凍融循環作用下木質素磺酸鈣改良黃土的力學特性研究

黃雨靈， 張吾渝， 季港澳， 解邦龍， 董超凡

（1.青海大學 土木工程學院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016）

0 引言

木質素磺酸鈣作為造紙工業副產品之一，在工業中通常被直接排放至江河或濃縮后燃燒，造成資源浪費和環境污染。生態文明社會的發展離不開環保理念，綠色建材逐漸推廣并運用到土木工程行業中。研究表明木質素磺酸鈣具有良好的螯合性、有效膠結顆粒和提高散體材料強度的優點［1］，其主要元素為C、H、O、Ca 和Na 等元素［1］，是一種環保的高分子材料。因此，合理利用木質素，既可以保證資源利用最大化又可以達到環境保護的要求。

青海省東北部地區黃土分布較廣，黃土具有孔隙大、遇水易濕陷等性質，因此黃土內部結構易發生破壞［2］，致使建筑結構存在較多安全隱患。此外，該地區黃土位于季節凍土區內，凍融循環作用也是導致建筑物產生工程病害的重要因素之一。凍融作用主要以改變土顆粒之間的結構連接和排列方式導致土體劣化，對土體造成不可逆的損傷，進而影響土體的力學性質。季節凍土區工程施工中經常采用水泥、生石灰和粉煤灰等傳統改良劑對黃土地基或路基進行換土墊層，以提高土體的承載力。同時，有研究發現，固化劑的種類及摻量的不同會造成改良土加固效果的差異，與重塑黃土相比，改良黃土的強度仍明顯提高［3-6］。伴隨著青海省“生態優先、綠色發展”戰略的提出，為順應生態保護和高質量發展的要求，選取一種穩定且環境友好型的改良材料對土體進行加固，顯得尤為重要。

木質素具有環境友好、可再生性強、化學性質相對穩定的等優點［1］。利用木質素改良土體的相關研究已有開展，Santoni 等［7］、Tingle 等［8］分別對木質素磺酸鹽改良粉砂和粉質黏土進行試驗，發現干濕條件下木質素可以有效改善土體的無側限抗壓強度；Indraratna 等［9］對木質素改良粉砂進行抗侵蝕試驗，發現木質素能夠提高粉砂抗侵蝕能力，且木質素改良粉砂的抗侵蝕性優于水泥改良土；Ceylan等［10］研究了木質素在黏土路基穩定方面的應用，結果表明：木質素的摻入能有效提高地基承載力；侯鑫等［11］、賀智強等［12］分別對木質素磺酸鈣改良黃土進行了加卸載試驗和不固結排水剪切試驗，發現改良黃土的回彈模量和抗剪強度明顯高于素土；劉松玉等［13］開展木質素磺酸鈣改良粉土路基填料現場試驗，研究結果表明木質素磺酸鈣可有效提高粉土的抗壓強度和耐久性。

木質素摻量對改良土體的力學性能也有影響，張建偉等［14］對木質素改良土進行了無側限抗壓強度試驗，試驗結果表明：木質素改良粉土的無側限抗壓強度隨摻量先增加后減小，在5%時效果最優，并且其強度隨養護齡期的增加而升高，隨著凍融循環次數的增加而降低；劉釗釗等［15］、姬勝戈等［16］基于土水特征曲線、崩解試驗和模擬降雨沖刷試驗，發現木質素磺酸鹽的摻入，可以有效改善土體的水理性質，最優摻量分別為1%～2% 和0.5%～3%。

此外，在探究木質素加固土體機理方面，已有學者結合多維度的微觀試驗（SEM、XRD、ESP）進行研究，姬勝戈等［16］認為木質素磺酸鈣主要是通過膠結顆粒和填充黃土孔隙達到提高土體力學性能的效果；賀智強等［12］提出木質素中的疏水基可包裹黃土顆粒，進而提高改良黃土的水穩性；侯鑫等［11］、張濤等［17］木質素能夠通過水解反應和質子化反應減薄雙電層厚度，達到密實結構的效果。

綜上所述，在季節性凍土區利用木質素對土體改良具有可行性，且能夠為寒區工程建設提供一定的參考依據。本文主要以木質素磺酸鈣和黃土為試驗材料，首先進行側限浸水壓縮試驗，之后以凍融循環次數、木質素磺酸鈣摻量和圍壓為試驗變量，對木質素磺酸鈣改良黃土進行凍融試驗、不固結不排水三軸剪切試驗、掃描電鏡試驗和X 射線衍射試驗，研究木質素磺酸鈣對黃土的改良效果及凍融作用對木質素磺酸鈣改良黃土力學特性的影響，試驗結果可為木質素磺酸鈣在黃土地基及路基的處理設計中提供參考。

1 試驗材料與方案

1.1 試驗材料

試驗所用黃土取自青海省西寧市城北區某場地，取土深度為3 m，顏色為淡黃色，無明顯根系及蟲洞。黃土的基本物理性質如表1 所示，并定名該地黃土為低液限黏土。

表1 黃土基本物性指標Table 1 Basic physical properties of loess

試驗用木質素磺酸鈣如圖1 所示，呈棕色粉末狀固體，有芳香性氣味，且易溶于水。通過掃描電鏡（SEM）發現其具有多孔隙和層狀結構，如圖2所示。

圖1 木質素磺酸鈣Fig.1 Calcium lignosulfonate

圖2 木質素磺酸鈣的SEM圖像Fig.2 SEM image of calcium lignosulfonate

1.2 試樣制備

將黃土放入105 ℃烘箱烘干12 h后過2 mm 篩。已有研究表明［16］，木質素磺酸鈣改良黃土的擊實曲線較素土波動小，因此本試驗基于黃土的最優含水率進行試樣制備［11，18］：按照黃土質量比的0%、1%、2%和3%對改良土進行配制，之后將土料攪拌3～5分鐘，保證木質素磺酸鈣摻和均勻，最后將配制好的土料靜置12 h 保證水分遷移均衡。按照黃土95%壓實度分別制作室內側限浸水壓縮試驗環刀試樣和不固結不排水三軸剪切試驗圓柱試樣，尺寸H×R分別為20 mm×61.8 mm 和80 mm×39.1 mm，最后將成型試樣用保鮮膜包裹，防止水分揮發。

1.3 試驗方案

1.3.1 室內側限浸水壓縮試驗

試驗首先采用三聯固結儀分別對木質素磺酸鈣摻量為0%、1%、2%和3%的改良黃土進行側限浸水壓縮試驗，各級加載壓力分別為50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。

1.3.2 凍融循環試驗

凍融循環試驗在凍脹循環試驗箱（TMS9018-500）中進行，凍融過程為封閉系統下的三維凍融過程。為準確模擬實際工程，對青海省西寧地區近三年冬季月平均最低氣溫進行統計（圖3），得到平均最低氣溫為-14.4 ℃，故將凍結溫度設定為-15 ℃。結合已有試驗，融化溫度對土體結構的影響不大［19］，因此將融化溫度設定為15 ℃，最終采用如圖4所示的正弦波形溫控模式進行凍融循環試驗，起始相位為π，幅值為15 ℃。為保證試驗過程中試樣能夠完全凍結和融化，在凍融循環試驗開始前，在試樣中心嵌入熱電偶，測試結果表明試樣在12 h 內可完全凍結和融化［4，19-21］。因此，本次試驗以凍結12 h和融化12 h為1次凍融循環。

圖3 西寧近3年冬季平均最低氣溫曲線Fig.3 The average lowest temperature curve of Xining in recent 3 years

圖4 正弦溫控模式Fig.4 Sinusoidal temperature control curve

既有的試驗結果表明，土體強度的最低值出現于10 次凍融循環內，而在凍融10 次之后，強度逐漸趨于穩定。鑒于此，8～12 次凍融循環可滿足研究凍融循環作用對強度等力學性質影響的要求［22］，因此，本研究中凍融循環次數設定為0、3、6、9 和12 次共5種。

1.3.3 不固結不排水三軸剪切試驗

由于地基處理的壓實過程中存在超固結應力歷史以及路面基層行車荷載的瞬時性，低滲透性的粉質黏土在融化狀態下無法完成固結排水過程［22］，同時為模擬快速施工的工況，本試驗進行不固結不排水三軸剪切試驗。試驗采用SLB-1 型應力應變控制式三軸剪切滲透試驗儀，試驗操作按照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）執行。研究表明，路基現場實際測得的圍壓較小，通常為20～60 kPa［23］，同時，青海省冬季地表凍結深度為1.5 m 左右，因此為了模擬地層壓力，圍壓分別設置為15 kPa、45 kPa 和75 kPa，剪切應變速率設置為0.8 mm·min-1，在軸向應變達到20% 時中止試驗。

1.3.4 掃描電鏡試驗

選擇經過凍融循環試驗后，具有代表性的試樣，用真空冷凍干燥儀凍結干燥，保證試樣干燥并保持原有形態結構［23］。將干燥完成的土樣掰開并取得新鮮斷面后進行噴金處理，之后開展掃描電鏡試驗（SEM），掃描倍數為500倍，從微觀角度分析土樣內部結構變化。

1.3.5 X射線衍射試驗

取經過凍融循環試驗后自然風干土樣50 g，利用研缽對較大顆粒土樣研磨碾碎，再制樣進行X射線衍射試驗（XRD），分析土樣內部礦物成分的變化情況。

2 結果與討論

2.1 濕陷性評價

各摻量下改良黃土的濕陷系數如圖5所示。在100 kPa、150 kPa、200 kPa 壓力下，黃土的濕陷系數均介于0.015～0.03之間，說明該黃土為弱濕陷性黃土。而各摻量改良黃土在各級壓力下的濕陷系數均小于0.015，說明木質素磺酸鈣的加入，可以有效消除黃土的濕陷性。

圖5 各摻量下木質素磺酸鈣改良黃土的濕陷系數（L表示木質素磺酸鈣摻量，σ3表示圍壓，F-T表示凍融循環次數）Fig.5 Collapsibility coefficient of calcium lignosulfonate improved loess with different dosage（L represents the content of calcium lignosulfonate，σ3 represents the confining pressure，F-T represents the number of freeze-thaw cycles）

2.2 應力-應變曲線

不同凍融循環次數、摻量和圍壓下試樣的應力-應變曲線如圖6所示。隨著圍壓和摻量的增加，改良黃土的應力-應變曲線由弱硬化型向一般硬化型發展，而隨著凍融循環次數的增加，應力-應變曲線仍為弱硬化型。由圖6（a）可知，木質素磺酸鈣摻量為0%、1%和3%時，應力-應變曲線上未出現拐點，偏差應力均隨著軸向應變的增大而增大，前期增長速度較快，后期增長速度變緩并逐漸趨于穩定。由圖6（b）可知，經過6 次凍融循環后，應力-應變曲線仍為弱硬化型，但破壞強度有所下降，這說明凍融循環作用對土體強度造成了劣化。

圖6 試樣應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of samples：the effect of content of calcium lignosulfonate and confining pressure（F-T=0）（a）；the effect of content of calcium lignosulfonate and freeze-thaw cycles（σ3=45 kPa）（b）

圖7 為圍壓為45 kPa 條件下，各摻量改良黃土試樣的破壞形態圖像，圍壓15 kPa 和75 kPa 下的試樣破壞具有相似特征。圖7中從左到右摻量分別為0%、1%、2%和3%，可見試樣沒有出現明顯破壞面，但表現出明顯的剪脹破壞特征，屬于塑性破壞。這是因為木質素磺酸鈣的加入，有效膠結黃土顆粒，土樣的骨架強度得到一定提升，當試樣在經受剪應力破壞時，僅發生了剪脹而未表現出顯著的脆性破壞形態。

圖7 木質素磺酸鈣改良黃土剪切破壞圖像Fig.7 Calcium lignosulfonate modified loess shear failure image

2.3 木質素磺酸鈣改良黃土的破壞強度特性

2.3.1 木質素磺酸鈣摻量的影響

不同摻量下改良黃土的破壞強度如圖8 所示。由圖8分析可知，在相同圍壓下，改良黃土的破壞強度隨著摻量的增加呈現出先增大后減小的趨勢，在摻量為1%時，試樣的破壞強度最高。在相同摻量下，改良黃土的破壞強度隨著圍壓的增大而增大。當圍壓分別為15 kPa、45 kPa、75 kPa 時，將摻量為1%的改良黃土試樣的破壞強度與素土試樣進行對比，發現前者破壞強度分別增長34.7 kPa、32.3 kPa、47.2 kPa。這是由于隨著圍壓的增大，改良黃土內部的土顆粒重新排列擠密，且圍壓越大，顆粒之間接觸會更加緊密，則土顆粒間的滑動摩擦更大，土體的破壞強度逐漸增大，可見圍壓的擠密作用，可以增加土體抵抗變形的能力。當圍壓為75 kPa 時，摻量分別為1%和2%時，改良黃土的破壞強度較素土分別提高18.6%、14.7%。而摻量增至3%時，改良黃土的破壞強度較素土降低10.8%，可見適量木質素磺酸鈣的摻入才可以有效提高改良黃土的破壞強度。

圖8 不同木質素磺酸鈣摻量下破壞強度曲線Fig.8 Relationship of failure strength under different calcium lignosulfonate content

2.3.2 凍融循環次數的影響

不同圍壓下改良黃土試樣的破壞強度和凍融循環次數的關系曲線如圖9 所示。由圖9 可知，隨著凍融循環次數的增加，破壞強度呈現出先減小后穩定的趨勢。經歷多次凍融循環作用后，土體內部的水分不斷凍結與融化，反復凍融使得試樣內部土顆粒之間的排列方式發生較大改變，內部結構不斷變化，對土體內部造成損傷，土體內部孔隙不斷增大，試樣內部土顆粒之間的咬合作用和膠結作用減弱，從而導致土體剪切強度下降；而當凍融循環達到9～12 次后，土體內部結構受凍融作用的影響降低，土體內部結構逐漸趨于穩定，因此對應的剪切強度也逐漸趨于穩定。

圖9 不同圍壓下破壞強度和凍融循環次數的關系曲線Fig.9 Relationship between failure strength and number of freeze-thaw cycles under different confining pressures：σ3=15 kPa（a）；σ3=45 kPa（b）；σ3=75 kPa（c）

圖10 給出了摻量為1%時改良黃土的SEM 圖像?？梢园l現，在未經凍融作用的改良土體中，木質素磺酸鈣的細小顆粒填充了土顆粒之間的孔隙［圖10（a）］，且由于木質素磺酸鈣具有黏結性和螯合性，促使土體中細小的顆粒黏結形成團粒并附著于土體原有顆粒的連接處，因此相較于素土，改良土的結構相對致密，并且顆粒間的接觸方式以面-面接觸為主。經過12次凍融循環后，土顆粒的棱角變得相對圓潤，內部孔隙被凍融循環作用剝落的小顆粒填充，顆粒間的接觸方式向點-點和點-面接觸發展［圖10（b）］。

圖10 不同凍融循環次數下1%摻量木質素磺酸鈣改良黃土SEM圖像Fig.10 SEM images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles

2.3.3 破壞強度衰減率

對于應力-應變曲線呈硬化形式的試樣，選取軸向應變15%所對應的偏應力值作為破壞強度。土體的破壞強度衰減率計算公式如下。

式中：σ1-σ3（max，i）為凍融循環第i次后試樣的破壞強度；σ1-σ3（max，0）為未凍融循環試樣的破壞強度。

圍壓為15 kPa 時，不同摻量改良黃土的破壞強度衰減率與凍融循環次數的關系曲線如圖11所示。圍壓為45 kPa、75 kPa時也有類似規律。由圖11（a）可知，隨著凍融循環次數的增加，凍融作用對土體的劣化效應持續增加，凍融循環次數為12 次時，衰減率有變緩趨勢，由于本次試驗為了更快達到理想效果，最大凍融次數僅為12 次，其變化規律未來可增加循環次數進一步深入討論。在凍結過程中，水分遷移及水相變過程可改變顆粒間的連接方式，能夠破壞試樣內部結構，因此破壞強度會出現下降的趨勢；經過多次凍融循環后，土體顆粒間的排列方式和連接方式以及土體結構逐漸達到一種新的平衡狀態，破壞強度衰減率也逐漸趨于穩定。隨著摻量的增加，衰減率的擬合直線斜率呈現出先減小再增大的趨勢，說明適量木質素磺酸鈣的摻入，可以有效抵抗凍融循環作用的影響，由此推測木質素磺酸鈣能有效降低凍融破壞的影響，具有一定的抗凍性。圖11（a）中也可以看出，當摻量為1%時衰減率最低。由圖11（b）還可看出，經凍融作用后，摻量為1%的改良黃土相較于素土，破壞強度衰減率明顯下降。

圖11 不同凍融循環次數下破壞強度衰減率Fig.11 Attenuation rate of failure strength under different freeze-thaw cycles：different content（a）；L=1%（b）

2.4 抗剪強度指標分析

土體的抗剪強度指標黏聚力（c）和內摩擦角（φ）是反映土體強度的重要參數。圖12 為黏聚力與內摩擦角隨凍融循環次數變化的關系曲線。由圖12 可知，隨著摻量的增加，抗剪強度指標呈現先增大后減小的趨勢，而隨著凍融循環次數的增加，抗剪強度指標總體為降低趨勢。素土和改良黃土在凍融循環作用的影響下，黏聚力都出現不同程度的降低，對比未經凍融和經歷12 次凍融的土樣，發現素土的黏聚力降低了8.68 kPa，降低率為52.25%；改良黃土的黏聚力隨木質素磺酸鈣摻量增 加1%、2% 和3%，分別降低了4.39 kPa、5.34 kPa 和6.89 kPa，降低率分別為17.33%、22.96%和46.59%?？梢?，未添加木質素的素土黏聚力降低最大，木質素磺酸鈣摻量1%改良黃土降低最小。

圖12 c、φ值與凍融循環次數和摻量的關系Fig.12 The relationship between the value of c、φ and the number of freeze-thaw cycles and dosage：cohesion（a）；internal friction angle（b）

由圖12（a）中可以看出，試樣的黏聚力隨著凍融循環次數總體為降低趨勢。分析原因認為：試樣在凍結時水相變產生的冰晶均勻分布在土體中，造成的體積膨脹，膠結作用增強。但是土體融化時，原相變產生的用于支撐土顆粒骨架的冰晶融化成水，已造成的試樣結構變化無法恢復，土顆粒間的接觸點明顯減少，因此黏聚力降低。而凍融循環被認為是動態平衡的過程，隨著凍融次數的增加，土體內部一般經歷破壞-弱穩定-弱破壞-穩定狀態，最終土體結構和連結方式不再明顯改變［25］，因此黏聚力總體為降低趨勢。從圖12（b）中可以觀察到，相較于黏聚力，改良黃土的內摩擦角隨凍融次數的增加有波動性，但總體來看內摩擦角隨凍融循環次數呈減小趨勢。這是由于在凍融過程中，水分凍脹使土顆粒間距增大，導致咬合摩擦角的減?。?1］，并且土體內部發生水分重分布及劣化，使得土顆粒間產生相對滑動，表現為內摩擦角減小的規律。

2.5 彈性模量

彈性模量是衡量改良土體的重要指標。Lee等［25］進行了無側限壓縮試驗，認為土體產生1%的應變時對應的應力可以作為判定凍融作用下土彈性模量的變化標準。在本試驗中，選取應力-應變曲線中軸向應變達到1%時所對應的偏應力與軸向應變的比值作為該試樣的彈性模量，計算公式如（2）所示。

式中：ε1%代表試樣應變達到1%時的軸向應變；σ1%代表土體產生1%的應變時對應的應力。

圍壓為45 kPa 時，不同凍融循環次數下，各摻量改良黃土的彈性模量如圖13 所示。由圖13 可知，隨著凍融循環次數的增加，土體的彈性模量呈降低的趨勢。隨著木質素摻量的增加，土體的彈性模量呈現出先增加后減小的規律。摻量為1%的改良土的彈性模量明顯高于素土的彈性模量，說明木質素磺酸鈣的摻量為1%時，對黃土具有較好的改良效果，抵抗變形的能力明顯強于素土，且具有一定抵抗凍融循環作用的能力。圍壓為15 kPa、45 kPa時，也具有類似的規律。

圖13 不同凍融循環次數下黃土的彈性模量與木質素磺酸鈣摻量的關系Fig.13 The relationship between elastic module and different calcium lignosulfonate content of loess with different freeze-thaw cycles

2.6 凍融循環作用對改良土的微觀影響

2.6.1 二值化分析

采用顆粒及裂隙識別與分析系統（PCAS）對1%木質素磺酸鈣土體掃描電鏡圖像進行二值化處理，二值化處理后的圖像如圖14 所示。從圖14（a）可以看出，凍融循環次數為0次時，圖像內部黑色部分較多，且土顆粒棱角分明。從圖14（b）可以看出，凍融循環次數為12次時的圖像內部白色部分較多，并且該部分相互連接，內部孔隙較多，大多為先前孔隙周圍的衍生產物。

圖14 不同凍融循環次數下1%摻量木質素磺酸鈣改良黃土SEM與二值化圖像Fig.14 SEM and binary images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles

圖15給出了不同木質素磺酸鈣摻量下改良土微觀定量參數的變化關系曲線。概率熵用來描述土體孔隙、顆粒分布的有序性；分形維數用于描述土體內部顆粒和孔隙復雜性，其值越大，表明內部物質的分布越復雜、越密實；平均形狀系數是對內部孔隙形態定量描述的參數，其值越大孔隙形態越圓滑［26］。

由圖15 可以發現，凍融循環前6 次時，概率熵、分形維數和平均形狀系數變化幅度較大，試樣內部孔隙以圓滑分布為主，內部結構排列疏松，分析其變化規律主要由于土體內部的水分不斷凍結與融化，反復凍融過程中產生的凍脹力不斷破壞土體結構，土顆粒結構之間的膠結作用受到破壞，對土體內部造成損傷，破壞程度增加，宏觀上表現為土體抗剪強度下降。而凍融至12次時，試樣內部結構趨于穩定，概率熵、分形維數和平均形狀系數變化幅度較小，顆粒間的孔隙增長幅度下降，達到較為平穩的狀態，說明隨著凍融循環次數的增加，土體內部受到凍融循環次數影響逐漸減弱，對應的破壞強度也逐漸趨于穩定。

圖15 不同木質素磺酸鈣摻量下改良土的微觀定量參數Fig.15 Changes of microscopic quantitative parameters of improved loess under different calcium lignosulfonate content：probability entropy（a）；fractal dimension（b）；average form factor（c）

2.6.2 XRD試驗結果

不同凍融循環次數下，素土和1%摻量的改良土體的X 射線衍射譜結果如圖16 所示。由圖16 可以看出，素土和1%摻量改良黃土的特征衍射峰出現的位置是相同的，且改良土圖像中并無新峰的出現，說明改良前后土體的內部礦物成分未發生變化，表明木質素的改良機理與水泥和石灰等傳統改良材料的改良機理是不同的，這也與侯鑫等［11］的研究結果一致。通過對XRD試驗結果進行定性分析，發現試樣所含礦物成分主要均為石英、方解石、鈉長石、鉀長石和斜長石，但是改良土的衍射峰值強度略有減小。Alazigha 等［27］、劉堯伍［28］分別利用木質素改良鹽漬土、膨脹土時都觀察到了相同的現象，這可能是因為木質素的無定形特性限制了礦物原子平面的衍射造成的。對經過12 次凍融循環后摻量為1%的改良土進行分析，發現其衍射峰基本保持不變，內部礦物成分未有變化，可以推測凍融循環不會造成礦物成分的消解，這與劉堯伍［28］的研究結果一致。

圖16 木質素磺酸鈣改良黃土的XRD衍射圖Fig.16 XRD diffraction pattern of calcium lignosulfonate improved loess

2.7 討論

結合掃描電子顯微鏡及經過顆粒及裂隙識別與分析系統（PCAS）處理的圖像特征，并根據木質素磺酸鈣改良黃土的試驗結果，進一步探討木質素磺酸鈣改良黃土最優摻量為1%的作用機制。

圖17 為不同摻量下未凍融的改良黃土掃描電鏡以及經過顆粒及裂隙識別與分析系統（PCAS）二值化處理后的圖像，二值化圖像中白色代表孔隙，黑色代表土體。從圖17（a）中可以看出，素土的內部結構中，土顆粒與孔隙區分明顯，土顆粒棱角分明，大顆粒表面附著粒狀、絮狀的膠結物質。當木質素磺酸鈣摻量為1%時，如圖17（b）所示，土體中生成新的膠結物質逐漸增多，其分布于土顆粒間且填充部分顆粒間的孔隙，提供一定的膠結作用，孔隙變小且數量減少，使得土體內部變得更加密實。由圖17（c）可知，當摻量增至3%時，土體中大部分孔隙被填充，但從圖像中也可發現過多的木質素磺酸鈣附著于土顆粒上，填充于顆粒之間，反而使顆粒間的間距有所增大。換句話說，摻量過高雖然可使得木質素磺酸鈣相互結合程度增大，但與土顆粒的結合度反而降低。再結合圖17（d）～17（f）二值化圖像也可以看到，不同摻量，白色圖像占比均比0%摻量小，也反映出木質素磺酸鈣的摻入可減少改良黃土的孔隙；另外，也可觀察到，1%摻量白色圖像占比最小。

圖17 未凍融各摻量SEM與二值化圖像Fig.17 SEM and binary images of each content of unfreeze-thaw：SEM image，L=0%（a）；SEM image，L=1%（b）；SEM image， L=3%（c）；binary image， L=0%（d）；binary image， L=0%（e）；binary image，L=3%（f）

不同摻量下未凍融的改良黃土孔隙率如圖18所示。隨著摻量的增加，改良土體的孔隙率先減小后增加。摻量分別為1%、2%、3%時，改良土體的孔隙率較素土分別降低了6.1%、4.2%、3.0%。由此推測，孔隙率的減小是改良土體強度提升的重要原因。木質素磺酸鈣摻入后導致改良土體孔隙結構改變，因木質素磺酸鈣顆粒的填隙作用及木質素磺酸鈣與素土離子交換導致的顆粒成團作用［12］，使改良土體孔隙減少，密實度提高，強度提升。除此之外，木質素磺酸鈣具有大分子基團磺酸基［1］，磺酸基與相近的土顆粒搭接，形成空間結構。當木質素磺酸鈣摻量最優時，搭接作用最強，促使改良土體鑲嵌更加緊密，在宏觀上表現為破壞強度最高。但木質素磺酸鈣摻量增至3%時，木質素磺酸鈣顆粒優先與自身結合及過多的木質素磺酸鈣顆粒會導致雙電層厚度增加及顆粒間的吸引力降低［1，15］，反而減弱土顆粒間的聯結作用，孔隙率增加，宏觀上表現為破壞強度降低。由此可見，木質素磺酸鈣改良土的最優摻量為1%。

圖18 不同木質素磺酸鈣摻量下改良土的孔隙率Fig.18 Void ratio of improved loess under different calcium lignosulfonate content

3 結論

本文選用木質素磺酸鈣對黃土進行改良，并結合青海地區的自然環境條件，對木質素磺酸鈣改良黃土進行側限浸水壓縮試驗、凍融循環試驗、不固結不排水三軸剪切試驗、掃描電鏡試驗和X 射線衍射試驗，分析了凍融循環次數、木質素磺酸鈣摻量和圍壓對木質素磺酸鈣改良土力學性質的影響，得到如下主要結論：

（1）木質素磺酸鈣的摻入，可以有效消除黃土的濕陷性。隨著圍壓和木質素摻量的增加，改良黃土的應力-應變曲線由弱硬化型向一般硬化型發展；隨著凍融循環次數的增加，應力-應變曲線仍為弱硬化型。試樣破壞形態沒有出現明顯破壞面，表現出明顯的剪脹破壞特征，屬于塑性破壞。

（2）在相同圍壓下，改良黃土的破壞強度隨著木質素磺酸鈣摻量的增加呈現出先增大再減小的趨勢，在摻量為1%時，試樣的破壞強度最高。各摻量改良黃土隨著凍融循環次數的增加，破壞強度呈現出先減小再趨于穩定的規律。

（3）隨著木質素磺酸鈣摻量的增加，抗剪強度指標呈現先增大后減小的趨勢，而隨著凍融循環次數的增加，抗剪強度指標呈現減小的趨勢。

（4）凍融循環作用下，1%摻量的木質素磺酸鈣改良土的彈性模量高于素土的彈性模量，對黃土具有較好的改良效果，具有一定的抵抗凍融能力。

（5）根據SEM 微觀圖像觀察結果，木質素磺酸鈣改良黃土的形成是由木質素磺酸鈣膠結土顆粒與填充孔隙兩部分組成的。凍融循環作用導致土體顆粒的接觸方式由面-面接觸向點-點、點-面接觸過渡。通過XRD分析發現，木質素改良黃土的改良機制不同于傳統改良，不會造成土體礦物成分的改變。