木質(zhì)素改良土抗剪強度參數(shù)試驗研究

陳 斌，王高強，劉 春，張海濤，孫兆強

(1.山東泰和公路工程有限公司 淄博市 256410； 2.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 濟南市 250101)

0 引言

水泥和石灰等傳統(tǒng)固化劑，在生產(chǎn)過程中不僅會消耗大量石灰石、黏土等自然資源，并且消耗大量電能、熱能，同時還會排出CO2、SO2、粉塵等有害物質(zhì)。隨著社會環(huán)保意識的整體增強，新型綠色固化材料的研發(fā)已成為不良土體加固領(lǐng)域的熱點[1]。木質(zhì)素是紙漿造紙產(chǎn)業(yè)的副產(chǎn)品，含有多種活性官能團，是一種新型土體固化劑，具有廣闊的工程應(yīng)用前景[2]。付星等[3]通過界限含水率試驗，發(fā)現(xiàn)粉砂經(jīng)過木質(zhì)素改良后，改良土的液限與塑限整體會有下降趨勢，塑性指數(shù)趨于6左右。王明岳等[4]對濟南地區(qū)黃河沖積粉土進行過改良試驗，發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素磺酸鈣對改良土的強度和水穩(wěn)定性能均有明顯提高。

土的抗剪強度反映土體抵抗剪切破壞的能力，工程實踐和室內(nèi)試驗都證實了土是由于受剪而產(chǎn)生破壞，剪切破壞是土體強度破壞的重要特點，因此，土的強度問題實質(zhì)上就是土的抗剪強度問題[5]。路基工程中地基承載力、路堤填土穩(wěn)定性、邊坡穩(wěn)定性分析等問題都與土的抗剪強度有密切關(guān)系。近些年，研究較多的且能直接地反映抗剪強度的力學(xué)試驗主要是直接剪切試驗[6]。以木質(zhì)素改良高液限土為研究對象，通過直接剪切試驗，探索木質(zhì)素?fù)搅俊B(yǎng)護齡期對改良土抗剪強度參數(shù)的影響規(guī)律，為不良土路基加固處理提供一定的參考。

1 高液限黏土基本性質(zhì)

試驗土樣取自淄博市魯山大道-張辛路互通工程項目，取樣深度為地表下1m，土樣呈黃褐色，土顆粒團聚，粘聚力較強。土樣天然含水率為23.6%，液限為51.31%，塑限為24.71%，塑性指數(shù)26.6，屬于高液限黏土。

土樣中粉粒和黏粒含量為89.9%，其中粉粒(0.002～0.075mm)含量58.7%，黏粒(<0.002mm)含量31.2%，屬于細(xì)粒土。經(jīng)計算曲率系數(shù)為0.15，屬不良級配土。

擊實試驗結(jié)果如圖1所示，最佳含水率為16.67%，最大干密度為1.77g/cm3。

圖1 擊實試驗結(jié)果

承載比試驗結(jié)果如圖2所示，貫入量為2.5mm時的單位壓力為168kPa，貫入量為5mm時的單位壓力為240kPa，根據(jù)承載比計算公式：CBR2.5=2.4%,CBR5=2.3%。根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》(JTG D30-2015)，該土樣不滿足路基填料的要求[7]。

圖2 承載比試驗結(jié)果

2 直剪試驗

2.1 試樣方案及材料

木質(zhì)素改良高液限黏土摻量設(shè)定為：0(素土)、1%、2%、3%、4%、6%，其中摻量為固化劑與干土的質(zhì)量比。養(yǎng)護齡期為1d、7d、28d。

木質(zhì)素(木質(zhì)素磺酸鈣)購于臨沂綠森化工有限公司，木質(zhì)素含量約為65%，具有輕微的芳香氣味，呈棕褐色粉末狀，如圖3所示，pH值5.4，呈弱酸性。

圖3 木質(zhì)素磺酸鈣

2.2 試驗方法

所用試驗設(shè)備為ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀(四聯(lián)剪)，應(yīng)力環(huán)中百分表量程為10mm，最小刻度值為0.1mm，試驗用環(huán)刀直徑為61.8mm，高2mm。按規(guī)范制定土樣，環(huán)刀取出土樣后用透水石將試樣推入剪切盒中，直剪儀按照0.8mm/min的剪切速率進行快剪試驗。在土樣破損時測讀出剪切力，得出抗剪強度，再由抗剪強度與垂直壓力之間的關(guān)系，可得到內(nèi)摩擦角和粘聚力。

以素土為例，抗剪強度與垂直壓力關(guān)系曲線如圖4所示?？辜魪姸群痛怪眽毫﹃P(guān)系為y=0.227x+91.37，其中y為抗剪強度，x為垂直壓力。由此可知試驗土樣的內(nèi)摩擦角為12.81°，粘聚力為91.37kPa。

圖4 直接剪切試驗結(jié)果

3 試驗結(jié)果分析

3.1 改良土抗剪強度

不同養(yǎng)護齡期下木質(zhì)素?fù)搅繉Ω牧纪量辜魪姸鹊挠绊懭鐖D5所示。由圖5可以看出，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，改良土的抗剪強度整體上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，不同養(yǎng)護齡期下木質(zhì)素?fù)搅繛?%時，改良土的抗剪強度最大，摻量超過3%后，抗剪強度不斷降低。以28d齡期為例，木質(zhì)素?fù)搅繌?增加至3%，各級豎向應(yīng)力下改良土的抗剪強度平均提高了55.9%，而4%和6%摻量的改良土比素土強度平均提高了53%和48.1%。

圖5 木質(zhì)素改良土抗剪強度

1d養(yǎng)護齡期時，各摻量下木質(zhì)素改良土抗剪強度相差不大，各級豎向應(yīng)力下，3%木質(zhì)素?fù)搅康母牧纪帘人赝翉姸绕骄岣吡?.2%，改良效果并不明顯；7d養(yǎng)護齡期下，3%摻量的改良土比素土強度分別提高了28.2%。由此可見，改良土抗剪強度的增長需要保證一定的養(yǎng)護齡期。

3.2 改良土黏聚力

木質(zhì)素?fù)搅颗c養(yǎng)護齡期對改良土黏聚力的影響如圖6所示。由圖6(a)可以看出，同抗剪強度的變化規(guī)律類似，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，改良土的黏聚力整體上也是呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，不同養(yǎng)護齡期下木質(zhì)素?fù)搅繛?%時，改良土的黏聚力最大，摻量超過3%后，黏聚力不斷降低。1d養(yǎng)護齡期時，各摻量下木質(zhì)素改良土的黏聚力相差不大，木質(zhì)素?fù)搅繛?%時的改良土比素土的黏聚力提高了6.5%。7d養(yǎng)護齡期下，3%摻量的改良土黏聚力比素土提高了33.5%，而4%和6%摻量下，黏聚力的提高幅度分別降為25.7%和15.2%。28d養(yǎng)護齡期下，3%摻量的改良土黏聚力比素土提高了45%，而4%和6%摻量下，黏聚力的提高幅度分別降為31%和22.6%。形成這種現(xiàn)象的主要原因是木質(zhì)素與黏土礦物之間由于吸附作用會形成膠結(jié)物，該膠結(jié)物能填充土體孔隙，從而對土體產(chǎn)生強化作用；但隨著木質(zhì)素?fù)搅康某掷m(xù)增加，并不會引起黏聚力的繼續(xù)提高，當(dāng)木質(zhì)素?fù)搅砍^3%后，改良土中會存在一部分游離狀態(tài)下的木質(zhì)素，摻量越高，游離狀態(tài)的木質(zhì)素含量越高，導(dǎo)致改良土的黏聚力快速降低，可見土顆粒中游離態(tài)的木質(zhì)素會抑制土體黏聚力的增加。

圖6 木質(zhì)素改良土粘聚力變化規(guī)律

由圖6(b)可以看出，隨著養(yǎng)護時間的增加，各摻量下木質(zhì)素改良土的黏聚力不斷增大，前7d增長速率較快，7d后增長速率放緩。以3%木質(zhì)素?fù)搅繛槔?，?d的黏聚力增幅為32.1%，7～28d的增長幅度為9.5%，說明前期的養(yǎng)護對于木質(zhì)素改良土的黏聚力影響較大。

3.3 改良土內(nèi)摩擦角

木質(zhì)素?fù)搅颗c養(yǎng)護齡期對改良土內(nèi)摩擦角的影響如圖7所示。整體上看，改良土的內(nèi)摩擦角隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣饾u增大，隨著養(yǎng)護時間的增加也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。與上述抗剪強度和黏聚力的變化規(guī)律不同，改良土的內(nèi)摩擦角在木質(zhì)素?fù)搅?%時并不是最大值，在0～6%的范圍內(nèi)，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣龃?。與素土相比，6%摻量改良土的內(nèi)摩擦角在1d、7d和28d齡期下分別增大了17.7%、42.1%和92.2%。由此可見木質(zhì)素加入土中后，需要經(jīng)過一段時間的養(yǎng)護，在膠結(jié)物的包裹和聯(lián)結(jié)作用下形成致密緊湊結(jié)構(gòu)體，從而提高改良土的抗剪能力。

為了提高高液限黏土的工程性能，采用工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素對其固化改良，探討了改良土抗剪強度參數(shù)的變化規(guī)律。

圖7 木質(zhì)素改良土內(nèi)摩擦角變化規(guī)律

4 結(jié)語

(1)隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，改良土的抗剪強度及黏聚力指?biāo)表現(xiàn)出先增高后降低的趨勢，二者

均在木質(zhì)素?fù)搅繛?%時達到最大值，而改良土的內(nèi)摩擦角則隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣饾u增大。

(2)隨著養(yǎng)護時間的增加，木質(zhì)素改良土的抗剪強度、粘聚力和內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，其中內(nèi)摩擦角的增長幅度尤為明顯。

(3)木質(zhì)素?fù)搅砍^3%后，改良土中存在一部分游離狀態(tài)的木質(zhì)素，這部分木質(zhì)素會抑制黏聚力的增加，但對內(nèi)摩擦角影響不大。