木质素磺酸钙改良紫色土力学性能试验研究

向杨 鲍安红 罗书伟 薛乐

摘要：针对紫色土杭侵蚀性差、遇水容易崩解破坏造成严重水土流失等问题，采用木质素磺酸钙对重庆市紫色土进行改良。通过直剪试验、无侧限杭压强度试验、湿化崩解试验对改良土进行研究，结果表明：木质素磺酸钙能够改善紫色土力学性能，随着掺量的增加，改良土杭剪强度、无侧限杭压强度均呈现先增大后减小的趋势;木质素磺酸钙掺量为5.0%时，各项指标达到最优，崩解特性得到显著改善;当掺量超过5.0%时，改良土不崩解，因此建议木质素磺酸钙掺量为5.0%。

关键词：水土保持;紫色土;木质素磺酸钙;力学性能

中图分类号：S157.2 文献标志码：A

紫色土是由紫色岩石风化而形成的一种岩性土，我国的紫色土主要分布在四川盆地的丘陵地区和海拔800m以下的低山地区，是重庆市分布面积最广的土类[1]。天然紫色土质地松软，抗侵蚀性差，且重庆地区降水丰富而集中，极易产生严重水土流失。

研究表明，木质素副产品是一种环境友好型土壤改良剂，自然界中木质素储量仅次于纤维素。相关数据显示，中国制浆造纸行业每年约有5000万t木质素副产品产生，其中95%以“黑液”形式直接排放，回收率低，对环境造成很大危害[2]。

目前，国外将木质素副产品广泛应用于土壤改良领域中。Tingle等[3]将木质素磺酸盐应用于固化黏土，发现固化土的强度和水稳定性都有显著改善;Santoni等[4]将木质素磺酸盐应用于固化粉沙，得到显著的改良效果;Kim等[5]和Gopalakrishnan等[6]使用两种类型的木质素副产品对爱荷华低塑性黏土进行改良试验，结果表明能够满足工程要求。

国内学者对木质素副产品应用于土壤改良领域研究相对较少，但近几年研究热度上升。张涛等[7-12]对工业副产品木质素微观机制、剪切特性、边界面塑性模型、热学与力学特性等进行了深入研究，并将其应用于粉土改良，结果表明木质素可有效改善粉土的基本工程特性;刘文白等[13]对木质素固化疏浚土进行研究，探讨了固化材料掺量、龄期等对固化土压缩特性的影响;贺智强等[14]针对黄土水稳定性差等缺点，对木质素磺酸盐固化黄土的工程性质进行试验研究，结果表明，木质素磺酸钙能够改善黄土工程性能，且最优掺量为1.0%。

目前，国内尚无木质素磺酸钙改良紫色土的相关报道。笔者采用直剪试验、无侧限抗压强度试验和湿化崩解试验对木质素磺酸钙改良重庆市紫色土的力学性能进行研究，探讨其改良紫色土的可行性，并确定其合理掺量，以期为紫色土水土保持研究提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 土料

试验用土取自西南大学后山某边坡，取土深度为30cm，土样粒径小于2mm，颗粒级配曲线（采用筛分析法和移液管法测定）见图1，天然土样物理性质参数见表1。结合土壤分类，将其定义为砂质黏性紫色土。

1.1.2 木质素磺酸钙

木质素磺酸钙（简称木钙）分子式为C₂₀H₂₄Ca₁₀S₂，是一种多组分高分子聚合物阴离子表面活性剂，略有芳香气味，无毒，易溶于水，化学性质稳定，具有很强的分散性、黏结性、鳌合性，为硫酸盐木浆废液的主要成分。试验用木钙来自山东优索化工科技有限公司，其基本特征见表2。

1.2 试验方法

1.2.1 制样

取土样风干、碾散、过筛（筛孔为2mm），木钙掺量分别为0.5%、2.0%、5.0%、8.0%、12.0%（掺量为风干木钙质量与干土质量之比）。将配置好的土和木钙混合均匀后，喷水至含水率为18%，密封浸润12h后制样。采用压样法制备试样，控制每个试样干密度为1.5g/cm³，无侧限抗压强度试样采用千斤顶静压法分5层压实成50mm×100mm圆柱样，直剪试样为61.8mm×20.0mm环刀样，湿化崩解试样为50mm×20mm圆饼样。试样用薄膜包裹放入标准养护室内（养护条件为温度20℃±3℃，相对湿度≥95%）养护7d。

1.2.2 試验

试验按照《土工试验规程》进行。直剪试验采用南京土壤仪器厂生产的ZJ型应变控制式直剪仪（四联剪），剪切速率为0.8mm/min;无侧限抗压强度试验采用YSH-2型应变控制式无侧限抗压强度仪，轴向速率为1%/min。测试不同掺量改良土3组平行试样，取其平均值作为试验结果。

2 试验结果与分析

2.1 直剪试验

黏性土抗剪强度包括黏聚力c和内摩擦力（以内摩擦角φ表征）两部分，是土壤的重要力学性质指标。黏性土的黏聚力主要来源于土粒间的各种物理化学作用，包括范德华力、库仑力（静电力）、胶结作用等;内摩擦力是土颗粒相对移动的摩擦力，包括滑动摩擦和咬合摩擦[15]。表3为不同木钙掺量下土体抗剪强度指标。

土体抗剪强度与木钙掺量关系曲线见图2，可以看出，随着木钙掺量增大，改良土黏聚力和内摩擦角均呈现先增大后减小的趋势。当木钙掺量为5.0%时，改良土黏聚力和内摩擦角均达到最大，较不掺木钙分别增大35.79%、16.85%。

土体抗剪强度与垂直压力的相关关系见图3。可以看出，随着垂直压力增大，土体抗剪强度增大，两者之间线性相关度较高。

紫色土掺加木钙后强度提高的原因与胶结土颗粒和增大土体密实度有关[14]。适当掺量的木钙与土体充分作用，形成胶结物质，包裹联结土颗粒，使土颗粒间黏聚力增大，同时胶结物填充土体孔隙，形成较为致密稳定的结构，使内摩擦角增大[7]。随着木钙掺量增大，多余的木钙未与土颗粒充分作用，在土体中形成局部聚集，导致土颗粒间距增大，削弱了土颗粒的骨架作用，颗粒间易出现相对滑动，表现为土体抗剪强度减小。

2.2 无侧限抗压强度试验

土體无侧限抗压强度与木钙掺量关系曲线见图4。木钙掺量为0时，土样无侧限抗压强度为247.58kPa，强度较低。随着木钙掺量增大，改良土无侧限抗压强度呈先增大后减小的趋势，与抗剪强度变化趋势一致。当木钙掺量为5.0%时，改良土抗压强度达到峰值，为306.77kPa，比不掺木钙的高23.9%;当掺量超过8.0%时，改良土强度低于不掺木钙的。综上所述，紫色土掺人适量木钙能提高其无侧限抗压强度。

汤怡新等[16]认为当改良土压缩破坏时，破坏应变ε_f可作为衡量其变形特性的重要指标，破坏应变与材料韧性成正相关关系。无侧限抗压应力与应变关系曲线见图5，可以看出，木钙改良土破坏应变均大于2.0%，且随木钙掺量增加有增大趋势，表现出优于水泥改良土（破坏应变为0.5%～2.0%）的韧性特性。

木钙主要含有醇羟基（-OH，3355cm^-1）、C-C键（1595、774、650cm^-1）、甲氧基（-OCH₃，1269cm^-1）、磺酸基（-SO₃H，1119cm^-1）和羰基（-CO，1045cm^-1）等活性官能基团，是其能够改良土体的主要原因[17]。木钙加入土体后，在土体孔隙水中水解出高价阳离子后与土体中低价阳离子置换，双电层厚度减小，带正电荷的有机大分子与带负电荷的土颗粒结合[18]，生成木质素磺酸盐聚合物，与土颗粒形成胶结，土颗粒间胶结力增大，并填充土体孔隙，宏观上表现为抗压强度提高。

2.3 湿化崩解试验

湿化崩解是指黏土在静水中结构联结和强度削弱而解体坍落的现象[19]，在一定程度上反映了土体的抗侵蚀能力。不同木钙掺量的土体湿化崩解特征见表4，不同浸润时间、不同木钙掺量的土体湿化崩解情况见图6。将圆饼土样放入水中后，不掺木钙试样产生大量气泡，迅速出现崩解，且崩解速度较快，60min后完全崩解，碎屑物呈粒状，说明紫色土水稳定性较差。随着木钙掺量增大，气泡产生量、崩解量、崩解速度均呈减小趋势。当木钙掺量超过5.0%时，试样24h未出现崩解现象，但有木钙持续析出，表明木钙能使紫色土抗侵蚀能力增强。

土壤抗蚀性与土粒间的胶结力有关，在水的浸润作用下，土颗粒间大部分胶结键断裂或削弱，使土颗粒间胶结力减小，土壤发生崩解[20]。木钙掺入土体后，一方面胶结物质的生成使颗粒间胶结力增大，胶结键不易断裂;另一方面，胶结物的填充作用使土体密实度增大，颗粒间孔隙减小，阻塞了水分子侵人通道，削弱了水的浸润作用，使土体抗侵蚀能力进一步增强。而随着木钙掺量增大，部分木钙未与土颗粒反应，在水中析出。

3 结论

（1）木质素磺酸钙可以提高紫色土抗剪强度、无侧限抗压强度和水稳定性，应用于紫色土水土保持具有广阔前景。

（2）木质素磺酸钙掺入土体后，改良土抗剪强度、无侧限抗压强度均呈现先增大后减小的趋势。木质素磺酸钙掺量为5.0%时，改良土抗剪强度和无侧限抗压强度最大;掺量超过5.0%时，改良土不崩解，水稳定性良好，因此建议木质素磺酸钙掺量为5.0%。

（3）木质素磺酸钙改良紫色土主要通过水解作用与土颗粒产生胶结物质，并填充土体孔隙，增大土颗粒间胶结作用和提高土体密实度，宏观上表现为土体强度提高、抗蚀性增强。

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