肖 斌，吳 斌，張進(jìn)港

（1.山東高速軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250098；2.山東泰和公路工程有限公司，山東 淄博 256103；3.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101）

引言

高液限黏土通常含有大量的蒙脫石、伊利石、高嶺石等黏土成分；土中黏粒和粉粒較多，集配分布不均，不易壓實(shí)；毛細(xì)現(xiàn)象明顯，吸水后能長(zhǎng)時(shí)間保持水分，故吸水后承載力小、穩(wěn)定性差；具有較大的可塑性、弱膨脹性和黏性。因此高液限黏土工程性質(zhì)較差，不能直接用于路基填筑，必須進(jìn)行技術(shù)改良。對(duì)不滿足工程要求的土料進(jìn)行土體改良，既可提高土體路用性能，又能解決路基填筑土料不足的問(wèn)題，達(dá)到資源循環(huán)利用的目的。

傳統(tǒng)的土體改良技術(shù)如加水泥、石灰等已經(jīng)很成熟，尋找新物質(zhì)對(duì)土體進(jìn)行改良已成為新熱點(diǎn)。木質(zhì)素是植物界中儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素的第二大生物質(zhì)資源，全球每年產(chǎn)量約5 000萬(wàn)噸，大部分未得到合理利用，資源浪費(fèi)嚴(yán)重[1]。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)在土體中添加木質(zhì)素來(lái)研究其對(duì)土體的物理力學(xué)性能的改善，成果頗豐。張濤等[2]發(fā)現(xiàn)低圍壓排水剪切條件下，木質(zhì)素改良粉土體積應(yīng)變存在先“剪縮”后“剪脹”的變化特征，高圍壓條件下則完全表現(xiàn)為“剪縮”。鐘秀梅等[3]從微觀角度揭示了兩種制樣法制備試樣的本質(zhì)差異，發(fā)現(xiàn)對(duì)于木質(zhì)素改良土，泥漿攪拌法獲得的試樣中木質(zhì)素與黃土顆粒形成了新的膠結(jié)物和團(tuán)聚物；而加水濕拌法獲得試樣中，木質(zhì)素在土顆粒中僅起到加筋作用，未出現(xiàn)新的膠結(jié)物。張健偉等[4]通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一定的凍融循環(huán)次數(shù)下木質(zhì)素改良土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增大先增加后降低，存在一個(gè)最優(yōu)摻量。劉釗釗等[5]基于土-水特征曲線試驗(yàn)和濕化崩解試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同體積含水率條件下改良黃土的基質(zhì)吸力均隨木質(zhì)素?fù)搅康脑黾酉仍龊鬁p，改良黃土水穩(wěn)性并非隨摻量持續(xù)增加而單調(diào)增強(qiáng)，1%～2%摻量的改良黃土水穩(wěn)性最佳。劉俐丹等[6]針對(duì)紫色土易引起水土流失的特點(diǎn)，進(jìn)行木質(zhì)素磺酸鈣固化實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)固化土抗剪強(qiáng)度隨著木鈣摻入量的增加先增大后減小，木鈣摻量為5.0%時(shí)，固化土抗剪強(qiáng)度達(dá)到峰值，凝聚力和內(nèi)摩擦角分別提高62.73% 和11.84%。劉松玉等[7]的研究證明，木質(zhì)素與粉土?xí)l(fā)生水解反應(yīng)、質(zhì)子化反應(yīng)和靜電引力作用，最終形成致密穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，有效提高粉土的抗壓強(qiáng)度和耐久性。

1 試樣方案及材料

1.1 試驗(yàn)方案

對(duì)魯山大道工程沿線分布的高液限黏土，分別采用石灰和兩種木質(zhì)素磺酸鹽（木質(zhì)素磺酸鈣、木質(zhì)素磺酸鈉，以下分別簡(jiǎn)稱木鈣、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)度和酸堿度指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)不同固化劑的改良效果。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案

1.2 試驗(yàn)材料

土樣取自淄博市魯山大道工程施工路段，基本物理性質(zhì)見(jiàn)表2。 木鈣呈棕褐色粉末狀，pH值為5.4，呈弱酸性。木鈉呈黃褐色粉末狀，pH值為9.1，呈弱堿性。石灰呈白色粉末狀，pH值為12.78，呈強(qiáng)堿性。酸堿度測(cè)定選用蒸餾水，其他試驗(yàn)取日常生活用水。

表2 土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)方法

2.1 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度是試樣在無(wú)側(cè)向壓力情況下，抵抗軸向壓力的極限強(qiáng)度，由無(wú)側(cè)限壓縮試驗(yàn)求得。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。試件尺寸為直徑39.1 mm，高80 mm的圓柱體，采用千斤頂靜壓一次成型法。

取過(guò)2 mm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，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1 min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)。

2.2 酸堿度試驗(yàn)

酸堿度試驗(yàn)是為了評(píng)價(jià)改良土對(duì)周圍環(huán)境的影響，所用儀器型號(hào)為PHS-3C數(shù)顯臺(tái)式酸度計(jì)。試樣取自無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度完成后的破碎土樣，將土樣碾碎過(guò)1 mm篩，取篩下土樣10 g，量取100 mL蒸餾水與土樣攪拌均勻，然后用酸度計(jì)測(cè)試pH值。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

（1）圖1（a）為木鈣摻量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良土抗壓強(qiáng)度的影響曲線?？梢钥闯?，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)。28 d齡期時(shí)，3%摻量時(shí)強(qiáng)度為2 887.5 kPa，為素土強(qiáng)度（1 698.9 kPa）的170%，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%。（2）圖1（b）為木鈉摻量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良土抗壓強(qiáng)度的影響曲線?？梢钥闯?，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)。28 d齡期時(shí)，木鈉摻量為6%時(shí)的抗壓強(qiáng)度為2 530.7 kPa，為素土強(qiáng)度（1 698.9 kPa）的149%，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%。（3）圖1（c）為石灰摻量與養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良土抗壓強(qiáng)度的影響曲線。

圖1 改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

可以看出，在各級(jí)養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著石灰摻量的增加，改良土強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，石灰摻量為9%時(shí)改良土的抗壓強(qiáng)度最大，當(dāng)摻量超過(guò)9%后強(qiáng)度呈現(xiàn)急速下降趨勢(shì)。28 d齡期時(shí)，石灰摻量為9%時(shí)的抗壓強(qiáng)度為4 351.1 kPa，為素土強(qiáng)度（1 698.9 kPa）的256%，可見(jiàn)9%摻量的石灰對(duì)高液限黏土改良效果最好，抗壓強(qiáng)度能提高156%。

3.2 改良土酸堿度

圖2 為28 d齡期時(shí)各固化劑摻量對(duì)改良土pH值的影響。

圖2 齡期28 d時(shí)改良土的pH值

可以看出，石灰改良土和木鈉改良土pH值都隨固化劑摻量的增加而增大，且都是在摻量為6%時(shí)達(dá)到最大值后趨于平穩(wěn)，其中石灰改良土pH值增加較大，pH最大值為11.6，呈強(qiáng)堿性，木鈉改良土pH值增加較小，pH最大值為9.3，呈弱堿性；木鈣改良土pH值隨固化劑摻量的增加而減小，在摻量為3%時(shí)達(dá)到最小值后趨于平穩(wěn)，pH最小值為6.2，改良土接近中性。

3.3 改良效果對(duì)比

為了直觀對(duì)比木鈣、木鈉與石灰對(duì)高液限黏土的改良效果，根據(jù)齡期28 d時(shí)改良土的抗壓強(qiáng)度和pH值變化，考慮經(jīng)濟(jì)性，選取最少摻量為3%時(shí)的改良土與素土進(jìn)行強(qiáng)度比較，見(jiàn)圖3。

圖3 三種固化劑改良效果對(duì)比

與素土相比，養(yǎng)護(hù)齡期7 d、14 d、28 d、60 d時(shí)，木鈉改良土強(qiáng)度提高不明顯，木鈣改良土和石灰改良土強(qiáng)度提升明顯。由此可知，3%摻量時(shí)，木鈉對(duì)高液限黏土的改良效果不明顯，但木鈣和石灰對(duì)于高液限黏土的改良效果極佳。在經(jīng)濟(jì)性要求下，綜合考慮三種固化劑對(duì)改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和pH值的影響，可知木鈣在最優(yōu)摻量3%時(shí)對(duì)高液限黏土的改良效果最佳。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）各級(jí)養(yǎng)護(hù)齡期下，隨著固化劑摻量的增加，三種改良土的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，木鈣、木鈉和石灰的最佳摻量分別為3%、6%和9%；養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，與素土相比，3%木鈣、6%木鈉和9%石灰改良土的抗壓強(qiáng)度分別提高了70%，49%和156%。（2）養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，石灰改良土和木鈉改良土的pH值都隨固化劑摻量的增加而增大，二者均在6%摻量時(shí)達(dá)到最大值后趨于平穩(wěn)，pH最大值分別為11.6和9.3；木鈣改良土的pH值隨固化劑摻量的增加而減小，3%木鈣摻量時(shí)達(dá)到最小值后趨于平穩(wěn)，最小值pH為6.2。（3）從經(jīng)濟(jì)性、改良土的抗壓強(qiáng)度和酸堿度三方面綜合比較，可知木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)高液限黏土的改良效果最佳。