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

盧 永,李劍波，莊寶利,蘇 龍,吳 騰

(1.湖南聯(lián)智科技股份有限公司,湖南 長沙 410203；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司,湖南 長沙 410015)

1 概述

隨分散性土是一類土顆粒極易分散黏性土的統(tǒng)稱，往往含有較多的鈉離子，由于鈉離子半徑較大，致使黏土雙電層厚度增加，土顆粒間吸引力減小，遇水后土顆粒容易由團(tuán)聚狀轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮睿暧^上表現(xiàn)為受水浸泡或沖刷而造成的漸進(jìn)式侵蝕。在公路建設(shè)中若貿(mào)然采用分散性土進(jìn)行路基填筑，盡管在干燥狀態(tài)下路基可保持較好的服役狀態(tài)，但在雨季由于松散土顆粒的流失，路基剛度和強(qiáng)度迅速衰減，易出現(xiàn)不均勻沉降而引起路面開裂，嚴(yán)重時甚至導(dǎo)致路基失穩(wěn)垮塌[1]。

目前，對分散性土進(jìn)行處治常規(guī)固化劑包括石灰[2]、水泥[2]、火山灰[3]等和復(fù)合無機(jī)材料[4-5]。雖然這些材料可以有效降低分散性，但也存在一定的缺點(diǎn)，如水泥、石灰土等大多呈強(qiáng)堿性，使用過多將形成堿性環(huán)境，對周圍土體、地下水和植物生長等均產(chǎn)生威脅。木質(zhì)素磺酸鹽為一種木質(zhì)素基有機(jī)聚合物，在自然界中的存在十分豐富，我國每年大約有5 000萬t的木質(zhì)素副產(chǎn)品從造紙業(yè)產(chǎn)出[6]。與傳統(tǒng)固化劑不同的是，木質(zhì)素磺酸鹽不僅可以有效提升分散性土的延性，延緩張拉開裂，而且綠色、環(huán)保[7]。TA’NEGONBADI[8]等發(fā)現(xiàn)隨著木質(zhì)素磺酸鹽的加入，黏土顆粒間的靜電反應(yīng)使土的剛度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)增加。SEZER[9]指出木質(zhì)素磺酸鹽還可以提高土的水穩(wěn)性，并降低土的滲透系數(shù)。賀智強(qiáng)[10]等發(fā)現(xiàn)適當(dāng)加入木質(zhì)素磺酸鹽可有效降低土的崩解性和滲透系數(shù)，但摻量不宜過大。劉釗釗[11]認(rèn)為隨著木質(zhì)素?fù)搅康脑黾?，土的平均孔隙面積、表觀孔隙比和平均形狀系數(shù)等指標(biāo)都呈先降后增趨勢，對于分散性較強(qiáng)的黃土，木質(zhì)素的最優(yōu)摻量大約為2%。

現(xiàn)有一系列研究成果表明，摻入木質(zhì)素磺酸鹽對降低土的分散性比較有效，但對力學(xué)性質(zhì)的改善并不明顯，甚至還會降低剛度或強(qiáng)度等指標(biāo)，因此往往還需要配合水泥、石灰等材料使用。聚丙烯纖維是一種無毒無害、極耐腐蝕的纖維材料，由于其對土顆粒的嵌固作用，近年來多應(yīng)用于膨脹土改良[12-13]，但其在分散性土改良方面的相關(guān)報道較少，尤其鮮見其與木質(zhì)素進(jìn)行分散性土復(fù)合改良的研究。本文針對某公路路基分散性土，嘗試以木質(zhì)素磺酸鹽+聚丙烯纖維作為復(fù)合改良材料，開展一系列關(guān)于改良土的針孔試驗(yàn)、UCS試驗(yàn)、抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，分析改良配比對最終流量、UCS等指標(biāo)的影響，獲取合理的復(fù)合改良方案，旨在為復(fù)合改良的應(yīng)用推廣提供試驗(yàn)支撐。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的素土來自湖南省某公路路基現(xiàn)場，根據(jù)現(xiàn)場勘查經(jīng)驗(yàn)和周邊工程類比，可將該土初步判定為分散性土。取土后開展了常規(guī)土工試驗(yàn)，獲取其基本物理力學(xué)性質(zhì)如下：砂粒含量6%，粉粒含量48%，黏粒含量46%，最優(yōu)含水率19.4%，最大干密度1.75 g/cm2，液限34%，塑性指數(shù)18%，USCS分類為CL。并利用X射線熒光(XRF)分析其主要化學(xué)成分的質(zhì)量占比為：SiO241.60%，Al2O311.99%，CaO 13.49%，F(xiàn)e2O37.25%，MgO 4.70%，K2O 2.67%，Na2O 1.12%，P2O51.28%，LOI 15.3%。

試驗(yàn)用改良劑為木質(zhì)素磺酸鈉，屬于木質(zhì)素磺酸鹽(LS)的一類，無毒、無腐蝕性，成本較低，為1 000～1 200元/t，見圖1(a)。木質(zhì)素磺酸鈉粉末為棕黃色，pH為4，易溶于水，主要元素為碳C、氧O、硫S和鈉Na。試驗(yàn)用聚丙烯纖維(PF)選用了12 mm長的透明纖維，成本約4 000元/t[見圖1(b)]，其基本參數(shù)如下：比重0.91 g/cm3，平均直徑0.032 mm，平均長度12 mm，抗拉強(qiáng)度350 MPa，彈性模量3 200 MPa，熔點(diǎn)165 ℃，燃點(diǎn)580 ℃，耐酸堿性強(qiáng)。

(a)木質(zhì)素磺酸鈉(LS)

本次試驗(yàn)配置了3種類型的改良土，即只含有LS、只含有PF和含有LS+PF。配置只含有LS的改良土?xí)r，LS以1%、1.5%、2%的比例加入分散性土中，并摻入適量的水以保障改良土大致處于最優(yōu)含水率狀態(tài)，然后按照試驗(yàn)要求制成模型，并在密封塑料袋中進(jìn)行定期的恒濕狀態(tài)養(yǎng)護(hù)。配置只含有PF的改良土?xí)r，將PF按0.35%、0.7%和1.4%的比例摻入分散性土中，均勻拌和，制模和養(yǎng)護(hù)同上。配置含有LS+PF的改良土?xí)r，首先在土中按0.35%、0.7%和1.4%的比例摻入PF，然后摻入2%的LS，制模和養(yǎng)護(hù)同上。通過擊實(shí)試驗(yàn)得出的各改良土最優(yōu)含水率和最大干密度如圖2所示，可以看出，改良后土的最優(yōu)含水率普遍有所提高，而最大干密度的變化缺少規(guī)律性。

圖2 不同改良土的最優(yōu)含水率和最大干密度

對2%LS+0.35%PF復(fù)合改良土(7 d養(yǎng)護(hù))的XRD測試如圖3所示，可以看出原土中礦物主要為方解石、磁鐵礦、沸石和氧化鋁。進(jìn)行改良后，改良土的主要礦物成分并沒有顯著變化，但是含量有所改變，改良后主要礦物的XRD分析譜峰位更加明顯。

(a) 改良土元素分析位置

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1針孔試驗(yàn)

針孔試驗(yàn)被認(rèn)為是最可靠的判別土分散性的方法，本文參考了文獻(xiàn)[14]的方法來開展試驗(yàn)，圓柱體試樣的直徑×高度為40 mm×38.1 mm，用針孔貫通試樣，本文試驗(yàn)采用的水頭高度分別為50、180、1 020 mm，對試樣進(jìn)行滲流沖蝕，根據(jù)表1進(jìn)行的土分散性判別和分組。其中，原土被劃分為D1組，反映出了最強(qiáng)烈的分散性，驗(yàn)證了現(xiàn)場將其初步判定為分散性土的正確性。

表1 針孔試驗(yàn)判別準(zhǔn)則[15]Table 1 Criteria for pinhole test[15]土樣類型作用水頭/mm在某一水頭下持續(xù)時間/s最終流量/(mL·s-1)滲流沖蝕終止時水流的顏色側(cè)視頂視孔徑大小/mm分組分散性土503001.0～1.4渾濁很渾濁≥2.0D1506001.0～1.4很渾濁渾濁>1.5D2過渡性土506000.8～1.0輕微渾濁較渾濁≤1.5I11803001.4～2.7肉眼可見輕微渾濁≥1.5I2非分散性土1 020300≤3.0完全清澈清澈1ND1

2.2.2UCS和抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度(UCS)是表征改良土強(qiáng)度特性的一項重要指標(biāo)，本文參照文獻(xiàn)[15]的方法開展試驗(yàn)，當(dāng)存在峰值應(yīng)力時選取其作為UCS，無峰應(yīng)力時選取對應(yīng)軸向應(yīng)變?yōu)?5%時的應(yīng)力值，每個工況下開展3次平行試驗(yàn)。

抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參照文獻(xiàn)[15]的方法進(jìn)行，儀器為三軸試驗(yàn)儀，試樣為圓柱體(7 d養(yǎng)護(hù))，直徑約40 mm，高度約80 mm，壓實(shí)度為93%。圍壓設(shè)置為20、40、80 kPa，固結(jié)排水剪切速率為0.01 mm/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 針孔試驗(yàn)

圖4顯示了針孔試驗(yàn)中不同水頭高度下原土和改良土最終流量的變化情況，養(yǎng)護(hù)時間統(tǒng)一為7 d。總體來看，在單獨(dú)添加LS后，土的最終流量有了顯著下降，而且LS添加量越大，土的抗侵蝕能力就越強(qiáng)，但這并不能完全消除土的分散性，例如在50 mm水頭下，LS添加量為1.0%、1.5%、2.0%時，最終流量分別為3.01、2.831、2.29 mL/s，根據(jù)表1可知全部屬于分散性土。單獨(dú)摻入PF聚丙烯纖維同樣不能完全消除土的分散性，例如在50 mm水頭下，PF添加量為0.35%、0.7%、1.4%時，最終流量分別為1.35、1.31、0.83 mL/s，根據(jù)表1可知它們分別屬于分散性土、非分散性土和過渡性土。由此可見，針孔試驗(yàn)判定單一的改良劑都不能將原土改良成為非分散性土。根據(jù)表1，在所有改良土中，只有復(fù)合改良配比為2%LS+0.35%PF、2%LS+0.70%PF、2%LS+1.4%PF改良土的最終流量達(dá)到了非分散性土的要求，從而顯示了進(jìn)行復(fù)合改良的必要性。

圖4 不同改良技術(shù)下最終流量的變化

對于木質(zhì)素磺酸鹽改良而言，土分散度減小是由于靜電、絮凝和凝聚等作用使土顆粒形成了顆粒簇和團(tuán)聚體，因而更加穩(wěn)定。而對于纖維改良而言，分散度降低是因?yàn)槔w維與土顆粒之間形成強(qiáng)烈的摩擦和附著，抑制了土中拉裂縫的形成，從而延緩了土的侵蝕作用[12]。將上述兩者復(fù)合使用時，木質(zhì)素磺酸鹽又可作為一種化學(xué)黏結(jié)劑，進(jìn)一步增強(qiáng)纖維與土顆粒之間的膠結(jié)作用。

3.2 針孔試驗(yàn)

圖5顯示了UCS試驗(yàn)中不同養(yǎng)護(hù)時間下原土和改良土UCS的變化情況?？梢钥闯?，對于所有的改良土，養(yǎng)護(hù)時間越長，UCS越高。相對于原土，LS的添加有助于強(qiáng)度增加，但是當(dāng)LS的添加量由1%增加到2%時，UCS卻有所下降，例如，前者UCS在養(yǎng)護(hù)7 d后為0.42 MPa，養(yǎng)護(hù)28 d后為0.73 MPa，后者養(yǎng)護(hù)7 d后UCS為0.32 MPa，養(yǎng)護(hù)28 d后UCS為0.53 MPa。隨著LS的增加，UCS降低的原因是LS的強(qiáng)度低于土顆粒，如果土孔隙中填充了較多LS，宏觀的UCS會下降。然而，根據(jù)前述研究，1%的LS用量并不足以消除分散性，而采用2%LS才可以使土成為非分散性土，因此單獨(dú)采用LS會面臨分散度降低與UCS保持矛盾。

此外，PF添加對于UCS增強(qiáng)的效果是非常明顯的。僅在1 d養(yǎng)護(hù)下，摻入0.35%、0.7%、1.4%PF分別使土的強(qiáng)度增大至原土的3.4、3.95和4.86倍，因此PF可以短時間內(nèi)快速提高分散性土的UCS。在1.4%的高PF添加量下，土的UCS在養(yǎng)護(hù)3、7、28 d后增長至原土的9.5倍、11.17倍和29.87倍，而對于低纖維添加量(0.35%)的改良土，UCS隨養(yǎng)護(hù)時間的變化可以忽略。PF雖然顯著地提高了力學(xué)性能，根據(jù)前述研究在消除土的分散性和抗侵蝕方面卻并不理想。對于改良土而言，抗侵蝕性和強(qiáng)度都是重要的考慮因素，以上試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了LS與PF復(fù)合使用的必要性。根據(jù)圖5，養(yǎng)護(hù)1 d后，復(fù)合改良土(2%LS+0.35%PF)的UCS會增加96%，養(yǎng)護(hù)3 d后增加242%，養(yǎng)護(hù)7 d后增加639%，養(yǎng)護(hù)28 d后增加2 541%。

定義R為復(fù)合改良土UCS與2%LS改良土UCS的比值。圖6顯示了R與PF摻入量的關(guān)系。可以看出，當(dāng)PF添加量從0.35%上升到1.4%時，在各個養(yǎng)護(hù)周期下，UCS反而減少，這可能歸因于纖維起了“潤滑”作用，有助于土顆粒之間的相對移動，因此復(fù)合改良時過量的纖維反而對UCS產(chǎn)生了不利影響，可以看出0.35%添加量是纖維有助于提升UCS的臨界點(diǎn)。

圖6 不同纖維含量下的R值

3.3 抗剪強(qiáng)度分析

根據(jù)針孔試驗(yàn)，2%LS+0.35%PF、2%LS+0.70%PF、2%LS+1.4%PF改良土最終流量達(dá)到了非分散性土的要求，進(jìn)一步針對上述改良土和素土開展抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)，得到偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖7所示。令qult為曲線趨于穩(wěn)定時的終值偏應(yīng)力，可以看出，qult總體上隨圍壓的增加而上升。當(dāng)圍壓為20、40 kPa時，改良土的qult與素土的差別明顯，但圍壓增至60 kPa時，兩者趨于一致。

(a) 圍壓=20 kPa

圖8為復(fù)合改良對土體臨界狀態(tài)抗剪強(qiáng)度的影響。

(a) 抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

圖8(a)為固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)中，素土和2%LS+0.35%PF改良土qult與平均有效正應(yīng)力p′的關(guān)系。通過回歸分析可得：

qult=

(1)

結(jié)合圖8(a)和式(1)可以看出，復(fù)合改良對土的臨界狀態(tài)線(CSL)斜率幾乎沒有影響，但會使CSL向左平移，從而在縱軸上產(chǎn)生截距，如前所述，這是復(fù)合改良產(chǎn)生的膠結(jié)作用所致。這說明木質(zhì)素磺酸鹽+聚丙烯纖維復(fù)合改良主要是改善土的黏聚力，對于內(nèi)摩擦角則影響較小。以DAFALIES提出的邊界面模型為例，圖8(b)為木質(zhì)素磺酸鹽+聚丙烯纖維復(fù)合改良土的屈服軌跡示意圖，圖中M、c別為CSL的斜率和截距。改良土和素土的CSL相互平行，前者的屈服面由于改良后膠結(jié)作用的影響，在后者屈服面的基礎(chǔ)上有所擴(kuò)大，體現(xiàn)出改良土更難發(fā)生屈服。

4 結(jié)論

本文對LS和PF復(fù)合改良分散性土的工程性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

a.無論從效果還是從經(jīng)濟(jì)考慮，單獨(dú)采用LS降低分散度都遠(yuǎn)強(qiáng)于單獨(dú)采用PF。在所有復(fù)合改良配比中，2%LS+0.35%PF改良土的分散度最低，少量添加PF是有益的，但過多添加PF效果適得其反。在所有改良土中，只有復(fù)合改良土的最終流量達(dá)到了非分散性土的要求。

b.采用2%LS+0.35%PF進(jìn)行復(fù)合改良對于提升UCS是較為理想的，當(dāng)PF添加量從0.35%上升到1.4%時，UCS反而減少，這可能歸因于纖維起了“潤滑”作用，因而0.35%添加量是纖維有助于提升UCS的臨界點(diǎn)。

c.qult總體上隨圍壓的增加而上升。當(dāng)圍壓為20、40 kPa時，改良土的qult與素土的差別明顯，但圍壓增至60 kPa時，兩者趨于一致。

d.改良土和素土的CSL相互平行，前者的屈服面有所擴(kuò)大，更難達(dá)到屈服。木質(zhì)素磺酸鹽+聚丙烯纖維復(fù)合改良主要是改善土的黏聚力，對于內(nèi)摩擦角則影響較小。綜合考慮抗侵蝕性和強(qiáng)度，采用LS+PF進(jìn)行復(fù)合改良有一定必要性。