摻木質(zhì)素花崗巖殘積土的單軸抗壓強(qiáng)度特性

李自立，陳志波，胡 屏，安亞洲

(福州大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院巖土與地質(zhì)工程系；國(guó)土資源部丘陵山地地質(zhì)災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(福建省地質(zhì)災(zāi)害重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)；地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心，福州 350116)

0 引 言

木質(zhì)素和纖維素、半纖維素是構(gòu)成植物骨架的主要成分，其在陸地植物中的含量?jī)H次于纖維素，是第二大天然有機(jī)物，每年產(chǎn)量約600億t。工業(yè)木質(zhì)素主要來(lái)源于造紙廢液，全世界每年可產(chǎn)生3 000萬(wàn)t，其中我國(guó)每年產(chǎn)生約500萬(wàn)t。目前，工業(yè)木質(zhì)素的利用率不足10%，大部分作為廢物排放，浪費(fèi)資源，污染環(huán)境[1-3]，如何合理處理木質(zhì)素已成為世界性的問(wèn)題。

為了解決木質(zhì)素廢棄污染問(wèn)題，許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)木質(zhì)素在巖土工程中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。Ceylan等[4]以木質(zhì)素為摻入材料對(duì)低塑性黏土進(jìn)行了改良試驗(yàn)，表明木質(zhì)素能提高土體的強(qiáng)度。Palmer等[5]結(jié)合常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了木質(zhì)素固化土體的強(qiáng)度特性。Vinod等[6]以能譜分析試驗(yàn)、紅外光譜試驗(yàn)和化學(xué)元素分析等測(cè)試手段分析研究了木質(zhì)素加固粉砂的微觀變化，探究了改良土抗侵蝕的機(jī)理。Indrarama等[7]根據(jù)能量守恒原理建立了木質(zhì)素改良土的侵蝕數(shù)學(xué)模型。Blanck等[8]研究了酸溶液、酶溶液和木質(zhì)素磺酸鈣3種添加劑對(duì)淤泥壓實(shí)性和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度等工程特性的影響。Santoni等[9]研究表明，酶、酸溶液和木質(zhì)素磺酸鈣在浸濕條件下固化效果不佳，樹(shù)膠和水泥具有較好的水穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為木質(zhì)素的最佳摻量為5%。Athukorala等[10]研究提出了木質(zhì)素固化粉砂的本構(gòu)模型，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)確定模型參數(shù)并驗(yàn)證了所提出的DSC模型。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在相關(guān)方面的研究還較少，賀智強(qiáng)等[11]采用木質(zhì)素磺酸鈣、水泥、生物體液等多種材料為添加劑對(duì)黃土進(jìn)行了改良研究，通過(guò)對(duì)比研究了改良前后的土體宏觀、微觀及化學(xué)成分的變化，綜合分析了各種固化劑與土體相互作用的機(jī)理。張濤等[12]以木質(zhì)素為固化劑，對(duì)改良粉土的工程力學(xué)性能和耐久性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并通過(guò)進(jìn)行改良土的路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了木質(zhì)素改良粉土方案的可行性和工程價(jià)值。侯鑫等[13]用木質(zhì)素對(duì)蘭州地區(qū)的黃土進(jìn)行了改良試驗(yàn)，并研究分析了固化土體的工程力學(xué)特性。林羅斌等[14]將木質(zhì)素添加到粉煤灰路基土中，通過(guò)三軸試驗(yàn)研究了改良土體在凍融條件下的強(qiáng)度特性。Muge等[15]探討了木質(zhì)素固化土在凍融作用下的工程力學(xué)特性，建立了改良土的剪切模量與多種試驗(yàn)變量之間的函數(shù)關(guān)系。

本文將木質(zhì)素?fù)饺牖◢弾r殘積土，通過(guò)對(duì)不同木質(zhì)素?fù)搅亢秃实耐翗舆M(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，研究木質(zhì)素?fù)搅考昂实淖兓瘜?duì)花崗巖殘積土壓實(shí)性和單軸抗壓強(qiáng)度特性的影響，為木質(zhì)素的應(yīng)用及花崗巖殘積土的工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用福州某待建場(chǎng)地開(kāi)挖出的花崗巖殘積土作為試驗(yàn)用土，其基本物理性質(zhì)如下：天然密度1.843 g/cm3，天然孔隙比0.609，天然含水率13.2%，比重2.617，液限40.3%，塑限24.7%。其顆粒粒徑累計(jì)曲線如圖1所示，測(cè)試方法參照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)。采用的工業(yè)木質(zhì)素來(lái)自山東臨沂某造紙廠，為黑褐色粉末，其主要成分如下：木質(zhì)素含量≥55%,還原物≤13%,水不溶物≤1.5%,水分≤10%。

圖1 花崗巖殘積土的粒徑累計(jì)曲線

1.2 試驗(yàn)方案

分別取過(guò)2 mm篩和5 mm篩后的花崗巖殘積土(下文分別簡(jiǎn)稱“≤2 mm土樣”和“≤5 mm土樣”)，分別摻入占?xì)埛e土質(zhì)量0、2%、4%、6%、8%和10%的木質(zhì)素配制土樣。首先，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率。然后，根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)成果，取壓實(shí)系數(shù)為0.95，按最優(yōu)含水率配置土樣并采用擊樣法制取φ61.8 mm×125 mm的試樣。制樣后，將成型試樣置于烘箱(設(shè)置溫度為40℃，模擬福州夏天的天氣環(huán)境，避免天氣變化的影響)中風(fēng)干，風(fēng)干時(shí)間分別為0、6、12、24和48 h，達(dá)到對(duì)應(yīng)風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)后，采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)不同木質(zhì)素?fù)搅康脑嚇舆M(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，壓縮速率為2 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改良花崗巖殘積土的擊實(shí)特性

對(duì)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行整理，得到≤2 mm土樣和≤5 mm土樣的對(duì)比擊實(shí)曲線，如圖2所示。圖中，“2-2%”指≤2 mm土樣、木質(zhì)素?fù)搅繛?%的試樣，其余類推。各土樣最大干密度和最優(yōu)含水率的對(duì)比如圖3所示。

圖2 土樣擊實(shí)曲線對(duì)比圖

由圖2可見(jiàn)，在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，除10%摻量土樣(≤5 mm)外，與未摻花崗巖殘積土樣相比，≤2 mm土樣和≤5 mm土樣的擊實(shí)曲線均往左上方移動(dòng)，可見(jiàn)木質(zhì)素的摻入使得土樣的最大干密度增加，最優(yōu)含水率下降。一方面，由于木質(zhì)素的摻入有效填充了土顆粒之間的孔隙，使土體在較低的含水率下也能變得更加密實(shí)，土樣的干密度增大；另一方面，作為減水劑的木質(zhì)素?fù)饺胪馏w中后，分子中磺酸根很容易和水分子中以氫鍵形式結(jié)合起來(lái)，在土顆粒表面形成一層穩(wěn)定的水膜，使土顆粒之間容易滑動(dòng)[16-19]，從而使土樣在較低含水量下獲得最大干密度。

圖3 土樣壓實(shí)性對(duì)比圖

與≤5 mm土樣相比，≤2 mm土樣的擊實(shí)曲線位于相對(duì)偏右下方的位置，且擊實(shí)曲線更加密集，說(shuō)明≤2 mm土樣的最大干密度更小、最優(yōu)含水率更大。這主要是因?yàn)槲磽侥举|(zhì)素的≤2 mm土樣中細(xì)顆粒含量更高，含水率較低時(shí)，由于土粒表面的結(jié)合水膜較薄，土粒間距較小，粒間電作用力就以引力占優(yōu)勢(shì)，土粒的相對(duì)位移阻力大，在擊實(shí)功能作用下，比較難以克服這種阻力，因此在較低含水率時(shí)壓實(shí)效果就差[20]，只有在較高的含水率下才能獲得最大干密度。另外，≤2 mm土樣中以石英為主的粗顆粒含量少，而細(xì)顆粒和木質(zhì)素的密度較小，石英的密度較大，相應(yīng)地，≤2 mm土樣經(jīng)擊實(shí)后獲得的最大干密度偏小，木質(zhì)素的摻入對(duì)≤2 mm土樣最大干密度的影響也就偏小。

摻入木質(zhì)素后，各土樣擊實(shí)曲線的坡度都變得更陡，木質(zhì)素的摻入使得各土樣干密度對(duì)含水率的敏感性增大。相比于≤5 mm土樣，≤2 mm土樣的擊實(shí)曲線“駝峰”附近的斜率更大，可擊實(shí)含水率區(qū)域較窄，可見(jiàn)≤2 mm土樣的含水率對(duì)干密度的影響更大。≤2 mm土樣中細(xì)顆粒含量更高，對(duì)含水率要求更高，而木質(zhì)素能在細(xì)顆粒表面形成一層穩(wěn)定的水膜，使土顆粒之間容易滑動(dòng)[16-19]，所以木質(zhì)素的摻入使其干密度對(duì)含水率的敏感性更加顯著。因此，對(duì)于摻入木質(zhì)素的土樣，在工程實(shí)踐中要注意嚴(yán)格控制其含水率的變化，才能達(dá)到較為理想的壓實(shí)效果；對(duì)于不同級(jí)配的土樣，也要區(qū)別對(duì)待，細(xì)顆粒含量較高的土對(duì)含水率要求更高。

由圖3可知，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，各土樣的最?yōu)含水率先降低后升高，最大干密度先增大后減小。其中對(duì)于≤2 mm土樣，6%摻量土樣的最優(yōu)含水率最低、最大干密度最大，對(duì)于≤5 mm土樣，4%摻量土樣的最優(yōu)含水率最低、最大干密度最大。這主要是由于木質(zhì)素的密度比土粒密度小，當(dāng)摻入的木質(zhì)素含量較低時(shí)，木質(zhì)素能有效填充土顆粒之間的孔隙，使土樣的最大干密度增大，但是隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾樱沟猛翗拥淖畲蟾擅芏认陆怠?/p>

2.2 改良花崗巖殘積土的壓縮特性

≤2 mm土樣經(jīng)不同的風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)后的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示，≤5 mm土樣經(jīng)不同的風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)后的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖4 ≤2 mm土樣單軸抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

圖5 ≤2 mm土樣單軸抗壓強(qiáng)度與摻量的關(guān)系

圖6 ≤5 mm土樣單軸抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系

由圖4和圖6可知，隨著風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)的增加，各土樣含水率逐漸減小，土樣的單軸抗壓強(qiáng)度均逐漸增大。由圖5和圖7可知，隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，在較短風(fēng)干時(shí)間下單軸抗壓強(qiáng)度總體上呈下降的趨勢(shì)。

圖7 ≤5 mm土樣單軸抗壓強(qiáng)度與摻量的關(guān)系

由圖4和圖6對(duì)比可知，對(duì)于≤2 mm土樣，單軸抗壓強(qiáng)度與風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)關(guān)系曲線的拐點(diǎn)均主要在風(fēng)干12 h，對(duì)于≤5 mm土樣，單軸抗壓強(qiáng)度和含水率與風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)關(guān)系曲線的拐點(diǎn)主要在風(fēng)干6 h，其主要原因有兩點(diǎn)：① ≤2 mm各摻量土樣由擊實(shí)試驗(yàn)獲得的最優(yōu)含水率，即土樣的初始含水率均要比≤5 mm土樣的含水率更高，土樣在風(fēng)干條件下達(dá)到低含水率高強(qiáng)度狀態(tài)需要更長(zhǎng)的時(shí)間；② ≤2 mm土樣的細(xì)顆粒含量比≤5mm土樣更多，在風(fēng)干條件下土樣水分更不容易喪失，通過(guò)圖5和圖7中含水率的對(duì)比即可驗(yàn)證這一點(diǎn)。

由圖5和圖7可以得到，在未風(fēng)干條件下，≤2 mm土樣和≤5 mm土樣在低摻量下的單軸抗壓強(qiáng)度變化不明顯，隨著風(fēng)干時(shí)間的增加，土樣含水率逐漸降低，土樣單軸壓縮強(qiáng)度的差異性逐漸增大。以≤2 mm土樣為例，在未風(fēng)干條件下，2%、4%和6%土樣的單軸抗壓強(qiáng)度相差不大(見(jiàn)圖5)，其主要原因是擊實(shí)與木質(zhì)素綜合作用的結(jié)果：一方面，≤2 mm各摻量土樣中，6%摻量土樣的最大干密度最大而最優(yōu)含水率最小，密實(shí)度的增大和含水率的降低均有利于強(qiáng)度的提升，另一方面，木質(zhì)素產(chǎn)生的引氣性等多種作用增強(qiáng)了土體的和易性，不利于土樣強(qiáng)度的提高，因此，4%和6%摻量的土樣強(qiáng)度并沒(méi)有因?yàn)槟举|(zhì)素?fù)饺肓康脑黾佣霈F(xiàn)顯著的下降，只是稍微出現(xiàn)了下降的趨勢(shì)。

由圖5和圖7對(duì)比可知，隨著風(fēng)干時(shí)間的增加，木質(zhì)素作用和含水率的變化對(duì)各摻量土體強(qiáng)度的影響逐漸起主導(dǎo)作用，以最大干密度和最優(yōu)含水率為依據(jù)的制樣方式對(duì)土體強(qiáng)度的影響逐漸弱化。以≤2 mm土樣為例，分析圖5可得，在未風(fēng)干和風(fēng)干6 h的條件下，各摻量土樣的含水率并未隨木質(zhì)素?fù)搅康脑黾佣黾?，而是分別在6%和4%摻量下，土樣的含水率達(dá)到最低，可見(jiàn)制樣方式仍對(duì)土樣含水率產(chǎn)生一定影響。但是，在風(fēng)干12 h之后，各土樣的含水率與木質(zhì)素?fù)搅砍收嚓P(guān)關(guān)系，制樣方式對(duì)土樣含水率的影響逐漸減弱。在圖5中，除未風(fēng)干土樣外，各有摻木質(zhì)素土樣的單軸抗壓強(qiáng)度與摻量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，含水率曲線的變化直接影響著強(qiáng)度曲線的變化，如未風(fēng)干和風(fēng)干6 h與風(fēng)干24 h和風(fēng)干48 h的含水率變化較為明顯，相對(duì)應(yīng)風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)的強(qiáng)度變化也較為顯著；同樣地，6、12和24 h的強(qiáng)度變化規(guī)律與其含水率的變化規(guī)律也基本表現(xiàn)一致。

3 討 論

與未摻土樣相比，較低摻量土樣的強(qiáng)度提升對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可知，在低摻量和較長(zhǎng)風(fēng)干時(shí)長(zhǎng)下，木質(zhì)素磺酸鈣的摻入能夠有效提高花崗巖殘積土單軸抗壓強(qiáng)度，特別對(duì)于≤5 mm土樣，效果更佳。工業(yè)木質(zhì)素結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含有大量酚羥基和醇羥基，使得木質(zhì)素易于改性，改性木質(zhì)素在工業(yè)生產(chǎn)中得到了有效應(yīng)用[21-22]，這些官能團(tuán)使得摻木質(zhì)素土樣對(duì)水的敏感性更強(qiáng)，這在擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果中表現(xiàn)顯著。而水在工程實(shí)踐中是不可避免的，如果通過(guò)對(duì)工業(yè)木質(zhì)素進(jìn)行改性以改變土樣的親水性和疏水性，木質(zhì)素針對(duì)土體強(qiáng)度的提升效果可能更佳。

表1 土樣強(qiáng)度提升對(duì)比

4 結(jié) 論

通過(guò)上述分析討論，得出以下結(jié)論：

(1)在試驗(yàn)研究范圍內(nèi)，摻入木質(zhì)素后，花崗巖殘積土土樣干密度對(duì)含水率的敏感性增大；隨著木質(zhì)素?fù)搅吭黾?，各土樣的最?yōu)含水率先降低后升高，最大干密度先增大后減小。對(duì)于≤2 mm土樣，6%摻量土樣的最優(yōu)含水率最低、最大干密度最大，對(duì)于≤5 mm土樣，4%摻量土樣最優(yōu)含水率最低、最大干密度最大。工程應(yīng)用中采用小摻量即可達(dá)到最佳壓實(shí)效果。

(2)隨著含水率的減小，花崗巖殘積土土樣的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸增大；隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，各土樣在較高含水率下單軸抗壓強(qiáng)度總體上呈下降的趨勢(shì)，在較低含水率下土樣的單軸抗壓強(qiáng)度得到有效提高。