木质素磺酸钙改性土冻融性能试验研究

李淑贤

(沈阳宝峰建筑工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)

我国属于灌溉农业大国，每年的农业用水量占到全国用水总量的6成以上，其中灌溉用水又占到农业用水量的90%以上。由此可见，农业灌溉节水工程建设对提高我国的水资源利用效率、缓解水资源供需矛盾具有重要意义[1]。但是，在我国北方的季节性冻土区，衬砌冻胀破坏不仅是影响灌溉渠道耐久性的重要因素，也是我国北方灌区灌溉用水系数偏低的重要原因[2]。因此，研究采用渠道衬砌、增设保温层以及改造渠基土等渠道防冻胀工程技术就显得尤为重要。

渠道的冻融破坏主要由渠基土的冻融作用造成[3]。因此，对一定深度的渠基土进行改造是目前渠道防冻胀研究的重要领域，具有良好的发展和应用前景[4]。目前，在渠基土改良方面，主要采取化学改良措施，这种改良方式虽然具有造价较低、施工方便、成效显著的优势，但是也容易造成显著的环境问题[5]。因此，探索经济、高效的绿色环保改良剂就成为重要的研究方向。其中，木质素是一种广泛分布的天然高分子化合物，且具有再生性。木质素磺酸钙是利用木质素制作的高分子聚合物阴离子表面活性剂，将其用于土体改性，可以凭借其静电和润滑作用，增强土体的密实度，从而改善土体的物理力学性能[6]。基于此，此次研究通过室内试验的方式，探讨木质素磺酸钙改性土的抗冻融性能，为其在寒区渠道建设中的应用提供支持和借鉴。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

此次试验以辽宁省开原灌区为工程依托，现场采样进行试验研究。试验中所使用的土样取自开原灌区的渠基土。现场的取样深度为50cm，以避免表层土的外部环境影响，保证试验结果的科学性和准确性。将获取的土样带回实验室在自然条件下进行风干处理，然后将其碾碎过筛。

本次试验所用的木质素磺酸钙为上海麦克林生化科技有限公司生产。木质素磺酸钙为棕褐色粉末状，固体纯度≥96%，其1%水溶液pH值约为7.00，水分约为5%。水不溶物<1.5%，含碳量约为40%，含硫量约为5%。

1.2 试样制备

根据木质素磺酸钙改性土的相关研究文献和工程要求，此次试验确定木质素磺酸钙的掺量分别为0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%。掺量的计算方式为木质素磺酸钙的质量与土样干质量的百分比。

由于研究中需要探讨含水率的影响，因此土样的改性方法选择喷淋法[7]，也就是根据试样含水率的要求，将木质素磺酸钙溶于水，然后利用喷壶喷淋到土样上，边喷淋边搅拌。喷淋完毕之后，将土样放入容器并用保鲜膜密封24h备用。

根据试验方案，此次试验采用的是直径为70mm、高40mm的环刀进行制样，每组试验需要制作试样3个，将制作的试样密封，以试验结果的均值作为最终试验结果。

1.3 试验方法

以工程所在地区的气温数据为依据，将冻融试验的冻结温度设定为-28℃，融化温度设定为20℃[8]。在封闭系统冻融条件下进行试验，也就是试验过程中试样与外界没有水交换。为了研究改性土干密度和饱和度的影响，试验中干密度设置为1.40、1.45、1.50、1.55和1.60g/cm3，饱和度设置为30%、40%、50%、60%和70%进行试验。试验中每个冻融循环为48h，其中冻结时间和融化时间相同，均为24h。冻融循环次数设置为20次。结合相关研究成果，试样的木质素磺酸钙掺量、干密度和饱和度对试样冻融特征作用的相互影响并不显著[9]。为了减小试验量，研究中采用单因素试验的方式进行，也就是固定两个参数不变，对第三个参数的影响情况进行试验研究。

在试验之前需要按照环刀的尺寸制作大小相同的有机玻璃片，在试样成样之后，在其上部放置一片有机玻璃片，并在其中心部位标注一个点作为试验中高度测量的测点。在达到方案预设的冻融次数之后，利用该点进行高度测量，以保证试验结果的科学性和准确性。

在试验之前，首先利用千分尺测量试样的高度，以确定试样的原始高度，并将其作为试验结果分析的对照依据。在试样经过5、10、15和20次冻融之后，利用千分尺再次测量试样的冻结高度和融化高度。根据试验数据，计算获取每组试验的冻胀率和融沉系数两个冻融指标。两个指标的计算公式如下：

(1)

式中，η—试样的冻胀率，%；Δhf—试样的冻胀量，mm；h0—试样的初始高度，mm。

(2)

式中，δ—试样的融沉系数，%；Δht—试样的融沉量，mm；h0—试样的初始高度，mm。

2 试验结果与分析

2.1 木质素磺酸钙掺量

试验中保持1.50g/cm3的干密度和50%的饱和度不变，对不同木质素磺酸钙掺量方案下土体试样进行冻融试验，获得不同冻融试验次数下的冻融试验数据，并计算获取冻胀率和融沉系数随木质素磺酸钙掺量的变化曲线，结果分别如图1和图2所示。由图1和图2可以看出，试样的冻融变形主要出现在前10次冻融循环，当冻融循环超过15次后，试样的冻胀量和融沉量变化极为有限。因此，此次试验选择的冻融试验次数是合适的，可以获得较为科学和准确的试验结果。随着木质素磺酸钠掺量的增加，试样的冻胀率和融沉系数均呈现出先迅速减小后逐渐趋于稳定的变化特点。由此可见，利用木质素磺酸钙改性渠基土，对控制渠基土冻胀量具有明显的效果。另一方面，当木质素磺酸钙掺量小于1%时，冻胀率和融沉系数的减小幅度较大，之后减小幅度较为有限。因此，结合冻融变形控制效果和工程的经济性，建议在工程应用中掺加1%的木质素磺酸钙。

图1 冻胀率随木质素磺酸钙掺量变化曲线

图2 融沉系数随木质素磺酸钙掺量变化曲线

2.2 饱和度

结合上文研究成果，固定1%的木质素磺酸钙掺量和1.50g/cm3的干密度不变，对不同饱和度试样进行15次冻融循环试验。根据试验获得的数据，计算获取各方案试样的冻胀率和融沉系数，然后绘制出冻胀率和融沉系数随饱和度的变化曲线，结果分别如图3和图4所示。由图3和图4可以看出，随着试样饱和度的增加，试样的冻胀率和融沉系数呈现出类似的变化规律，均为首先缓慢增加然后迅速增长。由此可见，降低试样的饱和度对控制木质素磺酸钙改性土的冻融变形具有显著作用。从具体的试验数据来看，当试样饱和度低于50%时，试样的冻胀率和融沉系数变化不大。因此，建议在工程应用中将渠基土的饱和度控制在50%以内，可以取得更好的防冻融破坏工程效果。

图3 冻胀率随饱和度变化曲线

图4 融沉系数随饱和度变化曲线

2.3 干密度

固定1%的木质素磺酸钙掺量和50%的饱和度不变，对不同干密度试样进行15次冻融循环试验。根据试验中获得的数据，计算获取各方案试样的冻胀率和融沉系数，然后绘制出冻胀率和融沉系数随干密度的变化曲线，结果分别如图5和图6所示。由图5和图6可以看出，随着试样干密度的增加，试样的冻胀率和融沉系数呈现出类似的变化规律，均为先迅速减小然后趋于稳定。由此可见，增加试样的干密度对控制木质素磺酸钙改性土的冻融变形具有显著作用。从具体的试验数据来看，当试样干密度大于1.50g/cm3时，试样的冻胀率和融沉系数变化不大。因此，建议在工程应用中将渠基土的干密度控制在不低于1.50g/cm3，可以取得更好的防冻融破坏工程效果。

图5 冻胀率随干密度变化曲线

图6 融沉系数随干密度变化曲线

3 结语

此次研究通过室内试验的方式探讨了木质素磺酸钙改性土的抗冻融性能。试验结果显示，利用木质素磺酸钙改性渠基土，对控制渠基土冻胀变形具有明显的效果。在具体工程应用过程中，建议木质素磺酸钙的掺量水平为1%，同时将渠基土的饱和度控制在50%以内，干密度控制在不低于1.50g/cm3，可以获得最佳的工程效果，研究结论对木质素磺酸钙改性土在北方寒区渠道工程建设中的作用具有重要指导和支持作用。当然，此次研究仅针对木质素磺酸钙改性土的抗冻融性能展开研究，没有对其他物理力学性能，特别是工程的耐久性展开研究，在今后的研究中需要在该领域进行更广泛的探索，以便为工程应用提供更有力的支持。