魏世杰,趙洪巖,郝社鋒,梅 紅,卜 凡,劉 瑾,葛禮強(qiáng),任靜華,梁 雨
(1.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 211100; 2.國家開發(fā)銀行江蘇省分行,江蘇 南京 210019;3.自然資源部國土(耕地)生態(tài)監(jiān)測與修復(fù)工程技術(shù)創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210018;4.江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210018)
工程建設(shè)中經(jīng)常遇見強(qiáng)度特性達(dá)不到施工要求的土體,因此需要利用各種方法對其進(jìn)行改良處理。隨著國家區(qū)域發(fā)展總體戰(zhàn)略的逐步實(shí)施,各地區(qū)推出了數(shù)量眾多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)政策[1],大量基礎(chǔ)工程建設(shè)項(xiàng)目的開展對土體強(qiáng)度特性的提升提出了更高的要求。為了更方便地獲取工程性質(zhì)優(yōu)良的建筑材料并提高資源利用率,開展針對土體改良技術(shù)的研究很有必要。
土體改良技術(shù)是指向土體中摻入由多種無機(jī)、有機(jī)材料復(fù)合而成的固化劑,從而改變土體成分與結(jié)構(gòu)特征,以達(dá)到改善土體工程性質(zhì)的目的。目前常用土體固化劑可分為無機(jī)類和有機(jī)類,其中無機(jī)類土體固化劑具有成本低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn)是容易造成資源浪費(fèi)、不夠環(huán)保等。而有機(jī)類土體固化劑一般由環(huán)氧樹脂、高分子聚合物等配制而成,通過有機(jī)材料本身性質(zhì)膠結(jié)土粒。有機(jī)類固化劑具有摻入量少、施工方便、環(huán)保無污染等優(yōu)點(diǎn),具有良好的應(yīng)用前景。為了減輕生產(chǎn)和使用無機(jī)類加固材料造成的環(huán)境污染,對環(huán)保友好型的新型加固材料的研究早有開展[2-4]。
木質(zhì)素是一種典型的生物資源,在植物界儲量僅次于纖維素,具有可再生、成本低、環(huán)境友好等特點(diǎn)[5]。造紙產(chǎn)業(yè)中將木質(zhì)素與纖維素分離,木質(zhì)素及其副產(chǎn)品被作為廢棄物大量排放到自然界,增加碳排放的同時也不能充分利用資源。將木質(zhì)素用于土體改良技術(shù)中,不僅能夠更經(jīng)濟(jì)有效地改良土體工程特性,還有助于避免傳統(tǒng)土體固化劑帶來的環(huán)境污染問題。隨著木質(zhì)素被越來越多地應(yīng)用于土體改良,其對土體性質(zhì)的影響也越來越受到重視。目前基于木質(zhì)素類固化劑的土體改良技術(shù)已有開展,Ceylan等[6]通過試驗(yàn)驗(yàn)證了木質(zhì)素用于改良土體的可行性;張濤等[7-9]采用木質(zhì)素對粉土進(jìn)行了改良,分別進(jìn)行了無側(cè)限單軸抗壓、固結(jié)不排水剪、固結(jié)排水剪等試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素改良粉土的最優(yōu)摻量為12%,改良土的孔隙水壓力低于素土,且齡期對改良土強(qiáng)度有著顯著影響;陳學(xué)軍等[10]研究發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素改良紅黏土的最優(yōu)摻量為8%,且紅黏土液塑限和pH值隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣龃蟆8鶕?jù)造紙產(chǎn)業(yè)分離方法的不同,工業(yè)木質(zhì)素可分為酸木質(zhì)素、堿木質(zhì)素、木質(zhì)素磺酸鹽等[11],其中木質(zhì)素磺酸鹽用途最為廣泛,在土體改良方面也有應(yīng)用。Sharmila等[12]將木質(zhì)素磺酸鈣(以下簡稱“木鈣”)用于改良膨脹土,發(fā)現(xiàn)處理后的膨脹土膨脹壓力大大降低;賀智強(qiáng)等[13]對木鈣加固黃土的工程性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明適量木鈣的摻入能夠明顯加強(qiáng)黃土的抗?jié)B透性、抗崩解性;姬勝戈等[14]用木鈣進(jìn)行了改性分散性土試驗(yàn),研究結(jié)果表明木鈣的摻入能夠顯著降低分散性土的崩解性。張建偉等[15]采用木鈣對黃泛區(qū)粉土進(jìn)行了改良,結(jié)果表明木鈣最優(yōu)摻量為5%,且在經(jīng)歷凍融循環(huán)后改良土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍明顯高于素土。
目前國內(nèi)對于木鈣改良土體的研究主要集中在其分散性、崩解性等方面,對木鈣改良低液限黏土的力學(xué)特性與內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間聯(lián)系的研究較少,特別是缺少自然養(yǎng)護(hù)條件下改良土抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化的研究。因此本文對不同木鈣的摻量、不同土樣養(yǎng)護(hù)時間條件下低液限黏土的改良土進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),研究了木鈣摻量和養(yǎng)護(hù)時間對其強(qiáng)度特性的影響,并結(jié)合微觀掃描電鏡試驗(yàn)分析總結(jié)其內(nèi)在機(jī)制,以期為木鈣改良黏土的工程實(shí)踐應(yīng)用提供參考。
1.1.1試驗(yàn)土樣
試驗(yàn)用土取自南京江寧某邊坡,根據(jù)篩分試驗(yàn)結(jié)果,試驗(yàn)用土中粒徑大于0.075mm的土粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12.81%,粒徑為0.005~0.075mm的土粒含量為71.77%,粒徑小于0.005mm的土粒含量為15.42%,塑性指數(shù)為10.21,為低液限黏土。通過標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測得試驗(yàn)用土的最優(yōu)含水率為14.13%,最大干密度為1.73g/cm3,比重為2.72,液限為25.55%,塑限為15.34%。
1.1.2木鈣
木鈣是一種高分子聚合物,通常來自酸法制漿的蒸煮廢液,經(jīng)噴霧干燥形成,其水溶液呈黑色,如果不對其進(jìn)行合理利用,作為廢水排放便會污染自然環(huán)境[16]。試驗(yàn)所用木鈣為某化工公司生產(chǎn)產(chǎn)品,外觀為棕黃色粉末,略帶芳香氣味,木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于或等于55%,還原物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于10%,水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于9%,pH值(1%水溶液)在4~6之間,水不溶物質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于1.5%,分子式為C20H24CaO10S2,無毒無害,穩(wěn)定性好。
1.2.1制樣過程
將試驗(yàn)用土敲碎放入105℃烘箱烘干10h,取出土樣降至室溫后用研磨機(jī)磨碎,過2mm篩后密封備用。本次試驗(yàn)取木鈣摻量和試樣養(yǎng)護(hù)時間為變量,木鈣摻量(與黏土的干質(zhì)量比)分別取0%、4%、8%、12%,試樣養(yǎng)護(hù)時間分別取1、3、5、7d。根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì),按95%壓實(shí)度分別取一定量的黏土和木鈣粉末攪拌均勻,按含水率(與黏土質(zhì)量比)14.13%取適量常溫水,倒入混合物中充分?jǐn)嚢琛嚢韬玫耐亮习促|(zhì)量平均分為5份,依次倒入模具中擊實(shí)到相應(yīng)高度,直至擊實(shí)最后一層結(jié)束后用千斤頂將試樣壓出。最終得到直徑39.1mm、高80.0mm的圓柱形試樣,制備好的試樣在室溫25℃、濕度50%條件下自然養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期。
1.2.2試驗(yàn)過程
三軸剪切試驗(yàn)采用儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)的TSZ-1型全自動三軸剪切儀,分別以100、200、300kPa圍壓進(jìn)行不固結(jié)不排水剪試驗(yàn),試驗(yàn)前不對試樣進(jìn)行飽和處理。試驗(yàn)過程按照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行,控制剪切儀的應(yīng)變速率為0.8mm/min。試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)不同圍壓下的峰值偏應(yīng)力繪制破壞應(yīng)力圓及包絡(luò)線,以此獲得不同試樣的強(qiáng)度參數(shù)。
圖1為100kPa圍壓下不同養(yǎng)護(hù)時間的試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線,圍壓200、300kPa時也有類似規(guī)律。從曲線形態(tài)上看,三軸壓縮試驗(yàn)開始階段為彈性階段,試樣的偏應(yīng)力與軸向應(yīng)變近似線性關(guān)系,曲線切線模量較大;隨著試驗(yàn)過程的進(jìn)行,試樣達(dá)到屈服強(qiáng)度后轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄噪A段,應(yīng)力應(yīng)變曲線變?yōu)榉蔷€性,試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后剪破。由圖1可知,木鈣摻量的變化對試樣的強(qiáng)度特性有著顯著影響,當(dāng)木鈣摻量為8%時試樣強(qiáng)度最高。與純黏土相比,改良土的抗剪切變形能力明顯更強(qiáng),后者的屈服強(qiáng)度和破壞強(qiáng)度更高。隨著應(yīng)變的增加,純黏土試樣的軸向偏應(yīng)力表現(xiàn)為先增加后平緩,而改良土試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線則有較明顯的峰值。這是因?yàn)楫?dāng)試樣摻入木鈣并養(yǎng)護(hù)一定時間后,其一部分抗剪切變形能力由木鈣膠結(jié)物提供,發(fā)生剪切破壞后這部分抗剪切能力消失或大幅度減小,使得試樣進(jìn)一步發(fā)生應(yīng)變所需的應(yīng)力比原來要小,從而出現(xiàn)應(yīng)變軟化現(xiàn)象。
圖1 100kPa圍壓下不同養(yǎng)護(hù)時間試樣應(yīng)力應(yīng)變曲線
隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,試樣的強(qiáng)度特性也會發(fā)生明顯變化。土體剪切破壞后偏應(yīng)力衰減率D的計(jì)算公式為
D=(1-q20/q)×100%
(1)
式中:q20為試樣軸向應(yīng)變20%時的偏應(yīng)力;q為試樣破壞強(qiáng)度。對于應(yīng)力應(yīng)變曲線峰值明顯的試樣,取峰值偏應(yīng)力為破壞強(qiáng)度;無明顯峰值時,取軸向應(yīng)變15%時的偏應(yīng)力為破壞強(qiáng)度。通過分析衰減率的變化,可以更好地了解試樣的強(qiáng)度特性。
圍壓為100kPa時,試樣剪切破壞后的偏應(yīng)力衰減率與養(yǎng)護(hù)時間、木鈣摻量的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知,養(yǎng)護(hù)時間的增加對改良土力學(xué)特性的影響更為顯著。與純黏土試樣相比,改良土試樣在4個不同養(yǎng)護(hù)時間下的衰減率變化幅度更大,且衰減率與養(yǎng)護(hù)時間成正相關(guān),說明改良土試樣在4個養(yǎng)護(hù)時間的應(yīng)力應(yīng)變曲線均產(chǎn)生應(yīng)變軟化,且養(yǎng)護(hù)時間越長應(yīng)變軟化越明顯。這是由于隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,試樣中木鈣與土體反應(yīng)更徹底,試樣脆性增強(qiáng)。
圖2 100kPa圍壓下試樣的偏應(yīng)力衰減率
根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線可確定試樣的彈性模量。圖3為100kPa圍壓下試樣彈性模量與木鈣摻量關(guān)系圖。由圖3可知,養(yǎng)護(hù)時間為1d時,不同木鈣摻量的試樣彈性模量幾乎一致。養(yǎng)護(hù)時間延長后,試樣的彈性模量受木鈣摻量影響明顯,隨著木鈣摻量的增加,彈性模量先增加后降低,即適量木鈣有利于提高黏土彈性模量,過量的木鈣摻入會使黏土彈性模量下降。當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為7d時,木鈣摻量為8%的試樣彈性模量達(dá)到60.07MPa,比養(yǎng)護(hù)相同時間的純黏土增加了138.02%。
圖3 100kPa圍壓下試樣彈性模量與木鈣摻量關(guān)系
圖4為不同圍壓條件下試樣峰值偏應(yīng)力隨木鈣摻量變化的曲線。從圖4可以看出,摻入木鈣能夠顯著提升土體抗剪強(qiáng)度,且峰值偏應(yīng)力與圍壓之間存在正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)閲鷫涸酱?受壓試樣受到的側(cè)向約束也越強(qiáng),試樣軸向的抗變形能力也因此變強(qiáng)。峰值偏應(yīng)力隨著木鈣摻量的增加呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢,在0%到8%區(qū)間內(nèi)均表現(xiàn)為隨著木鈣摻量單調(diào)增強(qiáng),到12%摻量時下降。木鈣摻量超過8%后,木鈣本身更容易與其他木鈣發(fā)生團(tuán)聚,缺少了土粒骨架的支撐作用,因此導(dǎo)致試樣峰值強(qiáng)度降低。張濤等[7]、Chen等[17]分別從木質(zhì)素磺酸鹽改良粉土、砂質(zhì)粉土的試驗(yàn)研究中得到了與本文相似的結(jié)論,土體強(qiáng)度隨木質(zhì)素磺酸鹽摻量的增加而增加,超過一定值后土體強(qiáng)度降低。
圖4 木鈣摻量對不同養(yǎng)護(hù)時間試樣峰值偏應(yīng)力的影響
當(dāng)木鈣摻量達(dá)到12%后,峰值偏應(yīng)力相較摻量8%的試樣稍有下降,但高于木鈣摻量4%的試樣和純黏土試樣,仍然能起到加固效果。由圖4(b)可知,養(yǎng)護(hù)1d時,200kPa圍壓條件下木鈣摻量8%、12%的試樣峰值強(qiáng)度分別為1440.26、1054.86kPa,相比純黏土試樣的增長幅度分別為130.17%、68.58%,養(yǎng)護(hù)7d后的增長幅度分別為152.98%、133.40%,可以看出隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,8%與12%木鈣摻量試樣的強(qiáng)度變得接近。養(yǎng)護(hù)時間較短時,木鈣加固效果不充分,富余木鈣會造成受壓試樣局部軟弱[6,18],12%摻量的改良土強(qiáng)度比8%摻量的更低。隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,木鈣凝固黏結(jié)在土粒表面和孔隙中,多余的木鈣影響變小,12%摻量與8%摻量改良土的抗剪強(qiáng)度越來越接近。綜上,對于本試驗(yàn)所取用的黏土而言,木鈣加固的最佳摻量為8%。
從圖4還可以看出,隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,試樣峰值偏應(yīng)力也不斷提升,其中改良土試樣增強(qiáng)幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過純黏土試樣。由圖4(c)可知,當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間為7d時,木鈣摻量為8%的試樣的峰值偏應(yīng)力達(dá)到最大值2017.23kPa,相較養(yǎng)護(hù)同樣時間的純黏土試樣提升了236.25%。改良土試樣在養(yǎng)護(hù)1~3d區(qū)段增強(qiáng)幅度較大,300kPa圍壓下4%摻量改良土試樣養(yǎng)護(hù)3d后的峰值偏應(yīng)力相較養(yǎng)護(hù)1d時提升了46.77%。隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,增強(qiáng)速度也隨之變緩,當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間達(dá)到7d后,8%和12%摻量的試樣峰值偏應(yīng)力差異不大,說明此時摻入土體中的木鈣已經(jīng)充分發(fā)揮加固作用。
圖5為試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨木鈣摻量的變化。從圖5(a)可以看出,摻入木鈣能夠提升試樣的內(nèi)摩擦角。養(yǎng)護(hù)時間較短時,隨著木鈣摻量從0%增加到12%,試樣內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢;在養(yǎng)護(hù)時間延長后,試樣內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)先增加后不變的趨勢,而摻量0%到4%的試樣摩擦角變化幅度最大。
圖5 試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨木鈣摻量的變化
從圖5(b)可以看出,隨著木鈣摻量的增加,改良土的黏聚力呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢,在木鈣摻量8%時達(dá)到最大值。相同養(yǎng)護(hù)時間下,木鈣摻量12%的試樣黏聚力小于8%的試樣,但仍然高于純黏土試樣和4%摻量的改良土,試樣抗剪強(qiáng)度隨木鈣摻量變化的趨勢高度相似。結(jié)合圖5(a)不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)黏土摻入過量的木鈣并養(yǎng)護(hù)一定時間后,改良土抗剪強(qiáng)度的減小是由其黏聚力降低引起的。富余的木鈣聚集在土粒之間,缺少了土粒作為骨架,從而起到了反作用,降低了土體黏聚力,而內(nèi)摩擦角受富余木鈣的影響較小。
木鈣被摻入黏土后,會覆蓋在土壤顆粒表面或填充在顆粒間的孔隙中,包裹、聯(lián)結(jié)土粒形成團(tuán)聚體,增強(qiáng)土體穩(wěn)定性。因此相比純黏土,改良土的黏聚力有明顯的提升,且隨著養(yǎng)護(hù)時間的增加,試樣水分蒸發(fā)后木鈣凝固形成強(qiáng)度更高的膠結(jié)物質(zhì),阻止試樣發(fā)生變形破壞的能力更強(qiáng),導(dǎo)致改良土的黏聚力升高,土體抗剪強(qiáng)度更強(qiáng)。Kong等[19]使用木質(zhì)素磺酸鹽改良淤泥土,取得了相似的結(jié)果。
為進(jìn)一步研究改良土的強(qiáng)度提升機(jī)制,并對上述試驗(yàn)結(jié)果從微觀角度進(jìn)行驗(yàn)證,對摻入木鈣的試樣進(jìn)行了微觀掃描電鏡試驗(yàn)。圖6為8%摻量改良土試樣的微觀掃描電鏡圖像,分別放大3000~7000倍。從圖6(a)可以看出,木鈣生成的膠結(jié)物質(zhì)在土粒之間架橋,從而增強(qiáng)了土體的黏聚力,限制了土粒的相對滑動。從圖6(b)(c)可以看出,木鈣填充土粒間的空隙,同時吸附于土粒表面。圖6(d)顯示木鈣與多個土粒形成團(tuán)聚體,從而增強(qiáng)土體的整體性和穩(wěn)定性,試樣抵抗受外力變形的能力因此變得更強(qiáng),并且最終形成致密、穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu),宏觀上表現(xiàn)為改良土抗剪強(qiáng)度增強(qiáng)。
圖6 8%木鈣摻量試樣微觀掃描電鏡圖
結(jié)合三軸壓縮試驗(yàn)和微觀掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果,對木鈣改良試驗(yàn)土體的反應(yīng)過程進(jìn)行探討,圖7為木鈣的固土機(jī)制示意圖。木鈣固土機(jī)制可以歸納為以下幾個方面:①填充孔隙。如圖7(a)所示,木鈣摻入土體后會填充土粒間的大孔隙,隨著摻量增加填充小孔隙,增加土體密實(shí)度,圖6(b)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。②離子交換。木鈣溶于水后會釋放出Ca2+,增大土體自由水中的Ca2+濃度,由于土體中陽離子交換作用與離子濃度有關(guān)[20],且不同價的陽離子與土粒表面的親和力也不同,高價陽離子(Ca2+、Mg2+、Al3+)可以替換結(jié)合水膜中的低價陽離子(Na+)。文獻(xiàn)[14]經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)木鈣改良分散性土后土壤吸附的交換性鈉離子占陽離子總量的百分比(ESP)下降,說明木鈣摻入土體促使Ca2+與土粒吸附的陽離子發(fā)生離子交換反應(yīng),削弱了土粒表面吸附的結(jié)合水層厚度,土體粒間作用力相應(yīng)增大。③吸附包裹土粒。木鈣摻入土體中會吸附在土粒表面(圖6(c)),文獻(xiàn)[8,21]指出這是由于木鈣發(fā)生質(zhì)子化反應(yīng)形成帶正電荷的木質(zhì)素磺酸鹽化合物,吸附在帶負(fù)電荷的黏土表面,從而包裹覆蓋土粒。④膠結(jié)作用。木鈣形成的膠結(jié)物質(zhì)在土體孔隙中沉淀,在距離遠(yuǎn)的土粒之間架橋聯(lián)結(jié)(圖6(a)),把距離近的土粒黏結(jié)成團(tuán)聚體(圖6(d)),形成更穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。隨著養(yǎng)護(hù)時間的增長,膠結(jié)物的強(qiáng)度也逐漸變強(qiáng),改良土試樣的抗剪強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。改良土的抗剪強(qiáng)度隨著木鈣摻量的增加而增加,當(dāng)土體中木鈣摻量超過最佳摻量時,由于缺少土粒作為骨架,富余的木質(zhì)素聚集會降低土體密實(shí)性,形成局部軟弱帶,使得改良土抗剪強(qiáng)度降低。
圖7 木鈣固土機(jī)制示意圖
a.木鈣摻入黏土能顯著提升土體抗剪強(qiáng)度,改良土的應(yīng)力應(yīng)變曲線有較明顯的峰值,達(dá)到峰值后的曲線有應(yīng)變軟化現(xiàn)象。與純黏土相比,養(yǎng)護(hù)時間對改良土的強(qiáng)度特性影響更為顯著。
b.改良土試樣峰值偏應(yīng)力與養(yǎng)護(hù)時間和圍壓呈正相關(guān)關(guān)系。隨著木鈣摻量的增加,抗剪強(qiáng)度先增后減,最優(yōu)摻量為8%。養(yǎng)護(hù)7d后8%摻量的改良土獲得最大峰值偏應(yīng)力2017.23kPa,相較純黏土提升了236.25%。摻入木鈣的土體試樣黏聚力也同樣隨著木鈣摻量的增加先增后減,內(nèi)摩擦角則先增加至一定值后趨于穩(wěn)定。
c.木鈣改良黏土的內(nèi)在機(jī)制可以概括為填充孔隙、離子交換、吸附包裹土粒以及膠結(jié)土粒團(tuán)聚體,通過增強(qiáng)土體密實(shí)度、削減結(jié)合水層厚、吸附膠結(jié)土粒團(tuán)聚體來形成更穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu),從而增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度。由于木鈣是一種有機(jī)物,其用于土體改良時存在發(fā)生降解的可能,因此木鈣改良土體的耐久性還需要進(jìn)一步研究。