，超过该峰值点后试样就会发生破坏，不同掺量下的木质素改性土试样在弹性阶段内的斜率要小于素土的斜率，说明改性土的弹性阶段持续时间长，素土破坏时应变在2%之内，改性土随着掺量的不断增大，试样破坏时的应变也会随之增大。素土破坏主要以剪切破坏为主，沿主裂缝从上贯通而下，裂隙倾角约为40°，试样整体破坏，承载力瞬间丧失。随着掺量的不断增大，试样先发生鼓胀变形，随着轴向压力的不断增大，试样出现裂隙最终局部出现破坏，裂隙较小，且贯通长度较小，土体破坏程度较小。

从图8可以看出，不同木质素的掺量与改性土无侧限抗压强度的关系，与素土相比，无侧限抗压强度呈现上升的趋势，当养护龄期达到28 d时，8%掺量的木质素相对于素土无侧限抗压强度提高了2.93倍。目前改良剂对土体加固主要两个方面：一方面是填充土颗粒间的孔隙，改变土体结构，从而增加土体抗压强度；另一方面是与土体发生反应，形成胶结物质，从而包裹土颗粒，形成一个新的整体，达到提高强度的效果。红黏土孔隙比较高，木质素的掺入，起到了填充红黏土孔隙的效果，并且与土体胶结在一起，形成新的一种结构使得木质素无侧限抗压强度得到了提升。

图7 木质素改性土应力-应变曲线Fig.7 Stress-strain curve of lignin modified soil

图8 木质素掺量对红黏土无侧限抗压强度的影响Fig.8 The influence of lignin content on the unconfined compressive strength of red clay

3.2 养护龄期对无侧限抗压强度的影响

试验进行了4个龄期的养护(1、7、14、28 d)，图9为养护龄期对于改性红黏土无侧限抗压强度的影响曲线。从图9可以看出，木质素改性土的无侧限抗压强度随养护龄期的增长而不断增大，且时间越长，强度提升的也就越明显。与其他改良剂不同，木质素在土体中的反应时间相对较长，需要更多的时间与土体胶结在一起，抗压强度随着时间的增长而增长。

图9 养护龄期对于改性土的无侧限抗压强度的影响Fig.9 The effect of curing age on the unconfined compressive strength of modified soil

3.3 无侧限抗压强度和掺量龄期的关系

将木质素的掺量和无侧限抗压强度进行对比关联，找出不同龄期下木质素改性红黏土力学特性指标与木质素掺量之间的变化关系。由图10可知，不同养护龄期下，无侧限抗压强度和掺量呈现出较好线性关系。无侧限抗压强度在0～8%之间随着掺量的增加而线性增大，其拟合式为

qu=36.753 2x+125.716 87

(3)

式(3)中:qu为无侧限抗压强度；x为木质素掺量,其相关系数R2为0.959 74，线性相关性较高，可以为木质素在广西红黏土的应用，提供理论理论参考依据。

图10 木质素掺量和无侧限抗压强度关系曲线Fig.10 The relationship between lignin content and unconfined compressive strength

4 机理分析

4.1 电镜扫描

通过扫描电镜将素土放大200倍可以看出土颗粒自然断面下的微观成像，对土颗粒的孔隙特征，外观形态，结构排列方式，土体之间的黏结状态进行分析。可以看出素土的土颗粒间距较大[图11(a)]，孔隙大，孔隙率较高，土颗粒之间的黏结较差，土颗粒之间的缝隙较明显，土颗粒棱角分明，土体之间密实度较差，土体骨架主要以大颗粒为主，小颗粒存在于大颗粒的骨架之间，这也是素土强度较低的原因。

木质素改性下的红黏土[图11(b)]用扫描电镜放大200倍可以看出，孔隙分布不太明显，孔隙不能清晰辨别，土颗粒之间黏结较紧密，木质素纤维嵌入在土颗粒之间，被土颗粒紧紧包围在一起，土体之间密实度较高。土体骨架由木质素纤维为主，土颗粒附着在纤维附近，土颗粒的表面粗糙程度降低[20]，木质素纤维不仅起到了填充孔隙的作用，并且能够改变原有的土颗粒排列形式，起到黏结土体的作用，使得土体结构更紧密，强度得到大幅度的提高。

图11 素土及改性红黏土SEM照片Fig.11 SEM photo of plain soil and modified red clay

4.2 X射线衍射(XRD)试验结果分析

图12为未掺加木质素的红黏土和掺加8%木质素的改性土的X射线衍射图谱。由图可知素土和掺加木质素的改性土衍射图谱重合度较高。各衍射峰出现位置基本一致，木质素的掺入并不能使得红黏土产生其他物质。

采用HighScore对衍射图谱进行分析，可确定其矿物成分。经分析，红黏土主要有石英SiO2高岭石Al2SiO5(OH)4,赤铁矿FeO(OH)。木质素改性土的主要成分与素土基本一致，具体矿物成分如表3所示，从侧面证明，木质素是一种惰性材料在红黏土中只起到填充孔隙和黏结颗粒的作用。并不会和红黏土发生化学反应，稳定性较好。

图12 XRD衍射图谱Fig.12 XRD diffraction pattern

表3 试样的矿物成分

5 结论

(1)红黏土的液塑限和pH随着木质素掺量的增加而增大。对于高液限红黏土来说界限含水率改性效果不太理想，但是对于pH来说，红黏土由原来的弱酸性偏向中性，能够有效提高红黏土的抗腐蚀性。

(2)木质素能够有效改良红黏土的抗压强度，并且在0～8%呈现线性增长，由于红黏土的强度特性是上硬下软的特性，也就是随着深度红黏土的强度特性会越来越小，可以根据实际的强度对木质素进行添加。运用到地基中，可提高地基承载力。

(3)木质素在红黏土中主要起到填充孔隙和黏结的作用，在土体中能够提其整体的结构性。