木质素磺酸钙固化黄土的力学性能研究

摘 要：文章以木质素磺酸钙为固化剂，以兰州市西固区的黄土为固化对象，开展木质素磺酸钙固化黄土的力学性能研究。通过重型标准击实试验、无侧限抗压强度试验及回弹模量试验，研究固化剂掺量和养护龄期对木质素磺酸钙固化黄土无侧限抗压强度和回弹模量的影响。结果表明：当木质素磺酸钙掺量增加时固化黄土的最大干密度上升、最优含水率下降；固化剂掺量不超过1%时，固化黄土的无侧限抗压强度随养护龄期的增长而增加，而当掺量超过1%后，固化黄土的无侧限抗压强度则会出现下降；随着养护时间的增加，固化黄土的回弹模量逐渐增大，随固化剂掺量的增加回弹模量先增大后减小；基于无侧限抗压强度的试验数据，建立了木质素磺酸钙固化黄土无侧限抗压强度与养护龄期的关系，所得成果可为工程实践提供参考。

关键词：黄土；木质素磺酸钙；无侧限抗压强度；回弹模量

中图分类号：TU472 文献标志码：A*基金项目：甘肃省重点研发计划-工业类项目“高性能玻化微珠保温砂浆的研制与应用示范”（23YFGA0052）；2023年度中铁二十一局集团第二工程有限公司企业级课题“高效节能玻化微珠保温砂浆的研制与应用示范”（2023-YTHJJDKY-003）。

作者简介：张康（1988-），男，大学本科，助理工程师，主要研究方向：工业与民用建筑施工和管理。

0 引言

黄土在中国的分布非常广泛，约占中国国土面积的6.6%，总面积大约为6.3×10 5 km 2[1-2]。在中国西部大开发战略的实施背景下，大量的工业与民用建筑、公用基础设施等工程在黄土地区大规模建设，而黄土的地基承载能力较低，因此必须对其进行加固处理才能满足工程建设中对土体强度和稳定性的要求。传统土体加固剂如石灰、水泥和粉煤灰等无机结合材料经济性、加固效果较好，被广泛用于黄土的固化中。但这类加固方法容易造成资源消耗严重、环境污染加剧等问题[3]，并且会导致土壤的pH大幅上升[4]。因此，研究可再生、环境友好的固化剂是实现黄土地区工程建设可持续发展的必然选择。

木质素是一种碳元素丰富的高分子化合物，地球上储量仅次于纤维素，广泛分布在植物中，不同植物中木质素的结构也有所差异[5-6]。目前，中国工业木质素年产量可达2 000亿t[7]，但其综合利用效率不到5%，大量的工业木质素作为“黑液”排入河流和湖泊，对生态环境产生了严重影响。木质素磺酸钙是一种阴离子表面活性剂、属于木质素衍生物，将其应用于黄土的固化中既可以提高黄土的强度，又可以变废为宝，降低环境污染。

多年来，对木质素加固土体的研究持续不断推进。Ceylan等[8]采用2种不同类型的木质素加固黏土，发现2种方法均能提升土体的强度，木质素稳定黏土存在最佳掺量，掺量超过 12%后强度开始下降。Chen等[9]尝试用木质素磺酸盐对黏土的强度进行增强，发现黏土的强度有明显提升，得出木质素磺酸盐增强黏土的最优掺量为2%。张涛等[10]发现木质素能够提高粉土的路用性能。鉴于木质素磺酸钙作为一种环境友好、可再生的新型土体固化剂，目前国内关于其在黄土中的應用尚不多见，因此，文章选择黄土作为固化对象，木质素磺酸钙为固化剂，通过重型标准击实试验、无侧限压抗压强度试验、回弹模量试验，系统研究木质素磺酸钙掺量、养护时间对固化黄土力学性能的影响。

1 原材料及试验介绍

1.1 试验材料

试验用黄土取自兰州市西固区棚户区改造项目某基坑，将天然黄土风干后碾碎，过0.5 mm的标准筛。试验所用木质素磺酸钙是造纸工业的副产品，分子式为C 20 H 24 CaO 10 S 2 ，易溶于水、不溶于有机物，具有黏结性、芳香气味的浅棕色粉末，木质素磺酸钙购自河南省某化工有限公司，其质量标准见表1。

1.2 试验配合比

借鉴刘钊钊[11]的研究结果，选定木质素磺酸钙固化黄土的掺量（质量比）为0%、0.6%、1%、1.5%、2%、3%，养护龄期分别为3 d、7 d、14 d、28 d。

1.3 重型标准击实试验

按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019），采用重型标准击实方法，试样分3层击实。测得不同配合比木质素磺酸钙固化黄土的最大干密度和最优含水率试验结果见表2。

1.4 无侧限抗压强度试验

无侧限抗压强度是试样在无任何侧向限制的情况下所能承受轴向压力的最大值。采用上海华龙测试仪器股份有限公司生产的WHY-3000型微机控制压力试验机，将试样放置于升降板上加压直至试样破坏，仪器所记录试样破坏时的轴向压力与试样截面积的比值为试样的无侧限抗压强度。

1.5 回弹模量试验

回弹模量是指试样在垂直荷载作用下，试样所产生的应力与其所产生的回弹应变的比值。试验采用杠杆压力仪法测试固化黄土的回弹模量，记录各级荷载作用下的回弹变形，并计算试样最终的回弹模量。

1.6 试样的制备

采用 TYS-50 型土样压实装置完成试样的制作，试样为圆柱形，长125 mm、直径61.8 mm。计算制备一个试样所需材料的数量，为减少试验误差每组配合比的木质素磺酸钙固化黄土制备6个平行试样。首先将木质素磺酸钙和黄土混合，然后加入适量水进行搅拌。搅拌均匀后，将混合物装入密封袋，放在平整的制样台上浸润24 h，然后开始制备试样。无侧限抗压强度试验试样分5层压实，压实完一层后，还需进行试样表面的拉毛步骤，试样制备完成后包裹保鲜膜，放入标准养护箱中进行养护，达到养护时间取出试样测定无侧限抗压强度。

回弹模量试样采用重型标准击实试验大击实桶制备试样，试样为圆柱状，高度为120 mm、直径为152 mm。称取相应的黄土、木质素磺酸钙、加水搅拌均匀，放入密封袋静置24 h后分3层击实，将制备好的试样放入养护箱养护，达到养护龄期的试样取出测试其回弹模量。

2 结果与讨论

2.1 标准击实试验

各配合比木质素磺酸钙固化黄土含水率与干密度的关系如图1所示。从图中可知黄土中添加木质素磺酸钙后，其最大干密度和最优含水率都发生了明显变化。掺入少量的木质素磺酸钙会使得黄土的最优含水率大幅度降低，这表明木质素磺酸钙能够降低黄土的最优含水率。随着木质素磺酸钙掺量的增加，固化黄土的最大干密度持续增大，最优含水率不断降低，但随着掺量逐渐增加，这种变化趋势会逐渐减缓。当木质素磺酸钙掺量达到2%和3%时，固化黄土的最大干密度和最优含水率趋于稳定。由于木质素磺酸钙颗粒较小，可以填充黄土颗粒之间的孔隙，当木质素磺酸钙掺量达到2%～3%时，木质素磺酸钙对黄土孔隙的填充已趋于饱和。因此，固化黄土的最大干密度和最优含水率将保持在一个稳定的范围。

2.2 养护龄期对固化黄土无侧限抗压强度的影响

各配合比木质素磺酸钙固化黄土的无侧限抗压强度与养护龄期的关系如图2所示，从图中可以看出随着木质素磺酸钙掺量的增加，固化黄土的无侧限抗压强度随养护龄期的变化趋势不一致。当木质素磺酸钙掺量不超过1%时，固化黄土的无限抗压强度随着养护时间的增长而逐渐提高；当掺量超过1%后，木质素磺酸钙固化黄土试样的无限抗压强度在养护3 d后均有所提升。随着养护时间的增长，添加3%和2%的木质素磺酸钙固化黄土试样的无限抗压强度开始出现下降趋势。在养护龄期为28 d时，添加1.5%木质素磺酸钙的固化黄土试样的无限抗压强度也开始下降。对于高掺量（木质素磺酸钙掺量大于1%）的固化黄土，随着养护时间的推移其无侧限抗压强度会有所降低。特别是在掺量较高的情况下，无侧限抗压强度出现下降的时间在养护早期发生。由于木质素磺酸钙掺量过多，其黏结性与螯合性使得多余的木质素磺酸钙在黄土颗粒中形成团聚体，从而产生“润滑作用”。这种现象导致固化黄土中缺少土体骨架，进而使木质素磺酸钙固化黄土的强度出现了下降。

2.3 木质素磺酸钙掺量对固化黄土无侧限抗压强度的影响

通过比较不同养护龄期固化黄土无侧限抗压强度的测试数据（图3），可以得出隨着养护龄期的增长，固化黄土的无侧限抗压强度基本不变，没有随养护时间的增加无侧限抗压强度出现明显的改变。因此，采用木质素磺酸钙固化黄土时，应该在掺量上做出适当的平衡，以保证最优的无侧限抗压强度。黄土中仅掺加0.6%的木质素磺酸钙可明显提高其无侧限抗压强度。尽管添加1%的木质素磺酸钙可使固化黄土的无侧限抗压强度比掺加0.6%的更大，但提升幅度相对较小。添加1%的木质素磺酸钙时，固化黄土的无侧限抗压强度达到最大值；随着木质素磺酸钙掺量的进一步增加，固化黄土的无侧限抗压强度开始逐渐降低，掺量越高无侧限抗压强度反而越低，3%木质素磺酸钙固化黄土的最终强度甚至低于重塑黄土。主要是木质素磺酸钙属于阴离子表面活性剂，加入适量的木质素磺酸钙可以吸附在土颗粒表面并产生胶结作用，降低土颗粒之间的斥力，从而使土体的结构变得更为紧密；同时，木质素磺酸钙还具有充填土体孔隙、降低孔隙率等作用，提高了黄土的力学性能。掺入过量的木质素磺酸钙对黄土具有“润滑”效应，使其强度反而下降。

2.4 木质素磺酸钙固化黄土的回弹模量

各配合比木质素磺酸钙固化黄土的回弹模量随养护龄期的变化情况如图4所示，当养护龄期为3 d、木质素磺酸钙掺量为0.6%～3%的固化黄土回弹模量分别为61.36 MPa、64 MPa、57 MPa、33.77 MPa、33.87 MPa，较重塑黄土分别提升了124.2%、133.9%、108.3%、23.4%、23.7%。从试验结果可知，将木质素磺酸钙掺入黄土中可以有效地提升黄土的回弹模量。其中，1%的木质素磺酸钙掺量取得了最高的回弹模量，0.6%的木质素磺酸钙掺量也对提升固化黄土的回弹模量有一定作用。但当木质素磺酸钙掺量超过1%后，固化黄土的回弹模量开始下降，木质素磺酸钙掺量超过1.5%后固化黄土的回弹模量下降速度加快。从图4可以看出，木质素磺酸钙固化黄土的回弹模量在养护早期增长较快，养护后期逐渐趋于稳定；小掺量木质素磺酸钙的固化黄土随龄期增长较大，高掺量木质素磺酸钙随龄期变化较小。说明木质素磺酸钙固化黄土时需谨慎选择掺量，当掺量过高时则会增加固化成本，也会降低黄土的回弹模量。

2.5 固化黄土无侧限抗压强度数据的回归拟合

固化黄土的无侧限抗压强度能否满足工程要求是关键，如果能对其进行准确预测，将会对施工进度和人力资源的合理配置起到非常重要作用。由2.3节的研究结果可知，掺入木质素磺酸钙可以提高黄土的无侧限抗压强度，但当掺量超过1%时，无侧限抗压强度开始下降。高掺量的木质素磺酸钙固化黄土不仅成本较高，而且其强度较小，还会随养护龄期的增长而出现强度倒缩。因此，该节仅探讨木质素磺酸钙掺量为0.6%和1%固化黄土无侧限抗压强度与养护时间的关系。通过试验数据的回归拟合，发现幂函数公式（1）和双曲线函数公式（2）可以拟合抗压强度与养护时间的关系，具体拟合结果如图5和图6所示。

UCS=At B（1）

式中：UCS为固化黄土的无侧限抗压强度；A、B为回归系数。

式中：t为养护龄期；C、D、E为回归系数。

从图5可知采用幂函数拟合固化黄土无侧限抗压强度与养护龄期的相关系数均为0.84，拟合曲线与实测值的重合度较低，因此不建议使用幂函数预测木质素磺酸钙固化黄土的无侧限抗压强度。

从图6可知双曲线函数拟合固化黄土无侧限抗压强度与养护龄期的相关系数均为0.99，双曲线拟合效果优于幂函数。双曲线的拟合值与实测值重合度较高，能够很好地反映木质素磺酸钙固化黄土早期强度增长较快、后期强度增长较慢的趋势，在实际工程中可采用所拟合的双曲线函数来预测固化黄土的无侧限抗压强度随养护龄期的变化趋势。

3 结论

通过木质素磺酸钙固化黄土的试验研究，主要所得结论如下：

（1）黄土中掺入木质素磺酸钙可提高无侧限抗压强度。随着木质素磺酸钙固化剂掺量的增加，固化黄土的无侧限抗压强度呈现先增加后减小的趋势，当木质素磺酸钙掺量超过1%后，固化土的无侧限抗压强度则呈下降趋势。

（2）随着养护龄期的增长，木质素磺酸钙固化黄土的回弹模量呈上升趋势；木质素磺酸钙掺量增加时固化黄土的回弹模量呈现出先增加后减小的趋势，掺量为1%时固化黄土的回弹模量达到最大值。

（3）采用幂函数和双曲线函数对固化黄土的无侧限抗压强度和养护龄期之间的相关关系进行了拟合，比较拟合效果得出双曲线函数的拟合相关性最佳。

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Study on Mechanical Properties of Loess Solidified by Calcium Lignosulfonate

ZHANG Kang

（China Railway 21st Bureau Group Second Engineering Corporation Limited， Lanzhou Gansu 730030，China）

Abstract：This paper study the mechanical properties of calcium lignosulfonate solidified loess by using calci?um lignosulfonate as curing agent and loess in Xigu District of Lanzhou City as curing object. The effects of curing agent content and curing age on the unconfined compressive strength and rebound modulus of calcium lignosulfo?nate solidified loess were studied by heavy standard compaction test， unconfined compressive strength test and re?bound modulus test. The results show that the maximum dry density of solidified loess increases and the optimal moisture content decreases with the increase of calcium lignosulfonate content. When the content of curing agent is less than 1 %， the unconfined compressive strength of solidified loess increases with the increase of curing age， but decreases when the content is more than 1 %. With the increase of curing time， the resilience modulus of solidified loess gradually increased， and with the increase of curing agent content，the resilience modulus first increased and then decreased. Based on the experimental data of unconfined compressive strength， the relationship between un?confined compressive strength and curing age of calcium lignosulfonate solidified loess was established. The ob?tained results can provide reference for engineering practice.

Key words：loess; calcium lignosulfonate; unconfined compressive strength; resilient modulus