凍融循環作用下改良路基填料損傷特性研究

摘要：為了使分散性土可直接作為路基填料，文章提出采用木質素磺酸鈣改良分散性土并測定其物理力學性質，判定其工程適用性。主要結論如下：（1）隨著木鈣摻量的增加，土體的液限、塑限以及最優含水率均出現下降，土樣的破壞模式逐漸過渡至塑性破壞；土體抗壓強度先增大后減小，壓縮系數先減小后增大；（2）隨著土樣養護齡期的延長，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）當木鈣摻量為1%、養護時長為28 d時，改性土的土體結構穩定性較好，各項指標基本滿足路基填料的要求。

關鍵詞：分散性土；木質素磺酸鈣；物理力學性質；養護齡期；塑性破壞

中圖分類號：U416.1A120375

0 引言

分散性土廣泛分布于全球各地，如中國、澳大利亞、孟加拉國、巴西、以色列以及越南等國家［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，容易造成路基失穩而影響結構物的穩定，危害性極大。因此，本文利用新型材料對分散性土進行改良，使其性能滿足路基填料的基本要求。

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 M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和可有效提高土體的強度，經過改良后的土體強度提高了26.7%。Vakili A H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的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 S等［5］通過采用微生物誘導碳酸鈣沉淀技術改性分散土。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。魏世杰等［7］利用黃原膠對黏性土進行加固，結果表明黃原膠的摻入可有效提高黏土的無側限抗壓強度。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。

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，因此本文在前人研究的基礎上，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路基工程建設提供相應參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗土樣

工程項目位于陜西省咸陽市楊凌區，工程區內分布有大量的分散性土，考慮到路基填方量較大，為節約成本，提高經濟效益，將分散性土作為路基填料。分散性土具有抗水蝕能力弱、抗剪強度低等缺點，導致其無法直接作為路基填料，因此需對其進行改性處理，使其滿足路基填料的基本要求。

土樣呈現黃棕色，以粉粒為主，土質均勻，級配良好，為化學分散性土。現場取回土樣后，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。土樣基本物理性質與化學性質分別如表1和下頁表2所示。

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，如表3所示為木鈣的主要成分。

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%）。

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%）、不同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，如表4所示為具體試驗設計。

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。如圖1所示為不同木鈣摻量下改性土界限含水率的變化曲線。

由圖1可知，隨著木鈣摻量的增加，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；當木鈣摻量為4%時，改性土的塑性指數為11.7，下降了4.1%；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。當摻量增多時，土體的pH降低（素土pH=9.6 木質素磺酸鈣pH=7.00），進而使電層厚度減小，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

如圖2（a）、2（b）分別為改性土的無側限抗壓強度隨著木鈣摻量、養護時間變化曲線圖（最大干密度=1.75 g/cm-3）。

由圖2（a）可知，隨著木鈣摻量的增加，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。

由圖2（b）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，進而使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

如圖3所示為不同木鈣摻量下改性土的應力-應變曲線。

由圖3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）非線性上升階段，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3（a）、3（b）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111.0 增幅高達49.9%。

2.2.3 破壞應變分析

如圖4所示為改性土的破壞應變變化曲線，其中圖4（a）為應變與木鈣摻量之間的關系曲線，圖4（b）為應變與養護時間之間的關系曲線。

由圖4（a）可知，隨著木鈣摻入量的增加，改性土的應變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黏度，進而使得改性土塑性增加［9］。

由圖4（b）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%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

如圖5所示為改性土壓縮模量系數變化曲線，其中圖5（a）為壓縮系數與木鈣摻量之間的關系，圖5（b）為壓縮系數與養護時間的關系曲線。

由圖5（a）可知，隨著木鈣摻量的增加，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5（b）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。

因此，養護時間28 d的改性分散性土（木質素磺酸鈣1%），各項指標基本滿足路基填料的要求，能較好地運用至實際工程。

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（圖6）。

如圖7所示為5 000倍鏡下SEM掃描結果。由圖7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。當木鈣摻量為1%時，土樣顆粒表面膠結物質較多，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，與試驗結果相吻合。

4 結語

為了使分散性土可作為路基填料，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，得到如下主要結論：

（1）隨著木鈣摻量的增加，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。當木鈣摻量增多時，土體的pH值降低，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”形變化趨勢；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）通過SEM電鏡觀察發現，當木鈣摻量為1%時，土樣顆粒表面膠結物質較多，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。

（4）利用木質素磺酸鈣（1%）改性后的分散性土，各項指標基本滿足路基填料的要求，能較好地運用至實際工程。

參考文獻

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［8］倪曉逸，張 路，樊恒輝，等.原位熱力加固分散土的影響因素及其作用機理研究［J］.巖土工程學報，2023，45（6）：1 240-1 249.

［9］胡翔宇.木質素基土壤穩化劑的機理研究和原子模擬［D］.南京：東南大學，2018.

收稿日期：2023-10-20

作者簡介：韋朝龍（1991—），工程師，主要從事公路橋梁施工管理工作。