摘要：為了使分散性土可直接作為路基填料，文章提出采用木質(zhì)素磺酸鈣改良分散性土并測定其物理力學(xué)性質(zhì)，判定其工程適用性。主要結(jié)論如下：（1）隨著木鈣摻量的增加，土體的液限、塑限以及最優(yōu)含水率均出現(xiàn)下降，土樣的破壞模式逐漸過渡至塑性破壞；土體抗壓強(qiáng)度先增大后減小，壓縮系數(shù)先減小后增大；（2）隨著土樣養(yǎng)護(hù)齡期的延長，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）當(dāng)木鈣摻量為1%、養(yǎng)護(hù)時(shí)長為28 d時(shí)，改性土的土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足路基填料的要求。

關(guān)鍵詞：分散性土；木質(zhì)素磺酸鈣；物理力學(xué)性質(zhì)；養(yǎng)護(hù)齡期；塑性破壞

中圖分類號：U416.1A120375

0 引言

分散性土廣泛分布于全球各地，如中國、澳大利亞、孟加拉國、巴西、以色列以及越南等國家［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)，容易造成路基失穩(wěn)而影響結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，危害性極大。因此，本文利用新型材料對分散性土進(jìn)行改良，使其性能滿足路基填料的基本要求。

近些年來，國內(nèi)外研究學(xué)者針對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分散土進(jìn)行處理。Turkoz M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和可有效提高土體的強(qiáng)度，經(jīng)過改良后的土體強(qiáng)度提高了26.7%。Vakili A H等［4］利用木質(zhì)素磺酸鹽改良分散性土體后對其進(jìn)行電滲處理，結(jié)果表明經(jīng)過處理后的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 S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。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。魏世杰等［7］利用黃原膠對黏性土進(jìn)行加固，結(jié)果表明黃原膠的摻入可有效提高黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。倪曉逸等［8］采用原位熱力加固技術(shù)對分散土進(jìn)行了處理并分析了熱力加固分散土的加固機(jī)理。

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)間等因素對改性分散土基本物理力學(xué)性質(zhì)的影響，因此本文在前人研究的基礎(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)路基工程建設(shè)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

工程項(xiàng)目位于陜西省咸陽市楊凌區(qū)，工程區(qū)內(nèi)分布有大量的分散性土，考慮到路基填方量較大，為節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，將分散性土作為路基填料。分散性土具有抗水蝕能力弱、抗剪強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其無法直接作為路基填料，因此需對其進(jìn)行改性處理，使其滿足路基填料的基本要求。

土樣呈現(xiàn)黃棕色，以粉粒為主，土質(zhì)均勻，級配良好，為化學(xué)分散性土?，F(xiàn)場取回土樣后，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。土樣基本物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)分別如表1和下頁表2所示。

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，如表3所示為木鈣的主要成分。

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24 h；浸潤完畢后，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)（溫度20 ℃，濕度＞95%）。

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%）、不同養(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)測定改良分散土的物理力學(xué)性質(zhì)，如表4所示為具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

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)。如圖1所示為不同木鈣摻量下改性土界限含水率的變化曲線。

由圖1可知，隨著木鈣摻量的增加，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。當(dāng)木鈣摻量為0時(shí)，素土的塑性指數(shù)為12.2；當(dāng)木鈣摻量為4%時(shí)，改性土的塑性指數(shù)為11.7，下降了4.1%；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)摻量增多時(shí)，土體的pH降低（素土pH=9.6 木質(zhì)素磺酸鈣pH=7.00），進(jìn)而使電層厚度減小，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

如圖2（a）、2（b）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)間變化曲線圖（最大干密度=1.75 g/cm-3）。

由圖2（a）可知，隨著木鈣摻量的增加，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。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。

由圖2（b）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)間的長短對土體抗壓強(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)而使土樣強(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)度增長較緩。

2.2.2 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

如圖3所示為不同木鈣摻量下改性土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖3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）非線性上升階段，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。

對比圖3（a）、3（b）可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，土樣峰值應(yīng)力增大，土樣脆性破壞特征明顯。以木鈣摻量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111.0 增幅高達(dá)49.9%。

2.2.3 破壞應(yīng)變分析

如圖4所示為改性土的破壞應(yīng)變變化曲線，其中圖4（a）為應(yīng)變與木鈣摻量之間的關(guān)系曲線，圖4（b）為應(yīng)變與養(yǎng)護(hù)時(shí)間之間的關(guān)系曲線。

由圖4（a）可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的應(yīng)變整體上呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢。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黏度，進(jìn)而使得改性土塑性增加［9］。

由圖4（b）可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，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%時(shí)，改性土破壞應(yīng)變隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長劇烈波動(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

如圖5所示為改性土壓縮模量系數(shù)變化曲線，其中圖5（a）為壓縮系數(shù)與木鈣摻量之間的關(guān)系，圖5（b）為壓縮系數(shù)與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系曲線。

由圖5（a）可知，隨著木鈣摻量的增加，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5（b）可知，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，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。

因此，養(yǎng)護(hù)時(shí)間28 d的改性分散性土（木質(zhì)素磺酸鈣1%），各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足路基填料的要求，能較好地運(yùn)用至實(shí)際工程。

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)素磺酸鈣對分散土的改性機(jī)理，對28 d齡期的土樣進(jìn)行了微觀電鏡試驗(yàn)（圖6）。

如圖7所示為5 000倍鏡下SEM掃描結(jié)果。由圖7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。當(dāng)木鈣摻量為1%時(shí)，土樣顆粒表面膠結(jié)物質(zhì)較多，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，與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。

4 結(jié)語

為了使分散性土可作為路基填料，本文提出采用木質(zhì)素磺酸鈣對分散土進(jìn)行改良并測定改性土的基本物理力學(xué)特性，得到如下主要結(jié)論：

（1）隨著木鈣摻量的增加，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。當(dāng)木鈣摻量增多時(shí)，土體的pH值降低，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，壓縮系數(shù)呈現(xiàn)先減小后增大的“V”形變化趨勢；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）通過SEM電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)木鈣摻量為1%時(shí)，土樣顆粒表面膠結(jié)物質(zhì)較多，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。

（4）利用木質(zhì)素磺酸鈣（1%）改性后的分散性土，各項(xiàng)指標(biāo)基本滿足路基填料的要求，能較好地運(yùn)用至實(shí)際工程。

參考文獻(xiàn)

［1］盧 永，李劍波，莊寶利，等.木質(zhì)素磺酸鹽+聚丙烯纖維路基分散性土性能復(fù)合改良研究［J］.公路工程，202 47（3）：118-124.

［2］鄭文杰，蔣 鑫，呂玉蒙，等.陜西涇陽某黃土滑坡土的分散性試驗(yàn)研究［J］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），202 54（3）：317-324.

［3］Turkoz M，Savas H，Acaz A，et al. The effect of magnesium chloride solution on the engineering properties of clay soil with expansive and dispersive characteristics［J］.Applied Clay Science，2014（101）：1-9.

［4］Vakili A H，bin Selamat M R，Aziz H B A，et al. Treatment of dispersive clay soil by ZELIAC［J］.Geoderma，2017（285）：270-279.

［5］Moravej S，Habibagahi G，Nikooee E，et al. Stabilization of dispersive soils by means of biological calcite precipitation［J］.Geoderma，2018（315）：130-137.

［6］汪恩良，李宇昂，任志鳳，等.基于掃描電鏡和核磁共振技術(shù)的分散性土改良微觀結(jié)構(gòu)性變化研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2023，45（6）：1 123-1 132.

［7］魏世杰，楊 宇，王 梓，等.黃原膠改良黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度及其加固機(jī)理研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），202 38（2）：66-71.

［8］倪曉逸，張 路，樊恒輝，等.原位熱力加固分散土的影響因素及其作用機(jī)理研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2023，45（6）：1 240-1 249.

［9］胡翔宇.木質(zhì)素基土壤穩(wěn)化劑的機(jī)理研究和原子模擬［D］.南京：東南大學(xué)，2018.

收稿日期：2023-10-20

作者簡介：韋朝龍（1991—），工程師，主要從事公路橋梁施工管理工作。