木质素改良季冻土工程性质研究

李家宇，朱 福

(吉林建筑大学 交通科学与工程学院 长春市 130118)

0 引言

吉舒高速公路路基经常因为冬季冻结、春季融化，导致发生严重病害，需改变土体原有的物理力学性质，以减少路基损害。一般采用石灰、水泥等无机改良剂对路基土进行改良处理，但这些改良剂抗冻能力不足，同时也对环境造成一定的危害。因此，新型和保护环境的改良剂的开发具有重要意义。木质素在自然界中储存量极大，每年新增量可达几百亿吨，木质素单价低廉，这种有机改良剂具有保护环境、化学性质相对稳定等优点。Muge Elif Orakoglu等采用三轴试验研究了木质素改良土冻融循环条件下的力学性质，得出了木质素有效改善改良土的强度与抗冻性。Tao Zhang等将木质素改良粉土应用于江苏省阜建高速公路，开展了现场CBR、回弹模量、回弹弯沉、轻型动力触探及压实度等的测试，并对木质素和石灰改良粉土的应用效果进行了比较分析，论证了木质素改良粉土技术的可行性和优越性。

中国在工业副产品木质素改良剂方面的研究才刚刚起步，尤其是工业副产品木质素改良剂在寒区冻融循环条件下的性能还需要进一步考察。所以本实验采用吉舒高速公路路基常用的黏性土，研究工业副产品木质素改良粘性土是否具有良好的强度和抗冻融的稳定性，分析其内在力学性质，从而为工程提供一种成本低廉和改良效果较好的有机改良剂，实现工程安全与生态环境的可持续发展。

1 抗冻性试验方案设计与方法

1.1 试验方案设计

借鉴国内外学者研究得出的木质素掺量范围，选定木质素掺配比例、冻融循环作为影响因素，开展木质素改良粉质黏土的力学指标与抗冻性研究，试验方案见表1。

表1 木质素改良粉质黏土抗冻性试验方案

1.2 试验方法

(1)试件成型与冻融循环试验

将粉质黏土风干过2mm筛，称取一定量的风干土与木质素，按照木质素掺量为 0%、2%、4%、6%的掺配比例，依据击实试验得到木质素改良粉质黏土的最佳含水率与最大干密度的96%，准备不同木质素掺量的试样，拌和均匀，密封并浸润12h，然后将试样倒入钢模内，采用静压法成型试件，动态回弹模量试验试件尺寸为直径×高为100mm×200mm；CBR试验试件尺寸为直径×高为152mm×120mm。成型后的试件采用聚酯薄膜密封，放入标准养生箱内，在温度为20℃、相对湿度为95%的条件下养生7d、28d。完成养生的木质素改良粉质土试件与粉质黏土试件一同放入高低温交变试验箱内，设冰箱冻结融化温度分别为-20℃与20℃，冻结融化时间各24h，冻融循环10次。

(2)重复加载动态回弹模量试验

三轴重复加载试验采用DTS 30通用试验机完成测试，其中围压为气压加载，半正矢脉冲荷载，荷载频率10Hz，加载时间为0.2s，荷载间歇时间为0.8s。通过DTS 30配套的Testlab软件完成数据采集与分析。试验中各土样制作3个平行试件，每个试件含水率与压实度误差控制在1%以内。

试件浸泡4昼夜后，读取百分表读数，将试件从水槽中取出，倒出试件顶面的水，静置15min，卸去框架、荷载板等附件，称量筒和试件质量。在MQS-2型路面材料强度试验仪上，安放好试件，进行贯入试验。采用50kN加载感应头，加载速率为1mm/min，记录位移值与压力值。按照《公路土工试验规程》(JTG E40-2007)中公式(T0134-2)至公式(T0134-7)，计算 CBR、膨胀量与吸水量。

(3)导热系数试验

导热系数是指在稳定传热条件下，1m 厚的材料两侧表面的温差为1度(K，℃)，在1s内，通过1m2面积传递的热量，单位为瓦/米·度 (W/(m·K))。本研究采用导热系数仪完成粉质黏土与木质素改良粉质黏土的导热系数测定。仪器导热系数测量范围为0.005～500W/(m·K)，精度为±3%，传感器类型为Kapton(聚酰亚胺)覆膜，测试时间1～2560s。基于瞬态平板热源的技术理论，采用了双螺旋探头结构，该探头在测试过程中起到两个作用，它既是一个用来加热样品的热源，又是一个用来记录温度随时间升高的阻值温度计。这种螺旋结构由外部薄膜材料保护起来，该材料一方面提供探头一定的机械强度，另一方面保证探头在使用中的电绝缘性。在测试材料的导热系数时，被膜装的镍螺旋探头夹于两块样品之中。在测试时间内，探头的阻值变化将被一一记录下来，基于阻值的大小系统建立起测试期间探头所经历的温度随时间的变化关系。根据不同材料的导热系数大小，系统要选择不同的测试参数，包括：输出功率、测试时间以及采用探头的尺寸等。

2 抗冻性试验结果分析

2.1 冻融试验

在经过冻融作用后素土与木质素改良粉质黏土的表面情况，如图1所示。

由图1可知，经过冻融作用后的素土试件表面存在明显的裂缝，纵横方向均有裂缝的痕迹，但是掺量4%与6%的木质素改良粉质黏土的表面却未见裂缝。所以综上现象可以说明木质素可以增强粉质黏土路基的抗冻性。

2.2 重复加载动态回弹模量试验

选取日常路基施工围压30kPa条件下的试验结果，绘成图2与图3。由图2和图3可知，在围压一定的条件下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量均随着偏应力的增大而减小。由图2(a)、图2(b)可知，在试件冻融前，随着木质素掺配比例的增大，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量不断减小。由图3(a)、图3(b)可知，试件经过10次冻融循环作用后，随着木质素掺配比例的增大，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量不断增大，这说明木质素改良剂的掺入提高了冻融后土体的强度，并且有效地改善了粉质黏土的抗冻性。

2.3 承载比试验

木质素改良粉质黏土试件在经历冻融前后的承载比试验结果如表2及表3所示。

表2 冻融前木质素改良粉质黏土的CBR试验结果

表3 冻融后木质素改良粉质黏土的CBR试验结果

由表2及表3可知，随着木质素的掺量不断增加，木质素改良粉质黏土的CBR值呈先增大后减小的趋势。在试件进行冻融之前，养生7d木质素掺量为2%、4%以及6%的改良粉质黏土CBR值较素土增长了127%、131.2%、57.4%，而养生28d的木质素改良粉质黏土CBR值增长了134.4%、143.2%、66.7%。素土经历冻融后，CBR值较冻融之前减小了53%，而木质素掺量为2%、4%及6%的改良粉质黏土，在养生7d冻融后，CBR值减小了29.9%、9.3%、8.2%，在养生28d冻融后，CBR值减小了21.4%、7.8%、10.1%。可以得出虽然在试件经历冻融之后，素土与木质素改良粉质黏土的CBR值均在减小，但是木质素改良粉质黏土的CBR减小幅度比较小。

2.4 导热性试验

由图4和图5可知，无论素土和木质素改良粉质黏土是否经历冻融循环，导热系数都随着木质素掺量的增加而减小。冻融前，养生7d的木质素改良粉质黏土在功率150w条件下导热系数与素土相比最大减少了14%，功率180w条件下导热系数最大减少了13.76%；而养生28d的木质素改良粉质黏土在功率150w条件下导热系数与素土相比最大减少了15.93%，功率180w条件下导热系数最大减少了13.18%。冻融后，养生7d的木质素改良粉质黏土在功率150w条件下与素土相比导热系数最大减少了16.02%，功率180w条件下导热系数最大减少了15.37%；而养生28d的木质素改良粉质黏土在功率150w条件下导热系数与素土相比最大减少了12.76%，在功率180w条件下导热系数最大减少了12.22%。素土与木质素改良粉质黏土在经历冻融循环作用以后导热系数均有不同程度的增加。

3 结论

通过重复加载动态回弹模量、承载比与导热性试验得出了在冻融条件下木质素改良粉质黏土动态回弹模量、CBR以及导热系数的影响规律，通过分析取得以下结论：

(1)经过冻融作用后的素土试件表面存在明显的裂缝，而掺量为4%与6%的木质素改良粉质黏土试件表面没有裂缝，整体性好，说明木质素可以提高路基土的抗冻性。

(2)试件经历冻融循环前后，围压一定，木质素改良黏土的动态回弹模量随着偏应力的增大而减小。随着木质素掺配比例的增大，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量不断减小，经历冻融后，木质素改良粉质黏土的回弹模量增加，这说明木质素改良剂的掺入有效地改善了粉质黏土的抗冻性。

(3)试件经历冻融循环前后，木质素改良粉质黏土的CBR值随着木质素掺量的增加，呈先增大后减小的趋势。经历冻融后，素土和木质素改良粉质黏土的CBR值均减小，但是木质素改良粉质黏土相较素土下降幅度较小。综上所述，季冻区粉质黏土最佳木质素掺量为4%。

(4)素土与木质素改良粉质黏土在经历冻融后导热系数均有增加。但随着木质素掺量的增加木质素改良粉质黏土的导热系数逐渐减小，这说明由于木质素的添加有效降低了土体的导热性，提高了粉质黏土的抗冻性。