木質素磺酸鈣改性土凍融性能試驗研究

李淑賢

(沈陽寶峰建筑工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)

我國屬于灌溉農業大國，每年的農業用水量占到全國用水總量的6成以上，其中灌溉用水又占到農業用水量的90%以上。由此可見，農業灌溉節水工程建設對提高我國的水資源利用效率、緩解水資源供需矛盾具有重要意義[1]。但是，在我國北方的季節性凍土區，襯砌凍脹破壞不僅是影響灌溉渠道耐久性的重要因素，也是我國北方灌區灌溉用水系數偏低的重要原因[2]。因此，研究采用渠道襯砌、增設保溫層以及改造渠基土等渠道防凍脹工程技術就顯得尤為重要。

渠道的凍融破壞主要由渠基土的凍融作用造成[3]。因此，對一定深度的渠基土進行改造是目前渠道防凍脹研究的重要領域，具有良好的發展和應用前景[4]。目前，在渠基土改良方面，主要采取化學改良措施，這種改良方式雖然具有造價較低、施工方便、成效顯著的優勢，但是也容易造成顯著的環境問題[5]。因此，探索經濟、高效的綠色環保改良劑就成為重要的研究方向。其中，木質素是一種廣泛分布的天然高分子化合物，且具有再生性。木質素磺酸鈣是利用木質素制作的高分子聚合物陰離子表面活性劑，將其用于土體改性，可以憑借其靜電和潤滑作用，增強土體的密實度，從而改善土體的物理力學性能[6]。基于此，此次研究通過室內試驗的方式，探討木質素磺酸鈣改性土的抗凍融性能，為其在寒區渠道建設中的應用提供支持和借鑒。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

此次試驗以遼寧省開原灌區為工程依托，現場采樣進行試驗研究。試驗中所使用的土樣取自開原灌區的渠基土。現場的取樣深度為50cm，以避免表層土的外部環境影響，保證試驗結果的科學性和準確性。將獲取的土樣帶回實驗室在自然條件下進行風干處理，然后將其碾碎過篩。

本次試驗所用的木質素磺酸鈣為上海麥克林生化科技有限公司生產。木質素磺酸鈣為棕褐色粉末狀，固體純度≥96%，其1%水溶液pH值約為7.00，水分約為5%。水不溶物<1.5%，含碳量約為40%，含硫量約為5%。

1.2 試樣制備

根據木質素磺酸鈣改性土的相關研究文獻和工程要求，此次試驗確定木質素磺酸鈣的摻量分別為0%、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%和3%。摻量的計算方式為木質素磺酸鈣的質量與土樣干質量的百分比。

由于研究中需要探討含水率的影響，因此土樣的改性方法選擇噴淋法[7]，也就是根據試樣含水率的要求，將木質素磺酸鈣溶于水，然后利用噴壺噴淋到土樣上，邊噴淋邊攪拌。噴淋完畢之后，將土樣放入容器并用保鮮膜密封24h備用。

根據試驗方案，此次試驗采用的是直徑為70mm、高40mm的環刀進行制樣，每組試驗需要制作試樣3個，將制作的試樣密封，以試驗結果的均值作為最終試驗結果。

1.3 試驗方法

以工程所在地區的氣溫數據為依據，將凍融試驗的凍結溫度設定為-28℃，融化溫度設定為20℃[8]。在封閉系統凍融條件下進行試驗，也就是試驗過程中試樣與外界沒有水交換。為了研究改性土干密度和飽和度的影響，試驗中干密度設置為1.40、1.45、1.50、1.55和1.60g/cm3，飽和度設置為30%、40%、50%、60%和70%進行試驗。試驗中每個凍融循環為48h，其中凍結時間和融化時間相同，均為24h。凍融循環次數設置為20次。結合相關研究成果，試樣的木質素磺酸鈣摻量、干密度和飽和度對試樣凍融特征作用的相互影響并不顯著[9]。為了減小試驗量，研究中采用單因素試驗的方式進行，也就是固定兩個參數不變，對第三個參數的影響情況進行試驗研究。

在試驗之前需要按照環刀的尺寸制作大小相同的有機玻璃片，在試樣成樣之后，在其上部放置一片有機玻璃片，并在其中心部位標注一個點作為試驗中高度測量的測點。在達到方案預設的凍融次數之后，利用該點進行高度測量，以保證試驗結果的科學性和準確性。

在試驗之前，首先利用千分尺測量試樣的高度，以確定試樣的原始高度，并將其作為試驗結果分析的對照依據。在試樣經過5、10、15和20次凍融之后，利用千分尺再次測量試樣的凍結高度和融化高度。根據試驗數據，計算獲取每組試驗的凍脹率和融沉系數兩個凍融指標。兩個指標的計算公式如下：

(1)

式中，η—試樣的凍脹率，%；Δhf—試樣的凍脹量，mm；h0—試樣的初始高度，mm。

(2)

式中，δ—試樣的融沉系數，%；Δht—試樣的融沉量，mm；h0—試樣的初始高度，mm。

2 試驗結果與分析

2.1 木質素磺酸鈣摻量

試驗中保持1.50g/cm3的干密度和50%的飽和度不變，對不同木質素磺酸鈣摻量方案下土體試樣進行凍融試驗，獲得不同凍融試驗次數下的凍融試驗數據，并計算獲取凍脹率和融沉系數隨木質素磺酸鈣摻量的變化曲線，結果分別如圖1和圖2所示。由圖1和圖2可以看出，試樣的凍融變形主要出現在前10次凍融循環，當凍融循環超過15次后，試樣的凍脹量和融沉量變化極為有限。因此，此次試驗選擇的凍融試驗次數是合適的，可以獲得較為科學和準確的試驗結果。隨著木質素磺酸鈉摻量的增加，試樣的凍脹率和融沉系數均呈現出先迅速減小后逐漸趨于穩定的變化特點。由此可見，利用木質素磺酸鈣改性渠基土，對控制渠基土凍脹量具有明顯的效果。另一方面，當木質素磺酸鈣摻量小于1%時，凍脹率和融沉系數的減小幅度較大，之后減小幅度較為有限。因此，結合凍融變形控制效果和工程的經濟性，建議在工程應用中摻加1%的木質素磺酸鈣。

圖1 凍脹率隨木質素磺酸鈣摻量變化曲線

圖2 融沉系數隨木質素磺酸鈣摻量變化曲線

2.2 飽和度

結合上文研究成果，固定1%的木質素磺酸鈣摻量和1.50g/cm3的干密度不變，對不同飽和度試樣進行15次凍融循環試驗。根據試驗獲得的數據，計算獲取各方案試樣的凍脹率和融沉系數，然后繪制出凍脹率和融沉系數隨飽和度的變化曲線，結果分別如圖3和圖4所示。由圖3和圖4可以看出，隨著試樣飽和度的增加，試樣的凍脹率和融沉系數呈現出類似的變化規律，均為首先緩慢增加然后迅速增長。由此可見，降低試樣的飽和度對控制木質素磺酸鈣改性土的凍融變形具有顯著作用。從具體的試驗數據來看，當試樣飽和度低于50%時，試樣的凍脹率和融沉系數變化不大。因此，建議在工程應用中將渠基土的飽和度控制在50%以內，可以取得更好的防凍融破壞工程效果。

圖3 凍脹率隨飽和度變化曲線

圖4 融沉系數隨飽和度變化曲線

2.3 干密度

固定1%的木質素磺酸鈣摻量和50%的飽和度不變，對不同干密度試樣進行15次凍融循環試驗。根據試驗中獲得的數據，計算獲取各方案試樣的凍脹率和融沉系數，然后繪制出凍脹率和融沉系數隨干密度的變化曲線，結果分別如圖5和圖6所示。由圖5和圖6可以看出，隨著試樣干密度的增加，試樣的凍脹率和融沉系數呈現出類似的變化規律，均為先迅速減小然后趨于穩定。由此可見，增加試樣的干密度對控制木質素磺酸鈣改性土的凍融變形具有顯著作用。從具體的試驗數據來看，當試樣干密度大于1.50g/cm3時，試樣的凍脹率和融沉系數變化不大。因此，建議在工程應用中將渠基土的干密度控制在不低于1.50g/cm3，可以取得更好的防凍融破壞工程效果。

圖5 凍脹率隨干密度變化曲線

圖6 融沉系數隨干密度變化曲線

3 結語

此次研究通過室內試驗的方式探討了木質素磺酸鈣改性土的抗凍融性能。試驗結果顯示，利用木質素磺酸鈣改性渠基土，對控制渠基土凍脹變形具有明顯的效果。在具體工程應用過程中，建議木質素磺酸鈣的摻量水平為1%，同時將渠基土的飽和度控制在50%以內，干密度控制在不低于1.50g/cm3，可以獲得最佳的工程效果，研究結論對木質素磺酸鈣改性土在北方寒區渠道工程建設中的作用具有重要指導和支持作用。當然，此次研究僅針對木質素磺酸鈣改性土的抗凍融性能展開研究，沒有對其他物理力學性能，特別是工程的耐久性展開研究，在今后的研究中需要在該領域進行更廣泛的探索，以便為工程應用提供更有力的支持。