木質素抑制黃土濕陷性試驗研究

劉偉 連佳勝 趙吉祥

摘要：黃土濕陷性常引發黃土地區構筑物基礎發生沉降甚至破壞，給黃土地區基礎設施建設造成了嚴重的威脅。通過改良黃土可減輕和降低濕陷性的危害，擬采用綠色可降解工業廢料木質素對濕陷性黃土進行改良，發現木質素改性黃土可顯著減輕黃土濕陷性的危害，并從形變機制和微結構兩方面對改良機制進行解釋。研究結果表明：2%木質素摻量的黃土試樣，其原有的強烈濕陷性已基本消除，改良效果在4%木質素摻量達到峰值;從形變機制看，木質素的加入改變了其結構特征，原本由濕陷性導致的結構失穩在加壓期間被釋放，致使改良土受濕陷影響降低;從微結構角度看，木質素會使黃土顆粒之間產生新的膠結物，使顆粒之間的聯結力增強，從而提升其改良效果。通過室內試驗驗證木質素在抑制濕陷方面的有效性，2%木質素摻量即可達到改良效果且具有量省效宏的優點，同時符合綠色施工理念并提高工業副產品木質素的利用率，為實際工程解決濕陷問題提供新參考。

關鍵詞：濕陷性黃土; 木質素; 改良土; 黃土濕陷性試驗

中圖分類號： TU414????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）03-0557-09

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220717003

Collapsibility test on the loess inhibited by lignin

LIU Wei1， LIAN Jiasheng1，2， ZHAO Jixiang1，3

（1.Institute of Transportation， Inner Mongolia University， Hohhot 010070， Inner Mongolia， China;

（2.North Branch of the Third Construction Co.， Ltd.， of China Construction Third Engineering Bureau， Beijing 100089， China;

（3.Civil-military Integration Department of China Construction Third Engineering Bureau， Beijing 100089， China）

Abstract：?Subsidence or even destruction of the foundation of structures in the loess area is often caused by the collapsibility of loess， which poses a serious threat to the infrastructure construction in these areas. Improving loess can help alleviate and reduce the harmful effects of collapsibility. Therefore， this paper investigates the collapsible loess improved by the environmental-friendly degradable industrial waste， that is， lignin. Lignin-modified loess can substantially reduce collapsibility， and the improvement mechanism is explained from the perspective of the deformation mechanism and microstructure. Research results show that 2% lignin content eliminated the collapsibility of the loess sample， and 4% lignin content yielded the best improvement effect. From the perspective of the deformation mechanism， the addition of lignin changes the loess structure. Therefore， the structural instability induced by the collapsibility is released during the pre-pressurization period. From the viewpoint of microstructure， lignin generates new cements between loess particles， which enhances the bonding force between particles. Overall， laboratory experiment results verified the effectiveness of lignin in inhibiting collapsibility. A satisfactory improvement effect is realized by 2% lignin content. The use of lignin conforms to the concept of green construction， improves the utilization rate of industrial byproduct lignin， and provides a new reference for solving the collapsible problem in practical projects.

Keywords：collapsible loess; lignin; improved soil; loess collapsibility test

0 引言

我國幅員遼闊，土壤資源豐富、類型繁多。其中黃土與黃土狀沉積物面積近64萬km2，占全國土地面積近6%，濕陷性黃土總面積可達38萬km2［1］。隨著黃土地區的基礎建設逐漸增多，黃土本身所具有的大孔隙、弱膠結結構、強水敏性和動力易損性的不良工程特點［2］，常常會引發地基沉降、失穩破壞及隧道塌方等工程事故［3］，對黃土地區構筑物的建設和使用造成極大的威脅甚至破壞。因此，消除黃土濕陷性對黃土地區的工程建設至關重要。

木質素是自然界中豐富的可再生資源，每年有大量的木質素被作為工業廢棄物排放，不僅對生態環境產生擾動，還浪費了木質素的利用價值。木質素具有優秀的分散性及表面活性，在生化等領域均取得了一定的成效［4］。

工業副產品木質素具有很好的黏結性、螯合性和抗腐蝕性，可以提高散體材料的膠結強度［5］。在自然界中木質素可以被白腐菌徹底分解為水和二氧化碳［6］，但其降解過程復雜且漫長。與傳統改良材料相比，木質素對環境的適應性強且對地下水系及微生物的影響較小，且本身所具有的非水溶性、化學結構的復雜性［5］也為加固土體結構提供了可能性。

王謙［7］在研究中提出木質素改良可有效抑制動變形和孔隙水壓力的增長，木質素摻量為3%時的改良黃土抗液化效果最佳。在無側限抗壓強度試驗的基礎上，Tingle等［8］研究了改性木質素砂土和黏土的抗壓強度，指出當木質素含量為5%時，改良土的抗壓強度提升最為顯著。Kong等［9］在研究中發現木質素能有效地改善淤泥的水穩定性，其中木質素的最佳含量為12%。Santoni等［10］在粉砂、黏性土和粉質黏土中摻入木質素磺酸鹽進行改良，并發現最優摻量為5%。董超凡等［11］在研究中指出當木質素摻量為5%時，改良黃土試樣的抗剪強度較高，而木質素纖維摻量為7%時，改良黃土試樣的抗剪強度有所降低。陳學軍等［12］在研究中指出木質素過多的摻入會使改良效果適得其反。在木質素改良黃土熱學性質方面，董超凡等［13］通過室內試驗發現隨著摻量的增加，改良土導熱系數的逐漸減小，比熱呈先增加后減小的趨勢，熱擴散率先增加后減小再增加，并指出5%摻量可有效減小溫度對建筑物的影響。在凍融作用下，木質素仍有優秀的改良效果，馬昕楊等［14］通過研究發現，相比較于素土，木質素改良土凍融損失率較小，6%木質素摻量即可有效減小凍融影響。眾多學者對木質素改良土不同方面的改良效果進行驗證，并提出了最優摻量，但缺乏對木質素在改善黃土濕陷性方面的系統研究，本文通過室內試驗研究木質素在抑制黃土濕陷性方面的有效性及最優摻量，并對其改良機理進行分析。

1 研究方法

1.1 試驗材料

本次試驗黃土取自蘭州市和平鎮（圖1），黃土呈現黃褐色，具有少量根孔和蟲孔，垂直節理發育，

偶有少量的白色鈣質結核。土樣顆粒分布曲線見圖2所示，基本物理性質如表1所列。

本試驗所用木質素為對羥基苯基丙烷單元形成的對羥基苯基木質素，呈白色絮狀固體（圖3）。

1.2 制樣與試驗方法

（1） 試樣制備

將采用探井取樣取出的黃土在室內進行風干、碾碎后再過2 mm篩。試驗中黃土干密度為1.3 g/cm3，含水率為9%，分別制備0%、2%、4%、6%、8%、10%木質素摻量的重塑黃土試樣。由于木質素直接加入會產生團聚現象，故用1 mm篩將木質素慢慢過篩，每過1/5木質素及時進行拌和，拌和均勻后再次進行過篩［16］，按此方法多次進行操作至木質素與風干黃土充分混合，且分布均勻后，再將水按照預定的含水量加入，進行拌和。之后將拌好的黃土放入密封袋中養護濕化24 h，其目的是使其水分分布更加均勻，減少后期脫模后土樣的膨脹。為使試樣密度均勻，將養護好的黃土分等量的5～6份加入Φ 61.8×120 mm的圓柱形制樣模具（圖4）中，每次加入之后進行夯擊。將試樣夯好之后，脫模取樣（圖5）。

（2） 黃土濕陷性試驗

對試驗器材進行預處理，減少機械誤差等無關變量對試驗的影響。試驗采用《濕陷性地區黃土建筑標準（GB 50025—2018）》［17］中的單線法測定濕陷系數。相比之下，雖然雙線法簡單，工作量小，但與實際工況存在差異性。故為更好地研究木質素在實際情況中對黃土濕陷性的改善，采用單線法進行濕陷系數的測定并做記錄。完成黃土濕陷性試驗后，測定每個試樣的含水率。為保證試驗環境的恒定濕度，在試驗中用保鮮膜包裹試樣，并設置對照平行試驗，取試驗組的平均值數據作為參考。試驗器材如圖6所示。

（3） 微結構測試

光學顯微鏡觀察實驗使用Dino-Lite-AM7915型號光電數碼顯微鏡（圖7）。將不同木質素摻量的試樣進行自然風干，并制備3個平行觀測樣本，掰開取其新鮮斷面，并將其背面進行磨平處理，制備成半徑為1 cm的圓形薄片，將其放入數碼顯微鏡的觀測臺進行觀測。拍攝倍數分別選取30倍、90倍、120倍、150倍、180倍和200倍，每個放大倍數拍攝4～6張。本實驗在試樣的處理中保留了黃土完整的斷面，可與掃描電鏡實驗結果互相參照，便于分析。

對0%、2%、4%、6%、8%及10%木質素摻量的試樣分別進行掃描電鏡實驗。在實驗過程中，首先使用凍干法將樣品干燥，為每個木質素改良黃土樣品制備2個平行樣品，取其新鮮斷面，制成10 mm（長）×10 mm（寬）×2 mm（高）方形切片，用離子濺射儀進行噴金處理，使樣品表面傳導電流并反射二次電子圖像。噴金處理之后將試樣放入掃描電子顯微鏡中進行試驗并獲取圖像，拍攝倍數選取300倍，每個放大倍數拍攝6～8張，取其中成像清晰的圖像進行分析。實驗使用的是中科科儀KYKY-2800B掃描電鏡，如圖8所示。

2 結果分析

2.1 黃土濕陷性試驗結果分析

濕陷系數和浸水壓力是研究濕陷程度的主要指標，且工民建的基底壓力主要在200 kPa以下，故200 kPa的浸水壓力更加接近實際荷載。因此，200 kPa的浸水壓力被用作評估濕陷系數的標準。在使用單線法測定黃土濕陷系數的過程中，得到了浸水前后的壓縮曲線，如圖9～圖14所示，各木質素摻量試樣逐級加壓至200 kPa的壓縮曲線圖。

將試驗所得濕陷系數整理，發現土樣木質素摻量與濕陷程度有一定規律性。2%、4%及6%摻量試樣較素土試樣相比，濕陷系數分別減小98.77%、99.38%和96.91%，且改良后濕陷系數小于0.015。根據《濕陷性地區黃土建筑標準（GB 50025—2018）》［17］中關于濕陷性黃土的規定，此時的黃土試樣的濕陷性已基本消除，但在8%、10%高木質素摻量中，改良效果適得其反，其濕陷程度又重新回到接近于素土的強烈濕陷，如圖13～圖15所示。

其濕陷性已被消除，但8%、10%摻量的土樣濕陷程度又重新回到接近于素土的強烈濕陷。故木質素的持續增加，并不會導致孔隙填充效果和膠結強度的持續增強［8］，而在抗濕陷方面仍然有此規律。

單獨觀察2%～6%之間濕陷系數與木質素摻量的關系（圖17），4%木質素摻量的黃土濕陷系數普遍最小，較素土濕陷系數減少99.38%，且改善效果達到峰值。但2%的木質素摻量已在很大程度上消除了黃土的濕陷性，考慮到在實際工程中的經濟性，2%木質素的摻量較為合適。

濕陷系數計算公式［17］：

δs=hp-h′ph0

式中：δs為濕陷系數，計算至 0.001;

hp為在某級壓力下，試樣變形穩定后的高度（mm）;

h′p為在某級壓力下，試樣浸水濕陷變形穩定后的高度（mm）;h0為試樣初始高度（mm）。

通過對黃土濕陷性試驗數據的整理，如表2所列，摻入木質素的黃土試樣在前期逐級加壓階段的沉降變形程度往往要比素土試樣沉降變形程度大。從數據上看，200 kPa下不同試樣的總體沉降變形差距不大，其標準差僅有0.157 mm。而浸水前持續加壓過程中的沉降變形卻并不相同，2%、4%及6%摻量的試樣在濕陷前的形變分別占總體形變的99.58%、99.79%及98.88%。由此可見，木質素改良土在未遇水濕陷以前，在壓力下的縱向變形要比未改良的大。重塑過程中，黃土的原生結構被破壞，重塑土顆粒間的聯結尚未穩定，導致重塑土樣處于亞穩定狀態。易團聚的木質素會在黃土中形成微小的膠結物，這些膠結物與黃土當中的水分接觸時會發生微弱的膨脹，這種易變性使土顆粒之間的穩定聯結難以形成，隨之產生的弱膠結狀態導致了加壓過程的沉降變形。

木質素在黃土中改變了原有穩定的內部結構，其自身密度小易膨脹的特點和新產生的纖維狀膠結物架空了土顆粒之間原有的緊實接觸，產生了更多較大的孔隙，從而使荷載下的土樣發生了比素土更明顯的沉降變形。而浸水之后，黃土中的木質素在一定理化反應下產生新的膠結物，加固了在前期施壓下被破壞的孔隙結構。因此，木質素能有效抑制黃土濕陷性，不僅內部產生新的膠結物質，加固了土顆粒之間的聯結，且前期加壓時期木質素引起了土樣過多沉降變形，提前釋放了原本浸水后濕陷部分的縱向變形，使內部結構變形方式發生變化。

2.2 微結構結果分析

電子光學顯微鏡結果見圖18～圖24。相較于重塑土樣，木質素改良土含有大量絲狀膠結物，而且此類絲狀物隨著摻量的增大而增多。在2%～6%木質素摻量的試樣黃土中，新產生的纖維狀膠結物使土樣的內部結構更加復雜，錯綜復雜的絲狀物對土粒有了支撐作用。而在8%、10%木質素摻量的土樣照片中，過量的絲狀物架空了土壤內部結構，使內部較大孔隙增多，這也揭示了過量木質素改良濕陷效果變差的內在原因。通過對比，200倍放大圖片的觀測效果較好。

基于對木質素改良黃土孔隙特點的觀察，黃土內部顆粒和膠結物質相互填充、相互交錯。黃土中木質素摻入后形成的網絡結構式纖維膠結物與土顆粒形成了錯綜復雜的內部結構，從而提高了黃土的抗濕陷能力。

通過掃描電鏡結果可知，具有黏結性和螯合性的木質素，對散體結構的膠結性能有著顯著的提升，能夠使得黃土中原來較小的顆粒結合成團粒。并且黃土顆粒之間有了木質素的黏結后，使得土顆粒之間的膠結作用進一步增強，較大孔隙也伴隨著木質素團聚物的出現而增多。研究證明木質素中具有碳原子和氫原子等疏水基，對水具有排斥作用［18］，在其包裹著黃土顆粒時，能減少水對黃土力學性質的影響，因此木質素改良黃土的抗濕陷能力也有顯著提高。借助Liu等［19-20］開發的PCAS孔隙圖像識別與分析系統，對電鏡圖片中的孔隙和裂隙進行識別與統計，可對試樣土孔隙的形態、尺度和數量進行進一步分析。

表觀孔隙比是孔隙面積與顆粒面積之比，能間接反映土體孔隙比［21］。平均孔隙面積可以反映孔徑大小，其值越大表示大孔隙越多［22］。相較于2%木質素摻量的試樣，4%木質素摻量的試樣平均孔隙面積增大，而表觀孔隙比減?。▓D25，表3）。隨著木質素的增加，孔隙被不斷地填充，孔隙總量減小。與此同時，孔徑較大的孔隙卻在不斷增加，黃土結構強度降低，導致了木質素高摻量改良效果降低。

3 結論

木質素是一種環境友好型材料。相比于傳統濕陷改良劑，木質素不僅綠色可降解，還在抑制黃土濕陷性方面具有量省效宏的特點。木質素具備的可降解卻不易降解的特點，既保證了它的長效性，又避免了對土壤和地下水的不利影響。本文通過黃土濕陷性試驗驗證其改良效果，并通過電子光學顯微鏡和掃描電鏡實驗對其改良機理進行探究。主要結論如下：

（1） 利用黃土濕陷性試驗，驗證了木質素在抑制黃土濕陷性方面的效果，木質素摻量2%時即可達到改良效果，4%時效果最佳。當木質素摻量進一步增加，會引起改良效果逐漸降低。

（2） 木質素改良土在未遇水濕陷前垂向變形較大。木質素形成的團聚物，與黃土當中的水分接觸時會發生微弱的膨脹，這種易變性使土顆粒之間的穩定聯結難以形成，隨之產生的弱膠結狀態導致了形變提前釋放，間接減少了濕陷的影響。

（3） 基于微結構分析發現了木質素可與土顆粒形成具有網絡結構的纖維狀膠結物。木質素遇水后形成的團聚物填充了土顆粒間的孔隙，同時加固了顆粒骨架，從而提高了土樣的抗濕陷能力。

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（本文編輯：任 棟）

基金項目：鄂爾多斯市科技合作重大專項（2021EEDSCXQDFZ013）;國家自然科學基金項目（51778590）

第一作者簡介：劉 偉，男，講師，主要從事復雜環境下巖土體力學特性方面的研究工作。E-mail：liuwei@imu.edu.cn。

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