木质素改良土抗剪强度参数试验研究

2021-07-06王高强张海涛孙兆强

北方交通 2021年7期

陈斌，王高强，刘春，张海涛，孙兆强

(1.山东泰和公路工程有限公司淄博市 256410； 2.山东建筑大学交通工程学院济南市 250101)

0 引言

水泥和石灰等传统固化剂，在生产过程中不仅会消耗大量石灰石、黏土等自然资源，并且消耗大量电能、热能，同时还会排出CO2、SO2、粉尘等有害物质。随着社会环保意识的整体增强，新型绿色固化材料的研发已成为不良土体加固领域的热点[1]。木质素是纸浆造纸产业的副产品，含有多种活性官能团，是一种新型土体固化剂，具有广阔的工程应用前景[2]。付星等[3]通过界限含水率试验，发现粉砂经过木质素改良后，改良土的液限与塑限整体会有下降趋势，塑性指数趋于6左右。王明岳等[4]对济南地区黄河冲积粉土进行过改良试验，发现木质素磺酸钙对改良土的强度和水稳定性能均有明显提高。

土的抗剪强度反映土体抵抗剪切破坏的能力，工程实践和室内试验都证实了土是由于受剪而产生破坏，剪切破坏是土体强度破坏的重要特点，因此，土的强度问题实质上就是土的抗剪强度问题[5]。路基工程中地基承载力、路堤填土稳定性、边坡稳定性分析等问题都与土的抗剪强度有密切关系。近些年，研究较多的且能直接地反映抗剪强度的力学试验主要是直接剪切试验[6]。以木质素改良高液限土为研究对象，通过直接剪切试验，探索木质素掺量、养护龄期对改良土抗剪强度参数的影响规律，为不良土路基加固处理提供一定的参考。

1 高液限黏土基本性质

试验土样取自淄博市鲁山大道-张辛路互通工程项目，取样深度为地表下1m，土样呈黄褐色，土颗粒团聚，粘聚力较强。土样天然含水率为23.6%，液限为51.31%，塑限为24.71%，塑性指数26.6，属于高液限黏土。

土样中粉粒和黏粒含量为89.9%，其中粉粒(0.002～0.075mm)含量58.7%，黏粒(<0.002mm)含量31.2%，属于细粒土。经计算曲率系数为0.15，属不良级配土。

击实试验结果如图1所示，最佳含水率为16.67%，最大干密度为1.77g/cm3。

图1 击实试验结果

承载比试验结果如图2所示，贯入量为2.5mm时的单位压力为168kPa，贯入量为5mm时的单位压力为240kPa，根据承载比计算公式：CBR2.5=2.4%,CBR5=2.3%。根据《公路路基设计规范》(JTG D30-2015)，该土样不满足路基填料的要求[7]。

图2 承载比试验结果

2 直剪试验

2.1 试样方案及材料

木质素改良高液限黏土掺量设定为：0(素土)、1%、2%、3%、4%、6%，其中掺量为固化剂与干土的质量比。养护龄期为1d、7d、28d。

木质素(木质素磺酸钙)购于临沂绿森化工有限公司，木质素含量约为65%，具有轻微的芳香气味，呈棕褐色粉末状，如图3所示，pH值5.4，呈弱酸性。

图3 木质素磺酸钙

2.2 试验方法

所用试验设备为ZJ型应变控制式直剪仪(四联剪)，应力环中百分表量程为10mm，最小刻度值为0.1mm，试验用环刀直径为61.8mm，高2mm。按规范制定土样，环刀取出土样后用透水石将试样推入剪切盒中，直剪仪按照0.8mm/min的剪切速率进行快剪试验。在土样破损时测读出剪切力，得出抗剪强度，再由抗剪强度与垂直压力之间的关系，可得到内摩擦角和粘聚力。

以素土为例，抗剪强度与垂直压力关系曲线如图4所示。抗剪强度和垂直压力关系为y=0.227x+91.37，其中y为抗剪强度，x为垂直压力。由此可知试验土样的内摩擦角为12.81°，粘聚力为91.37kPa。

图4 直接剪切试验结果

3 试验结果分析

3.1 改良土抗剪强度

不同养护龄期下木质素掺量对改良土抗剪强度的影响如图5所示。由图5可以看出，随着木质素掺量的增加，改良土的抗剪强度整体上呈现先增大后减小的趋势，不同养护龄期下木质素掺量为3%时，改良土的抗剪强度最大，掺量超过3%后，抗剪强度不断降低。以28d龄期为例，木质素掺量从0增加至3%，各级竖向应力下改良土的抗剪强度平均提高了55.9%，而4%和6%掺量的改良土比素土强度平均提高了53%和48.1%。

图5 木质素改良土抗剪强度

1d养护龄期时，各掺量下木质素改良土抗剪强度相差不大，各级竖向应力下，3%木质素掺量的改良土比素土强度平均提高了7.2%，改良效果并不明显；7d养护龄期下，3%掺量的改良土比素土强度分别提高了28.2%。由此可见，改良土抗剪强度的增长需要保证一定的养护龄期。

3.2 改良土黏聚力

木质素掺量与养护龄期对改良土黏聚力的影响如图6所示。由图6(a)可以看出，同抗剪强度的变化规律类似，随着木质素掺量的增加，改良土的黏聚力整体上也是呈现先增大后减小的趋势，不同养护龄期下木质素掺量为3%时，改良土的黏聚力最大，掺量超过3%后，黏聚力不断降低。1d养护龄期时，各掺量下木质素改良土的黏聚力相差不大，木质素掺量为3%时的改良土比素土的黏聚力提高了6.5%。7d养护龄期下，3%掺量的改良土黏聚力比素土提高了33.5%，而4%和6%掺量下，黏聚力的提高幅度分别降为25.7%和15.2%。28d养护龄期下，3%掺量的改良土黏聚力比素土提高了45%，而4%和6%掺量下，黏聚力的提高幅度分别降为31%和22.6%。形成这种现象的主要原因是木质素与黏土矿物之间由于吸附作用会形成胶结物，该胶结物能填充土体孔隙，从而对土体产生强化作用；但随着木质素掺量的持续增加，并不会引起黏聚力的继续提高，当木质素掺量超过3%后，改良土中会存在一部分游离状态下的木质素，掺量越高，游离状态的木质素含量越高，导致改良土的黏聚力快速降低，可见土颗粒中游离态的木质素会抑制土体黏聚力的增加。

图6 木质素改良土粘聚力变化规律

由图6(b)可以看出，随着养护时间的增加，各掺量下木质素改良土的黏聚力不断增大，前7d增长速率较快，7d后增长速率放缓。以3%木质素掺量为例，前7d的黏聚力增幅为32.1%，7～28d的增长幅度为9.5%，说明前期的养护对于木质素改良土的黏聚力影响较大。

3.3 改良土内摩擦角

木质素掺量与养护龄期对改良土内摩擦角的影响如图7所示。整体上看，改良土的内摩擦角随着木质素掺量的增加而逐渐增大，随着养护时间的增加也呈现逐渐增大的趋势。与上述抗剪强度和黏聚力的变化规律不同，改良土的内摩擦角在木质素掺量3%时并不是最大值，在0～6%的范围内，随着木质素掺量的增加而增大。与素土相比，6%掺量改良土的内摩擦角在1d、7d和28d龄期下分别增大了17.7%、42.1%和92.2%。由此可见木质素加入土中后，需要经过一段时间的养护，在胶结物的包裹和联结作用下形成致密紧凑结构体，从而提高改良土的抗剪能力。

为了提高高液限黏土的工程性能，采用工业副产品木质素对其固化改良，探讨了改良土抗剪强度参数的变化规律。