木鈣對蘭州黃土水理性質(zhì)的影響

王沈力 李曉龍 劉辰麟 劉東發(fā)

摘要：為揭示木鈣對蘭州黃土水理性質(zhì)的影響，基于不同的木鈣摻量和養(yǎng)護(hù)齡期，通過水滴入滲試驗、滲透試驗和崩解試驗分析木鈣土斥水性、滲透性和水穩(wěn)性，并利用X射線衍射試驗、掃描電鏡試驗探討木鈣土的改良機(jī)理。研究結(jié)果表明：木鈣的摻入可以提升黃土的斥水性、水穩(wěn)性，低摻量木鈣土提升幅度有限，高摻量木鈣土整體表現(xiàn)良好，而減弱滲透性的作用有限;木鈣土的水理性質(zhì)發(fā)揮具有齡期效應(yīng);28 d養(yǎng)護(hù)齡期下，木鈣土的水理性質(zhì)參數(shù)隨木鈣摻量的變化存在廣義上的峰值，但峰值與木鈣摻量的關(guān)系存在一定差異;木鈣土的水理性質(zhì)同力學(xué)性質(zhì)保持了一定的正向關(guān)聯(lián)性。木鈣土并未產(chǎn)生新的礦物成分，但土顆粒雙電層厚度變薄，而且膠結(jié)生成物包裹聯(lián)結(jié)顆粒、填充孔隙，從而改善木鈣土的水理性質(zhì)。

關(guān)鍵詞：黃土; 木鈣; 水理性質(zhì); 影響

中圖分類號： TU444????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）03-0637-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002

Influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess

WANG Shenli1， LI Xiaolong1， LIU Chenlin1， LIU Dongfa2

（1. Gansu CSCEC Municipal Engineering Investigation and Design Institute Co. Ltd.， Lanzhou 730000， Gansu， China;2. College of Civil Engineering and Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract：?Based on the different contents of calcium lignosulfonate and curing ages， the water repellency， permeability， and water stability of calcium lignosulfonate were analyzed using the water drop infiltration， penetration， and disintegration tests， respectively， to reveal the influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess. The improvement mechanism of enhanced loess by calcium lignosulfonate is also discussed using X-ray diffraction and scanning electron microscope tests. Results show that the water repellency and stability of loess improved with the addition of calcium lignosulfonate. Moreover， the improvement of calcium lignosulfonate with low content is limited， while the overall performance of loess improved by high-content calcium lignosulfonate is good. However， the effect of reducing permeability is limited. The hydraulic properties of loess improved by calcium lignosulfonate demonstrate age effects： under the curing age of 28 d， a generalized peak value is observed in the hydraulic property parameters of loess improved by calcium lignosulfonate with its content. However， the relationship between peak value and content is different. A certain positive correlation is also observed between the hydraulic and mechanical properties of loess improved by calcium lignosulfonate. No new mineral composition is found in the loess improved by calcium lignosulfonate. However， the thickness of the electric double layer of soil particles becomes thin， and the cementing products wrap the connecting particles and fill the pores， thus improving the hydraulic properties of the loess.

Keywords：loess; calcium lignosulfonate; hydrological properties; influence

0 引言

我國的黃土［1］主要圍繞著西北、華北以及東北地區(qū)呈帶狀展布，范圍廣且厚度大。黃土屬于特殊土，富含鈣質(zhì)成分，具有大孔隙結(jié)構(gòu)。自然狀態(tài)下，黃土含水率較低，性質(zhì)穩(wěn)定，當(dāng)遇水后，黃土性質(zhì)和狀態(tài)急劇劣化，進(jìn)而呈現(xiàn)濕陷、水敏、液化等特性，所以水對黃土性質(zhì)影響極大。壓實黃土［2］通過重塑改變了原狀黃土的結(jié)構(gòu)，在力學(xué)性質(zhì)、水理性質(zhì)有了較大改善，但黃土成分、顆粒粒徑等本體特性決定其工程性質(zhì)改善的局限性，故長期以來人們一直致力于研究摻入外加劑改良黃土［3-5］，如石灰、粉煤灰、水泥等，使得改良后的黃土更好地滿足工程需求。目前，利用工業(yè)副產(chǎn)物木質(zhì)素改良黃土符合國家“變廢為寶”的綠色發(fā)展方向，相關(guān)研究方興未艾。

木質(zhì)素［6］一般是指木質(zhì)素制備物和木質(zhì)素的衍生物。木質(zhì)素屬于三維高分子化合物，與纖維素、半纖維素構(gòu)成植物的主要骨架，自然界儲量極其豐富，僅次于纖維素。造紙業(yè)每分離提取3 t纖維素，就會產(chǎn)生約1 t木質(zhì)素副產(chǎn)物。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國造紙廠每年產(chǎn)生約5 000萬t木質(zhì)素副產(chǎn)物，多數(shù)以黑液的形式直接排入江河或濃縮后焚燒，這樣處理不僅極大浪費資源，還嚴(yán)重污染了環(huán)境。因此，利用工業(yè)副產(chǎn)物木質(zhì)素改良土體的技術(shù)應(yīng)運而生，如Vinod等［7］提出了木質(zhì)素磺酸鹽加固粉砂的機(jī)理，認(rèn)為木質(zhì)素磺酸鹽在土體中發(fā)生水解和中和作用，生成木質(zhì)素磺酸鹽聚合物，將土顆粒膠結(jié)并聯(lián)結(jié)在一起，形成一個整體;Santoni等［8-9］利用木質(zhì)素磺酸鹽改良黏土和粉砂，其無限抗壓強(qiáng)度明顯增大，并提出木質(zhì)素磺酸鹽的最佳摻入比5%;張濤［10］主要從木質(zhì)素改良粉土的物理力學(xué)性質(zhì)、耐久性、微觀表征、本構(gòu)模型、應(yīng)力-應(yīng)變特性、效果評價等方面進(jìn)行了系統(tǒng)性研究，為木質(zhì)素改良土在國內(nèi)推廣應(yīng)用提供重要支撐;侯琳等［11］研究得到木質(zhì)素改良粉土和粉砂的抗凍性強(qiáng)于素土。國內(nèi)外學(xué)者分別利用工業(yè)副產(chǎn)物木質(zhì)素改良黏土、粉砂及粉土等，并取得了良好的效果。利用工業(yè)副產(chǎn)物木質(zhì)素改良黃土也具有可行性，如賀智強(qiáng)等［12］和侯鑫等［13］通過研究得出木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土的加固效果良好，并對其改良機(jī)制做出解釋。

研究木質(zhì)素改良黃土，力學(xué)性質(zhì)的提升是重要目的，而水理性質(zhì)也直接關(guān)系到工程建設(shè)的安全性和穩(wěn)定性，是黃土地區(qū)必須考慮的問題，如地基工程、路基工程、大壩工程等。本文在木質(zhì)素磺酸鈣改良黃土（簡稱“木鈣土”）物理力學(xué)性質(zhì)研究的基礎(chǔ)上，通過水滴入滲試驗、滲透試驗及崩解試驗研究木鈣土的水理性質(zhì)，并利用X射線衍射試驗、掃描電鏡試驗分析木鈣土的改良機(jī)理，研究成果可為木質(zhì)素在黃土地區(qū)的推廣應(yīng)用提供重要依據(jù)。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1） 黃土

本試驗采用蘭州地區(qū)黃土，砂粒（2～0.075 mm）、粉粒（0.075～0.005 mm）和黏粒（≤0.005 mm）含量分別為1.7%、87.7%和10.6%，屬低液限粉土，基本物理性質(zhì)列于表1。該黃土呈弱堿性，其中陽離子包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+，陰離子包括SO2-4、HCO-3、Cl-。

（2） 木鈣

木質(zhì)素磺酸鈣簡稱為“木鈣”，屬于木質(zhì)素的一種衍生物，淡黃色粉末，略有芳香氣味，無毒無害，易溶于水，微酸性，穩(wěn)定性良好，具有很強(qiáng)的分散性、黏結(jié)性、螯合性。木鈣的基本指標(biāo)參數(shù)包括pH4.5、含水量5.5%、木質(zhì)素含量62.5%、鈣離子含量5.28%等。

（3） 水泥

采用42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗方法

定義摻量為干木鈣與干土的質(zhì)量之比，摻量選取1%、3%、5%、7%、9%（素土摻量為0%）。各摻量輕型擊實試驗結(jié)果列于表2。標(biāo)準(zhǔn)試樣制備采用壓實系數(shù)0.97、最優(yōu)含水量，利用靜壓法制樣，每組額外制備1～2個備用樣。將制備好的試樣立即置于密閉養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)條件為溫度（20±3） ℃，相對濕度≥45%。選用水泥摻量10%的水泥土為對照組。

試驗參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［14］進(jìn)行，各試驗測試對應(yīng)試樣見圖1。水滴入滲試驗，又叫水滴穿透時間法，采用標(biāo)準(zhǔn)滴定管將蒸餾水（體積為0.05 mL）滴到土樣表面，秒表記錄水滴反光現(xiàn)象消失的時間即為水滴完全入滲時間，取3組平行試驗結(jié)果的平均值作為水滴入滲時間，試樣的直徑102 mm、高60 mm，養(yǎng)護(hù)齡期選用1 d、7 d、28 d、90 d、180 d;滲透試驗采用變水頭滲透裝置，試樣的直徑61.8 mm、高40 mm，養(yǎng)護(hù)齡期選用1 d、7 d、28 d、90 d;崩解試驗是利用崩解儀測試試樣完全崩解所需的時間，試樣為邊長50 mm的立方體，養(yǎng)護(hù)齡期選用1 d、7 d、28 d、90 d、180 d;X射線衍射試驗采用日本Rigaku生產(chǎn)的X射線衍射儀分析，采用CuKa輻射，掃描范圍為6°～80°，掃描速度為1°（2θ/min），工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，制備試樣的直徑61.8 mm、高20 mm，養(yǎng)護(hù)齡期選用28 d，試驗

時對試樣再加工處理至滿足試驗要求;掃描電鏡試驗的設(shè)備為JSM-6510電子顯微鏡，試樣規(guī)格、養(yǎng)護(hù)齡期同X射線衍射試驗。另外，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗采用TSZ-3型應(yīng)變控制式三軸儀，試樣的直徑39.1 mm、高80 mm，試驗過程中應(yīng)變速率為每分鐘軸向應(yīng)變的2%，取3個平行試樣的平均值作為試驗結(jié)果，養(yǎng)護(hù)齡期選用28 d。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 斥水性

土體斥水性是指水分不能或很難濕潤土體顆粒表面的物理現(xiàn)象。水分滴在土體顆粒表面時，首先會保持液滴形狀，如圖2所示。在土體、水分、空氣的三項系統(tǒng)中，存在接觸角α，α越大，表明土體的斥水性越強(qiáng)。當(dāng)土體的斥水性較弱時，表現(xiàn)為親水性，α<90°，見圖2（a）;當(dāng)土體的斥水性較強(qiáng)時，α>90°，見圖2（b）。

然而接觸角一般很難直接測定，通常采用水滴入滲試驗來測試土體的斥水性，水滴入滲時間越長，表明土體的斥水性越強(qiáng)。Dekker等［15］根據(jù)水滴入滲時間將斥水性分為5個等級，詳列于表3，其中，以5 s作為是否具有斥水性的分界線。

圖3為水滴入滲時間與齡期的關(guān)系曲線。木鈣土的水滴入滲時間隨著齡期的遞增逐漸增長，前期速度較快后期較為平緩，且在28 d內(nèi)完成了主要的增長，為180 d的76.9%～92.9%;參照表3，試樣的斥水性可分為三類，高摻量（本文高摻量定義為5%～9%）木鈣土跨越兩個斥水等級，28 d內(nèi)具有輕微斥水性，超過28 d后發(fā)展有強(qiáng)烈斥水性;低摻量（本文低摻量定義為1%～3%）木鈣土各齡期范圍內(nèi)具有輕微斥水性;而素土和水泥土的水滴入滲時間隨著齡期的增長變化很小，且各齡期范圍內(nèi)水滴入滲時間均小于5 s，即素土和水泥土具有親水性。

由圖4可知，各齡期的水滴入滲時間隨木鈣摻量增加先急劇增大后微弱減小。高摻量木鈣土各齡期的水滴入滲時間均最高，即斥水性最強(qiáng)，其中28 d齡期后的水滴入滲時間可達(dá)素土的67～95倍。

相較于素土，木鈣土的斥水性得到了顯著提升，可以較好地阻止水分進(jìn)入土體，有利于保持土體內(nèi)部的干燥狀態(tài)。分析認(rèn)為，一方面是土顆粒雙電層厚度變;另一方面，木鈣屬于一種有機(jī)高分子聚合物，含有疏水基團(tuán)，如碳鏈、苯環(huán)等［10］，其覆蓋土顆粒表面，持續(xù)發(fā)揮著斥水作用。

2.2 滲透性

圖5為滲透系數(shù)與齡期、木鈣摻量的關(guān)系曲線?？梢钥闯龈黝愅恋臐B透系數(shù)隨著齡期的遞增逐步減小，超過28 d后減小趨勢放緩。試樣滲透系數(shù)的位次為素土＞水泥土＞木鈣土，說明木鈣對滲透性有一定影響。滲透系數(shù)隨著木鈣摻量的增加而減小，減小幅度也在逐步降低，7%和9%木鈣土的滲透系數(shù)基本相等。所有測定的滲透系數(shù)僅限于10-6級別，雖然木鈣土的滲透性有所減弱，但作用有限。

2.3 水穩(wěn)性

水穩(wěn)性可通過崩解所需時間測試，崩解時間越長，表明水穩(wěn)性越強(qiáng)。崩解，又稱濕化崩解，是指土體在浸入靜水后，由于土粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)和強(qiáng)度喪失，使土體崩散解體的特性。素土和7%木鈣土的具體崩解過程見圖6。素土試樣浸入水中后表面立即出現(xiàn)大量氣泡，氣泡向上漂浮至水面逸出，試樣底部邊緣先以粉末狀剝落，周邊逐步出現(xiàn)裂隙、孔洞，隨后夾有片狀、塊狀剝落，整個過程由外向內(nèi)，由下向上發(fā)展，直至完全崩解。7%木鈣土試樣浸入水中后表面氣泡很少，試樣邊緣處以粉末狀緩慢剝落，剝落次序也是由外向內(nèi)、由下向上，同素土的主要區(qū)別在于，7%木鈣土崩解過程中沒有片狀、塊狀剝落，而且剝落速度緩慢。片狀、塊狀剝落主要是由于水分沿著裂隙快速進(jìn)入土體內(nèi)部破壞結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)引起，即素土試樣發(fā)育有較多裂隙，7%木鈣土更加致密，整體性好。

如圖7所示，木鈣土隨著齡期的遞增崩解所需時間快速增長，當(dāng)超過28 d后，增長速度逐漸放緩并趨于平穩(wěn)，28 d崩解時間達(dá)到180 d的62.5%～90.6%。素土的崩解時間隨齡期變化不大。

由圖8可知，各齡期的試樣崩解時間隨木鈣摻量增長先增大后減小，且在摻量7%時達(dá)到最大值。過量的木鈣優(yōu)先同自身結(jié)合，形成較大粒徑的木鈣團(tuán)粒，反而削弱了膠結(jié)作用力，水穩(wěn)性隨即減小。各齡期高摻量木鈣土的崩解時間均最高，即水穩(wěn)性最好，且28 d齡期后的崩解時間可達(dá)素土的17～36倍。

2.4 水理性質(zhì)分析

木鈣土水理性質(zhì)的各表征參數(shù)在28 d內(nèi)均快速變化，完成了主要的變化，說明木鈣土的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)基本在28 d內(nèi)完成;而超過28 d后，變化速度放緩并趨于平穩(wěn)，因此，針對水理性質(zhì)，木鈣土的養(yǎng)護(hù)齡期可以定為28 d。

土體的水理性質(zhì)，但木鈣土的斥水性、水穩(wěn)性并不是隨著木鈣摻量增加而持續(xù)增強(qiáng)，滲透性并不是隨著木鈣摻量增加而持續(xù)減弱。素土水理性質(zhì)表現(xiàn)較差，低摻量木鈣土提升幅度有限，而高摻量木鈣土水理性質(zhì)整體表現(xiàn)良好。

28 d齡期下，木鈣土水理性質(zhì)參數(shù)隨摻量的變化呈現(xiàn)先增長后減?。B透系數(shù)為先減小后平緩）的規(guī)律，即均存在廣義上的峰值，但峰值與摻量的關(guān)系存在一定差異。為此，選定7%木鈣土所對應(yīng)參數(shù)為基準(zhǔn)，計算5%和9%木鈣土水理性質(zhì)參數(shù)與7%木鈣土的比值（表4）。由表4可知，9%木鈣土的斥水性、滲透性、水穩(wěn)性均略弱于7%木鈣土，但整體差別很小;5%木鈣土相較于7%木鈣土，水穩(wěn)性弱，滲透性強(qiáng)，差異約有30%～40%，斥水性基本相同。所以，從改善水理性質(zhì)角度出發(fā)，針對蘭州黃土，木鈣土的最優(yōu)摻量為7%。

圖9中也加入了木鈣土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)的對比，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是隨木鈣摻量的增加先增大后減小，在摻量7%時達(dá)到峰值，高摻量木鈣土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到素土的4.5～5.2倍，即木鈣土的力學(xué)性質(zhì)同水理性質(zhì)保持了一定的正向關(guān)聯(lián)性。

3 改良機(jī)理探討

選取素土、木鈣土的X射線衍射試驗測試圖譜分析。由圖10可知，素土和木鈣土的衍射峰位基本相同，且衍射峰強(qiáng)比接近，說明木鈣土中并未產(chǎn)生新的礦物成分，其礦物成分與素土一致，通過Jade6.0分析，木鈣土主要礦物成分包括石英、白云母、鈉長石、方解石、高嶺石及伊利石等，各礦物成分含量依次為石英＞鈉長石＞高嶺石＞白云母＞方解石＞伊利石，與素土基本一致。

有研究［10］認(rèn)為，木質(zhì)素?fù)饺胪林邪l(fā)生一系列反應(yīng)，形成帶有正電荷的膠結(jié)聚合物，該聚合物通過靜電引力作用吸附在帶有負(fù)電荷的土顆粒表面，中和土顆粒電位。另外，木鈣摻入土中引入了Ca2+，Ca2+與土中Na+發(fā)生離子交換反應(yīng)，所以土顆粒雙電層厚度變薄。

如圖11所示，素土的骨架顆?；蚴窍嗷ゴ┎?，緊密堆積，形成縫隙狀鑲嵌孔隙，或是相互支架，形成較大的支架孔隙，孔隙體積偏大且數(shù)量較多，而木鈣土中孔隙體積小且數(shù)量較少，主要由于土顆粒雙電層厚度變薄，潤滑性提高，利于填充孔隙，而且膠結(jié)生成物在不斷包裹聯(lián)結(jié)顆粒、填充孔隙，所以木鈣土的密實程度提升較大。相同滲透壓力下，水在木鈣土試樣內(nèi)流通的速度放緩，滲透性得到一定程度減弱;木鈣土中土顆粒雙電層厚度變薄，從而也提升其斥水性;崩解的本質(zhì)是水分進(jìn)入土體內(nèi)部、并弱化顆粒間膠結(jié)，最終破壞土體結(jié)構(gòu)。木鈣的摻入可改善土體的斥水性和滲透性，分別從土體表面和孔隙通道有效減緩水分進(jìn)入土體，有利于保持土體內(nèi)部干燥狀態(tài)，另外，木鈣本身具有很強(qiáng)的黏結(jié)性、螯合性，黃土顆粒間多黏附著木鈣，且反應(yīng)產(chǎn)生膠結(jié)生成物，膠結(jié)性能增強(qiáng)，所以木鈣土的水穩(wěn)性也得到提升。

4 結(jié)論

（1） 木鈣對黃土具有改良作用。木鈣的摻入可以提高黃土的斥水性、水穩(wěn)性，低摻量木鈣土提升幅度有限，高摻量木鈣土整體表現(xiàn)良好，而減弱滲透性的作用有限。

（2） 木鈣土的水理性質(zhì)發(fā)揮具有齡期效應(yīng)，工程應(yīng)用時可取28 d為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)齡期。

（3） 同一養(yǎng)護(hù)齡期下，不同摻量木鈣土的斥水性、滲透性和水穩(wěn)性對應(yīng)參數(shù)的變化規(guī)律存在一定差異。綜合水理性質(zhì)指標(biāo)，建議木鈣土的最佳摻量為7%。

（4） 木鈣土并未產(chǎn)生新的礦物成分，但土顆粒雙電層厚度變薄，而且膠結(jié)生成物包裹聯(lián)結(jié)顆粒、填充孔隙，從而改善木鈣土的水理性質(zhì)。

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（本文編輯：張向紅）

基金項目：甘肅省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科研項目（JK2020-16）

第一作者簡介：王沈力（1983-），男，碩士研究生，主要從事黃土地區(qū)工程地質(zhì)的研究。E-mail：29275417@qq.com。

王沈力，李曉龍，劉辰麟，等.木鈣對蘭州黃土水理性質(zhì)的影響［J］.地震工程學(xué)報，2024，46（3）：637-643.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002

WANG Shenli，LI Xiaolong，LIU Chenlin，et al.Influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：637-643.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002