木質素對紅黏土物理力學特性的影響

陳學軍，丁 翔 ，宋 宇*，徐科宇

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，桂林 541004；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，桂林 541004)

木質素是一種豐富的可再生能源物質，存在于大部分陸地植物木質中，在植物的木質部含有大量的木質素使得木質部足以維持極高的硬度以承載整顆植物的重量。木質素在細胞臂的形成中是比較重要的，在木材中，木質素賦予了其剛性且不容易腐爛的性質，且全球年產量可達2×1011t[1-2]。廣西木質資源豐富，尤其以桉樹為主，已經在廣西作為一種經濟生產林業資源，人工種植范圍超多2×106hm2[3]。桂林位于強巖溶發育地區，并且紅黏土及次生紅黏土主要分布于侵蝕溶蝕地貌的峰林平原，占整個第四系分布面積的75%，是桂林的主要設施建筑活動范圍[4]。研究木質素對于紅黏土的改良效果應用前景比較有意義。

中外學者對木質素改良土體已經有了初步研究。Ceylan等[5]認為木質素是一種較好的改良材料，木質素應用于土體有可行性；Tingle等[6]通過實驗研究木質素對黏土力學性質的影響，發現木質素能夠效提高土體強度；Vinod等[7]研究發現木質素能有效提高分散黏土的抗侵蝕沖擊性能；張濤[8]利用木質素改良東南地區的粉土路基得到了木質素的最優摻量為12%，并且通過改良發現木質素改良土的耐久性優于石灰土；林羅斌[9]通過把木質素摻入粉煤灰，兩種材料按照一定比例混合形成一種新型改良劑，用作土體抗凍融能力；賀智強等[10]利用木質磺酸鈣固化黃土，實驗結果發現木質磺酸鈣通過膠接土顆粒和填充孔隙改善了黃土的崩解特性；侯鑫等[11]通過摻入5%的木鈣使素黃土的無側限抗壓強度提高了5.58倍；張建偉等[12]通過研究木質素對凍融循環下的黃泛區粉土無側限抗壓強度的影響，發現木質素對于黃泛區的耐久性有顯著的改良效果。

桂林屬于典型的酸雨區pH月平均范圍為3.84～5.38，酸雨頻率為81%[13]，木質素不溶于水和弱酸，且擁有良好的分散性和柔韌性，能提高紅黏土的抗腐蝕性和穩定性，因此探究木質素改性桂林紅黏土物理力學的效果，為木質素在桂林紅黏土工程性質中的應用提供理論依據，進一步提高廣西地區木質資源的利用，降低因改良紅黏土造成的環境破壞，保護旅游城市的生態，遵循可持續發展的理念。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為紅黏土和木質素，紅黏土取自桂林市雁山某工地3.0 mm(圖1)，偏酸性，結構分散度高，容重大，孔隙比較大。木質素則為擁有特殊芳香氣味的黃色粉末(圖2)。桂林紅黏土參數如表1所示，木質素纖維基本材料如表2所示。

圖1 紅黏土取土現場Fig.1 Red clay borrow site

圖2 木質素纖維Fig.2 Lignin fiber

表1 桂林紅黏土的基本參數Table 1 Basic parameters of Guilin red clay

表2 木質素纖維基本材料Table 2 Basic materials of lignin fiber

1.2 試樣制備

將從現場取回的紅黏土，放入100～110 ℃烘箱中烘干后，碾散過2 mm標準篩，按照2%、4%、6%、8%的摻入量稱取不同質量的木質素和土樣充分攪拌均勻，依據最優含水率，加入相應質量的水，配置30%的含水率的土樣，用塑料薄膜和濕紙巾覆蓋一晝夜，使得土樣均勻。再依據不同干密度對于重塑紅黏土變形特性的影響[14],當紅黏土的干密度為1.4 g/cm3時，紅黏土屬于硬化性，土骨架密實，土顆粒間接觸面積大，所以選取1.4 g/cm3為試驗的干密度，并且制備直徑為39.1 mm，高度為80 mm的三軸樣。

1.3 試驗方案

依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[15],利用南京土壤儀器有限公司生產的GYS-2數顯式土壤液塑限聯合測定儀測定界限含水率試驗，使用PHS-3C酸堿測試儀測定pH，分別對0、2%、4%、6%、8%摻量下的木質素改性土進行測試。使用DW-1型無側限壓縮儀進行無側限抗壓強度試驗。分別對1、7、14、28 d養護齡期下的不同木質素摻量的改性土進行測試。

2 結果與分析

2.1 界限含水率試驗

液塑限是土重要的基本物理性質之一，在工程建設中有重要的意義，室內試驗結果表明，隨著木質素摻量的不斷增大，木質素改性土的界限含水率也會隨著發生相應的變化，由圖3可以看出，液限和塑限也會隨著木質素摻量的增加而增大，當摻量達到8%時，素土塑限上升約5.63%，液限上升約33.3%，塑性指數上升約85.7%。塑限上升的幅度較小，液限上升的幅度較大。塑性指數則上升接近1倍，塑性指數的上升，則意味著黏粒含量的增加或者親水礦物含量愈高，土在可塑狀態的含水量變化愈高。木質素的添加對于紅黏土的影響較大，能夠改變其稠度界限。

圖3 界限含水率隨木質素摻量的變化Fig.3 The change of the critical moisture content with the lignin content

2.2 pH試驗

(1)

(2)

當木質素和土形成的新的膠結體，或者填充黏粒孔隙時也會吸附金屬陽離子。由于木質素的pH在7～9，摻量的增多會導致OH的濃度增大，可選擇吸附的離子濃度增大，熱力學電位增大。通過和摻量進行對比關聯，可得到摻量和pH之間的關系，如圖4所示。

2.3 pH對界限含水率的影響

李善梅等[19]研究了pH對于桂林紅黏土界限含水率的影響，通過研究酸、堿性環境下的液塑限，判斷污染紅黏土的稠度界限，以此來定義紅黏土的工程分類，根據此想法，木質素改性下的紅黏土，會引起pH的變化，改變其酸堿性，探究是否可以根據pH的變化來判斷改性土的稠度界限。由傳統黏土可塑性理論可知，黏土的顆粒越小、分散度越高、比表面積越大、親水性越強，其擴散層越厚，可塑性越高，說明木質素作為一種有機質與桂林黏土的可塑性有一定的相關性。界限含水率是紅黏土的物性參數之一，木質素的摻入會使得紅黏土的pH發生變化，這兩種參數之間存在某種內在聯系，通過測定不同摻入比下的液限和塑性指數，并將它們與所測得的pH進行對比，找出不同摻入比下界限含水率和塑性指數的關系，如圖5所示。

圖4 木質素摻入量和pH關系曲線 Fig.4 The relationship curve between the amount of lignin and pH

圖5 pH和液限、塑性指數的關系曲線Fig.5 The relationship curve between pH and liquid limit,plasticity index

3 無側限抗壓強度試驗

3.1 木質素摻量對紅黏土無側限抗壓強度的影響

圖6為木質素摻量和養護齡期對改性桂林紅黏土的無側限抗壓強度試驗結果，從圖6可以看出，當木質素摻量在0～8%時，隨著木質素摻量的不斷增多，在相同齡期下，無側限抗壓強度也呈現不斷增大的趨勢。當木質素摻量到8%時，在養護齡期28 d下，無側限抗壓強度達到最高。

圖6 木質素摻量與紅黏土無側限強度關系Fig.6 The relationship between lignin content and unconfined strength of red clay

通過對不同摻量和不同齡期的木質素改性土進行無側限抗壓強度試驗后，得到木質素改性土應力-應變曲線如圖7所示。曲線主要分為3個階段：①為初始屈服階段，切線模量較大主要表現為土樣的壓密性；②為應力強化階段主要表現為軸向應力隨軸向應變增大而增大，切線模量較緩；③為破壞階段主要表現為試樣遭到破壞，應力隨著應變不斷下降，從圖7可以看出，不同摻量下的木質素改性土都是隨著應變的增大先增大后減小。這是由于試樣在應力達到峰值時，開始產生破壞，試樣產生屈服，該峰值應力即為試樣的無側限抗壓強度，超過該峰值點后試樣就會發生破壞，不同摻量下的木質素改性土試樣在彈性階段內的斜率要小于素土的斜率，說明改性土的彈性階段持續時間長，素土破壞時應變在2%之內，改性土隨著摻量的不斷增大，試樣破壞時的應變也會隨之增大。素土破壞主要以剪切破壞為主，沿主裂縫從上貫通而下，裂隙傾角約為40°，試樣整體破壞，承載力瞬間喪失。隨著摻量的不斷增大，試樣先發生鼓脹變形，隨著軸向壓力的不斷增大，試樣出現裂隙最終局部出現破壞，裂隙較小，且貫通長度較小，土體破壞程度較小。

從圖8可以看出，不同木質素的摻量與改性土無側限抗壓強度的關系，與素土相比，無側限抗壓強度呈現上升的趨勢，當養護齡期達到28 d時，8%摻量的木質素相對于素土無側限抗壓強度提高了2.93倍。目前改良劑對土體加固主要兩個方面：一方面是填充土顆粒間的孔隙，改變土體結構，從而增加土體抗壓強度；另一方面是與土體發生反應，形成膠結物質，從而包裹土顆粒，形成一個新的整體，達到提高強度的效果。紅黏土孔隙比較高，木質素的摻入，起到了填充紅黏土孔隙的效果，并且與土體膠結在一起，形成新的一種結構使得木質素無側限抗壓強度得到了提升。

圖7 木質素改性土應力-應變曲線Fig.7 Stress-strain curve of lignin modified soil

圖8 木質素摻量對紅黏土無側限抗壓強度的影響Fig.8 The influence of lignin content on the unconfined compressive strength of red clay

3.2 養護齡期對無側限抗壓強度的影響

試驗進行了4個齡期的養護(1、7、14、28 d)，圖9為養護齡期對于改性紅黏土無側限抗壓強度的影響曲線。從圖9可以看出，木質素改性土的無側限抗壓強度隨養護齡期的增長而不斷增大，且時間越長，強度提升的也就越明顯。與其他改良劑不同，木質素在土體中的反應時間相對較長，需要更多的時間與土體膠結在一起，抗壓強度隨著時間的增長而增長。

圖9 養護齡期對于改性土的無側限抗壓強度的影響Fig.9 The effect of curing age on the unconfined compressive strength of modified soil

3.3 無側限抗壓強度和摻量齡期的關系

將木質素的摻量和無側限抗壓強度進行對比關聯，找出不同齡期下木質素改性紅黏土力學特性指標與木質素摻量之間的變化關系。由圖10可知，不同養護齡期下，無側限抗壓強度和摻量呈現出較好線性關系。無側限抗壓強度在0～8%之間隨著摻量的增加而線性增大，其擬合式為

qu=36.753 2x+125.716 87

(3)

式(3)中:qu為無側限抗壓強度；x為木質素摻量,其相關系數R2為0.959 74，線性相關性較高，可以為木質素在廣西紅黏土的應用，提供理論理論參考依據。

圖10 木質素摻量和無側限抗壓強度關系曲線Fig.10 The relationship between lignin content and unconfined compressive strength

4 機理分析

4.1 電鏡掃描

通過掃描電鏡將素土放大200倍可以看出土顆粒自然斷面下的微觀成像，對土顆粒的孔隙特征，外觀形態，結構排列方式，土體之間的黏結狀態進行分析。可以看出素土的土顆粒間距較大[圖11(a)]，孔隙大，孔隙率較高，土顆粒之間的黏結較差，土顆粒之間的縫隙較明顯，土顆粒棱角分明，土體之間密實度較差，土體骨架主要以大顆粒為主，小顆粒存在于大顆粒的骨架之間，這也是素土強度較低的原因。

木質素改性下的紅黏土[圖11(b)]用掃描電鏡放大200倍可以看出，孔隙分布不太明顯，孔隙不能清晰辨別，土顆粒之間黏結較緊密，木質素纖維嵌入在土顆粒之間，被土顆粒緊緊包圍在一起，土體之間密實度較高。土體骨架由木質素纖維為主，土顆粒附著在纖維附近，土顆粒的表面粗糙程度降低[20]，木質素纖維不僅起到了填充孔隙的作用，并且能夠改變原有的土顆粒排列形式，起到黏結土體的作用，使得土體結構更緊密，強度得到大幅度的提高。

圖11 素土及改性紅黏土SEM照片Fig.11 SEM photo of plain soil and modified red clay

4.2 X射線衍射(XRD)試驗結果分析

圖12為未摻加木質素的紅黏土和摻加8%木質素的改性土的X射線衍射圖譜。由圖可知素土和摻加木質素的改性土衍射圖譜重合度較高。各衍射峰出現位置基本一致，木質素的摻入并不能使得紅黏土產生其他物質。

采用HighScore對衍射圖譜進行分析，可確定其礦物成分。經分析，紅黏土主要有石英SiO2高嶺石Al2SiO5(OH)4,赤鐵礦FeO(OH)。木質素改性土的主要成分與素土基本一致，具體礦物成分如表3所示，從側面證明，木質素是一種惰性材料在紅黏土中只起到填充孔隙和黏結顆粒的作用。并不會和紅黏土發生化學反應，穩定性較好。

圖12 XRD衍射圖譜Fig.12 XRD diffraction pattern

表3 試樣的礦物成分

5 結論

(1)紅黏土的液塑限和pH隨著木質素摻量的增加而增大。對于高液限紅黏土來說界限含水率改性效果不太理想，但是對于pH來說，紅黏土由原來的弱酸性偏向中性，能夠有效提高紅黏土的抗腐蝕性。

(2)木質素能夠有效改良紅黏土的抗壓強度，并且在0～8%呈現線性增長，由于紅黏土的強度特性是上硬下軟的特性，也就是隨著深度紅黏土的強度特性會越來越小，可以根據實際的強度對木質素進行添加。運用到地基中，可提高地基承載力。

(3)木質素在紅黏土中主要起到填充孔隙和黏結的作用，在土體中能夠提其整體的結構性。