黃雨靈， 張吾渝， 季港澳， 解邦龍， 董超凡

（1.青海大學 土木工程學院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016）

0 引言

木質(zhì)素磺酸鈣作為造紙工業(yè)副產(chǎn)品之一，在工業(yè)中通常被直接排放至江河或濃縮后燃燒，造成資源浪費和環(huán)境污染。生態(tài)文明社會的發(fā)展離不開環(huán)保理念，綠色建材逐漸推廣并運用到土木工程行業(yè)中。研究表明木質(zhì)素磺酸鈣具有良好的螯合性、有效膠結(jié)顆粒和提高散體材料強度的優(yōu)點［1］，其主要元素為C、H、O、Ca 和Na 等元素［1］，是一種環(huán)保的高分子材料。因此，合理利用木質(zhì)素，既可以保證資源利用最大化又可以達到環(huán)境保護的要求。

青海省東北部地區(qū)黃土分布較廣，黃土具有孔隙大、遇水易濕陷等性質(zhì)，因此黃土內(nèi)部結(jié)構易發(fā)生破壞［2］，致使建筑結(jié)構存在較多安全隱患。此外，該地區(qū)黃土位于季節(jié)凍土區(qū)內(nèi)，凍融循環(huán)作用也是導致建筑物產(chǎn)生工程病害的重要因素之一。凍融作用主要以改變土顆粒之間的結(jié)構連接和排列方式導致土體劣化，對土體造成不可逆的損傷，進而影響土體的力學性質(zhì)。季節(jié)凍土區(qū)工程施工中經(jīng)常采用水泥、生石灰和粉煤灰等傳統(tǒng)改良劑對黃土地基或路基進行換土墊層，以提高土體的承載力。同時，有研究發(fā)現(xiàn)，固化劑的種類及摻量的不同會造成改良土加固效果的差異，與重塑黃土相比，改良黃土的強度仍明顯提高［3-6］。伴隨著青海省“生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展”戰(zhàn)略的提出，為順應生態(tài)保護和高質(zhì)量發(fā)展的要求，選取一種穩(wěn)定且環(huán)境友好型的改良材料對土體進行加固，顯得尤為重要。

木質(zhì)素具有環(huán)境友好、可再生性強、化學性質(zhì)相對穩(wěn)定的等優(yōu)點［1］。利用木質(zhì)素改良土體的相關研究已有開展，Santoni 等［7］、Tingle 等［8］分別對木質(zhì)素磺酸鹽改良粉砂和粉質(zhì)黏土進行試驗，發(fā)現(xiàn)干濕條件下木質(zhì)素可以有效改善土體的無側(cè)限抗壓強度；Indraratna 等［9］對木質(zhì)素改良粉砂進行抗侵蝕試驗，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠提高粉砂抗侵蝕能力，且木質(zhì)素改良粉砂的抗侵蝕性優(yōu)于水泥改良土；Ceylan等［10］研究了木質(zhì)素在黏土路基穩(wěn)定方面的應用，結(jié)果表明：木質(zhì)素的摻入能有效提高地基承載力；侯鑫等［11］、賀智強等［12］分別對木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土進行了加卸載試驗和不固結(jié)排水剪切試驗，發(fā)現(xiàn)改良黃土的回彈模量和抗剪強度明顯高于素土；劉松玉等［13］開展木質(zhì)素磺酸鈣改良粉土路基填料現(xiàn)場試驗，研究結(jié)果表明木質(zhì)素磺酸鈣可有效提高粉土的抗壓強度和耐久性。

木質(zhì)素摻量對改良土體的力學性能也有影響，張建偉等［14］對木質(zhì)素改良土進行了無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗結(jié)果表明：木質(zhì)素改良粉土的無側(cè)限抗壓強度隨摻量先增加后減小，在5%時效果最優(yōu)，并且其強度隨養(yǎng)護齡期的增加而升高，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；劉釗釗等［15］、姬勝戈等［16］基于土水特征曲線、崩解試驗和模擬降雨沖刷試驗，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鹽的摻入，可以有效改善土體的水理性質(zhì)，最優(yōu)摻量分別為1%～2% 和0.5%～3%。

此外，在探究木質(zhì)素加固土體機理方面，已有學者結(jié)合多維度的微觀試驗（SEM、XRD、ESP）進行研究，姬勝戈等［16］認為木質(zhì)素磺酸鈣主要是通過膠結(jié)顆粒和填充黃土孔隙達到提高土體力學性能的效果；賀智強等［12］提出木質(zhì)素中的疏水基可包裹黃土顆粒，進而提高改良黃土的水穩(wěn)性；侯鑫等［11］、張濤等［17］木質(zhì)素能夠通過水解反應和質(zhì)子化反應減薄雙電層厚度，達到密實結(jié)構的效果。

綜上所述，在季節(jié)性凍土區(qū)利用木質(zhì)素對土體改良具有可行性，且能夠為寒區(qū)工程建設提供一定的參考依據(jù)。本文主要以木質(zhì)素磺酸鈣和黃土為試驗材料，首先進行側(cè)限浸水壓縮試驗，之后以凍融循環(huán)次數(shù)、木質(zhì)素磺酸鈣摻量和圍壓為試驗變量，對木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土進行凍融試驗、不固結(jié)不排水三軸剪切試驗、掃描電鏡試驗和X 射線衍射試驗，研究木質(zhì)素磺酸鈣對黃土的改良效果及凍融作用對木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土力學特性的影響，試驗結(jié)果可為木質(zhì)素磺酸鈣在黃土地基及路基的處理設計中提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗所用黃土取自青海省西寧市城北區(qū)某場地，取土深度為3 m，顏色為淡黃色，無明顯根系及蟲洞。黃土的基本物理性質(zhì)如表1 所示，并定名該地黃土為低液限黏土。

表1 黃土基本物性指標Table 1 Basic physical properties of loess

試驗用木質(zhì)素磺酸鈣如圖1 所示，呈棕色粉末狀固體，有芳香性氣味，且易溶于水。通過掃描電鏡（SEM）發(fā)現(xiàn)其具有多孔隙和層狀結(jié)構，如圖2所示。

圖1 木質(zhì)素磺酸鈣Fig.1 Calcium lignosulfonate

圖2 木質(zhì)素磺酸鈣的SEM圖像Fig.2 SEM image of calcium lignosulfonate

1.2 試樣制備

將黃土放入105 ℃烘箱烘干12 h后過2 mm 篩。已有研究表明［16］，木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的擊實曲線較素土波動小，因此本試驗基于黃土的最優(yōu)含水率進行試樣制備［11，18］：按照黃土質(zhì)量比的0%、1%、2%和3%對改良土進行配制，之后將土料攪拌3～5分鐘，保證木質(zhì)素磺酸鈣摻和均勻，最后將配制好的土料靜置12 h 保證水分遷移均衡。按照黃土95%壓實度分別制作室內(nèi)側(cè)限浸水壓縮試驗環(huán)刀試樣和不固結(jié)不排水三軸剪切試驗圓柱試樣，尺寸H×R分別為20 mm×61.8 mm 和80 mm×39.1 mm，最后將成型試樣用保鮮膜包裹，防止水分揮發(fā)。

1.3 試驗方案

1.3.1 室內(nèi)側(cè)限浸水壓縮試驗

試驗首先采用三聯(lián)固結(jié)儀分別對木質(zhì)素磺酸鈣摻量為0%、1%、2%和3%的改良黃土進行側(cè)限浸水壓縮試驗，各級加載壓力分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

1.3.2 凍融循環(huán)試驗

凍融循環(huán)試驗在凍脹循環(huán)試驗箱（TMS9018-500）中進行，凍融過程為封閉系統(tǒng)下的三維凍融過程。為準確模擬實際工程，對青海省西寧地區(qū)近三年冬季月平均最低氣溫進行統(tǒng)計（圖3），得到平均最低氣溫為-14.4 ℃，故將凍結(jié)溫度設定為-15 ℃。結(jié)合已有試驗，融化溫度對土體結(jié)構的影響不大［19］，因此將融化溫度設定為15 ℃，最終采用如圖4所示的正弦波形溫控模式進行凍融循環(huán)試驗，起始相位為π，幅值為15 ℃。為保證試驗過程中試樣能夠完全凍結(jié)和融化，在凍融循環(huán)試驗開始前，在試樣中心嵌入熱電偶，測試結(jié)果表明試樣在12 h 內(nèi)可完全凍結(jié)和融化［4，19-21］。因此，本次試驗以凍結(jié)12 h和融化12 h為1次凍融循環(huán)。

圖3 西寧近3年冬季平均最低氣溫曲線Fig.3 The average lowest temperature curve of Xining in recent 3 years

圖4 正弦溫控模式Fig.4 Sinusoidal temperature control curve

既有的試驗結(jié)果表明，土體強度的最低值出現(xiàn)于10 次凍融循環(huán)內(nèi)，而在凍融10 次之后，強度逐漸趨于穩(wěn)定。鑒于此，8～12 次凍融循環(huán)可滿足研究凍融循環(huán)作用對強度等力學性質(zhì)影響的要求［22］，因此，本研究中凍融循環(huán)次數(shù)設定為0、3、6、9 和12 次共5種。

1.3.3 不固結(jié)不排水三軸剪切試驗

由于地基處理的壓實過程中存在超固結(jié)應力歷史以及路面基層行車荷載的瞬時性，低滲透性的粉質(zhì)黏土在融化狀態(tài)下無法完成固結(jié)排水過程［22］，同時為模擬快速施工的工況，本試驗進行不固結(jié)不排水三軸剪切試驗。試驗采用SLB-1 型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀，試驗操作按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）執(zhí)行。研究表明，路基現(xiàn)場實際測得的圍壓較小，通常為20～60 kPa［23］，同時，青海省冬季地表凍結(jié)深度為1.5 m 左右，因此為了模擬地層壓力，圍壓分別設置為15 kPa、45 kPa 和75 kPa，剪切應變速率設置為0.8 mm·min-1，在軸向應變達到20% 時中止試驗。

1.3.4 掃描電鏡試驗

選擇經(jīng)過凍融循環(huán)試驗后，具有代表性的試樣，用真空冷凍干燥儀凍結(jié)干燥，保證試樣干燥并保持原有形態(tài)結(jié)構［23］。將干燥完成的土樣掰開并取得新鮮斷面后進行噴金處理，之后開展掃描電鏡試驗（SEM），掃描倍數(shù)為500倍，從微觀角度分析土樣內(nèi)部結(jié)構變化。

1.3.5 X射線衍射試驗

取經(jīng)過凍融循環(huán)試驗后自然風干土樣50 g，利用研缽對較大顆粒土樣研磨碾碎，再制樣進行X射線衍射試驗（XRD），分析土樣內(nèi)部礦物成分的變化情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 濕陷性評價

各摻量下改良黃土的濕陷系數(shù)如圖5所示。在100 kPa、150 kPa、200 kPa 壓力下，黃土的濕陷系數(shù)均介于0.015～0.03之間，說明該黃土為弱濕陷性黃土。而各摻量改良黃土在各級壓力下的濕陷系數(shù)均小于0.015，說明木質(zhì)素磺酸鈣的加入，可以有效消除黃土的濕陷性。

圖5 各摻量下木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的濕陷系數(shù)（L表示木質(zhì)素磺酸鈣摻量，σ3表示圍壓，F(xiàn)-T表示凍融循環(huán)次數(shù)）Fig.5 Collapsibility coefficient of calcium lignosulfonate improved loess with different dosage（L represents the content of calcium lignosulfonate，σ3 represents the confining pressure，F(xiàn)-T represents the number of freeze-thaw cycles）

2.2 應力-應變曲線

不同凍融循環(huán)次數(shù)、摻量和圍壓下試樣的應力-應變曲線如圖6所示。隨著圍壓和摻量的增加，改良黃土的應力-應變曲線由弱硬化型向一般硬化型發(fā)展，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應力-應變曲線仍為弱硬化型。由圖6（a）可知，木質(zhì)素磺酸鈣摻量為0%、1%和3%時，應力-應變曲線上未出現(xiàn)拐點，偏差應力均隨著軸向應變的增大而增大，前期增長速度較快，后期增長速度變緩并逐漸趨于穩(wěn)定。由圖6（b）可知，經(jīng)過6 次凍融循環(huán)后，應力-應變曲線仍為弱硬化型，但破壞強度有所下降，這說明凍融循環(huán)作用對土體強度造成了劣化。

圖6 試樣應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of samples：the effect of content of calcium lignosulfonate and confining pressure（F-T=0）（a）；the effect of content of calcium lignosulfonate and freeze-thaw cycles（σ3=45 kPa）（b）

圖7 為圍壓為45 kPa 條件下，各摻量改良黃土試樣的破壞形態(tài)圖像，圍壓15 kPa 和75 kPa 下的試樣破壞具有相似特征。圖7中從左到右摻量分別為0%、1%、2%和3%，可見試樣沒有出現(xiàn)明顯破壞面，但表現(xiàn)出明顯的剪脹破壞特征，屬于塑性破壞。這是因為木質(zhì)素磺酸鈣的加入，有效膠結(jié)黃土顆粒，土樣的骨架強度得到一定提升，當試樣在經(jīng)受剪應力破壞時，僅發(fā)生了剪脹而未表現(xiàn)出顯著的脆性破壞形態(tài)。

圖7 木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土剪切破壞圖像Fig.7 Calcium lignosulfonate modified loess shear failure image

2.3 木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的破壞強度特性

2.3.1 木質(zhì)素磺酸鈣摻量的影響

不同摻量下改良黃土的破壞強度如圖8 所示。由圖8分析可知，在相同圍壓下，改良黃土的破壞強度隨著摻量的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在摻量為1%時，試樣的破壞強度最高。在相同摻量下，改良黃土的破壞強度隨著圍壓的增大而增大。當圍壓分別為15 kPa、45 kPa、75 kPa 時，將摻量為1%的改良黃土試樣的破壞強度與素土試樣進行對比，發(fā)現(xiàn)前者破壞強度分別增長34.7 kPa、32.3 kPa、47.2 kPa。這是由于隨著圍壓的增大，改良黃土內(nèi)部的土顆粒重新排列擠密，且圍壓越大，顆粒之間接觸會更加緊密，則土顆粒間的滑動摩擦更大，土體的破壞強度逐漸增大，可見圍壓的擠密作用，可以增加土體抵抗變形的能力。當圍壓為75 kPa 時，摻量分別為1%和2%時，改良黃土的破壞強度較素土分別提高18.6%、14.7%。而摻量增至3%時，改良黃土的破壞強度較素土降低10.8%，可見適量木質(zhì)素磺酸鈣的摻入才可以有效提高改良黃土的破壞強度。

圖8 不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下破壞強度曲線Fig.8 Relationship of failure strength under different calcium lignosulfonate content

2.3.2 凍融循環(huán)次數(shù)的影響

不同圍壓下改良黃土試樣的破壞強度和凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線如圖9 所示。由圖9 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞強度呈現(xiàn)出先減小后穩(wěn)定的趨勢。經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，土體內(nèi)部的水分不斷凍結(jié)與融化，反復凍融使得試樣內(nèi)部土顆粒之間的排列方式發(fā)生較大改變，內(nèi)部結(jié)構不斷變化，對土體內(nèi)部造成損傷，土體內(nèi)部孔隙不斷增大，試樣內(nèi)部土顆粒之間的咬合作用和膠結(jié)作用減弱，從而導致土體剪切強度下降；而當凍融循環(huán)達到9～12 次后，土體內(nèi)部結(jié)構受凍融作用的影響降低，土體內(nèi)部結(jié)構逐漸趨于穩(wěn)定，因此對應的剪切強度也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖9 不同圍壓下破壞強度和凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線Fig.9 Relationship between failure strength and number of freeze-thaw cycles under different confining pressures：σ3=15 kPa（a）；σ3=45 kPa（b）；σ3=75 kPa（c）

圖10 給出了摻量為1%時改良黃土的SEM 圖像?？梢园l(fā)現(xiàn)，在未經(jīng)凍融作用的改良土體中，木質(zhì)素磺酸鈣的細小顆粒填充了土顆粒之間的孔隙［圖10（a）］，且由于木質(zhì)素磺酸鈣具有黏結(jié)性和螯合性，促使土體中細小的顆粒黏結(jié)形成團粒并附著于土體原有顆粒的連接處，因此相較于素土，改良土的結(jié)構相對致密，并且顆粒間的接觸方式以面-面接觸為主。經(jīng)過12次凍融循環(huán)后，土顆粒的棱角變得相對圓潤，內(nèi)部孔隙被凍融循環(huán)作用剝落的小顆粒填充，顆粒間的接觸方式向點-點和點-面接觸發(fā)展［圖10（b）］。

圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)下1%摻量木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土SEM圖像Fig.10 SEM images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles

2.3.3 破壞強度衰減率

對于應力-應變曲線呈硬化形式的試樣，選取軸向應變15%所對應的偏應力值作為破壞強度。土體的破壞強度衰減率計算公式如下。

式中：σ1-σ3（max，i）為凍融循環(huán)第i次后試樣的破壞強度；σ1-σ3（max，0）為未凍融循環(huán)試樣的破壞強度。

圍壓為15 kPa 時，不同摻量改良黃土的破壞強度衰減率與凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線如圖11所示。圍壓為45 kPa、75 kPa時也有類似規(guī)律。由圖11（a）可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，凍融作用對土體的劣化效應持續(xù)增加，凍融循環(huán)次數(shù)為12 次時，衰減率有變緩趨勢，由于本次試驗為了更快達到理想效果，最大凍融次數(shù)僅為12 次，其變化規(guī)律未來可增加循環(huán)次數(shù)進一步深入討論。在凍結(jié)過程中，水分遷移及水相變過程可改變顆粒間的連接方式，能夠破壞試樣內(nèi)部結(jié)構，因此破壞強度會出現(xiàn)下降的趨勢；經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，土體顆粒間的排列方式和連接方式以及土體結(jié)構逐漸達到一種新的平衡狀態(tài)，破壞強度衰減率也逐漸趨于穩(wěn)定。隨著摻量的增加，衰減率的擬合直線斜率呈現(xiàn)出先減小再增大的趨勢，說明適量木質(zhì)素磺酸鈣的摻入，可以有效抵抗凍融循環(huán)作用的影響，由此推測木質(zhì)素磺酸鈣能有效降低凍融破壞的影響，具有一定的抗凍性。圖11（a）中也可以看出，當摻量為1%時衰減率最低。由圖11（b）還可看出，經(jīng)凍融作用后，摻量為1%的改良黃土相較于素土，破壞強度衰減率明顯下降。

圖11 不同凍融循環(huán)次數(shù)下破壞強度衰減率Fig.11 Attenuation rate of failure strength under different freeze-thaw cycles：different content（a）；L=1%（b）

2.4 抗剪強度指標分析

土體的抗剪強度指標黏聚力（c）和內(nèi)摩擦角（φ）是反映土體強度的重要參數(shù)。圖12 為黏聚力與內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的關系曲線。由圖12 可知，隨著摻量的增加，抗剪強度指標呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強度指標總體為降低趨勢。素土和改良黃土在凍融循環(huán)作用的影響下，黏聚力都出現(xiàn)不同程度的降低，對比未經(jīng)凍融和經(jīng)歷12 次凍融的土樣，發(fā)現(xiàn)素土的黏聚力降低了8.68 kPa，降低率為52.25%；改良黃土的黏聚力隨木質(zhì)素磺酸鈣摻量增 加1%、2% 和3%，分別降低了4.39 kPa、5.34 kPa 和6.89 kPa，降低率分別為17.33%、22.96%和46.59%?？梢姡刺砑幽举|(zhì)素的素土黏聚力降低最大，木質(zhì)素磺酸鈣摻量1%改良黃土降低最小。

圖12 c、φ值與凍融循環(huán)次數(shù)和摻量的關系Fig.12 The relationship between the value of c、φ and the number of freeze-thaw cycles and dosage：cohesion（a）；internal friction angle（b）

由圖12（a）中可以看出，試樣的黏聚力隨著凍融循環(huán)次數(shù)總體為降低趨勢。分析原因認為：試樣在凍結(jié)時水相變產(chǎn)生的冰晶均勻分布在土體中，造成的體積膨脹，膠結(jié)作用增強。但是土體融化時，原相變產(chǎn)生的用于支撐土顆粒骨架的冰晶融化成水，已造成的試樣結(jié)構變化無法恢復，土顆粒間的接觸點明顯減少，因此黏聚力降低。而凍融循環(huán)被認為是動態(tài)平衡的過程，隨著凍融次數(shù)的增加，土體內(nèi)部一般經(jīng)歷破壞-弱穩(wěn)定-弱破壞-穩(wěn)定狀態(tài)，最終土體結(jié)構和連結(jié)方式不再明顯改變［25］，因此黏聚力總體為降低趨勢。從圖12（b）中可以觀察到，相較于黏聚力，改良黃土的內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)的增加有波動性，但總體來看內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)呈減小趨勢。這是由于在凍融過程中，水分凍脹使土顆粒間距增大，導致咬合摩擦角的減?。?1］，并且土體內(nèi)部發(fā)生水分重分布及劣化，使得土顆粒間產(chǎn)生相對滑動，表現(xiàn)為內(nèi)摩擦角減小的規(guī)律。

2.5 彈性模量

彈性模量是衡量改良土體的重要指標。Lee等［25］進行了無側(cè)限壓縮試驗，認為土體產(chǎn)生1%的應變時對應的應力可以作為判定凍融作用下土彈性模量的變化標準。在本試驗中，選取應力-應變曲線中軸向應變達到1%時所對應的偏應力與軸向應變的比值作為該試樣的彈性模量，計算公式如（2）所示。

式中：ε1%代表試樣應變達到1%時的軸向應變；σ1%代表土體產(chǎn)生1%的應變時對應的應力。

圍壓為45 kPa 時，不同凍融循環(huán)次數(shù)下，各摻量改良黃土的彈性模量如圖13 所示。由圖13 可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體的彈性模量呈降低的趨勢。隨著木質(zhì)素摻量的增加，土體的彈性模量呈現(xiàn)出先增加后減小的規(guī)律。摻量為1%的改良土的彈性模量明顯高于素土的彈性模量，說明木質(zhì)素磺酸鈣的摻量為1%時，對黃土具有較好的改良效果，抵抗變形的能力明顯強于素土，且具有一定抵抗凍融循環(huán)作用的能力。圍壓為15 kPa、45 kPa時，也具有類似的規(guī)律。

圖13 不同凍融循環(huán)次數(shù)下黃土的彈性模量與木質(zhì)素磺酸鈣摻量的關系Fig.13 The relationship between elastic module and different calcium lignosulfonate content of loess with different freeze-thaw cycles

2.6 凍融循環(huán)作用對改良土的微觀影響

2.6.1 二值化分析

采用顆粒及裂隙識別與分析系統(tǒng)（PCAS）對1%木質(zhì)素磺酸鈣土體掃描電鏡圖像進行二值化處理，二值化處理后的圖像如圖14 所示。從圖14（a）可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)為0次時，圖像內(nèi)部黑色部分較多，且土顆粒棱角分明。從圖14（b）可以看出，凍融循環(huán)次數(shù)為12次時的圖像內(nèi)部白色部分較多，并且該部分相互連接，內(nèi)部孔隙較多，大多為先前孔隙周圍的衍生產(chǎn)物。

圖14 不同凍融循環(huán)次數(shù)下1%摻量木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土SEM與二值化圖像Fig.14 SEM and binary images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles

圖15給出了不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下改良土微觀定量參數(shù)的變化關系曲線。概率熵用來描述土體孔隙、顆粒分布的有序性；分形維數(shù)用于描述土體內(nèi)部顆粒和孔隙復雜性，其值越大，表明內(nèi)部物質(zhì)的分布越復雜、越密實；平均形狀系數(shù)是對內(nèi)部孔隙形態(tài)定量描述的參數(shù)，其值越大孔隙形態(tài)越圓滑［26］。

由圖15 可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)前6 次時，概率熵、分形維數(shù)和平均形狀系數(shù)變化幅度較大，試樣內(nèi)部孔隙以圓滑分布為主，內(nèi)部結(jié)構排列疏松，分析其變化規(guī)律主要由于土體內(nèi)部的水分不斷凍結(jié)與融化，反復凍融過程中產(chǎn)生的凍脹力不斷破壞土體結(jié)構，土顆粒結(jié)構之間的膠結(jié)作用受到破壞，對土體內(nèi)部造成損傷，破壞程度增加，宏觀上表現(xiàn)為土體抗剪強度下降。而凍融至12次時，試樣內(nèi)部結(jié)構趨于穩(wěn)定，概率熵、分形維數(shù)和平均形狀系數(shù)變化幅度較小，顆粒間的孔隙增長幅度下降，達到較為平穩(wěn)的狀態(tài)，說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部受到凍融循環(huán)次數(shù)影響逐漸減弱，對應的破壞強度也逐漸趨于穩(wěn)定。

圖15 不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下改良土的微觀定量參數(shù)Fig.15 Changes of microscopic quantitative parameters of improved loess under different calcium lignosulfonate content：probability entropy（a）；fractal dimension（b）；average form factor（c）

2.6.2 XRD試驗結(jié)果

不同凍融循環(huán)次數(shù)下，素土和1%摻量的改良土體的X 射線衍射譜結(jié)果如圖16 所示。由圖16 可以看出，素土和1%摻量改良黃土的特征衍射峰出現(xiàn)的位置是相同的，且改良土圖像中并無新峰的出現(xiàn)，說明改良前后土體的內(nèi)部礦物成分未發(fā)生變化，表明木質(zhì)素的改良機理與水泥和石灰等傳統(tǒng)改良材料的改良機理是不同的，這也與侯鑫等［11］的研究結(jié)果一致。通過對XRD試驗結(jié)果進行定性分析，發(fā)現(xiàn)試樣所含礦物成分主要均為石英、方解石、鈉長石、鉀長石和斜長石，但是改良土的衍射峰值強度略有減小。Alazigha 等［27］、劉堯伍［28］分別利用木質(zhì)素改良鹽漬土、膨脹土時都觀察到了相同的現(xiàn)象，這可能是因為木質(zhì)素的無定形特性限制了礦物原子平面的衍射造成的。對經(jīng)過12 次凍融循環(huán)后摻量為1%的改良土進行分析，發(fā)現(xiàn)其衍射峰基本保持不變，內(nèi)部礦物成分未有變化，可以推測凍融循環(huán)不會造成礦物成分的消解，這與劉堯伍［28］的研究結(jié)果一致。

圖16 木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的XRD衍射圖Fig.16 XRD diffraction pattern of calcium lignosulfonate improved loess

2.7 討論

結(jié)合掃描電子顯微鏡及經(jīng)過顆粒及裂隙識別與分析系統(tǒng)（PCAS）處理的圖像特征，并根據(jù)木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的試驗結(jié)果，進一步探討木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土最優(yōu)摻量為1%的作用機制。

圖17 為不同摻量下未凍融的改良黃土掃描電鏡以及經(jīng)過顆粒及裂隙識別與分析系統(tǒng)（PCAS）二值化處理后的圖像，二值化圖像中白色代表孔隙，黑色代表土體。從圖17（a）中可以看出，素土的內(nèi)部結(jié)構中，土顆粒與孔隙區(qū)分明顯，土顆粒棱角分明，大顆粒表面附著粒狀、絮狀的膠結(jié)物質(zhì)。當木質(zhì)素磺酸鈣摻量為1%時，如圖17（b）所示，土體中生成新的膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，其分布于土顆粒間且填充部分顆粒間的孔隙，提供一定的膠結(jié)作用，孔隙變小且數(shù)量減少，使得土體內(nèi)部變得更加密實。由圖17（c）可知，當摻量增至3%時，土體中大部分孔隙被填充，但從圖像中也可發(fā)現(xiàn)過多的木質(zhì)素磺酸鈣附著于土顆粒上，填充于顆粒之間，反而使顆粒間的間距有所增大。換句話說，摻量過高雖然可使得木質(zhì)素磺酸鈣相互結(jié)合程度增大，但與土顆粒的結(jié)合度反而降低。再結(jié)合圖17（d）～17（f）二值化圖像也可以看到，不同摻量，白色圖像占比均比0%摻量小，也反映出木質(zhì)素磺酸鈣的摻入可減少改良黃土的孔隙；另外，也可觀察到，1%摻量白色圖像占比最小。

圖17 未凍融各摻量SEM與二值化圖像Fig.17 SEM and binary images of each content of unfreeze-thaw：SEM image，L=0%（a）；SEM image，L=1%（b）；SEM image， L=3%（c）；binary image， L=0%（d）；binary image， L=0%（e）；binary image，L=3%（f）

不同摻量下未凍融的改良黃土孔隙率如圖18所示。隨著摻量的增加，改良土體的孔隙率先減小后增加。摻量分別為1%、2%、3%時，改良土體的孔隙率較素土分別降低了6.1%、4.2%、3.0%。由此推測，孔隙率的減小是改良土體強度提升的重要原因。木質(zhì)素磺酸鈣摻入后導致改良土體孔隙結(jié)構改變，因木質(zhì)素磺酸鈣顆粒的填隙作用及木質(zhì)素磺酸鈣與素土離子交換導致的顆粒成團作用［12］，使改良土體孔隙減少，密實度提高，強度提升。除此之外，木質(zhì)素磺酸鈣具有大分子基團磺酸基［1］，磺酸基與相近的土顆粒搭接，形成空間結(jié)構。當木質(zhì)素磺酸鈣摻量最優(yōu)時，搭接作用最強，促使改良土體鑲嵌更加緊密，在宏觀上表現(xiàn)為破壞強度最高。但木質(zhì)素磺酸鈣摻量增至3%時，木質(zhì)素磺酸鈣顆粒優(yōu)先與自身結(jié)合及過多的木質(zhì)素磺酸鈣顆粒會導致雙電層厚度增加及顆粒間的吸引力降低［1，15］，反而減弱土顆粒間的聯(lián)結(jié)作用，孔隙率增加，宏觀上表現(xiàn)為破壞強度降低。由此可見，木質(zhì)素磺酸鈣改良土的最優(yōu)摻量為1%。

圖18 不同木質(zhì)素磺酸鈣摻量下改良土的孔隙率Fig.18 Void ratio of improved loess under different calcium lignosulfonate content

3 結(jié)論

本文選用木質(zhì)素磺酸鈣對黃土進行改良，并結(jié)合青海地區(qū)的自然環(huán)境條件，對木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土進行側(cè)限浸水壓縮試驗、凍融循環(huán)試驗、不固結(jié)不排水三軸剪切試驗、掃描電鏡試驗和X 射線衍射試驗，分析了凍融循環(huán)次數(shù)、木質(zhì)素磺酸鈣摻量和圍壓對木質(zhì)素磺酸鈣改良土力學性質(zhì)的影響，得到如下主要結(jié)論：

（1）木質(zhì)素磺酸鈣的摻入，可以有效消除黃土的濕陷性。隨著圍壓和木質(zhì)素摻量的增加，改良黃土的應力-應變曲線由弱硬化型向一般硬化型發(fā)展；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應力-應變曲線仍為弱硬化型。試樣破壞形態(tài)沒有出現(xiàn)明顯破壞面，表現(xiàn)出明顯的剪脹破壞特征，屬于塑性破壞。

（2）在相同圍壓下，改良黃土的破壞強度隨著木質(zhì)素磺酸鈣摻量的增加呈現(xiàn)出先增大再減小的趨勢，在摻量為1%時，試樣的破壞強度最高。各摻量改良黃土隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，破壞強度呈現(xiàn)出先減小再趨于穩(wěn)定的規(guī)律。

（3）隨著木質(zhì)素磺酸鈣摻量的增加，抗剪強度指標呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，抗剪強度指標呈現(xiàn)減小的趨勢。

（4）凍融循環(huán)作用下，1%摻量的木質(zhì)素磺酸鈣改良土的彈性模量高于素土的彈性模量，對黃土具有較好的改良效果，具有一定的抵抗凍融能力。

（5）根據(jù)SEM 微觀圖像觀察結(jié)果，木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的形成是由木質(zhì)素磺酸鈣膠結(jié)土顆粒與填充孔隙兩部分組成的。凍融循環(huán)作用導致土體顆粒的接觸方式由面-面接觸向點-點、點-面接觸過渡。通過XRD分析發(fā)現(xiàn)，木質(zhì)素改良黃土的改良機制不同于傳統(tǒng)改良，不會造成土體礦物成分的改變。