木质素磺酸钙改良的低液限黏土三轴压缩特性.pdf

通过对具有不同木质素磺酸钙掺量、不同养护时间的改良低液限黏土进行一系列三轴剪切试验,分析了改良土应力应变曲线、峰值偏应力及抗剪强度参数的变化规律,结合扫描电镜探究了其内在机制。试验结果表明:木质素磺酸钙的掺入能够显著提升土体抗剪强度,随着掺量的增加,改良土的抗剪强度先增加后减小,最优掺量为 8%;随着养护时间的增加,改良土的抗剪强度提升,且增强速度逐渐变缓;养护 7 d 后 8%掺量的改良土获得最大峰值偏应力 2017.23 kPa,比养护相同时间的纯黏土高 236.25%;改良土黏聚力随着木质素磺酸钙掺量的增加先增加后减小,而内摩擦角增大到一定值后趋于稳定。改良土强度提升的内在机制可以概括为填充孔隙、离子交换、吸附包裹土粒以及胶结土粒团聚体。关键词:黏土;木质素磺酸钙;强度特性;微观结构;改性机制中图分类号:TU41摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2023)05010007Triaxial compression properties of calcium lignosulfonate鄄modified low liquid limit clay/WEI Shijie1,ZHAOHongyan2,HAO Shefeng3,4,MEI Hong1,BU Fan1,LIU Jin1,GE Liqiang2,3,REN Jinghua3,4,LIANG Yu1(1.School ofEarth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China;2.China Developent Bank Jiangsu Branch,Nanjing 210019,China;3.Technology Innovation Center for Ecological Monitoring and Restoration Project on Land(Arable),MNR,Nanjing 210018,China;4.Geological Survey Institute of Jiangsu Province,Nanjing 210018,China)Abstract:A series of triaxial shear tests were carried out on improved low liquid limit clay with different amounts ofcalcium lignosulfonate(Ca鄄LS)and different curing time.The law of the stress鄄strain curve,peak deviator stress and shearstrength parameters were analyzed.The internal mechanism of the improved soil was analyzed with the scanning electronmicroscope.The test results show that Ca鄄LS can significantly improve the shear strength of clay.With the increase of Ca鄄LS content,the shear strength of improved soil first increases and then decreases,and the optimal content is 8%.With theincrease of curing time,the shear strength of the improved soil becomes stronger,but the strengthening speed graduallyslows down.After 7 d of curing,the peak deviator stress of the improved soil containing 8%of Ca鄄LS is 2 017.23 kPa,which is 236.25%higher than the pure clay that cured for the same time.The cohesion force of the improved soil firstincreases and then decreases with the Ca鄄LS content,and the internal friction angle of the improved soil first increases andthen remains stable.The internal mechanism of the modified soil strength improvement can be summarized as filling pores,ion exchange,adsorption of wrapped soil particles and cemented soil particle aggregates.Key words:clay;calcium lignosulfonate;strength characteristics;microstructure;modification mechanism摇 摇 工程建设中经常遇见强度特性达不到施工要求的土体,因此需要利用各种方法对其进行改良处理。随着国家区域发展总体战略的逐步实施,各地区推出了数量众多的基础设施建设政策1,大量基础工程建设项目的开展对土体强度特性的提升提出了更高的要求。为了更方便地获取工程性质优良的建筑001水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz 摇 http:/材料并提高资源利用率,开展针对土体改良技术的研究很有必要。土体改良技术是指向土体中掺入由多种无机、有机材料复合而成的固化剂,从而改变土体成分与结构特征,以达到改善土体工程性质的目的。目前常用土体固化剂可分为无机类和有机类,其中无机类土体固化剂具有成本低、性能稳定等优点,缺点是容易造成资源浪费、不够环保等。而有机类土体固化剂一般由环氧树脂、高分子聚合物等配制而成,通过有机材料本身性质胶结土粒。有机类固化剂具有掺入量少、施工方便、环保无污染等优点,具有良好的应用前景。为了减轻生产和使用无机类加固材料造成的环境污染,对环保友好型的新型加固材料的研究早有开展2鄄4。木质素是一种典型的生物资源,在植物界储量仅次于纤维素,具有可再生、成本低、环境友好等特点5。造纸产业中将木质素与纤维素分离,木质素及其副产品被作为废弃物大量排放到自然界,增加碳排放的同时也不能充分利用资源。将木质素用于土体改良技术中,不仅能够更经济有效地改良土体工程特性,还有助于避免传统土体固化剂带来的环境污染问题。随着木质素被越来越多地应用于土体改良,其对土体性质的影响也越来越受到重视。目前基于木质素类固化剂的土体改良技术已有开展,Ceylan 等6通过试验验证了木质素用于改良土体的可行性;张涛等7鄄9采用木质素对粉土进行了改良,分别进行了无侧限单轴抗压、固结不排水剪、固结排水剪等试验,发现木质素改良粉土的最优掺量为12%,改良土的孔隙水压力低于素土,且龄期对改良土强度有着显著影响;陈学军等10研究发现木质素改良红黏土的最优掺量为 8%,且红黏土液塑限和pH 值随着木质素掺量的增加而增大。根据造纸产业分离方法的不同,工业木质素可分为酸木质素、碱木质素、木质素磺酸盐等11,其中木质素磺酸盐用途最为广泛,在土体改良方面也有应用。Sharmila等12将木质素磺酸钙(以下简称“木钙冶)用于改良膨胀土,发现处理后的膨胀土膨胀压力大大降低;贺智强等13对木钙加固黄土的工程性能进行了试验研究,结果表明适量木钙的掺入能够明显加强黄土的抗渗透性、抗崩解性;姬胜戈等14用木钙进行了改性分散性土试验,研究结果表明木钙的掺入能够显著降低分散性土的崩解性。张建伟等15采用木钙对黄泛区粉土进行了改良,结果表明木钙最优掺量为 5%,且在经历冻融循环后改良土的无侧限抗压强度仍明显高于素土。目前国内对于木钙改良土体的研究主要集中在其分散性、崩解性等方面,对木钙改良低液限黏土的力学特性与内部结构之间联系的研究较少,特别是缺少自然养护条件下改良土抗剪强度参数变化的研究。因此本文对不同木钙的掺量、不同土样养护时间条件下低液限黏土的改良土进行三轴压缩试验,研究了木钙掺量和养护时间对其强度特性的影响,并结合微观扫描电镜试验分析总结其内在机制,以期为木钙改良黏土的工程实践应用提供参考。1摇 试验材料与方案1.1摇 试验材料1.1.1摇 试验土样试验用土取自南京江宁某边坡,根据筛分试验结果,试验用土中粒径大于0.075mm 的土粒质量分数为 12.81%,粒径为 0.005 0.075 mm 的土粒含量为 71.77%,粒径小于 0.005 mm 的土粒含量为15.42%,塑性指数为 10.21,为低液限黏土。通过标准击实试验测得试验用土的最优含水率为14.13%,最大干密度为1.73g/cm3,比重为2.72,液限为 25.55%,塑限为 15.34%。1.1.2摇 木钙木钙是一种高分子聚合物,通常来自酸法制浆的蒸煮废液,经喷雾干燥形成,其水溶液呈黑色,如果不对其进行合理利用,作为废水排放便会污染自然环境16。试验所用木钙为某化工公司生产产品,外观为棕黄色粉末,略带芳香气味,木质素质量分数大于或等于55%,还原物质量分数小于或等于 10%,水分质量分数小于或等于 9%,pH 值(1%水溶液)在4 6 之间,水不溶物质量分数小于或等于 1.5%,分子式为 C20H24CaO10S2,无毒无害,稳定性好。1.2摇 试验方案1.2.1摇 制样过程将试验用土敲碎放入105益烘箱烘干10h,取出土样降至室温后用研磨机磨碎,过2mm 筛后密封备用。本次试验取木钙掺量和试样养护时间为变量,木钙掺量(与黏土的干质量比)分别取 0%、4%、8%、12%,试样养护时间分别取 1、3、5、7 d。根据试验设计,按 95%压实度分别取一定量的黏土和木钙粉末搅拌均匀,按含水率(与黏土质量比)14.13%取适量常温水,倒入混合物中充分搅拌。搅拌好的土料按质量平均分为 5 份,依次倒入模具中击实到相应高度,直至击实最后一层结束后用千斤顶将试样压出。最终得到直径 39.1 mm、高 80.0 mm 的圆柱形试样,制备好的试样在室温 25益、湿度 50%条件下自然养护至相应龄期。101水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz 摇 http:/1.2.2摇 试验过程三轴剪切试验采用仪器为南京土壤仪器厂生产的 TSZ鄄1 型全自动三轴剪切仪,分别以 100、200、300 kPa围压进行不固结不排水剪试验,试验前不对试样进行饱和处理。试验过程按照 GB/T 501232019土工试验方法标准进行,控制剪切仪的应变速率为 0.8 mm/min。试验结束后根据不同围压下的峰值偏应力绘制破坏应力圆及包络线,以此获得不同试样的强度参数。2摇 试验结果与分析图 1摇 100 kPa 围压下不同养护时间试样应力应变曲线2.1摇 应力应变曲线分析图 1 为 100 kPa 围压下不同养护时间的试样应力应变曲线,围压200、300kPa 时也有类似规律。从曲线形态上看,三轴压缩试验开始阶段为弹性阶段,试样的偏应力与轴向应变近似线性关系,曲线切线模量较大;随着试验过程的进行,试样达到屈服强度后转变为塑性阶段,应力应变曲线变为非线性,试样达到峰值强度后剪破。由图 1 可知,木钙掺量的变化对试样的强度特性有着显著影响,当木钙掺量为8%时试样强度最高。与纯黏土相比,改良土的抗剪切变形能力明显更强,后者的屈服强度和破坏强度更高。随着应变的增加,纯黏土试样的轴向偏应力表现为先增加后平缓,而改良土试样的应力应变曲线则有较明显的峰值。这是因为当试样掺入木钙并养护一定时间后,其一部分抗剪切变形能力由木钙胶结物提供,发生剪切破坏后这部分抗剪切能力消失或大幅度减小,使得试样进一步发生应变所需的应力比原来要小,从而出现应变软化现象。随着养护时间的增加,试样的强度特性也会发生明显变化。土体剪切破坏后偏应力衰减率 D 的计算公式为D=(1-q20/q)伊 100%(1)式中:q20为试样轴向应变 20%时的偏应力;q 为试样破坏强度。对于应力应变曲线峰值明显的试样,取峰值偏应力为破坏强度;无明显峰值时,取轴向应变 15%时的偏应力为破坏强度。通过分析衰减率的变化,可以更好地了解试样的强度特性。围压为 100 kPa 时,试样剪切破坏后的偏应力衰减率与养护时间、木钙掺量的关系如图 2 所示。由图 2 可知,养护时间的增加对改良土力学特性的影响更为显著。与纯黏土试样相比,改良土试样在4 个不同养护时间下的衰减率变化幅度更大,且衰减率与养护时间成正相关,说明改良土试样在 4 个养护时间的应力应变曲线均产生应变软化,且养护时间越长应变软化越明显。这是由于随着养护时间的增加,试样中木钙与土体反应更彻底,试样脆性增强。图 2摇 100 kPa 围压下试样的偏应力衰减率根据应力应变曲线可确定试样的弹性模量。图 3为 100 kPa 围压下试样弹性模量与木钙掺量关系图。由图 3 可知,养护时间为 1d 时,不同木钙掺量的试样弹性模量几乎一致。养护时间延长后,试样的弹性模量受木钙掺量影响明显,随着木钙掺量的增加,弹性模量先增加后降低,即适量木钙有利于提高黏土弹性模量,过量的木钙掺入会使黏土弹性模量下降。当养护时间为 7 d 时,木钙掺量为 8%的试样弹性模量达到 60.07 MPa,比养护相同时间的纯黏土增加了 138.02%。图 3摇 100 kPa 围压下试样弹性模量与木钙掺量关系201水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz 摇 http:/2.2摇 峰值偏应力分析图 4 为不同围压条件下试样峰值偏应力随木钙掺量变化的曲线。从图 4 可以看出,掺入木钙能够显著提升土体抗剪强度,且峰值偏应力与围压之间存在正相关关系。这是因为围压越大,受压试样受到的侧向约束也越强,试样轴向的抗变形能力也因此变强。峰值偏应力随着木钙掺量的增加呈现先增加后下降的趋势,在 0%到 8%区间内均表现为随着木钙掺量单调增强,到 12%掺量时下降。木钙掺量超过 8%后,木钙本身更容易与其他木钙发生团聚,缺少了土粒骨架的支撑作用,因此导致试样峰值强度降低。张涛等7、Chen 等17分别从木质素磺酸盐改良粉土、砂质粉土的试验研究中得到了与本文相似的结论,土体强度随木质素磺酸盐掺量的增加而增加,超过一定值后土体强度降低。图 4摇 木钙掺量对不同养护时间试样峰值偏应力的影响当木钙掺量达到 12%后,峰值偏应力相较掺量8%的试样稍有下降,但高于木钙掺量 4%的试样和纯黏土试样,仍然能起到加固效果。由图 4(b)可知,养护 1 d 时,200 kPa 围压条件下木钙掺量 8%、12%的试样峰值强度分别为1440.26、1054.86kPa,相比纯黏土试样的增长幅度分别为 130.17%、68.58%,养护 7 d 后的增长幅度分别为152.98%、133.40%,可以看出随着养护时间的增加,8%与12%木钙掺量试样的强度变得接近。养护时间较短时,木钙加固效果不充分,富余木钙会造成受压试样局部软弱6,18,12%掺量的改良土强度比 8%掺量的更低。随着养护时间的增加,木钙凝固黏结在土粒表面和孔隙中,多余的木钙影响变小,12%掺量与8%掺量改良土的抗剪强度越来越接近。综上,对于本试验所取用的黏土而言,木钙加固的最佳掺量为8%。从图 4 还可以看出,随着养护时间的增加,试样峰值偏应力也不断提升,其中改良土试样增强幅度远远超过纯黏土试样。由图 4(c)可知,当养护时间为 7 d 时,木钙掺量为 8%的试样的峰值偏应力达到最大值 2017.23 kPa,相较养护同样时间的纯黏土试样提升了 236.25%。改良土试样在养护 1 3 d 区段增强幅度较大,300 kPa 围压下 4%掺量改良土试样养护 3 d 后的峰值偏应力相较养护 1 d 时提升了46.77%。随着养护时间的增加,增强速度也随之变缓,当养护时间达到 7 d 后,8%和 12%掺量的试样峰值偏应力差异不大,说明此时掺入土体中的木钙已经充分发挥加固作用。2.3摇 抗剪强度参数分析图 5 为试样抗剪强度参数随木钙掺量的变化。从图 5(a)可以看出,掺入木钙能够提升试样的内摩擦角。养护时间较短时,随着木钙掺量从 0%增加到 12%,试样内摩擦角呈现先升高后降低的趋势;在养护时间延长后,试样内摩擦角呈现先增加后不变的趋势,而掺量 0%到 4%的试样摩擦角变化幅度最大。图 5摇 试样抗剪强度参数随木钙掺量的变化301水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz 摇 http:/从图 5(b)可以看出,随着木钙掺量的增加,改良土的黏聚力呈现出先增加后减小的趋势,在木钙掺量 8%时达到最大值。相同养护时间下,木钙掺量 12%的试样黏聚力小于 8%的试样,但仍然高于纯黏土试样和 4%掺量的改良土,试样抗剪强度随木钙掺量变化的趋势高度相似。结合图5(a)不难发现,当黏土掺入过量的木钙并养护一定时间后,改良土抗剪强度的减小是由其黏聚力降低引起的。富余的木钙聚集在土粒之间,缺少了土粒作为骨架,从而起到了反作用,降低了土体黏聚力,而内摩擦角受富余木钙的影响较小。木钙被掺入黏土后,会覆盖在土壤颗粒表面或填充在颗粒间的孔隙中,包裹、联结土粒形成团聚体,增强土体稳定性。因此相比纯黏土,改良土的黏聚力有明显的提升,且随着养护时间的增加,试样水分蒸发后木钙凝固形成强度更高的胶结物质,阻止试样发生变形破坏的能力更强,导致改良土的黏聚力升高,土体抗剪强度更强。Kong 等19使用木质素磺酸盐改良淤泥土,取得了相似的结果。图 6摇 8%木钙掺量试样微观扫描电镜图3摇 改良土微观结构分析为进一步研究改良土的强度提升机制,并对上述试验结果从微观角度进行验证,对掺入木钙的试样进行了微观扫描电镜试验。图 6 为 8%掺量改良土试样的微观扫描电镜图像,分别放大 3000 7000倍。从图 6(a)可以看出,木钙生成的胶结物质在土粒之间架桥,从而增强了土体的黏聚力,限制了土粒的相对滑动。从图 6(b)(c)可以看出,木钙填充土粒间的空隙,同时吸附于土粒表面。图6(d)显示木钙与多个土粒形成团聚体,从而增强土体的整体性和稳定性,试样抵抗受外力变形的能力因此变得更强,并且最终形成致密、稳定的土体结构,宏观上表现为改良土抗剪强度增强。结合三轴压缩试验和微观扫描电镜试验结果,对木钙改良试验土体的反应过程进行探讨,图 7 为木钙的固土机制示意图。木钙固土机制可以归纳为以下几个方面:淤填充孔隙。如图 7(a)所示,木钙掺入土体后会填充土粒间的大孔隙,随着掺量增加填充小孔隙,增加土体密实度,图 6(b)也验证了这一点。于离子交换。木钙溶于水后会释放出 Ca2+,增大土体自由水中的 Ca2+浓度,由于土体中阳离子交换作用与离子浓度有关20,且不同价的阳离子与土粒表面的亲和力也不同,高价阳离子(Ca2+、Mg2+、Al3+)可以替换结合水膜中的低价阳离子(Na+)。文献14经过试验发现木钙改良分散性土后土壤吸附的交换性钠离子占阳离子总量的百分比(ESP)下降,说明木钙掺入土体促使 Ca2+与土粒吸附的阳离子发生离子交换反应,削弱了土粒表面吸附的结合水层厚度,土体粒间作用力相应增大。盂吸附包裹土 粒。木 钙 掺 入 土 体 中 会 吸 附 在 土 粒 表 面(图 6(c),文献8,21指出这是由于木钙发生质子化反应形成带正电荷的木质素磺酸盐化合物,吸附在带负电荷的黏土表面,从而包裹覆盖土粒。榆胶结作用。木钙形成的胶结物质在土体孔隙中沉淀,在距离远的土粒之间架桥联结(图 6(a),把距离近的土粒黏结成团聚体(图 6(d),形成更稳定的土体结构。随着养护时间的增长,胶结物的强度也逐渐变强,改良土试样的抗剪强度也随之增强。改良土的抗剪强度随着木钙掺量的增加而增加,当土体中木钙掺量超过最佳掺量时,由于缺少土粒作为骨架,富余的木质素聚集会降低土体密实性,形成局部软弱带,使得改良土抗剪强度降低。图 7摇 木钙固土机制示意图401水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:[phone]摇 E鄄mail:jz 摇 http:/4摇 结摇 论a.木钙掺入黏土能显著提升土体抗剪强度,改良土的应力应变曲线有较明显的峰值,达到峰值后的曲线有应变软化现象。与纯黏土相比,养护时间对改良土的强度特性影响更为显著。b.改良土试样峰值偏应力与养护时间和围压呈正相关关系。随着木钙掺量的增加,抗剪强度先增后减,最优掺量为 8%。养护 7d 后 8%掺量的改良土获得最大峰值偏应力 2017.23 kPa,相较纯黏土提升了 236.25%。掺入木钙的土体试样黏聚力也同样随着木钙掺量的增加先增后减,内摩擦角则先增加至一定值后趋于稳定。c.木钙改良黏土的内在机制可以概括为填充孔隙、离子交换、吸附包裹土粒以及胶结土粒团聚体,通过增强土体密实度、削减结合水层厚、吸附胶结土粒团聚体来形成更稳定的土体结构,从而增强土体抗剪强度。由于木钙是一种有机物,其用于土体改良时存在发生降解的可能,因此木钙改良土体的耐久性还需要进一步研究。参考文献:1 邓翔,袁满,李双强.西部大开发二十年基础设施建设效果评估J.西南民族大学学报(人文社会科学版),2021,42(6):141鄄151.(DENG Xiang,YUAN Man,LIShuangqiang.Evaluationoftheeffectivenessofinfrastructure construction in the 20 years of westerndevelopmentJ.Journal of Southwest Minzu 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