木質(zhì)素磺酸鈣改良紫色土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

向楊 鮑安紅 羅書(shū)偉 薛樂(lè)

摘要：針對(duì)紫色土杭侵蝕性差、遇水容易崩解破壞造成嚴(yán)重水土流失等問(wèn)題，采用木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)重慶市紫色土進(jìn)行改良。通過(guò)直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限杭?jí)簭?qiáng)度試驗(yàn)、濕化崩解試驗(yàn)對(duì)改良土進(jìn)行研究，結(jié)果表明：木質(zhì)素磺酸鈣能夠改善紫色土力學(xué)性能，隨著摻量的增加，改良土杭剪強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限杭?jí)簭?qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);木質(zhì)素磺酸鈣摻量為5.0%時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，崩解特性得到顯著改善;當(dāng)摻量超過(guò)5.0%時(shí)，改良土不崩解，因此建議木質(zhì)素磺酸鈣摻量為5.0%。

關(guān)鍵詞：水土保持;紫色土;木質(zhì)素磺酸鈣;力學(xué)性能

中圖分類(lèi)號(hào)：S157.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

紫色土是由紫色巖石風(fēng)化而形成的一種巖性土，我國(guó)的紫色土主要分布在四川盆地的丘陵地區(qū)和海拔800m以下的低山地區(qū)，是重慶市分布面積最廣的土類(lèi)[1]。天然紫色土質(zhì)地松軟，抗侵蝕性差，且重慶地區(qū)降水豐富而集中，極易產(chǎn)生嚴(yán)重水土流失。

研究表明，木質(zhì)素副產(chǎn)品是一種環(huán)境友好型土壤改良劑，自然界中木質(zhì)素儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)制漿造紙行業(yè)每年約有5000萬(wàn)t木質(zhì)素副產(chǎn)品產(chǎn)生，其中95%以“黑液”形式直接排放，回收率低，對(duì)環(huán)境造成很大危害[2]。

目前，國(guó)外將木質(zhì)素副產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于土壤改良領(lǐng)域中。Tingle等[3]將木質(zhì)素磺酸鹽應(yīng)用于固化黏土，發(fā)現(xiàn)固化土的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性都有顯著改善;Santoni等[4]將木質(zhì)素磺酸鹽應(yīng)用于固化粉沙，得到顯著的改良效果;Kim等[5]和Gopalakrishnan等[6]使用兩種類(lèi)型的木質(zhì)素副產(chǎn)品對(duì)愛(ài)荷華低塑性黏土進(jìn)行改良試驗(yàn)，結(jié)果表明能夠滿足工程要求。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)木質(zhì)素副產(chǎn)品應(yīng)用于土壤改良領(lǐng)域研究相對(duì)較少，但近幾年研究熱度上升。張濤等[7-12]對(duì)工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素微觀機(jī)制、剪切特性、邊界面塑性模型、熱學(xué)與力學(xué)特性等進(jìn)行了深入研究，并將其應(yīng)用于粉土改良，結(jié)果表明木質(zhì)素可有效改善粉土的基本工程特性;劉文白等[13]對(duì)木質(zhì)素固化疏浚土進(jìn)行研究，探討了固化材料摻量、齡期等對(duì)固化土壓縮特性的影響;賀智強(qiáng)等[14]針對(duì)黃土水穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)，對(duì)木質(zhì)素磺酸鹽固化黃土的工程性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，木質(zhì)素磺酸鈣能夠改善黃土工程性能，且最優(yōu)摻量為1.0%。

目前，國(guó)內(nèi)尚無(wú)木質(zhì)素磺酸鈣改良紫色土的相關(guān)報(bào)道。筆者采用直剪試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和濕化崩解試驗(yàn)對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣改良重慶市紫色土的力學(xué)性能進(jìn)行研究，探討其改良紫色土的可行性，并確定其合理?yè)搅?，以期為紫色土水土保持研究提供參考?/p>

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 土料

試驗(yàn)用土取自西南大學(xué)后山某邊坡，取土深度為30cm，土樣粒徑小于2mm，顆粒級(jí)配曲線（采用篩分析法和移液管法測(cè)定）見(jiàn)圖1，天然土樣物理性質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。結(jié)合土壤分類(lèi)，將其定義為砂質(zhì)黏性紫色土。

1.1.2 木質(zhì)素磺酸鈣

木質(zhì)素磺酸鈣（簡(jiǎn)稱木鈣）分子式為C₂₀H₂₄Ca₁₀S₂，是一種多組分高分子聚合物陰離子表面活性劑，略有芳香氣味，無(wú)毒，易溶于水，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有很強(qiáng)的分散性、黏結(jié)性、鰲合性，為硫酸鹽木漿廢液的主要成分。試驗(yàn)用木鈣來(lái)自山東優(yōu)索化工科技有限公司，其基本特征見(jiàn)表2。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 制樣

取土樣風(fēng)干、碾散、過(guò)篩（篩孔為2mm），木鈣摻量分別為0.5%、2.0%、5.0%、8.0%、12.0%（摻量為風(fēng)干木鈣質(zhì)量與干土質(zhì)量之比）。將配置好的土和木鈣混合均勻后，噴水至含水率為18%，密封浸潤(rùn)12h后制樣。采用壓樣法制備試樣，控制每個(gè)試樣干密度為1.5g/cm³，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試樣采用千斤頂靜壓法分5層壓實(shí)成50mm×100mm圓柱樣，直剪試樣為61.8mm×20.0mm環(huán)刀樣，濕化崩解試樣為50mm×20mm圓餅樣。試樣用薄膜包裹放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)（養(yǎng)護(hù)條件為溫度20℃±3℃，相對(duì)濕度≥95%）養(yǎng)護(hù)7d。

1.2.2 試驗(yàn)

試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行。直剪試驗(yàn)采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的ZJ型應(yīng)變控制式直剪儀（四聯(lián)剪），剪切速率為0.8mm/min;無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用YSH-2型應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度儀，軸向速率為1%/min。測(cè)試不同摻量改良土3組平行試樣，取其平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 直剪試驗(yàn)

黏性土抗剪強(qiáng)度包括黏聚力c和內(nèi)摩擦力（以內(nèi)摩擦角φ表征）兩部分，是土壤的重要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。黏性土的黏聚力主要來(lái)源于土粒間的各種物理化學(xué)作用，包括范德華力、庫(kù)侖力（靜電力）、膠結(jié)作用等;內(nèi)摩擦力是土顆粒相對(duì)移動(dòng)的摩擦力，包括滑動(dòng)摩擦和咬合摩擦[15]。表3為不同木鈣摻量下土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。

土體抗剪強(qiáng)度與木鈣摻量關(guān)系曲線見(jiàn)圖2，可以看出，隨著木鈣摻量增大，改良土黏聚力和內(nèi)摩擦角均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)木鈣摻量為5.0%時(shí)，改良土黏聚力和內(nèi)摩擦角均達(dá)到最大，較不摻木鈣分別增大35.79%、16.85%。

土體抗剪強(qiáng)度與垂直壓力的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)圖3?？梢钥闯?，隨著垂直壓力增大，土體抗剪強(qiáng)度增大，兩者之間線性相關(guān)度較高。

紫色土摻加木鈣后強(qiáng)度提高的原因與膠結(jié)土顆粒和增大土體密實(shí)度有關(guān)[14]。適當(dāng)摻量的木鈣與土體充分作用，形成膠結(jié)物質(zhì)，包裹聯(lián)結(jié)土顆粒，使土顆粒間黏聚力增大，同時(shí)膠結(jié)物填充土體孔隙，形成較為致密穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使內(nèi)摩擦角增大[7]。隨著木鈣摻量增大，多余的木鈣未與土顆粒充分作用，在土體中形成局部聚集，導(dǎo)致土顆粒間距增大，削弱了土顆粒的骨架作用，顆粒間易出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，表現(xiàn)為土體抗剪強(qiáng)度減小。

2.2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與木鈣摻量關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。木鈣摻量為0時(shí)，土樣無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為247.58kPa，強(qiáng)度較低。隨著木鈣摻量增大，改良土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈先增大后減小的趨勢(shì)，與抗剪強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致。當(dāng)木鈣摻量為5.0%時(shí)，改良土抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，為306.77kPa，比不摻木鈣的高23.9%;當(dāng)摻量超過(guò)8.0%時(shí)，改良土強(qiáng)度低于不摻木鈣的。綜上所述，紫色土摻人適量木鈣能提高其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

湯怡新等[16]認(rèn)為當(dāng)改良土壓縮破壞時(shí)，破壞應(yīng)變?chǔ)?sub>f可作為衡量其變形特性的重要指標(biāo)，破壞應(yīng)變與材料韌性成正相關(guān)關(guān)系。無(wú)側(cè)限抗壓應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線見(jiàn)圖5，可以看出，木鈣改良土破壞應(yīng)變均大于2.0%，且隨木鈣摻量增加有增大趨勢(shì)，表現(xiàn)出優(yōu)于水泥改良土（破壞應(yīng)變?yōu)?.5%～2.0%）的韌性特性。

木鈣主要含有醇羥基（-OH，3355cm^-1）、C-C鍵（1595、774、650cm^-1）、甲氧基（-OCH₃，1269cm^-1）、磺酸基（-SO₃H，1119cm^-1）和羰基（-CO，1045cm^-1）等活性官能基團(tuán)，是其能夠改良土體的主要原因[17]。木鈣加入土體后，在土體孔隙水中水解出高價(jià)陽(yáng)離子后與土體中低價(jià)陽(yáng)離子置換，雙電層厚度減小，帶正電荷的有機(jī)大分子與帶負(fù)電荷的土顆粒結(jié)合[18]，生成木質(zhì)素磺酸鹽聚合物，與土顆粒形成膠結(jié)，土顆粒間膠結(jié)力增大，并填充土體孔隙，宏觀上表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度提高。

2.3 濕化崩解試驗(yàn)

濕化崩解是指黏土在靜水中結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)和強(qiáng)度削弱而解體坍落的現(xiàn)象[19]，在一定程度上反映了土體的抗侵蝕能力。不同木鈣摻量的土體濕化崩解特征見(jiàn)表4，不同浸潤(rùn)時(shí)間、不同木鈣摻量的土體濕化崩解情況見(jiàn)圖6。將圓餅土樣放入水中后，不摻木鈣試樣產(chǎn)生大量氣泡，迅速出現(xiàn)崩解，且崩解速度較快，60min后完全崩解，碎屑物呈粒狀，說(shuō)明紫色土水穩(wěn)定性較差。隨著木鈣摻量增大，氣泡產(chǎn)生量、崩解量、崩解速度均呈減小趨勢(shì)。當(dāng)木鈣摻量超過(guò)5.0%時(shí)，試樣24h未出現(xiàn)崩解現(xiàn)象，但有木鈣持續(xù)析出，表明木鈣能使紫色土抗侵蝕能力增強(qiáng)。

土壤抗蝕性與土粒間的膠結(jié)力有關(guān)，在水的浸潤(rùn)作用下，土顆粒間大部分膠結(jié)鍵斷裂或削弱，使土顆粒間膠結(jié)力減小，土壤發(fā)生崩解[20]。木鈣摻入土體后，一方面膠結(jié)物質(zhì)的生成使顆粒間膠結(jié)力增大，膠結(jié)鍵不易斷裂;另一方面，膠結(jié)物的填充作用使土體密實(shí)度增大，顆粒間孔隙減小，阻塞了水分子侵人通道，削弱了水的浸潤(rùn)作用，使土體抗侵蝕能力進(jìn)一步增強(qiáng)。而隨著木鈣摻量增大，部分木鈣未與土顆粒反應(yīng)，在水中析出。

3 結(jié)論

（1）木質(zhì)素磺酸鈣可以提高紫色土抗剪強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，應(yīng)用于紫色土水土保持具有廣闊前景。

（2）木質(zhì)素磺酸鈣摻入土體后，改良土抗剪強(qiáng)度、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。木質(zhì)素磺酸鈣摻量為5.0%時(shí)，改良土抗剪強(qiáng)度和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度最大;摻量超過(guò)5.0%時(shí)，改良土不崩解，水穩(wěn)定性良好，因此建議木質(zhì)素磺酸鈣摻量為5.0%。

（3）木質(zhì)素磺酸鈣改良紫色土主要通過(guò)水解作用與土顆粒產(chǎn)生膠結(jié)物質(zhì)，并填充土體孔隙，增大土顆粒間膠結(jié)作用和提高土體密實(shí)度，宏觀上表現(xiàn)為土體強(qiáng)度提高、抗蝕性增強(qiáng)。

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