改良分散性土體的物理力學特性試驗研究

魏衍杰 ，魏 平

（1.巨野縣水務事業發展中心，山東 巨野274900；2.水發規劃設計有限公司，山東 濟南250100）

0 引言

分散性土廣泛分布于全球各地，如澳大利亞、孟加拉國、巴西、以色列以及越南等國家。近些年來，我國東北（黑龍江、吉林以及遼寧） 以及西北部地區（甘肅、陜西） 也發現了大量的分散性土體［1－2］。分散性土具有抗水蝕能力弱、抗剪強度低、抗滲性能差等特點，在雨水作用下，容易被水流夾帶，造成土體內部空洞，進而形成管涌、路基失穩而影響結構物的穩定，危害性極大。為改善分散性土體的力學特性，目前常采用石灰和水泥作為改良劑，但使用傳統的改良劑會消耗大量自然資源、污染環境、增大土體脆性。因此研究新型材料改良下分散性土的力學性能迫在眉睫。

近些年來，國內外研究學者針對改良分散性土體開展了大量的研究。目前學者主要通過物理、化學改良措施以及綜合治理措施對分散土進行處理。Turkoz 等［3］通過利用沸石與水泥改良土體的膨脹性以及分散性，結果表明： 沸石與水泥的摻合可有效提高土體的強度，經過改良后土體強度提高了26.7%。Vakili 等［4］利用木質素磺酸鹽改良分散性土體后對其進行電滲處理，結果表明： 經過處理后分散土的分散性大幅降低，降至非分散性指標，同時發現聯合處理的效果明顯優于單一處理。Moravej 等［5］通過采用微生物誘導碳酸鈣沉淀技術改性分散土，結果表明： 改性分散土抗水蝕能力有所提高。汪恩良等［6］基于掃描電鏡和核磁共振技術，探究了不同木質素摻量下改良分散土的細觀結構變化，結果表明： 隨著木質素摻入量的增加，土體孔隙率呈現“V” 形變化，木質素的摻入可有效提高土體抗侵蝕能力。魏世杰等［7］利用黃原膠對黏性土進行加固，結果表明： 在黏土中添加黃原膠后，黏土的無側限抗壓強度大幅提高，當黃原膠摻量為1.5%時，黏土無側限抗壓強度最高。倪曉逸等［8］采用原位熱力加固技術對分散土進行了處理并分析了熱力加固分散土的加固機理，結果表明： 加熱時間、壓實度以及溫度是影響加固后分散土基本物理力學特性的重要因素。劉杰等［9］基于宏細觀研究手段（針孔試驗、碎塊試驗、SEM 技術以及X 射線技術） 提出了土體分散性的綜合判別法，利用標準吸濕含水率以及PH 值測試定量計算土體分散性。

上述學者的研究主要集中于采用木質素、黃原膠、微生物誘導碳酸鈣沉淀技術對分散土進行處理，較少研究不同摻量以及養護時間等因素對改性分散土基本物理力學性質的影響，因此本文基于前人研究的基礎上，提出采用天然高分子化合物木鈣改良分散土，并對改良后的土體開展物理力學試驗，研究不同木鈣摻量、養護周期條件下改性土的基本物理力學性質，探究木質素磺酸鈣微觀作用機理，該研究可為分散土地區工程施工提供相應參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土樣

本次研究所用分散土取自陜西省咸陽市楊凌區某工程項目現場，土樣呈現黃棕色，土樣以粉粒為主，土質均勻，級配良好，如下圖1 所示?，F場取回土樣后，在土樣中加入碳酸鈉使其分散化，等待自然風干后碾碎，過2 mm 篩?；疚锢硇再|與化學性質分別如下表1、2 所示。

表1 分散土的基本物理性質Table 1 Basic physical properties of dispersed soil

表2 分散土的基本化學性質Table 2 Basic chemical properties of dispersed soil

圖1 原狀土Fig.1 Undisturbed soil

根據相關規范要求，采用常規方法鑒定土體的分散性，同時利用經驗公式計算得出土樣的F值，試驗結果表明： 試驗土體的D值為61.9%＞50%，Ps為87.5%＞60%，PESP為21.6%＞15%，土樣的F值為4.89＞4.50，因此綜合判定，土樣為化學分散性土。

1.1.2 木質素磺酸鈣

木質素磺酸鈣是一種復雜的高分子聚合物，顏色為黃褐色，易溶于水，穩定性較佳，下圖2為木質素磺酸鈣化學成分，表3 為木鈣的主要成分。

表3 木鈣的主要成分Table 3 The main components of calcium lignin

圖2 木質素磺酸鈣Fig.2 Calcium lignosulfonate

1.1.3 試樣制備

根據前人的相關研究，本文將木鈣摻量定義為木鈣與干土質量之比。將所稱得的木鈣與干土混合并充分攪拌，隨后噴灑去離子水，密封試樣后將其浸潤24 h。浸潤完畢后，進行養護（溫度20 ℃，濕度＞95%），試樣如下圖3 所示。

圖3 試樣照片Fig.3 Sample photo

1.2 試驗方案

本次試驗主要通過研究不同改性劑摻量（0、1%、2%、3%、4%）、養護時間下改性土的物理力學性質。通過界限含水率試驗、無側限抗壓強度試驗以及壓縮試驗測定改良分散土的物理力學性質，下表4 為具體試驗設計。

表4 具體試驗設計Table 4 Specific experimental design

2 試驗結果分析

2.1 界限含水率試驗結果分析

界限含水率在一定程度上可以反映土體顆粒大小以及礦物成分。塑性指數可用來衡量土體的可塑狀態，下圖4 為不同木鈣摻量下改性土界限含水率的變化曲線。

圖4 不同木鈣摻量下改性土界限含水率的變化曲線Fig.4 The change curve of the boundary water content of the modified soil under different wood calcium content

由上圖可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的液限與塑限發生下降，但幅度較小，而塑性指數呈現先增大后減小的“凸” 形變化趨勢。當木鈣摻量為0 時，素土的塑性指數為12.2，當木鈣摻入量為4%時，改性土的塑性指數為11.7，下降了4.1%，而當木鈣摻量為1%時，改性土的塑性指數最大，其值為12.9。土體液限、塑限以及塑性指數的數值與土體pH 值、礦物成分以及顆粒粒徑等因素密切相關。當摻入量增多時，土體的pH 降低（素土pH ＝9.61，木質素磺酸鈣pH ＝7.00），進而使得電層厚度減小，結合水膜變薄，最終導致土體液限、塑限以及塑性指數均發生降低。

2.2 無側限抗壓強度試驗結果分析

2.2.1 強度分析

下圖5a、5b 分別為改性土的無側限抗壓強度隨著木鈣摻量、養護時間的變化曲線圖（最大干密度＝1.75 g／cm－3）。

圖5 無側限抗壓強度變化曲線Fig.5 Change curve of unconfined compressive strength

由上圖5a 可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的無側限抗壓強度出現先增大后減小的變化趨勢。以養護齡期28 d 為例，當木鈣摻量為0時，素土的無側限抗壓強度為241.83 kPa，當木鈣摻量為4%時，改性土的無側限抗壓強度出現最低值，其值為221.90 kPa，當木鈣摻量為1%時，改性土的無側限抗壓強度達到峰值，其值為347.45 kPa，兩者相差了105.62 kPa，出現該現象是由于在較低摻入量時，木鈣充分發揮膠結作用，填充孔隙，進而使得土體的抗壓強度大幅上升。而隨著木鈣滲入量的不斷增加，木鈣起到膠結作用的同時又充分聚集，木鈣取代了原有的土顆粒，其次又因為木鈣自身強度較低，取代土顆粒的部分會形成軟弱面，在荷載作用下，試樣更易沿著軟弱面出現破壞，因此在高摻量條件下改性土的抗壓強度大幅降低。

由上圖5b 可知，隨著養護時間的增加，改性土的無側限抗壓強度也逐漸增大。以木鈣摻入量1%為例，當土樣養護時間為1 d 時，其無側限抗壓強度為233.55 kPa，當土樣養護時間為3 d 時，土樣抗壓強度出現飛躍式增大，增幅高達29.4%，而隨著養護時間的繼續增加，土樣的抗壓強度緩慢增加。該現象說明養護時間的長短對土體抗壓強度影響明顯。當木鈣摻入土體中時，在較短時間內兩者充分接觸，反應迅速，進而土樣強度出現飛躍式增大，同時隨著養護時間持續增加，兩者之間礦物反應更為徹底，但反應速率明顯小于前期，因此土樣的無側限抗壓強度增長較緩。

2.2.2 應力－應變曲線分析

下圖6 為不同木鈣摻量下改性土的應力－應變曲線。

圖6 不同木鈣摻量下改性土的應力－應變曲線Fig.6 Stress－strain curves of modified soil with different wood calcium content

由上圖可知改性土的應力－應變曲線可分為3個階段： ①初始加載階段，該階段應力－應變曲線大體上呈線性上升，應力上升幅度大； ②非線性上升階，該階段應力－應變曲線呈弧線上升，應力將達到峰值； ③破壞階段，該階段應力－應變曲線急劇下降，土樣發生破壞。在低摻量條件下（木鈣摻量1%、2%），土樣呈現脆性破壞特征，在高摻量條件下（木鈣摻量3%、4%），土樣呈現塑性破壞特征。出現該現象是由于低摻量條件下，木鈣充分發揮膠結作用，填充孔隙，進而增大土體峰值應力，與無側限抗壓強度同理，高摻量條件下，木鈣會形成軟弱面的同時膠結力也有所增大，因此土體峰值應力降低，韌性增強，土樣呈塑性破壞特征。

對比圖6a、6b 可知，隨著養護時間的延長，土樣峰值應力增大，土樣脆性破壞特征明顯，以木鈣摻入量1%為例，當土樣養護時間從1 d 到28 d時，土樣峰值應力增加了111.02，增幅高達49.9%。

2.2.3 破壞應變分析

下圖7 為改性土的破壞應變，其中圖7a、7b分別為應變與木鈣摻量之間的關系，應變與養護時間之間的關系。

圖7 改性土的破壞應變變化Fig.7 Change of failure strain of modified soil

由圖7a 可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的應變變化規律不明顯，但整體上呈現先減小后增大的變化趨勢。以養護時間28 d 為例，隨著木鈣摻入量的增加，土樣的破壞應變分別為4.99%、4.75%、4.90%、6.55%、6.53%，由 此可知木鈣摻入可提高土體的粘度，進而使得改性土塑性增加［10］。

由圖7b 可知，隨著養護時間的延長，破壞應變變化較大，無明顯規律，但值得注意的是當木鈣摻入量為4.0 時，改性土破壞應變隨著養護時間的延長劇烈波動，當養護時間從1 d 到3 d 時，改性土的破壞應變降低了42.5%。

2.3 壓縮試驗結果分析

下圖8 為改性土壓縮模量系數變化曲線，其中圖8a 為壓縮系數與木鈣摻量之間的關系，圖8b為壓縮系數與養護時間的關系曲線。

圖8 改性土的壓縮系數變化Fig.8 Change of compression coefficient of modified soil

由圖8a 可知，隨著木鈣摻入量的增加，土樣的壓縮系數呈現先減小后增大“V” 形變化，其中壓縮系數的最小值出現在木鈣摻量為1%時，出現該現象的原因與木鈣自身的膠結能力有關，木鈣填充孔隙并起到膠結作用，因此其抗壓能力增強，壓縮系數減小，而隨著木鈣摻量的不斷增大，木鈣取代部分土顆粒，使其抗壓能力降低，壓縮系數增大。

由圖8b 可知，隨著養護時間的延長，改性土的壓縮系數不斷減小，而素土的壓縮系數無明顯變化，由此可知養護時間對改性土壓縮系數影響明顯，因此在實際施工過程中應當注意改性土的養護時間。

3 木質素磺酸鈣微觀作用機理分析

為進一步探究木質素磺酸鈣對分散土的改性機理，對28 d 齡期的土樣進行了微觀電鏡試驗。下圖9 為5000 倍鏡下SEM 掃描結果，由圖9 可知，當木鈣摻量為0 時，土樣顆粒表面光滑，具有邊界，顆粒呈塊狀。隨著木鈣摻量的增加，土樣顆粒表面膠結物質逐漸增多，改性土顆粒鑲嵌接觸，接觸面積逐漸增大，同時膠結物包裹顆粒形成大的團聚體，土體結構穩定性較好。

圖9 5000 倍鏡下改性土微觀結構Fig.9 5000 times the microscopic structure of modified soil under the microscope

改性土基本物理力學試驗分析結果與微觀電鏡試驗結果相吻合，因此說明試驗分析較為合理。

4 結論

為解決分散性土工程性能差的問題，本文提出采用木質素磺酸鈣對分散土進行改良并測定改性土的基本物理力學特性，分析了不同木鈣摻量以及養護齡期對改性土物理力學性質的影響，最后采用SEM 電鏡掃描探究了木質素磺酸鈣微觀作用機理。

本文得到如下主要結論：

（1） 隨著木鈣摻入量的增加，改性土的液限與塑限減小，塑性指數呈現先增大后減小的“凸”形變化趨勢。當木鈣摻入量增多時，土體的pH 降低，電層厚度減小，結合水膜變薄，最終導致土體液限、塑限以及塑性指數均發生降低。

（2） 隨著木鈣摻入量的增加，改性土的抗壓強度呈現先增大后減小的變化趨勢，壓縮系數呈現先減小后增大的“V” 形變化； 隨著養護時間的增加，改性土的無側限抗壓強度也逐漸增大，壓縮系數不斷減小。

（3） 無側限抗壓強度下應力－應變曲線分為①初始加載階段、②非線性上升階段、③破壞階段。

（4） 通過SEM 電鏡觀察發現，隨著木鈣摻量的增加，土樣顆粒表面膠結物質逐漸增多，改性土顆粒鑲嵌接觸，接觸面積逐漸增大，同時膠結物包裹顆粒形成大的團聚體，土體結構穩定性較好。