魏衍杰 ，魏 平

（1.巨野縣水務(wù)事業(yè)發(fā)展中心，山東 巨野274900；2.水發(fā)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南250100）

0 引言

分散性土廣泛分布于全球各地，如澳大利亞、孟加拉國(guó)、巴西、以色列以及越南等國(guó)家。近些年來，我國(guó)東北（黑龍江、吉林以及遼寧） 以及西北部地區(qū)（甘肅、陜西） 也發(fā)現(xiàn)了大量的分散性土體［1－2］。分散性土具有抗水蝕能力弱、抗剪強(qiáng)度低、抗?jié)B性能差等特點(diǎn)，在雨水作用下，容易被水流夾帶，造成土體內(nèi)部空洞，進(jìn)而形成管涌、路基失穩(wěn)而影響結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，危害性極大。為改善分散性土體的力學(xué)特性，目前常采用石灰和水泥作為改良劑，但使用傳統(tǒng)的改良劑會(huì)消耗大量自然資源、污染環(huán)境、增大土體脆性。因此研究新型材料改良下分散性土的力學(xué)性能迫在眉睫。

近些年來，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者針對(duì)改良分散性土體開展了大量的研究。目前學(xué)者主要通過物理、化學(xué)改良措施以及綜合治理措施對(duì)分散土進(jìn)行處理。Turkoz 等［3］通過利用沸石與水泥改良土體的膨脹性以及分散性，結(jié)果表明： 沸石與水泥的摻合可有效提高土體的強(qiáng)度，經(jīng)過改良后土體強(qiáng)度提高了26.7%。Vakili 等［4］利用木質(zhì)素磺酸鹽改良分散性土體后對(duì)其進(jìn)行電滲處理，結(jié)果表明： 經(jīng)過處理后分散土的分散性大幅降低，降至非分散性指標(biāo)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)聯(lián)合處理的效果明顯優(yōu)于單一處理。Moravej 等［5］通過采用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)改性分散土，結(jié)果表明： 改性分散土抗水蝕能力有所提高。汪恩良等［6］基于掃描電鏡和核磁共振技術(shù)，探究了不同木質(zhì)素?fù)搅肯赂牧挤稚⑼恋募?xì)觀結(jié)構(gòu)變化，結(jié)果表明： 隨著木質(zhì)素?fù)饺肓康脑黾?，土體孔隙率呈現(xiàn)“V” 形變化，木質(zhì)素的摻入可有效提高土體抗侵蝕能力。魏世杰等［7］利用黃原膠對(duì)黏性土進(jìn)行加固，結(jié)果表明： 在黏土中添加黃原膠后，黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大幅提高，當(dāng)黃原膠摻量為1.5%時(shí)，黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最高。倪曉逸等［8］采用原位熱力加固技術(shù)對(duì)分散土進(jìn)行了處理并分析了熱力加固分散土的加固機(jī)理，結(jié)果表明： 加熱時(shí)間、壓實(shí)度以及溫度是影響加固后分散土基本物理力學(xué)特性的重要因素。劉杰等［9］基于宏細(xì)觀研究手段（針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、SEM 技術(shù)以及X 射線技術(shù)） 提出了土體分散性的綜合判別法，利用標(biāo)準(zhǔn)吸濕含水率以及PH 值測(cè)試定量計(jì)算土體分散性。

上述學(xué)者的研究主要集中于采用木質(zhì)素、黃原膠、微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀技術(shù)對(duì)分散土進(jìn)行處理，較少研究不同摻量以及養(yǎng)護(hù)時(shí)間等因素對(duì)改性分散土基本物理力學(xué)性質(zhì)的影響，因此本文基于前人研究的基礎(chǔ)上，提出采用天然高分子化合物木鈣改良分散土，并對(duì)改良后的土體開展物理力學(xué)試驗(yàn)，研究不同木鈣摻量、養(yǎng)護(hù)周期條件下改性土的基本物理力學(xué)性質(zhì)，探究木質(zhì)素磺酸鈣微觀作用機(jī)理，該研究可為分散土地區(qū)工程施工提供相應(yīng)參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)土樣

本次研究所用分散土取自陜西省咸陽(yáng)市楊凌區(qū)某工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，土樣呈現(xiàn)黃棕色，土樣以粉粒為主，土質(zhì)均勻，級(jí)配良好，如下圖1 所示。現(xiàn)場(chǎng)取回土樣后，在土樣中加入碳酸鈉使其分散化，等待自然風(fēng)干后碾碎，過2 mm 篩?；疚锢硇再|(zhì)與化學(xué)性質(zhì)分別如下表1、2 所示。

表1 分散土的基本物理性質(zhì)Table 1 Basic physical properties of dispersed soil

表2 分散土的基本化學(xué)性質(zhì)Table 2 Basic chemical properties of dispersed soil

圖1 原狀土Fig.1 Undisturbed soil

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，采用常規(guī)方法鑒定土體的分散性，同時(shí)利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出土樣的F值，試驗(yàn)結(jié)果表明： 試驗(yàn)土體的D值為61.9%＞50%，Ps為87.5%＞60%，PESP為21.6%＞15%，土樣的F值為4.89＞4.50，因此綜合判定，土樣為化學(xué)分散性土。

1.1.2 木質(zhì)素磺酸鈣

木質(zhì)素磺酸鈣是一種復(fù)雜的高分子聚合物，顏色為黃褐色，易溶于水，穩(wěn)定性較佳，下圖2為木質(zhì)素磺酸鈣化學(xué)成分，表3 為木鈣的主要成分。

表3 木鈣的主要成分Table 3 The main components of calcium lignin

圖2 木質(zhì)素磺酸鈣Fig.2 Calcium lignosulfonate

1.1.3 試樣制備

根據(jù)前人的相關(guān)研究，本文將木鈣摻量定義為木鈣與干土質(zhì)量之比。將所稱得的木鈣與干土混合并充分?jǐn)嚢瑁S后噴灑去離子水，密封試樣后將其浸潤(rùn)24 h。浸潤(rùn)完畢后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（溫度20 ℃，濕度＞95%），試樣如下圖3 所示。

圖3 試樣照片F(xiàn)ig.3 Sample photo

1.2 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)主要通過研究不同改性劑摻量（0、1%、2%、3%、4%）、養(yǎng)護(hù)時(shí)間下改性土的物理力學(xué)性質(zhì)。通過界限含水率試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)以及壓縮試驗(yàn)測(cè)定改良分散土的物理力學(xué)性質(zhì)，下表4 為具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

表4 具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 4 Specific experimental design

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 界限含水率試驗(yàn)結(jié)果分析

界限含水率在一定程度上可以反映土體顆粒大小以及礦物成分。塑性指數(shù)可用來衡量土體的可塑狀態(tài)，下圖4 為不同木鈣摻量下改性土界限含水率的變化曲線。

圖4 不同木鈣摻量下改性土界限含水率的變化曲線Fig.4 The change curve of the boundary water content of the modified soil under different wood calcium content

由上圖可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的液限與塑限發(fā)生下降，但幅度較小，而塑性指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的“凸” 形變化趨勢(shì)。當(dāng)木鈣摻量為0 時(shí)，素土的塑性指數(shù)為12.2，當(dāng)木鈣摻入量為4%時(shí)，改性土的塑性指數(shù)為11.7，下降了4.1%，而當(dāng)木鈣摻量為1%時(shí)，改性土的塑性指數(shù)最大，其值為12.9。土體液限、塑限以及塑性指數(shù)的數(shù)值與土體pH 值、礦物成分以及顆粒粒徑等因素密切相關(guān)。當(dāng)摻入量增多時(shí)，土體的pH 降低（素土pH ＝9.61，木質(zhì)素磺酸鈣pH ＝7.00），進(jìn)而使得電層厚度減小，結(jié)合水膜變薄，最終導(dǎo)致土體液限、塑限以及塑性指數(shù)均發(fā)生降低。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 強(qiáng)度分析

下圖5a、5b 分別為改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨著木鈣摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間的變化曲線圖（最大干密度＝1.75 g／cm－3）。

圖5 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化曲線Fig.5 Change curve of unconfined compressive strength

由上圖5a 可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)。以養(yǎng)護(hù)齡期28 d 為例，當(dāng)木鈣摻量為0時(shí)，素土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為241.83 kPa，當(dāng)木鈣摻量為4%時(shí)，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)最低值，其值為221.90 kPa，當(dāng)木鈣摻量為1%時(shí)，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，其值為347.45 kPa，兩者相差了105.62 kPa，出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于在較低摻入量時(shí)，木鈣充分發(fā)揮膠結(jié)作用，填充孔隙，進(jìn)而使得土體的抗壓強(qiáng)度大幅上升。而隨著木鈣滲入量的不斷增加，木鈣起到膠結(jié)作用的同時(shí)又充分聚集，木鈣取代了原有的土顆粒，其次又因?yàn)槟锯}自身強(qiáng)度較低，取代土顆粒的部分會(huì)形成軟弱面，在荷載作用下，試樣更易沿著軟弱面出現(xiàn)破壞，因此在高摻量條件下改性土的抗壓強(qiáng)度大幅降低。

由上圖5b 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸增大。以木鈣摻入量1%為例，當(dāng)土樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間為1 d 時(shí)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為233.55 kPa，當(dāng)土樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3 d 時(shí)，土樣抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)飛躍式增大，增幅高達(dá)29.4%，而隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的繼續(xù)增加，土樣的抗壓強(qiáng)度緩慢增加。該現(xiàn)象說明養(yǎng)護(hù)時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)土體抗壓強(qiáng)度影響明顯。當(dāng)木鈣摻入土體中時(shí)，在較短時(shí)間內(nèi)兩者充分接觸，反應(yīng)迅速，進(jìn)而土樣強(qiáng)度出現(xiàn)飛躍式增大，同時(shí)隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間持續(xù)增加，兩者之間礦物反應(yīng)更為徹底，但反應(yīng)速率明顯小于前期，因此土樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較緩。

2.2.2 應(yīng)力－應(yīng)變曲線分析

下圖6 為不同木鈣摻量下改性土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線。

圖6 不同木鈣摻量下改性土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線Fig.6 Stress－strain curves of modified soil with different wood calcium content

由上圖可知改性土的應(yīng)力－應(yīng)變曲線可分為3個(gè)階段： ①初始加載階段，該階段應(yīng)力－應(yīng)變曲線大體上呈線性上升，應(yīng)力上升幅度大； ②非線性上升階，該階段應(yīng)力－應(yīng)變曲線呈弧線上升，應(yīng)力將達(dá)到峰值； ③破壞階段，該階段應(yīng)力－應(yīng)變曲線急劇下降，土樣發(fā)生破壞。在低摻量條件下（木鈣摻量1%、2%），土樣呈現(xiàn)脆性破壞特征，在高摻量條件下（木鈣摻量3%、4%），土樣呈現(xiàn)塑性破壞特征。出現(xiàn)該現(xiàn)象是由于低摻量條件下，木鈣充分發(fā)揮膠結(jié)作用，填充孔隙，進(jìn)而增大土體峰值應(yīng)力，與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度同理，高摻量條件下，木鈣會(huì)形成軟弱面的同時(shí)膠結(jié)力也有所增大，因此土體峰值應(yīng)力降低，韌性增強(qiáng)，土樣呈塑性破壞特征。

對(duì)比圖6a、6b 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，土樣峰值應(yīng)力增大，土樣脆性破壞特征明顯，以木鈣摻入量1%為例，當(dāng)土樣養(yǎng)護(hù)時(shí)間從1 d 到28 d時(shí)，土樣峰值應(yīng)力增加了111.02，增幅高達(dá)49.9%。

2.2.3 破壞應(yīng)變分析

下圖7 為改性土的破壞應(yīng)變，其中圖7a、7b分別為應(yīng)變與木鈣摻量之間的關(guān)系，應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系。

圖7 改性土的破壞應(yīng)變變化Fig.7 Change of failure strain of modified soil

由圖7a 可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的應(yīng)變變化規(guī)律不明顯，但整體上呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢(shì)。以養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d 為例，隨著木鈣摻入量的增加，土樣的破壞應(yīng)變分別為4.99%、4.75%、4.90%、6.55%、6.53%，由 此可知木鈣摻入可提高土體的粘度，進(jìn)而使得改性土塑性增加［10］。

由圖7b 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，破壞應(yīng)變變化較大，無明顯規(guī)律，但值得注意的是當(dāng)木鈣摻入量為4.0 時(shí)，改性土破壞應(yīng)變隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)劇烈波動(dòng)，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間從1 d 到3 d 時(shí)，改性土的破壞應(yīng)變降低了42.5%。

2.3 壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

下圖8 為改性土壓縮模量系數(shù)變化曲線，其中圖8a 為壓縮系數(shù)與木鈣摻量之間的關(guān)系，圖8b為壓縮系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系曲線。

圖8 改性土的壓縮系數(shù)變化Fig.8 Change of compression coefficient of modified soil

由圖8a 可知，隨著木鈣摻入量的增加，土樣的壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大“V” 形變化，其中壓縮系數(shù)的最小值出現(xiàn)在木鈣摻量為1%時(shí)，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因與木鈣自身的膠結(jié)能力有關(guān)，木鈣填充孔隙并起到膠結(jié)作用，因此其抗壓能力增強(qiáng)，壓縮系數(shù)減小，而隨著木鈣摻量的不斷增大，木鈣取代部分土顆粒，使其抗壓能力降低，壓縮系數(shù)增大。

由圖8b 可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長(zhǎng)，改性土的壓縮系數(shù)不斷減小，而素土的壓縮系數(shù)無明顯變化，由此可知養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)改性土壓縮系數(shù)影響明顯，因此在實(shí)際施工過程中應(yīng)當(dāng)注意改性土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

3 木質(zhì)素磺酸鈣微觀作用機(jī)理分析

為進(jìn)一步探究木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)分散土的改性機(jī)理，對(duì)28 d 齡期的土樣進(jìn)行了微觀電鏡試驗(yàn)。下圖9 為5000 倍鏡下SEM 掃描結(jié)果，由圖9 可知，當(dāng)木鈣摻量為0 時(shí)，土樣顆粒表面光滑，具有邊界，顆粒呈塊狀。隨著木鈣摻量的增加，土樣顆粒表面膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，改性土顆粒鑲嵌接觸，接觸面積逐漸增大，同時(shí)膠結(jié)物包裹顆粒形成大的團(tuán)聚體，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。

圖9 5000 倍鏡下改性土微觀結(jié)構(gòu)Fig.9 5000 times the microscopic structure of modified soil under the microscope

改性土基本物理力學(xué)試驗(yàn)分析結(jié)果與微觀電鏡試驗(yàn)結(jié)果相吻合，因此說明試驗(yàn)分析較為合理。

4 結(jié)論

為解決分散性土工程性能差的問題，本文提出采用木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)分散土進(jìn)行改良并測(cè)定改性土的基本物理力學(xué)特性，分析了不同木鈣摻量以及養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改性土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，最后采用SEM 電鏡掃描探究了木質(zhì)素磺酸鈣微觀作用機(jī)理。

本文得到如下主要結(jié)論：

（1） 隨著木鈣摻入量的增加，改性土的液限與塑限減小，塑性指數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的“凸”形變化趨勢(shì)。當(dāng)木鈣摻入量增多時(shí)，土體的pH 降低，電層厚度減小，結(jié)合水膜變薄，最終導(dǎo)致土體液限、塑限以及塑性指數(shù)均發(fā)生降低。

（2） 隨著木鈣摻入量的增加，改性土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的“V” 形變化； 隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，改性土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也逐漸增大，壓縮系數(shù)不斷減小。

（3） 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下應(yīng)力－應(yīng)變曲線分為①初始加載階段、②非線性上升階段、③破壞階段。

（4） 通過SEM 電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，隨著木鈣摻量的增加，土樣顆粒表面膠結(jié)物質(zhì)逐漸增多，改性土顆粒鑲嵌接觸，接觸面積逐漸增大，同時(shí)膠結(jié)物包裹顆粒形成大的團(tuán)聚體，土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好。