凍融循環(huán)下纖維-造紙廢物聯(lián)合改良淤泥質土力學性能研究

doi：10.3969/j.issn.1001-5922.2024.02.037

摘 要：為了利用更加環(huán)保且經(jīng)濟的方式改善淤泥質土的工程性能，研究采用造紙工業(yè)的副產(chǎn)品木質素磺酸鹽和廢棄輪胎紡織纖維對淤泥質土進行改良，分析了改良前后試樣的強度和抗凍融循環(huán)能力。結果表明，木質素磺酸鹽和纖維均能一定程度上提升土體的強度和抗凍融循環(huán)能力，但1.5%木質素磺酸鹽和0.6%纖維復合改良效果最佳。微觀結構及傅里葉紅外光譜結果表明木質素磺酸鹽能生成新的離子鍵使松散基質的淤泥質土顆粒粘結性增強，纖維能連接土顆粒之間的孔隙，增強其抗拉伸能力。

關鍵詞：淤泥質土；造紙廢棄物；木質素磺酸鹽；廢棄纖維；工程特性；凍融循環(huán)

中圖分類號：TU447" " " "文獻標志碼：A" " " "文章編號：1001-5922（2024）02-0139-04

Study on the mechanical properties of fiber-papermaking waste combined improvement of silty soil under freeze-thaw cycle

YIN Xiaowen

（Zhonglu Youce （Beijing） Engineering Consulting Co.，Ltd.，Beijing 100070，China）

Abstract：In order to improve the engineering properties of silty soil in a more environmentally friendly and economical way，the by-product lignosulfonate of the paper industry and the textile fiber of waste tires were used to improve the silty soil，and the strength and freeze-thaw cycle resistance of the samples before and after improvement were analyzed.The results showed that both lignosulfonate and fiber improved the strength and freeze-thaw cycle resistance of soil to a certain extent，but 1.5% Lignosulfonate and 0.6% fiber had the best improvement effect.The results of microstructure and Fourier infrared spectroscopy showed that lignosulfonate could generate new ionic bonds to enhance the cohesibility of silt soil particles in the loose matrix，and the fibers could connect the pores between soil particles to enhance the tensile resistance.

Key words：silty soil;papermaking waste;lignosulfonate;waste fiber;engineering characteristics;freeze-thaw cycle

淤泥質土作為一種欠固結軟弱土，因高含水率、高壓縮性、低滲透性和低承載能力等缺陷無法滿足工程需求，必須對其進行加固處理，水泥等傳統(tǒng)粘結劑對淤泥質土的處理已在世界各地得到廣泛應用^[1-2]。如開展了采用水泥穩(wěn)定淤泥質土的可行性及抗凍融性能研究^[3]；研究了硫氧鎂水泥穩(wěn)定淤泥質土的可行性研究^[4]。研究人員一直在尋找新的高性能材料來取代它們。木質素磺酸鹽由于其特殊的性質可以用來提高土壤的力學性能和穩(wěn)定性^[5-7]，這種材料是造紙工業(yè)的副產(chǎn)品，是一種不構成環(huán)境風險的廉價工業(yè)廢物^[8-9]。因此，木質素磺酸鹽在土壤處理中的巨大潛力引起了眾多研究者的關注。但是現(xiàn)有的相關研究大多集中在土壤基礎性質改良等方面，針對凍融循環(huán)等惡劣環(huán)境條件下的淤泥質土壤改良效果研究還較為少見^[10-11]。因此，試驗將以無側限抗壓強度、峰值應變、彈性模量和微觀結構等為研究指標，通過試驗研究凍融循環(huán)對木質素磺酸鹽和廢棄輪胎纖維復合增強淤泥質土特性的影響。

1"原材料和試驗方案

1.1"原材料

原狀淤泥質土物理力學參數(shù)如表1所示。經(jīng)烘干碾壓后測試發(fā)現(xiàn)，土體中砂粒、粉粒和黏粒含量分別為4.58%、77.07%和18.34%，可見其主要是以粉粒和黏粒為主，因此其滲透性很低，排水固結處理難度較大；木質素磺酸鹽是造紙工業(yè)的廢物副產(chǎn)品，無毒、無腐蝕性、無危險，研究中使用的木質素磺酸鹽從化燕化工有限公司購買，其外觀呈棕色，完全溶于水；廢舊輪胎紡織纖維取自某加工廠，取回后對其基礎物理力學參數(shù)進行測試，廢棄輪胎紡織纖維物理力學參數(shù)如表2所示。

1.2"試驗方案

研究木質素磺酸鹽的添加量分別占土壤干質量的0.5%、1%、1.5%、2%和2.5%；纖維按土壤干質量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1%添加到試樣中。不同改性劑下試樣的最大干密度和最優(yōu)含水率如表3所示。根據(jù)ASTM D 698規(guī)范及試驗結果將干燥的淤泥質土和相應改性劑與最佳含水率手工混合，將混合物放入塑料袋中固化約24 h，最后通過靜壓成型的方式將其制備成直徑37 mm、長度78 mm的圓柱形試樣。將穩(wěn)定或加固的樣品用塑料袋包裹，并在室溫（20 ℃）下固化7 d，最后通過無側限抗壓強度試驗、凍融循環(huán)試驗和微觀結構測試表征木質素磺酸鹽和纖維對淤泥質土力學性能的影響。依據(jù)ASTM C1262規(guī)范，定義一次凍融循環(huán)包括24 h凍狀態(tài)（-18 ℃）和24 h融狀態(tài)（18 ℃），凍融循環(huán)過程中土體試樣處于密封狀態(tài)。

2"強度與凍融循環(huán)試驗結果與分析

2.1"無側限抗壓強度

不同改性劑及其不同摻量下淤泥質土強度變化如圖1所示。

由圖1可知，木質素磺酸鹽的添加量在1.5%之前會適度提高試樣的強度，超過1.5%后強度會顯著降低，當添加量在1.5%時改良效果最佳。0.2%～0.4%的纖維添加量會顯著提高淤泥質土的強度，改良后試樣的強度峰值出現(xiàn)在纖維含量為0.6%時，隨著纖維摻量的進一步提高，試樣的強度變化不明顯，甚至略有下降。因此，木質素磺酸鹽和纖維在提高淤泥質土機械強度方面的最佳用量分別為1.5%和0.6%。不同改性劑下淤泥質土強度隨養(yǎng)護齡期的變化如圖2所示。

由圖2可知，隨著養(yǎng)護時間的增加，3種方法處理的樣品強度均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢；1.5%木質素磺酸鹽改良的情況下，由于土壤礦物表面的吸附和土壤積累^[5-6]，固化7 d后強度急劇增加；對于0.6%纖維處理的樣品，強度的增加主要發(fā)生在7 d的養(yǎng)護時間內(nèi)；0.6%纖維和1.5%木質素磺酸鹽復合改良的樣品強度增加幅度更明顯。

2.2"抗凍融循環(huán)試驗

不同改性劑下淤泥質土強度隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化如圖3所示。

由圖3可知，所有試樣的強度均表現(xiàn)出退化行為，并隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸下降，其中強度下降最顯著的是第一個凍融循環(huán)周期，這是由于土壤內(nèi)部結構的最大變化主要發(fā)生在第一個循環(huán)期間，土壤結構經(jīng)過多次凍融循環(huán)后達到一個新的平衡狀態(tài)，導致凍融的作用逐漸減弱，改性試樣的強度趨于穩(wěn)定。0.6%纖維和1.5%木質素磺酸鹽復合改良的樣品在第1個循環(huán)周期后強度下降幅度最小，也最快進入強度穩(wěn)定階段。

不同改性劑下淤泥質土凍融循環(huán)前后應力-應變曲線如圖4所示。

由圖4可知，凍融循環(huán)前，改良土體的彈性階段升高速率較快，最高應力較大；持續(xù)的凍融作用會顯著改變應力-應變曲線的形狀，凍融循環(huán)不僅使應力-應變曲線彈性階段升高速率降低，而且使試樣的延性增加，尤其是纖維和木質素磺酸鹽復合作用改良的試件延性影響較大。

由于回彈模量與無側限抗壓強度的相關性較好，可以通過強度間接計算試樣的回彈模量。有研究表明^[12-14]，可以利用無側限抗壓強度試驗中1.0%軸向應變點處對應的應力和回歸模型確定試樣的回彈模量：

M_R=606.6S_u1.0%（1）

式中：M_R為試樣的回彈模量，MPa；S_u1.0%為試樣無側限抗壓強度試驗中1.0%軸向應變點處對應的應力，MPa。

不同改性劑下淤泥質土彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同改性劑改良的試樣彈性模量均逐漸減小，表明連續(xù)的凍融循環(huán)會顯著改變土樣的內(nèi)部結構，凍融循環(huán)引起的退化效應也可以通過彈性模量的波動幅度來反映。0.6%纖維和1.5%木質素磺酸鹽改良的樣品在凍融循環(huán)過程中彈性模量下降的波動范圍最小，說明物理和化學相結合的改良方式抗凍融循環(huán)效果更好。3"微觀機理分析

3.1"微觀結構

不同改性劑下淤泥質土微觀結構如圖6所示。

由圖6可知，原狀淤泥質土顯示為具有弱顆粒的不連續(xù)基質和它們之間的大量小孔隙，這些微小孔隙呈現(xiàn)不規(guī)則地存在，導致土壤顆粒僅緊密地堆積在一起，但沒有很強的粘結性，這種顆粒的結構和排列可以解釋淤泥質土強度低的原因之一。在淤泥質土中加入1.5%木質素磺酸鹽后的微觀結構顯示樣品的形態(tài)結構發(fā)生了較大的變化，木質素磺酸鹽的加入中和了土壤顆粒表面因靜電吸引而產(chǎn)生的負電荷，使它們的距離更近；此外，木質素磺酸鹽通過在土壤顆粒周圍形成聚合物高分子鏈，形成一種完整的介質和聚集體，這有助于提高樣品的強度。在土樣中加入纖維，可以將它們放置在土顆粒之間，防止加載過程中拉伸裂縫的發(fā)展，纖維的存在可以增強土壤顆粒之間的摩擦力，并增強土壤的物理力學特性^[15]。

3.2"傅里葉紅外光譜

原狀淤泥質土及復合改良淤泥質土傅里葉紅外光譜如圖7所示。

由圖7可知，在875、1 460、2 510和2 900 cm^-1附近的特征吸收峰表明方解石晶體結構中CO₃^2-基團的振動；此外，淤泥質土主要由Si—O—Si、Si—O—Al、Si—O—Al和H—O—H等官能團組成，其吸收峰分別分布在468、520、1 020和3 430 cm^-1附近。改性前后淤泥質土的紅外光譜結果存在顯著差異，主要表現(xiàn)在含1.5%木質素磺酸鹽的泥灰土中觀察到吸收峰為1 517 cm^-1和1 650 cm^-1的光譜，其表明苯和-CH-基團在內(nèi)的官能團的存在。這些官能團可以證實，由于木質素磺酸鹽包含在淤泥質土中而形成離子鍵，以及在土壤礦物層之間的距離中存在木質素磺酸鹽^[6-7]。

4"結語

（1）淤泥質土的強度隨木質素磺酸鹽和纖維含量的增加均呈先增后減的變化趨勢，

采用木質素磺酸鹽與纖維復合改良的土樣強度最高，木質素磺酸鹽和纖維最佳摻量分別為1.5%和0.6%;

（2）木質素磺酸鹽和纖維單獨或復合改良的樣品強度值和回彈模量在凍融循環(huán)作用下均表現(xiàn)出弱化行為，復合改良的試樣抗凍融能力最強。但凍融循環(huán)增強了試樣的延性行為;

（3）淤泥質土是一種不連續(xù)的基質，它們之間存在大量的微孔隙，木質素磺酸鹽能使土顆粒粘結性增強，纖維能連接土顆粒之間的孔隙，增強其抗拉伸能力。FTIR測試的結果證實了離子鍵的形成是由于淤泥質土壤中含有木質素磺酸鹽。

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收稿日期：2023-09-15；修回日期：2023-12-12

作者簡介：尹曉雯（1989-），女，工程師，主要從事巖土工程技術服務與咨詢研究；E-mail：yingseshup9710@163.com。

引文格式：尹曉雯.凍融循環(huán)下纖維-造紙廢物聯(lián)合改良淤泥質土力學性能研究[J].粘接，2024，51（2）：139-142.