应用木质素磺酸钙-粉煤灰对寒区碳酸盐渍土力学性能的改良1)

2022-11-07张淼鑫孙剑飞张晓东李震威徐凡林丁琳

东北林业大学学报 2022年10期

张淼鑫孙剑飞张晓东李震威徐凡林丁琳

(黑龙江大学，哈尔滨，150080)(黑龙江省隆业水利水电工程建设有限公司)(黑龙江大学)

木质素作为一种新型的土体固化材料成为了研究的新方向，已有较多研究，从不同角度阐述了木质素改良土体的机制原理[1-7]、改善土壤的强度与抗冻性[8-12]、木质素磺酸钙作为膨胀土稳定剂的有效性[13]及稳定机理[14-15]。随着电力工业的发展，燃煤电厂的粉煤灰排放量逐年增加，已有较多研究[16-22]探索了关于粉煤灰的应用。利用木质素磺酸钙、粉煤灰改良土已经逐渐开展研究，通过试验对比素土、传统方法粉煤灰改良土、木质素改良土的无侧限抗压强度，发现木质素改良土及木质素和粉煤灰混合改良土的无侧限抗压强度提升巨大，具有很好的改良效果。

为此，本研究以取自哈尔滨市某地区的粉质黏土为土样，添加碳酸氢钠(占盐渍土质量比1%)制备碳酸盐渍土；按照试验设计，在碳酸盐渍土中分别添加不同质量比例的木质素磺酸钙、粉煤灰，采用击样法制作土工试验标准试样；将土工试样经冻融循环“-20 ℃(冷冻12 h)—20 ℃(融化12 h)”后，进行无侧限抗压强度试验；分析木质素磺酸钙、粉煤灰的添，对碳酸盐渍土抗冻性、无侧限抗压强度的影响。旨在为优化木质素磺酸钙、粉煤灰混合改良土的配比提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

《岩土工程勘察规范》[23]规定：岩土中易溶盐质量比例大于0.3%，应判定为盐渍土。

本研究用土取自哈尔滨市某地区的粉质黏土，取回粉质黏土土样后，烘干并碾散，过2 mm筛，人工调配碳酸盐渍土，碳酸氢钠质量比例占盐渍土质量的1%；土体物理力学指标：液限28.3%、塑限15.1%、最大干密度2.01 g/cm3、最优含水率16.1%。

选取的木质素磺酸钙，其木质素质量分数为40%～50%；木质素磺酸钙(以下简称木钙)为拥有特殊气味的棕黄色粉末，是高分子聚合物阴离子表面活性剂，具有较强的水溶性，溶于水后显黑色，黏性强，水溶液中木质素质量分数越大黏度越大。选取的粉煤灰，颜色偏灰白，化学成分及质量比例为：51.00%的SiO2、3.87%的CaO、0.93%的MgO、0.60%的SO3、1.44%的烧失量、32.30%的Al2O3、7.56%的Fe2O3、2.30%的FeO。

1.2 试样制备及试验方案

按照试验设计，添加木钙占盐渍土质量的比例(木钙添加量)，分别为0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、3.00%、5.00%；添加粉煤灰占盐渍土质量的比例(粉煤灰添加量)，分别为1.00%、3.00%、5.00%、7.00%。准备不同添加量的试样，搅拌均匀，密封并浸润12 h。采用击样法制作直径39.1 mm、高80.0 mm的土工试验标准试样。成型后的试样采用聚酯薄膜密封，放入标准养护室内，在温度为20 ℃、相对湿度为95%的条件下养护28 d。添加木钙和粉煤灰并经完成养护的改良碳酸盐渍土试件、不添加木钙和粉煤灰碳酸盐渍土试件(对照试件)，一同放入冰箱内，设冰箱冻结温度为-20 ℃，冷冻12 h后，放入20 ℃的标准养护室内融化12 h，以此为1个冻融循环；试验冻融循环次数分别设为，0(不经冻融)、1、3、5、7、9、12次。土体经历冻融循环后，用微机控制电子式万能试验机(WDW-100E)进行无侧限抗压强度试验，对比不同添加量外加剂及其不同冻融循环次数的改良后碳酸盐渍土无侧限抗压强度。

2 结果与分析

2.1 不同木钙添加量对寒区碳酸盐渍土无侧限抗压强度的影响

试验发现，单独添加木钙添加量超过5.00%的改良碳酸盐渍土试样，在养护期间自行崩裂，已无研究价值。这是因为过高添加量会使木质素与土体矿物间难以完全反应，土体中存在木质素过多，形成局部软弱，从而表现为改良土无侧限抗压强度降低的现象[24]；且添加量较高时木钙会优先与自身结合，产生局部聚集，降低土颗粒间吸引力，从而削弱团聚体的均匀性，增大土体孔隙率，暴露出较多孔隙，使力学性能下降[25]。故在上述条件下改良的碳酸盐渍土，木钙添加量不能超过5.00%(见图1)。

由图2可见：不经冻融循环的试样，随着木钙添加量的增加，改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度增加，在木钙添加量达到0.50%时无侧限抗压强度最高。随着冻融循环次数的增加，试样的无侧限抗压强度均减小，在木钙添加量为0.75%时，改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度降幅最小。木钙添加量为5.00%时，经冻融循环3次以上后，试样发生严重冻胀现象，表面粗糙易碎，蓬松多孔(见图3)，力学性能骤降；这是因为木钙具有一定的引气性[26]，加入过量的木钙导致试样土体中微小气泡过多，且木钙添加量为5.00%的试样中部分木钙的局部聚集，再加上冻融循环作用，破坏了土体原有结构，造成严重的冻胀。

对不同添加量的木钙改良土进行无侧限抗压强度试验后，绘制改良土的应力-应变曲线(见图4)。由图4可见：不同木钙添加量改良土的应力都随应变的增大先增大后减小。这是由于试样应力达到最高点后开始产生破坏，试样产生屈服，该峰值点对应的应力即为试样的无侧限抗压强度，超过该峰值点后试样发生破坏；不添加木钙的碳酸盐渍土破坏时应变在5.6%左右，属于脆性破坏；当木钙添加量为0.50%时试样破坏的应变在10.4%左右，属于塑性破坏，说明木质素可以有效改善粉土的无侧限抗压强度。

不同添加量木钙改良土，经过冻融循环7次后进行无侧限抗压强度试验，改良土的应力-应变曲线(见图5)与图4相比，图5中试样受冻融循环破坏作用，不同添加量木钙改良土的无侧限抗压强度应力-应变曲线已经产生了明显的变化。其中，木钙添加量为3.00%的改良土，其应力-应变曲线与不添加木钙改良土的应力-应变曲线基本契合。而木钙添加量在3.00%以下的改良碳酸盐渍土，在相同的应变条件下其应力均高于不添加木钙的碳酸盐渍土的应力。由图5可知，木钙最优添加量为0.75%，此时土体试样出现应变硬化现象，破坏形式由脆性破坏转变为塑性破坏，说明木钙具有良好的抗冻性，这是因为木钙在土体中发生了化学反应，产生了具有一定强度的胶结性物质，连接了土颗粒，使土颗粒之间更加密实，同时堵塞空隙，从而提高水密性和降低霜冻敏感性[27-28]。

2.2 不同粉煤灰添加量对寒区碳酸盐渍土无侧限抗压强度的影响

由于粉煤灰发生物理化学反应需要较多的水，经多次试验表明，在本研究试验固定含水率时，粉煤灰添加量不宜超过7.00%。由图6可见：随着粉煤灰添加量的增加，试样的无侧限抗压强度先增大后减小，粉煤灰添加量为3.00%的改良碳酸盐渍土的无侧限抗压强度最高。这是由于粉煤灰的形态效应及微集料效应能对碳酸盐渍土起减水、致密作用[29]；并在碱性环境下能发生一定的水解和水化反应，游离出活性的SiO2、Al2O3，生成Ca(OH)2、水化硅酸钙、水化铝酸钙、水化铁酸钙等化合物[16]，在土颗粒间能起到一定的胶结作用。由不同粉煤灰添加量改良土的应力-应变曲线(见图7)可见，粉煤灰改良的碳酸盐渍土主要破坏形式为脆性破坏。这是由粉煤灰在发生火山灰反应具有一定的水硬性所致，其化学反应方程为：

SiO2+Ca(OH)2+nH2O→CaO·SiO2·(n+1)H2O；

Al2O3+Ca(OH)2+nH2O→CaO·Al2O3·(n+1)H2O。

由图8可见：粉煤灰添加量为3.00%的改良碳酸盐渍土，经冻融循环后的无侧限抗压强度，与未冻融的不添加粉煤灰对照组无侧限抗压强度比较接近。这是因为添加3.00%的粉煤灰有效地填充了土壤孔隙，降低了孔隙率，其改良后的无侧限抗压强度得到了提高，经过冻融循环后无侧限抗压强度仍然较大。但粉煤灰添加量较低的改良土抗冻性较差，这是因为粉煤灰添加量较低时无法有效填充孔隙。而粉煤灰较高添加量时，却因进行火山灰反应所需的水不足，导致试样中缺水，经过冻融循环的作用，使得粉煤灰改良的碳酸盐渍土试件中的微裂缝增大增多[30]，导致其无侧限抗压强度相应下降。

2.3 复合添加木钙-粉煤灰对寒区碳酸盐渍土无侧限抗压强度的影响

由图9可见：木钙与粉煤灰的复合添加，具有与单独添加粉煤灰相似的强度。其中，“木钙添加量为0.75%+粉煤灰添加量为1.00%”的复合添加，既具有木钙改良碳酸盐渍土所具有的良好抗冻性，又具有粉煤灰改良碳酸盐渍土所具有的力学性能(见图10)，复合添加木钙-粉煤灰的效果略好于单独添加3.00%粉煤灰的效果。

由图11可见：复合添加木钙-粉煤灰改良的碳酸盐渍土破坏形式、单独添加粉煤灰改良的碳酸盐渍土破坏形式，同属脆性破坏；但复合添加木钙-粉煤灰改良的碳酸盐渍土应力-应变曲线，在应变3.2%后各阶段下降幅度，比单独添加粉煤灰改良的碳酸盐渍土应变下降幅度更大。这是因为木钙加速了粉煤灰的水化作用，导致其脆性更大。复合添加木钙-粉煤灰改良的碳酸盐渍土试样，在养护7 d后，无侧限抗压强度已基本达到最大值；而单独添加粉煤灰改良的碳酸盐渍土试样，则需养护28 d，这是由于粉煤灰早期强度偏低；验证了复合添加木钙-粉煤灰的优越性。