于寶富，王明岳，鞏曰明，高文喜，劉 巖

(1. 山東泰和公路工程有限公司 淄博市 256410；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 濟(jì)南市 250100)

0 引言

高液限黏土壓實(shí)性差，級(jí)配分布不均勻，再加上其特有的高液限、高塑性指數(shù)和較高的天然含水率等特性，極易造成地基不均勻沉降，引起路面開(kāi)裂、沉陷或者道路滑移，嚴(yán)重影響行車的舒適性和安全性。因此規(guī)范中規(guī)定高液限黏土不能直接用于路基填筑，確需使用時(shí)，必須進(jìn)行技術(shù)處理[1]。土體改良是工程上較為常用的處理方法，常用的傳統(tǒng)固化劑主要有粉煤灰、水泥、石灰等，這些固化劑與土顆粒發(fā)生一系列的理化反應(yīng)，改變土體顆粒組成與礦物成分，從而使土體的路用性能得到提高。但傳統(tǒng)固化劑也會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面影響，例如無(wú)機(jī)結(jié)合料形成的強(qiáng)堿環(huán)境會(huì)污染周圍土體和地下水，另外水泥和石灰等的生產(chǎn)會(huì)消耗大量石灰石、黏土等自然資源，并且在生產(chǎn)過(guò)程中消耗大量電能、熱能，同時(shí)還會(huì)排出影響空氣質(zhì)量的CO2、SO2、粉塵等有害物質(zhì)。因此，在環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，尋找一種經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)保的新型固化劑尤為重要。

木質(zhì)素是紙漿造紙產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，每年會(huì)產(chǎn)生大約5000多萬(wàn)噸的工業(yè)木質(zhì)素，目前大多采用直接排放或焚燒的簡(jiǎn)單處理方式，不僅污染自然環(huán)境，還造成了天然資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。已有學(xué)者指出，木質(zhì)素中含有多種活性官能團(tuán)，是一種新型土體固化劑，具有廣闊的工程應(yīng)用前景[2]。張濤等[3]對(duì)木質(zhì)素改良粉土機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致研究，提出在水解、離子交換、質(zhì)子化和靜電引力等作用下，雙電層厚度減小，帶正電荷的木質(zhì)素高分子聚合物聯(lián)結(jié)土顆粒并填充孔隙，改良土工程性質(zhì)得以改善。賀智強(qiáng)等[4]對(duì)比分析木質(zhì)素磺酸鈣和木質(zhì)素磺酸鈉加固黃土的工程特性，認(rèn)為木質(zhì)素磺酸鈣可有效提高黃土的力學(xué)特性。婁勇等[5]認(rèn)為土體內(nèi)部孔隙可被木質(zhì)素填充，使外界水分無(wú)法滲入到土體內(nèi)部，使改良土具有良好的耐水性和耐浸泡性能。楊添元等[6]通過(guò)界限含水率試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)粉土經(jīng)過(guò)木質(zhì)素改良后，土體的液塑限變化比較明顯，整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。課題組前期對(duì)濟(jì)南地區(qū)黃河沖積粉土進(jìn)行過(guò)改良試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)改良土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性能均有明顯提高[7]。

以山東省淄博市魯山大道工程沿線分布的高液限黏土為研究對(duì)象，分別采用木質(zhì)素磺酸鈣(木鈣)和木質(zhì)素磺酸鈉(木鈉)作為固化劑對(duì)其改良，通過(guò)對(duì)比分析改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，評(píng)價(jià)兩種木質(zhì)素磺酸鹽對(duì)高液限黏土的改良效果。

1 高液限黏土基本性質(zhì)

試驗(yàn)土樣取自淄博市魯山大道-張辛路互通工程項(xiàng)目，取樣深度為地表下1m，土樣呈黃褐色，土顆粒團(tuán)聚，粘聚力較強(qiáng)，如圖1所示。土樣天然含水率為23.6%，液限為51.31%，塑限為24.71%，塑性指數(shù)26.6，屬于高液限黏土。

圖1 取樣場(chǎng)地

土樣中粉粒和黏粒含量為89.9%，其中粉粒(0.002～0.075mm)含量58.7%，黏粒(<0.002mm)含量31.2%，屬于細(xì)粒土。經(jīng)計(jì)算曲率系數(shù)為0.15，屬不良級(jí)配土。

擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，最佳含水率為16.67%，最大干密度為1.77g/cm3。

圖2 擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

2 試驗(yàn)方法

2.1 試樣方案及材料

木鈣、木鈉改良高液限黏土摻量都設(shè)定為0(素土)、1%、3%、6%、9%、12%，其中摻量為固化劑與干土的質(zhì)量比。養(yǎng)護(hù)齡期為3d、7d、14d、28d、60d。

木鈣和木鈉購(gòu)于臨沂綠森化工有限公司，木質(zhì)素含量約為65%，二者都具有輕微的芳香氣味。木鈣呈棕褐色粉末狀，如圖3(a)所示，PH值5.4，呈弱酸性。木鈉呈黃褐色粉末狀，如圖3(b)所示，PH值為9.1，呈弱堿性。

圖3 木質(zhì)素磺酸鹽

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是試件在側(cè)面不受任何限制的條件下所承受的最大軸向應(yīng)力。試驗(yàn)采用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀。試件采用千斤頂靜壓一次成型法，尺寸為直徑39.1mm，高80mm的圓柱體。

取過(guò)2mm篩下試驗(yàn)用風(fēng)干土與固化劑拌和均勻，用噴霧設(shè)備噴灑預(yù)計(jì)的加水量，并拌和均勻后裝入密閉容器中，悶料一夜備用。悶好的土料分三次倒入試模，每次振搗10～20次，靜壓1min后脫模。將成型試件放入保鮮袋中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中(養(yǎng)護(hù)溫度20℃±3℃，相對(duì)濕度≥95%)密封養(yǎng)護(hù)。待試件到養(yǎng)護(hù)齡期后，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 木鈣改良土

木鈣改良土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。圖4為木鈣摻量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良土抗壓強(qiáng)度的影響。由圖4(a)可以看出，在各級(jí)養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著木鈣摻量的增加，改良土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，木鈣摻量為3%時(shí)改良土的抗壓強(qiáng)度最大，而當(dāng)摻量超過(guò)3%后強(qiáng)度呈現(xiàn)急速下降趨勢(shì)。以28d齡期為例，木鈣摻量為1%、3%、6%、9%和12%時(shí)的抗壓強(qiáng)度為2609.9kPa、2887.5kPa、1799.0kPa、1698.7kPa和1489.6kPa，分別為素土強(qiáng)度(1698.9kPa)的154%、170%、106%、100%和88%，可見(jiàn)3%摻量的木鈣對(duì)高液限黏土改良效果顯著，抗壓強(qiáng)度能提高70%。

表1 木鈣改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(單位：kPa)

由圖4(b)可以看出，在各級(jí)木鈣摻量下，改良土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)不斷增大，前14d的增長(zhǎng)速率較快，后期強(qiáng)度增速逐漸變緩，這種趨勢(shì)在木鈣摻量為1%和3%時(shí)表現(xiàn)尤為明顯。以3%木鈣摻量為例，改良土養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d和60d抗壓強(qiáng)度分別為2074.6kPa、2505.3 kPa、2764.3 kPa、2887.5 kPa和2943.7 kPa，14d齡期的強(qiáng)度能達(dá)到60d齡期強(qiáng)度的94%。

(a)木鈣摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

(b)養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響圖4 木鈣改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

3.2 木鈉改良土

木鈉改良土的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。圖5為木鈉摻量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良土抗壓強(qiáng)度的影響。由圖5(a)可以看出，在各級(jí)養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著木鈉摻量的增加，改良土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，木鈉摻量為6%時(shí)改良土的抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)摻量超過(guò)6%后強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，尤其摻量超過(guò)9%時(shí)，強(qiáng)度下降態(tài)勢(shì)加快。以28d齡期為例，木鈉摻量為1%、3%、6%、9%和12%時(shí)的抗壓強(qiáng)度為2128.9kPa、2339.7kPa、2530.7kPa、2403.7kPa和1738.1kPa，分別為素土強(qiáng)度(1698.9kPa)的125%、138%、149%、141%和102%，可見(jiàn)6%摻量的木鈉對(duì)高液限黏土改良效果最好，抗壓強(qiáng)度能提高49%。

表2 木鈉改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果(單位：kPa)

(a)木鈉摻量對(duì)強(qiáng)度的影響

(b)養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)強(qiáng)度的影響圖5 木鈉改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖5(b)可以看出，在各級(jí)木鈉摻量下，改良土的抗壓強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)不斷增大，前14d的增長(zhǎng)速率較快，后期強(qiáng)度增速逐漸變緩。以6%木鈉摻量為例，改良土養(yǎng)護(hù)3d、7d、14d、28d和60d抗壓強(qiáng)度分別為1899.3kPa、2270.5kPa、2445.3kPa、2530.7kPa和2604.2kPa，14d齡期的強(qiáng)度能達(dá)到60d齡期強(qiáng)度的94%。

3.3 改良效果對(duì)比

為了直觀地對(duì)比木鈣與木鈉對(duì)高液限黏土的改良效果，將兩種木質(zhì)素在最優(yōu)摻量下的改良土與素土進(jìn)行強(qiáng)度比較，如圖6所示，其中木鈣最優(yōu)摻量為3%，木鈉最優(yōu)摻量為6%。與素土相比，養(yǎng)護(hù)齡期3d、7d、14d、28d、60d時(shí)，木鈣改良土強(qiáng)度可分別提高30%、50%、66%、70%、73%，木鈉改良土強(qiáng)度可分別提高19%、36%、46%、49%、53%。由此可知，木鈣和木鈉都可用于高液限黏土的改良，但木鈣的改良效果更佳。

圖6 兩種木質(zhì)素改良效果對(duì)比

4 結(jié)論

為了減少水泥、石灰等無(wú)機(jī)結(jié)合料的使用，同時(shí)避免木質(zhì)素的直接排放對(duì)環(huán)境的污染，使木質(zhì)素“變廢為寶”，開(kāi)展了兩種木質(zhì)素磺酸鹽(木鈣、木鈉)改良高液限黏土的試驗(yàn)研究，探討木質(zhì)素提升高液限黏土工程性能的可行性與有效性，所得結(jié)論如下：

(1)隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，兩種改良土的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，木鈣的最佳摻量為3%，而木鈉的最佳摻量為6%。

(2)木鈣改良土和木鈉改良土的抗壓強(qiáng)度都隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)不斷增大，前14d的增長(zhǎng)速率較快，后期強(qiáng)度增速逐漸變緩。

(3)養(yǎng)護(hù)齡期28d時(shí)，3%摻量的木鈣改良土抗壓強(qiáng)度比素土提高了70%，6%摻量的木鈉改良土抗壓強(qiáng)度比素土提高了49%，對(duì)于高液限黏土而言，木鈣的改良效果更好。