木质素改良粉土无侧限抗压强度特性.pdf

江苏大學学报（自然科学版）JOURNAL OF JIANGSU UNIVERSITY(Natural Science Edition)D0I:10.3969/j.issn.1671-7775.2023.05.0172023年9 月第44卷第5 期Sept.2023Vol.44No.5开放科学（资源服务）标识码（OSID）：影木质素改良粉土无侧限抗压强度特性周恩全”，居东煜，崔，磊，张曼，左熹”（1.江苏大学土木工程与力学学院，江苏镇江2 1 2 0 1 3；2.金陵科技学院建筑工程学院，江苏南京2 1 1 1 6 9）摘要：为了研究木质素改良粉土的力学性能，通过无侧限抗压强度试验和扫描电镜试验研究了木质素改良土的无侧限抗压强度，分析了木质素掺量、养护龄期、孔隙率及骨架孔隙比的影响.研究结果表明：改良土的无侧限抗压强度随木质素掺量的增大呈先增大、后减小的趋势，随着养护龄期的增大呈逐渐增大的趋势；建立了双曲线模型，预测改良土的无侧限抗压强度与养护龄期、木质素掺量的关系；在粉土中因添加木质素而生成的胶结物质改变了粉土的孔隙率和骨架孔隙比，改良土无侧限抗压强度随着骨架孔隙比的增大而减小；木质素掺量为8%时，孔隙率和骨架孔隙比达到最小值，而无侧限抗压强度达到最大值.关键词：木质素；粉土；无侧限抗压强度；骨架孔隙比；养护龄期中图分类号：U416.1引文格式：周恩全，居东煜，崔磊，等木质素改良粉土无侧限抗压强度特性 J.江苏大学学报（自然科学版）,2 0 2 3,44（5）：6 1 4-620.Unconfined compressive strength properties of lignin modified silt文献标志码：A文章编号：1 6 7 1-7 7 7 5(2 0 2 3)0 5-0 6 1 4-0 7ZHOU Enquan,JU Dongyu,CUI Lei,ZHANG Man,ZUO Xi?(1.Faculty of Civil Engineering and Mechanics,Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China;2.College of ArchitecturalEngineering,Jinling Institute of Technology,Nanjing,Jiangsu 211169,China)Abstract:The unconfined compressive strength properties of lignin modified soil were investigated byunconfined compressive strength tests and scanning electron microscope tests,and the effects of lignincontent,curing age,porosity and skeleton void ratio were analyzed.The results show that with theincreasing of lignin content,the unconfined compressive strength of modified soil is increased with latterdecreasing.The unconfined compressive strength of the modified soil is increased with the increasing ofcuring age.The established hyperbolic model can predict the relationship among unconfined compressivestrength,curing age and lignin content.The addition of lignin changes the porosity and skeleton porosityratio of the silt.The unconfined compressive strength of the modified soil is decreased with the increasingof skeleton porosity ratio.When the lignin content is 8%,the porosity and skeleton porosity ratio reachthe minimum values,while the unconfined compressive strength reaches the maximum value.Key words:lignin;silt;unconfined compressive strength;skeleton porosity ratio;curing age我国长江三角洲平原地区、江苏省北部的黄河泛滥区等区域的工程建设中常会遇到粉土.粉土是一种具有特殊工程性质的低塑性土，主要粒组成分为粉粒和砂粒且内部孔隙丰富，毛细水效应显著.收稿日期：2 0 2 1-1 0-2 1基金项目：国家自然科学基金资助项目（5 1 5 0 8 2 36）；江苏高校“青蓝工程项目（苏教师函 2 0 2 1 1 1 号）作者简介：周恩全（1 9 8 6 一），男，山东烟台人，博士，副教授（），主要从事环境岩土工程及土动力学研究.居东煜（1 9 9 7 一），男，江苏苏州人，硕士研究生（8 0 6 0 5 0 1 33 ），主要从事环境岩土工程及土动力学研究.615第5 期周恩全等：木质素改良粉土无侧限抗压强度特性降雨或地下水水位过高会导致粉土路基强度及稳定性有所降低，造成道路的使用性能下降,寿命衰减,因此有必要对粉土处理开展研究.木质素被认为是一种能够改良土体性能,且对生态环境没有污染的改良剂.木质素是植物界中储量仅次于纤维素的第二大生物质资源，全球每年以1500亿t的速度再生.在我国，每年产生5 亿6 亿t的农作物秸秆 ,木质素储量达到约1 亿t.同样，我国制浆造纸行业每年也能够产生约5 0 0 0 万t的木质素副产品 2 ，而超过9 5%的木质素副产品未能得到合理的有效利用 3,大多以“黑液”形式直接排放到河流，造成了资源的浪费和环境污染。国内外已有研究者开展木质素改良土的研究，且有了一定的工程应用.J.S.TINGLE等 4 通过室内试验对木质素改良黏土进行研究，结果表明掺加木质素后的土体无侧限抗压强度明显提高，水稳性更好.H.CEYLAN等 5 对液体木质素和粉末状木质素的路基土改良效果进行研究，发现两种不同状态的木质素能够提高低塑性黏性土的强度，认为木质素可以代替粉煤灰改良路基土.LIUW.等 6 基于室内三轴试验发现，木质素改良黄土的抗剪强度和应变硬化程度随木质素掺量的增加而增加.王建勋等 7 向河底淤泥中掺人一定量的生石灰和木质素，研究结果表明改良土具有较低的含水率，强度明显增加.林罗斌 8 通过三轴试验从围压、木质素掺量、含水率和养护条件等4个方面探讨了改良土的峰值强度，发现木质素掺量为0.5%1.0%时，改良土峰值强度最高.贺智强等 9 通过无侧限抗压强度试验和三轴压缩试验研究木质素改良黄土的工程性质,结果表明随着木质素掺量的增加，改良土的抗压强度和抗拉强度均呈先增加、后降低的趋势，最佳掺量为1.0%.张涛等 1 0 通过无侧限抗压强度试验和微观结构分析,研究木质素改良粉土的应力一应变特性，结果表明木质素掺量为1 2%时，改良土工程性质最优.木质素改良土的力学特性受到其孔隙特征的显著影响.目前研究者主要利用扫描电镜和图像处理技术研究木质素改良土的孔隙特征，但是从骨架孔隙比的角度分析木质素改良土细观接触状态的研究鲜有报道.笔者通过无侧限抗压强度试验，结合图像处理技术及对孔隙率、骨架孔隙比的分析，研究木质素改良粉土的无侧限抗压强度及影响因素.1试验材料与方法1.1试验材料本试验所采用的粉土及木质素粉末实物照片如图1 所示.25mm25mm(a)粉土图1 粉土及木质素粉末照片粉土取自江苏省苏州市，天然含水率为8.9%，液限、塑限分别为2 7.0%和1 8.3%，最大干密度为1.44g/cm，最优含水率为1 8.6 4%，土粒比重为2.71.木质素取自山东某造纸厂，分子式为CzoH24-CaioS2,是一种天然的高分子聚合物,具有特殊的芳香气味,且黏性较大,溶于水后的溶液呈现黑褐色.试验粉土的颗粒级配曲线如图2 所示,其均值粒径dso=0.070mm,不均匀系数 Cu=6.6,曲率系数C。=1.2.100%/6040200103图2 粉土的颗粒级配曲线1.2订试验方法1.2.1试验方案试验主要考虑木质素掺量（掺量为木质素与干土的质量之比)和养护龄期对木质素改良土无侧限抗压强度的影响.改良土一共分为6 组,组号分别为UCS1、U C S 2、U C S 3、U C S 4、U C S 5 和 UCS6,对应的木质素掺量分别为0%、2%5%、8%、1 2%和1 5%.每组又分为4类,养护龄期分别为1、7、1 4和2 8 d.每一个工况均开展两个平行对照试验，最终无侧限抗压强度取两个试验结果的平均值，1.2.2试样制备1）改良土准备.将试验用粉土烘干、碾碎后，过(b)木质素粉末-210粉土粒径/mm10110616江苏大学学报（自然科学版）第44卷2mm筛子，根据预设的木质素掺量称取粉土和木质素，再充分搅拌.根据击实试验得到粉土最优含水率,向搅拌均匀的混合土中加人相应的蒸馏水，充分搅拌后采用塑料薄膜密封，静置2 4h，待用.2）试样制备.在三瓣膜中分4层击实制样.每层高2 0.0 mm，每层击实到预定高度后刮毛表面，然后继续下一层试样制备.试样直径为39.1 mm,高度为 8 0.0 mm.3）试样养护.将制备完成的木质素改良粉土成型试样用保鲜袋包好后，贴上标签，置于标准养护箱内养护至预定龄期.其养护温度为（2 0 3）,相对湿度不低于9 5%.1.2.3试验过程图3为试样加载前后的照片.CB/T501232019土工试验方法标准规定进行试验.步骤如下：首先在木质素改良土试样两端均匀涂抹凡士林,将试样放在下层加压板上,缓慢转动手轮，使得试样和压力仪的上层加压板刚好接触；然后将轴向位移计及轴向测力仪读数调零（见图3a）；最后采用应变加载的方式，对试样施加轴向应变,加载速率为1 mm/min,并实时记录试验数据；当读数达到峰值后继续加载，直至轴向位移达到3mm，试验终止（见图3b).按照S-3400N型可变真空钨灯丝扫描电镜操作说明进行扫描电镜（SEM）测试试验.先将所制备的养护2 8 d的试样置于离子溅射仪中进行喷金处理，使其表面能够导电.然后将喷金处理的木质素改良土试样放人SEM中，再调焦补光，按5 0 0 倍的放大倍数进行拍照.2结果与分析下,不同木质素掺量W试样的前期轴向应力均随着轴向应变的增加而不断增大，达到峰值后轴向应力2.1无侧限抗压强度试验结果图4为不同养护龄期t下,试样的轴向应力-轴向应变关系曲线.由图4可知：相同养护龄期条件(a)加载前试样(b)被破坏的试样图3试样加载前后的照片采用YYW-型应变式无侧限压力仪，根据17.5-W=0%15.0-W-2%-W-5%12.510.07.55.02.50706050403020100取轴向应力峰值作为试样的无侧限抗压强度.改良土的无侧限抗压强度9.与木质素掺量、养护龄期的关系曲线如图5 所示.由图5 可知：养护龄期相同时,无侧限抗压强度均随着木质素掺量的增加呈开始逐渐减小，表明试样已经发生破坏.40 -w=0%W-8%W-2%-W-12%-W-5%W-15%3020W-8%一W-12%W-15%1.53.0轴向应变/%(a)t=1 dW-0%W-2%W-5%W=8%W=12%W=15%1.5轴向应变/%(c)t-14 d图4不同养护龄期下，试样的轴向应力轴向应变关系曲线104.508060203.04.51.5轴向应变/%(b)t-7 dW-0%W-8%W-2%-W-12%-W-5%-W-15%01.5轴向应变/%(d)t-28 d现先增大、后减小的趋势；当掺量为8%时，改良土无侧限抗压强度均达到峰值；掺量相同时，无侧限抗压强度均随着养护龄期的增加而增大.由图5 还可知：t=1d时,木质素w=8%的改良3.03.04.54.5617第5 期周恩全等：木质素改良粉土无侧限抗压强度特性土的无侧限抗压强度达到峰值，大小为1 5.9 kPa,相比纯粉土（qu=10.0kPa)增加5 9%;t=7d时,w=8%改良土的qu峰值为34.5 kPa,相比纯粉土（qu=10.0kPa)增加了2 45%;t=14d时,w=8%改良土的q.峰值为6 2.7 kPa,相比纯粉土(qu=10.3kPa)增加了5 0 9%;t=28d时，w=8%改良土的q峰值为7 2.5kPa,相比纯粉土(qu=10.5kPa)增加5 9 0%.80-t-1d7d60-14dt-28d40200806040200图5改良土的无侧限抗压强度与木质素掺量和养护龄期的关系曲线可见，改良土的无侧限抗压强度养护龄期关系曲线呈现双曲线特征，即不同木质素掺量下两者关系可以近似为qu=a+bt式中：和b均为拟合参数.将式(1)变换为t=a+bt.qu由式(2)可见，t/qu与t成线性关系.绘制木质素w=2%、5%、8%、1 2%和1 5%时试样的t/q与养护龄期关系曲线,如图6 所示.W=2%拟合值J=0.022 3x+0.138 3,R=0.901 41.0W-5%拟合值W=8%拟合值y0.0111x+0.0807,R=0.9429J=0.0178x+0.0988,R=0.9552W-12%食信0.0 1 36 x+0.0878R-0.9388W=15%拟合值y-0.0201x+0.1068,R=0.9504W-2%试验值W=5%试验值(ed/p)/b/1W=8%试验值W-12%试验值0.5FW=1 5%试验值05图6 不同木质素掺量下t/q与养护龄期关系曲线图7 为木质素掺量与截距、斜率的关系拟合曲线.由图7 可知，截距和斜率均随着掺量的增加呈先减小、后增大的趋势.因此对截距和斜率进行分段拟合.木质素掺量范围为2%1 5%时,对于任一给定木质素掺量的改良土，可以根据图8 得到唯一的截距和斜率.依据图6,养护龄期范围为1 2 8 d时，可以预测任意养护龄期改良土的无侧限抗压强度.-截距一W=2%8%截距W=2%8%斜率斜率-W=8%15%截距-.W=8%15%斜率0.16J0.009 6x+0.154 0R20.9565y=0.003 6x+0.049 30.12R2-0.8909率楼0.0848掺量/%(a)木质素掺量W-0%W-2%WW-8%W-12%W-15%10养护龄期/d(b)养护龄期t101520养护龄期/d122025163030J-0.001 9x+0.026 4R2=0.987 30.040图7 木质素掺量与截距、斜率的关系拟合曲线图8 为纯粉土及不同木质素掺量改良土的颗粒级配曲线.%1008604020010-3(1)图8 粉土及改良土的颗粒级配曲线由图8 可知：木质素改良土的颗粒分布相比粉(2)土有显著差异.表1 为粉土及木质素改良土的参数汇总.表1 粉土及改良土的参数汇总土的类别均值粒径/mm不均匀系数粉土0.0702%木质素改良土0.1185%木质素改良土0.1378%木质素改良土0.12812%木质素改良土0.13415%木质素改良土0.141由表1 可知：随木质素掺量增加，改良土粒径均值dso显著增大，粉土dso最小，大小为0.0 7 0mm;15%木质素改良土dso最大，大小为0.1 41mm.由表1 还可知：不同掺量改良土的不均匀系数y=0.001 3xR2=0.892.9510掺量/%一粉土2%木质素改良土+5%木质素改良土8%木质素改良土+12%木质素改良土15%木质素改良土LI10210-1土粒直径/mm6.67.35.67.07.15.31512010曲率系数1.21.41.71.82.01.9618江苏大学学报（自然科学版）第44卷C.及曲率系数C有明显差异；1 5%木质素改良土C.最小，大小为5.3；2%木质素改良土的C.最大，大小为7.3;粉土C.最小,大小为1.2;1 2%木质素改良土的C。最大，大小为2.0.出现这些现象的原因是木质素作为一种天然的高分子聚合物，与粉土混合后会形成胶结物质.胶结物质包裹、覆盖粉土颗粒,并填充了粉土颗粒孔隙，会明显改变粉土的颗粒分布，优化粉土的力学性质.2.2扫描电镜试验结果为了从细观接触状态进一步揭示木质素改良土的机制,对养护2 8 d后的粉土及改良土进行扫描电镜试验，结果如图9 所示.积的比值），可以更为直观地反映改良粉土孔隙变化情况.图1 1 为粉土及木质素改良土的孔隙率与木质素掺量的关系曲线.由图1 1 可知：粉土及木质素改良土的孔隙率随着掺量的增加呈现先减小、后增大的趋势.(a)w=0%木质素胶结物质(b)w=2%孔隙(a)w=0%(c)w=5%孔隙(b)w=2%(d)w=8%木质素胶结物质孔隙(c)w=5%木质素胶结物质孔(d)w=8%孔隙木质素胶结物质(e)w=12%图1 0 图像的二值化处理结果40孔隙%/率潮30(f)w=15%木质素胶结物质(e)w=12%图9 粉土及木质素改良土放大5 0 0 倍的SEM照片由图9 可知：粉土结构相对松散,粉土颗粒间存在较多孔隙，且颗粒表面较粗糙，棱角分明（见图9a);粉土中掺人木质素后,产生了类似团状的胶结物质，部分胶结物质覆盖、包裹粉土颗粒，使粉土颗粒表面变得相对圆钝，部分胶结物质填充粉土颗粒间的孔隙，改变了木质素改良土的孔隙结构（图9b-f).为了进一步分析木质素改良土的孔隙变化情况，利用图像识别技术对图9 中的SEM图像进行二值化识别处理，处理结果见图1 0,其中的黑色部分代表颗粒,其他颜色代表孔隙.根据图1 0 计算得到不同木质素掺量改良土的孔隙率（孔隙面积和总面20(f)w=15%100图1 1 孔隙率与木质素掺量的关系曲线由图9 1 1 可知：木质素掺量从2%增加到8%，由于胶结物质的包裹、覆盖及孔隙填充作用，改良土的孔隙逐渐减小，使得粉土颗粒之间连接更加紧密，宏观上对土体加固效果逐步提高；木质素掺量从8%增加到1 5%，改良土孔隙逐渐增大，宏观上对土体的加固效果逐渐降低.这是因为随着掺量的增大，胶结物质继续包裹粉土颗粒，逐渐形成更大的颗粒，导致颗粒间出现较大孔隙；部分多余木质素无法与粉土混合生成胶结物质，因而无法起到包裹、覆盖及孔隙填充作用.木质素改良土的孔隙变化情况与无侧限抗压5掺量/%1015619第5 期周恩全等：木质素改良粉土无侧限抗压强度特性强度试验结果吻合.由图9 1 1 还可知，当掺量为8%时,改良土的孔隙率最小,改良土的力学性能较好，即该木质素改良土的最优掺量为8%.2.3骨架孔隙比木质素胶结物质的生成改变了改良土的孔隙结构和力学特性，尤其是胶结物质包裹作用产生的粒径显著大于粉土颗粒和木质素颗粒，造成改良土的细观接触状态有明显改变，甚至部分细粒很难参与改良土的骨架组成.根据细观接触理论，引人骨架孔隙比来描述改良土细观接触状态.骨架孔隙比定义为土体骨架形成的孔隙与构成骨架颗粒之间的体积之比 .将木质素改良土定义为粒径大于0.075mm的粗粒与粒径小于0.0 7 5 mm的细粒组成的混合土.细粒质量分数不同时，改良土的接触状态和细观结构有显著不同，骨架孔隙比的计算方式也不同.对于木质素改良土，定义w为粒径小于0.075mm细粒的质量分数，且存在一个阈值细粒质量分数w当ww时，改良土细粒质量分数较小，骨架孔隙比ek计算式 1 2 为+w式中：e为孔隙比.当ww时，改良土细粒质量分数较大，骨架孔隙比计算式为eskM.M.RAHMAN等 1 3 提出确定阈值细粒质量分数w的经验公式：w=0.4 1+exp(0.5-0.13x)式中：x为颗粒粒径比,X=dio/dso,其中dio为粗粒有效粒径,d5o为细粒平均粒径.表2 为不同木质素掺量改良土的阈值细粒质量分数与骨架孔隙比计算值.表2 阈值细粒质量分数与骨架孔隙比计算值木质素掺量/细粒质量分数/阈值细粒质量组号%UCS22UCS35UCS48UCS512UCS615利用式(5)计算得到本研究中不同木质素掺量改良土的阈值细粒质量分数（见表2），可见改良土的细粒质量分数均小于阈值细粒质量分数.因此，需利用式(3)计算不同木质素掺量改良土的骨架孔隙比（见表2）由表2 可知,改良土的骨架孔隙比随着木质素掺量的增加呈先减小、后增大的趋势，当掺量为8%时，骨架孔隙比达到最小值.图1 2 为木质素改良土无侧限抗压强度与骨架孔隙比的关系曲线.8070603020100.6图1 2 改良土的无侧限抗压强度与骨架孔隙比的关系曲线由图1 2 可知：不同养护龄期下，无侧限抗压强度均随着骨架孔隙比增大而逐渐减小；结合表2，掺量为8%时，骨架孔隙比为0.6 0，达到最小值，无侧(3)限抗压强度达到最大值.这说明反映改良土粗细颗粒接触状态的骨架孔隙比是一个能够合理地表征无侧限抗压强度的物理特性指标.3结 论(4)1）木质素可以有效提高粉土的无侧限抗压强度.改良土的无侧限抗压强度随着木质素掺量的增1加而呈现先增大、后减小的趋势.当木质素掺量为(5)8%时，无侧限抗压强度达到最大值.因而，在当前试验条件下，木质素的最优掺量为8%.2）掺入木质素产生的胶结物质对粉土颗粒进行包裹,并填充孔隙,改变了改良土的孔隙结构.扫描电镜结果显示改良土孔隙率发生显著变化，孔隙率随着木质素掺量的增加而呈现先减小、后增大的趋势.当木质素掺量为8%时，孔隙率达到最小值.骨架%分数/%34.8035.7123.8835.7129.2232.2326.6032.2320.3132.23-t-1 dt7 d-14d+t-28d0.70.8骨架孔隙比孔隙比3）胶结物质的产生改变了改良土的细观接触1.16状态.根据细观接触理论引人骨架孔隙比来描述改0.70良土细观接触状态.无侧限抗压强度随着骨架孔隙0.60比的增大而逐渐减小，骨架孔隙比是一个能合理表0.63征无侧限抗压强度的物理特性指标.0.73参考文献(References)1 杨添元,董伟智，侯琳.木质素改良粉土力学特性试验0.91.01.11.2620江苏大学学报（自然科学版）第44卷研究 J.山东交通科技,2 0 1 9（4）：30-32,40.YANG T Y,DONG W Z,HOU 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