干濕循環(huán)條件下的木質(zhì)素改良土三軸試驗(yàn)研究

夏林楓，董偉智*，葛世平，馬昕楊，楊添元

1 吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118 2 吉林省高速公路集團(tuán)有限公司,長春 130033

0 引言

木質(zhì)素是造紙工業(yè)的副產(chǎn)品之一.國內(nèi)外學(xué)者在木質(zhì)素的工程應(yīng)用方面做了大量的研究工作,主要將其用作瀝青、混凝土的穩(wěn)定劑,是一種經(jīng)濟(jì)環(huán)保的天然材料,但將木質(zhì)素?fù)饺胪林杏脕砀纳仆馏w相關(guān)性能的研究和應(yīng)用較少[1].本文主要研究干濕循環(huán)作用下素土及3%摻量木質(zhì)素改良土粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度的變化規(guī)律.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用土樣取自吉林松原地區(qū),基本物理指標(biāo)見表1,試驗(yàn)所用木質(zhì)素呈紅褐色,粉末狀固體,為河南漯河華東木質(zhì)素有限公司生產(chǎn).

表1 土樣的基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indicators of soil samples

1.2 試驗(yàn)方法

(1) 試件制備. 依據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E 40-2007)[2]進(jìn)行試驗(yàn),將配好的土料用塑料袋密封悶料一晝夜,使用制樣脫模一體機(jī)靜壓成型,試件直徑39.1mm，高度80 mm.

(2) 干濕循環(huán)試驗(yàn). 為了模擬最不利干濕循環(huán)條件對(duì)土體強(qiáng)度的影響,試件一次干濕循環(huán)過程為:將制備好的試件放置于50℃烘箱風(fēng)干12 h以上(防止溫度過高破壞木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)),確保試件的含水率在2 %以下;待試件冷卻后通過保鮮膜將風(fēng)干后的試件側(cè)面包裹住[3],上下兩面各貼上一塊透水石,將透水石與保鮮膜的連接部分用橡皮筋箍起來,將整個(gè)試件置于水中浸泡20 h以上,在此期間每隔2 h稱量試件的質(zhì)量,待試件吸水飽和以后將其置于自然環(huán)境下風(fēng)干至最佳含水率.

(3) 室內(nèi)三軸試驗(yàn). 本試驗(yàn)的試驗(yàn)儀器為南京智龍科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的TSZ-2 S全自動(dòng)三軸儀,采用不固結(jié)不排水(UU),剪切速率為0.8 mm/min.不同干濕循環(huán)次數(shù)下分別進(jìn)行圍壓為30 kPa,60 kPa,90 kPa的三軸試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)粘聚力和內(nèi)摩擦角的影響

圖1(a)表明,在干濕循環(huán)前素土的粘聚力略高于木質(zhì)素改良土,隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加,素土和木質(zhì)素改良土的粘聚力均有所降低;干濕循環(huán)使土體顆粒碎裂化破壞了原有結(jié)構(gòu),降低了顆粒間膠結(jié)力,這是粘聚力降低的主要原因[4].素土的粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加持續(xù)降低,五次干濕循環(huán)后,素土的粘聚力降低幅度達(dá)80.07 %;木質(zhì)素改良土粘聚力在第1次干濕循環(huán)后隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加基本趨于平緩,在第2次干濕循環(huán)后木質(zhì)素改良土的粘聚力大于素土,5次干濕循環(huán)后,木質(zhì)素改良土的粘聚力僅降低31.53 %.圖1(b)表明,干濕循環(huán)前后素土的內(nèi)摩擦角均比木質(zhì)素改良土要大,隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,素土的內(nèi)摩擦角先減小后增大,在第2～5次干濕循環(huán)過程中內(nèi)摩擦角增加了3.5°,木質(zhì)改良土的內(nèi)摩擦角小幅波動(dòng),基本保持穩(wěn)定.

(a) 粘聚力(a) Cohesive force

(b) 內(nèi)摩擦角(b) Internal friction angle

2.2 不同干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

圖2表明,干濕循環(huán)前素土的抗剪強(qiáng)度大于木質(zhì)素改良土;隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,素土的抗剪強(qiáng)度持續(xù)降低,5次干濕循環(huán)后素土在圍壓為30 kPa,60 kPa,90 kPa的抗剪強(qiáng)度分別85.49 kPa,135.48 kPa,183.06 kPa;木質(zhì)素改良土的抗剪強(qiáng)度在1次干濕循環(huán)后即趨于穩(wěn)定,在第3次干濕循環(huán)后高于素土,5次干濕循環(huán)后的抗剪強(qiáng)度分別為145.86 kPa,185.96 kPa,226.07 kPa;干濕循環(huán)后木質(zhì)素改良土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于素土,這是由于土體礦物一般帶負(fù)電荷，木質(zhì)素在土體顆?？紫端邪l(fā)生水解，帶正電荷的木質(zhì)素聚合物吸附在土體顆粒表面，中和一部分負(fù)電荷，同時(shí)減小了雙電層厚度，使顆粒的間距減小，形成致密穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)[5],降低了干濕循環(huán)對(duì)木質(zhì)素改良土的影響,表現(xiàn)出良好的水穩(wěn)定性.

(a) 圍壓為30 kPa(a) Confining pressure 30 kPa

(b) 圍壓為60 kPa(b) Confining pressure 60 kPa

(c) 圍壓為90 kPa(c) Confining pressure 90 kPa圖2 不同木質(zhì)素?fù)搅肯峦恋目辜魪?qiáng)度隨干濕循環(huán)的曲線Fig.2 The curves of shear strength with wetting- drying cycles under different lignin content

3 結(jié)論

本文針對(duì)吉林松原地區(qū)粉土進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn),通過室內(nèi)靜三軸試驗(yàn)探究了粉土和最佳摻量條件下木質(zhì)素改良土的粘聚力、內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度的變化,得出結(jié)論如下:

(1) 土體的抗剪強(qiáng)度主要取決于土的粘聚力和內(nèi)摩擦角. 木質(zhì)素的摻入能顯著降低干濕循環(huán)對(duì)土體膠結(jié)力的破壞，5次干濕循環(huán)后素土的粘聚力降低了80.07 %，木質(zhì)素改良土的粘聚力僅降低了31.53 %，干濕循環(huán)前后素土和木質(zhì)素改良土的內(nèi)摩擦角相對(duì)于粘聚力的變化不是很明顯,從而使得木質(zhì)素改良土的抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于素土.

(2) 木質(zhì)素的摻入能減小顆粒表面吸附的結(jié)合水膜的厚度，使顆粒的間距減小，排列更加緊密，降低了干濕循環(huán)對(duì)土體的侵蝕和破壞,增強(qiáng)了土體的水穩(wěn)性.