木質素改良季凍土工程性質研究

李家宇，朱 福

(吉林建筑大學 交通科學與工程學院 長春市 130118)

0 引言

吉舒高速公路路基經常因為冬季凍結、春季融化，導致發生嚴重病害，需改變土體原有的物理力學性質，以減少路基損害。一般采用石灰、水泥等無機改良劑對路基土進行改良處理，但這些改良劑抗凍能力不足，同時也對環境造成一定的危害。因此，新型和保護環境的改良劑的開發具有重要意義。木質素在自然界中儲存量極大，每年新增量可達幾百億噸，木質素單價低廉，這種有機改良劑具有保護環境、化學性質相對穩定等優點。Muge Elif Orakoglu等采用三軸試驗研究了木質素改良土凍融循環條件下的力學性質，得出了木質素有效改善改良土的強度與抗凍性。Tao Zhang等將木質素改良粉土應用于江蘇省阜建高速公路，開展了現場CBR、回彈模量、回彈彎沉、輕型動力觸探及壓實度等的測試，并對木質素和石灰改良粉土的應用效果進行了比較分析，論證了木質素改良粉土技術的可行性和優越性。

中國在工業副產品木質素改良劑方面的研究才剛剛起步，尤其是工業副產品木質素改良劑在寒區凍融循環條件下的性能還需要進一步考察。所以本實驗采用吉舒高速公路路基常用的黏性土，研究工業副產品木質素改良粘性土是否具有良好的強度和抗凍融的穩定性，分析其內在力學性質，從而為工程提供一種成本低廉和改良效果較好的有機改良劑，實現工程安全與生態環境的可持續發展。

1 抗凍性試驗方案設計與方法

1.1 試驗方案設計

借鑒國內外學者研究得出的木質素摻量范圍，選定木質素摻配比例、凍融循環作為影響因素，開展木質素改良粉質黏土的力學指標與抗凍性研究，試驗方案見表1。

表1 木質素改良粉質黏土抗凍性試驗方案

1.2 試驗方法

(1)試件成型與凍融循環試驗

將粉質黏土風干過2mm篩，稱取一定量的風干土與木質素，按照木質素摻量為 0%、2%、4%、6%的摻配比例，依據擊實試驗得到木質素改良粉質黏土的最佳含水率與最大干密度的96%，準備不同木質素摻量的試樣，拌和均勻，密封并浸潤12h，然后將試樣倒入鋼模內，采用靜壓法成型試件，動態回彈模量試驗試件尺寸為直徑×高為100mm×200mm；CBR試驗試件尺寸為直徑×高為152mm×120mm。成型后的試件采用聚酯薄膜密封，放入標準養生箱內，在溫度為20℃、相對濕度為95%的條件下養生7d、28d。完成養生的木質素改良粉質土試件與粉質黏土試件一同放入高低溫交變試驗箱內，設冰箱凍結融化溫度分別為-20℃與20℃，凍結融化時間各24h，凍融循環10次。

(2)重復加載動態回彈模量試驗

三軸重復加載試驗采用DTS 30通用試驗機完成測試，其中圍壓為氣壓加載，半正矢脈沖荷載，荷載頻率10Hz，加載時間為0.2s，荷載間歇時間為0.8s。通過DTS 30配套的Testlab軟件完成數據采集與分析。試驗中各土樣制作3個平行試件，每個試件含水率與壓實度誤差控制在1%以內。

試件浸泡4晝夜后，讀取百分表讀數，將試件從水槽中取出，倒出試件頂面的水，靜置15min，卸去框架、荷載板等附件，稱量筒和試件質量。在MQS-2型路面材料強度試驗儀上，安放好試件，進行貫入試驗。采用50kN加載感應頭，加載速率為1mm/min，記錄位移值與壓力值。按照《公路土工試驗規程》(JTG E40-2007)中公式(T0134-2)至公式(T0134-7)，計算 CBR、膨脹量與吸水量。

(3)導熱系數試驗

導熱系數是指在穩定傳熱條件下，1m 厚的材料兩側表面的溫差為1度(K，℃)，在1s內，通過1m2面積傳遞的熱量，單位為瓦/米·度 (W/(m·K))。本研究采用導熱系數儀完成粉質黏土與木質素改良粉質黏土的導熱系數測定。儀器導熱系數測量范圍為0.005～500W/(m·K)，精度為±3%，傳感器類型為Kapton(聚酰亞胺)覆膜，測試時間1～2560s。基于瞬態平板熱源的技術理論，采用了雙螺旋探頭結構，該探頭在測試過程中起到兩個作用，它既是一個用來加熱樣品的熱源，又是一個用來記錄溫度隨時間升高的阻值溫度計。這種螺旋結構由外部薄膜材料保護起來，該材料一方面提供探頭一定的機械強度，另一方面保證探頭在使用中的電絕緣性。在測試材料的導熱系數時，被膜裝的鎳螺旋探頭夾于兩塊樣品之中。在測試時間內，探頭的阻值變化將被一一記錄下來，基于阻值的大小系統建立起測試期間探頭所經歷的溫度隨時間的變化關系。根據不同材料的導熱系數大小，系統要選擇不同的測試參數，包括：輸出功率、測試時間以及采用探頭的尺寸等。

2 抗凍性試驗結果分析

2.1 凍融試驗

在經過凍融作用后素土與木質素改良粉質黏土的表面情況，如圖1所示。

由圖1可知，經過凍融作用后的素土試件表面存在明顯的裂縫，縱橫方向均有裂縫的痕跡，但是摻量4%與6%的木質素改良粉質黏土的表面卻未見裂縫。所以綜上現象可以說明木質素可以增強粉質黏土路基的抗凍性。

2.2 重復加載動態回彈模量試驗

選取日常路基施工圍壓30kPa條件下的試驗結果，繪成圖2與圖3。由圖2和圖3可知，在圍壓一定的條件下，木質素改良粉質黏土的動態回彈模量均隨著偏應力的增大而減小。由圖2(a)、圖2(b)可知，在試件凍融前，隨著木質素摻配比例的增大，木質素改良粉質黏土的動態回彈模量不斷減小。由圖3(a)、圖3(b)可知，試件經過10次凍融循環作用后，隨著木質素摻配比例的增大，木質素改良粉質黏土的動態回彈模量不斷增大，這說明木質素改良劑的摻入提高了凍融后土體的強度，并且有效地改善了粉質黏土的抗凍性。

2.3 承載比試驗

木質素改良粉質黏土試件在經歷凍融前后的承載比試驗結果如表2及表3所示。

表2 凍融前木質素改良粉質黏土的CBR試驗結果

表3 凍融后木質素改良粉質黏土的CBR試驗結果

由表2及表3可知，隨著木質素的摻量不斷增加，木質素改良粉質黏土的CBR值呈先增大后減小的趨勢。在試件進行凍融之前，養生7d木質素摻量為2%、4%以及6%的改良粉質黏土CBR值較素土增長了127%、131.2%、57.4%，而養生28d的木質素改良粉質黏土CBR值增長了134.4%、143.2%、66.7%。素土經歷凍融后，CBR值較凍融之前減小了53%，而木質素摻量為2%、4%及6%的改良粉質黏土，在養生7d凍融后，CBR值減小了29.9%、9.3%、8.2%，在養生28d凍融后，CBR值減小了21.4%、7.8%、10.1%。可以得出雖然在試件經歷凍融之后，素土與木質素改良粉質黏土的CBR值均在減小，但是木質素改良粉質黏土的CBR減小幅度比較小。

2.4 導熱性試驗

由圖4和圖5可知，無論素土和木質素改良粉質黏土是否經歷凍融循環，導熱系數都隨著木質素摻量的增加而減小。凍融前，養生7d的木質素改良粉質黏土在功率150w條件下導熱系數與素土相比最大減少了14%，功率180w條件下導熱系數最大減少了13.76%；而養生28d的木質素改良粉質黏土在功率150w條件下導熱系數與素土相比最大減少了15.93%，功率180w條件下導熱系數最大減少了13.18%。凍融后，養生7d的木質素改良粉質黏土在功率150w條件下與素土相比導熱系數最大減少了16.02%，功率180w條件下導熱系數最大減少了15.37%；而養生28d的木質素改良粉質黏土在功率150w條件下導熱系數與素土相比最大減少了12.76%，在功率180w條件下導熱系數最大減少了12.22%。素土與木質素改良粉質黏土在經歷凍融循環作用以后導熱系數均有不同程度的增加。

3 結論

通過重復加載動態回彈模量、承載比與導熱性試驗得出了在凍融條件下木質素改良粉質黏土動態回彈模量、CBR以及導熱系數的影響規律，通過分析取得以下結論：

(1)經過凍融作用后的素土試件表面存在明顯的裂縫，而摻量為4%與6%的木質素改良粉質黏土試件表面沒有裂縫，整體性好，說明木質素可以提高路基土的抗凍性。

(2)試件經歷凍融循環前后，圍壓一定，木質素改良黏土的動態回彈模量隨著偏應力的增大而減小。隨著木質素摻配比例的增大，木質素改良粉質黏土的動態回彈模量不斷減小，經歷凍融后，木質素改良粉質黏土的回彈模量增加，這說明木質素改良劑的摻入有效地改善了粉質黏土的抗凍性。

(3)試件經歷凍融循環前后，木質素改良粉質黏土的CBR值隨著木質素摻量的增加，呈先增大后減小的趨勢。經歷凍融后，素土和木質素改良粉質黏土的CBR值均減小，但是木質素改良粉質黏土相較素土下降幅度較小。綜上所述，季凍區粉質黏土最佳木質素摻量為4%。

(4)素土與木質素改良粉質黏土在經歷凍融后導熱系數均有增加。但隨著木質素摻量的增加木質素改良粉質黏土的導熱系數逐漸減小，這說明由于木質素的添加有效降低了土體的導熱性，提高了粉質黏土的抗凍性。