木鈣對蘭州黃土水理性質的影響

王沈力 李曉龍 劉辰麟 劉東發

摘要：為揭示木鈣對蘭州黃土水理性質的影響，基于不同的木鈣摻量和養護齡期，通過水滴入滲試驗、滲透試驗和崩解試驗分析木鈣土斥水性、滲透性和水穩性，并利用X射線衍射試驗、掃描電鏡試驗探討木鈣土的改良機理。研究結果表明：木鈣的摻入可以提升黃土的斥水性、水穩性，低摻量木鈣土提升幅度有限，高摻量木鈣土整體表現良好，而減弱滲透性的作用有限;木鈣土的水理性質發揮具有齡期效應;28 d養護齡期下，木鈣土的水理性質參數隨木鈣摻量的變化存在廣義上的峰值，但峰值與木鈣摻量的關系存在一定差異;木鈣土的水理性質同力學性質保持了一定的正向關聯性。木鈣土并未產生新的礦物成分，但土顆粒雙電層厚度變薄，而且膠結生成物包裹聯結顆粒、填充孔隙，從而改善木鈣土的水理性質。

關鍵詞：黃土; 木鈣; 水理性質; 影響

中圖分類號： TU444????? 文獻標志碼：A?? 文章編號： 1000-0844（2024）03-0637-08

DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002

Influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess

WANG Shenli1， LI Xiaolong1， LIU Chenlin1， LIU Dongfa2

（1. Gansu CSCEC Municipal Engineering Investigation and Design Institute Co. Ltd.， Lanzhou 730000， Gansu， China;2. College of Civil Engineering and Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou 730000， Gansu， China）

Abstract：?Based on the different contents of calcium lignosulfonate and curing ages， the water repellency， permeability， and water stability of calcium lignosulfonate were analyzed using the water drop infiltration， penetration， and disintegration tests， respectively， to reveal the influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess. The improvement mechanism of enhanced loess by calcium lignosulfonate is also discussed using X-ray diffraction and scanning electron microscope tests. Results show that the water repellency and stability of loess improved with the addition of calcium lignosulfonate. Moreover， the improvement of calcium lignosulfonate with low content is limited， while the overall performance of loess improved by high-content calcium lignosulfonate is good. However， the effect of reducing permeability is limited. The hydraulic properties of loess improved by calcium lignosulfonate demonstrate age effects： under the curing age of 28 d， a generalized peak value is observed in the hydraulic property parameters of loess improved by calcium lignosulfonate with its content. However， the relationship between peak value and content is different. A certain positive correlation is also observed between the hydraulic and mechanical properties of loess improved by calcium lignosulfonate. No new mineral composition is found in the loess improved by calcium lignosulfonate. However， the thickness of the electric double layer of soil particles becomes thin， and the cementing products wrap the connecting particles and fill the pores， thus improving the hydraulic properties of the loess.

Keywords：loess; calcium lignosulfonate; hydrological properties; influence

0 引言

我國的黃土［1］主要圍繞著西北、華北以及東北地區呈帶狀展布，范圍廣且厚度大。黃土屬于特殊土，富含鈣質成分，具有大孔隙結構。自然狀態下，黃土含水率較低，性質穩定，當遇水后，黃土性質和狀態急劇劣化，進而呈現濕陷、水敏、液化等特性，所以水對黃土性質影響極大。壓實黃土［2］通過重塑改變了原狀黃土的結構，在力學性質、水理性質有了較大改善，但黃土成分、顆粒粒徑等本體特性決定其工程性質改善的局限性，故長期以來人們一直致力于研究摻入外加劑改良黃土［3-5］，如石灰、粉煤灰、水泥等，使得改良后的黃土更好地滿足工程需求。目前，利用工業副產物木質素改良黃土符合國家“變廢為寶”的綠色發展方向，相關研究方興未艾。

木質素［6］一般是指木質素制備物和木質素的衍生物。木質素屬于三維高分子化合物，與纖維素、半纖維素構成植物的主要骨架，自然界儲量極其豐富，僅次于纖維素。造紙業每分離提取3 t纖維素，就會產生約1 t木質素副產物。據不完全統計，我國造紙廠每年產生約5 000萬t木質素副產物，多數以黑液的形式直接排入江河或濃縮后焚燒，這樣處理不僅極大浪費資源，還嚴重污染了環境。因此，利用工業副產物木質素改良土體的技術應運而生，如Vinod等［7］提出了木質素磺酸鹽加固粉砂的機理，認為木質素磺酸鹽在土體中發生水解和中和作用，生成木質素磺酸鹽聚合物，將土顆粒膠結并聯結在一起，形成一個整體;Santoni等［8-9］利用木質素磺酸鹽改良黏土和粉砂，其無限抗壓強度明顯增大，并提出木質素磺酸鹽的最佳摻入比5%;張濤［10］主要從木質素改良粉土的物理力學性質、耐久性、微觀表征、本構模型、應力-應變特性、效果評價等方面進行了系統性研究，為木質素改良土在國內推廣應用提供重要支撐;侯琳等［11］研究得到木質素改良粉土和粉砂的抗凍性強于素土。國內外學者分別利用工業副產物木質素改良黏土、粉砂及粉土等，并取得了良好的效果。利用工業副產物木質素改良黃土也具有可行性，如賀智強等［12］和侯鑫等［13］通過研究得出木質素磺酸鈣改良黃土的加固效果良好，并對其改良機制做出解釋。

研究木質素改良黃土，力學性質的提升是重要目的，而水理性質也直接關系到工程建設的安全性和穩定性，是黃土地區必須考慮的問題，如地基工程、路基工程、大壩工程等。本文在木質素磺酸鈣改良黃土（簡稱“木鈣土”）物理力學性質研究的基礎上，通過水滴入滲試驗、滲透試驗及崩解試驗研究木鈣土的水理性質，并利用X射線衍射試驗、掃描電鏡試驗分析木鈣土的改良機理，研究成果可為木質素在黃土地區的推廣應用提供重要依據。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

（1） 黃土

本試驗采用蘭州地區黃土，砂粒（2～0.075 mm）、粉粒（0.075～0.005 mm）和黏粒（≤0.005 mm）含量分別為1.7%、87.7%和10.6%，屬低液限粉土，基本物理性質列于表1。該黃土呈弱堿性，其中陽離子包括Na+、K+、Ca2+、Mg2+，陰離子包括SO2-4、HCO-3、Cl-。

（2） 木鈣

木質素磺酸鈣簡稱為“木鈣”，屬于木質素的一種衍生物，淡黃色粉末，略有芳香氣味，無毒無害，易溶于水，微酸性，穩定性良好，具有很強的分散性、黏結性、螯合性。木鈣的基本指標參數包括pH4.5、含水量5.5%、木質素含量62.5%、鈣離子含量5.28%等。

（3） 水泥

采用42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗方法

定義摻量為干木鈣與干土的質量之比，摻量選取1%、3%、5%、7%、9%（素土摻量為0%）。各摻量輕型擊實試驗結果列于表2。標準試樣制備采用壓實系數0.97、最優含水量，利用靜壓法制樣，每組額外制備1～2個備用樣。將制備好的試樣立即置于密閉養護室養護，養護條件為溫度（20±3） ℃，相對濕度≥45%。選用水泥摻量10%的水泥土為對照組。

試驗參照《土工試驗方法標準》［14］進行，各試驗測試對應試樣見圖1。水滴入滲試驗，又叫水滴穿透時間法，采用標準滴定管將蒸餾水（體積為0.05 mL）滴到土樣表面，秒表記錄水滴反光現象消失的時間即為水滴完全入滲時間，取3組平行試驗結果的平均值作為水滴入滲時間，試樣的直徑102 mm、高60 mm，養護齡期選用1 d、7 d、28 d、90 d、180 d;滲透試驗采用變水頭滲透裝置，試樣的直徑61.8 mm、高40 mm，養護齡期選用1 d、7 d、28 d、90 d;崩解試驗是利用崩解儀測試試樣完全崩解所需的時間，試樣為邊長50 mm的立方體，養護齡期選用1 d、7 d、28 d、90 d、180 d;X射線衍射試驗采用日本Rigaku生產的X射線衍射儀分析，采用CuKa輻射，掃描范圍為6°～80°，掃描速度為1°（2θ/min），工作電壓為40 kV，工作電流為40 mA，制備試樣的直徑61.8 mm、高20 mm，養護齡期選用28 d，試驗

時對試樣再加工處理至滿足試驗要求;掃描電鏡試驗的設備為JSM-6510電子顯微鏡，試樣規格、養護齡期同X射線衍射試驗。另外，無側限抗壓強度試驗采用TSZ-3型應變控制式三軸儀，試樣的直徑39.1 mm、高80 mm，試驗過程中應變速率為每分鐘軸向應變的2%，取3個平行試樣的平均值作為試驗結果，養護齡期選用28 d。

2 試驗結果與分析

2.1 斥水性

土體斥水性是指水分不能或很難濕潤土體顆粒表面的物理現象。水分滴在土體顆粒表面時，首先會保持液滴形狀，如圖2所示。在土體、水分、空氣的三項系統中，存在接觸角α，α越大，表明土體的斥水性越強。當土體的斥水性較弱時，表現為親水性，α<90°，見圖2（a）;當土體的斥水性較強時，α>90°，見圖2（b）。

然而接觸角一般很難直接測定，通常采用水滴入滲試驗來測試土體的斥水性，水滴入滲時間越長，表明土體的斥水性越強。Dekker等［15］根據水滴入滲時間將斥水性分為5個等級，詳列于表3，其中，以5 s作為是否具有斥水性的分界線。

圖3為水滴入滲時間與齡期的關系曲線。木鈣土的水滴入滲時間隨著齡期的遞增逐漸增長，前期速度較快后期較為平緩，且在28 d內完成了主要的增長，為180 d的76.9%～92.9%;參照表3，試樣的斥水性可分為三類，高摻量（本文高摻量定義為5%～9%）木鈣土跨越兩個斥水等級，28 d內具有輕微斥水性，超過28 d后發展有強烈斥水性;低摻量（本文低摻量定義為1%～3%）木鈣土各齡期范圍內具有輕微斥水性;而素土和水泥土的水滴入滲時間隨著齡期的增長變化很小，且各齡期范圍內水滴入滲時間均小于5 s，即素土和水泥土具有親水性。

由圖4可知，各齡期的水滴入滲時間隨木鈣摻量增加先急劇增大后微弱減小。高摻量木鈣土各齡期的水滴入滲時間均最高，即斥水性最強，其中28 d齡期后的水滴入滲時間可達素土的67～95倍。

相較于素土，木鈣土的斥水性得到了顯著提升，可以較好地阻止水分進入土體，有利于保持土體內部的干燥狀態。分析認為，一方面是土顆粒雙電層厚度變;另一方面，木鈣屬于一種有機高分子聚合物，含有疏水基團，如碳鏈、苯環等［10］，其覆蓋土顆粒表面，持續發揮著斥水作用。

2.2 滲透性

圖5為滲透系數與齡期、木鈣摻量的關系曲線?？梢钥闯龈黝愅恋臐B透系數隨著齡期的遞增逐步減小，超過28 d后減小趨勢放緩。試樣滲透系數的位次為素土＞水泥土＞木鈣土，說明木鈣對滲透性有一定影響。滲透系數隨著木鈣摻量的增加而減小，減小幅度也在逐步降低，7%和9%木鈣土的滲透系數基本相等。所有測定的滲透系數僅限于10-6級別，雖然木鈣土的滲透性有所減弱，但作用有限。

2.3 水穩性

水穩性可通過崩解所需時間測試，崩解時間越長，表明水穩性越強。崩解，又稱濕化崩解，是指土體在浸入靜水后，由于土粒間的結構聯結和強度喪失，使土體崩散解體的特性。素土和7%木鈣土的具體崩解過程見圖6。素土試樣浸入水中后表面立即出現大量氣泡，氣泡向上漂浮至水面逸出，試樣底部邊緣先以粉末狀剝落，周邊逐步出現裂隙、孔洞，隨后夾有片狀、塊狀剝落，整個過程由外向內，由下向上發展，直至完全崩解。7%木鈣土試樣浸入水中后表面氣泡很少，試樣邊緣處以粉末狀緩慢剝落，剝落次序也是由外向內、由下向上，同素土的主要區別在于，7%木鈣土崩解過程中沒有片狀、塊狀剝落，而且剝落速度緩慢。片狀、塊狀剝落主要是由于水分沿著裂隙快速進入土體內部破壞結構聯結引起，即素土試樣發育有較多裂隙，7%木鈣土更加致密，整體性好。

如圖7所示，木鈣土隨著齡期的遞增崩解所需時間快速增長，當超過28 d后，增長速度逐漸放緩并趨于平穩，28 d崩解時間達到180 d的62.5%～90.6%。素土的崩解時間隨齡期變化不大。

由圖8可知，各齡期的試樣崩解時間隨木鈣摻量增長先增大后減小，且在摻量7%時達到最大值。過量的木鈣優先同自身結合，形成較大粒徑的木鈣團粒，反而削弱了膠結作用力，水穩性隨即減小。各齡期高摻量木鈣土的崩解時間均最高，即水穩性最好，且28 d齡期后的崩解時間可達素土的17～36倍。

2.4 水理性質分析

木鈣土水理性質的各表征參數在28 d內均快速變化，完成了主要的變化，說明木鈣土的內部化學反應基本在28 d內完成;而超過28 d后，變化速度放緩并趨于平穩，因此，針對水理性質，木鈣土的養護齡期可以定為28 d。

土體的水理性質，但木鈣土的斥水性、水穩性并不是隨著木鈣摻量增加而持續增強，滲透性并不是隨著木鈣摻量增加而持續減弱。素土水理性質表現較差，低摻量木鈣土提升幅度有限，而高摻量木鈣土水理性質整體表現良好。

28 d齡期下，木鈣土水理性質參數隨摻量的變化呈現先增長后減小（滲透系數為先減小后平緩）的規律，即均存在廣義上的峰值，但峰值與摻量的關系存在一定差異。為此，選定7%木鈣土所對應參數為基準，計算5%和9%木鈣土水理性質參數與7%木鈣土的比值（表4）。由表4可知，9%木鈣土的斥水性、滲透性、水穩性均略弱于7%木鈣土，但整體差別很小;5%木鈣土相較于7%木鈣土，水穩性弱，滲透性強，差異約有30%～40%，斥水性基本相同。所以，從改善水理性質角度出發，針對蘭州黃土，木鈣土的最優摻量為7%。

圖9中也加入了木鈣土力學性質指標的對比，無側限抗壓強度是隨木鈣摻量的增加先增大后減小，在摻量7%時達到峰值，高摻量木鈣土的無側限抗壓強度達到素土的4.5～5.2倍，即木鈣土的力學性質同水理性質保持了一定的正向關聯性。

3 改良機理探討

選取素土、木鈣土的X射線衍射試驗測試圖譜分析。由圖10可知，素土和木鈣土的衍射峰位基本相同，且衍射峰強比接近，說明木鈣土中并未產生新的礦物成分，其礦物成分與素土一致，通過Jade6.0分析，木鈣土主要礦物成分包括石英、白云母、鈉長石、方解石、高嶺石及伊利石等，各礦物成分含量依次為石英＞鈉長石＞高嶺石＞白云母＞方解石＞伊利石，與素土基本一致。

有研究［10］認為，木質素摻入土中發生一系列反應，形成帶有正電荷的膠結聚合物，該聚合物通過靜電引力作用吸附在帶有負電荷的土顆粒表面，中和土顆粒電位。另外，木鈣摻入土中引入了Ca2+，Ca2+與土中Na+發生離子交換反應，所以土顆粒雙電層厚度變薄。

如圖11所示，素土的骨架顆?；蚴窍嗷ゴ┎澹o密堆積，形成縫隙狀鑲嵌孔隙，或是相互支架，形成較大的支架孔隙，孔隙體積偏大且數量較多，而木鈣土中孔隙體積小且數量較少，主要由于土顆粒雙電層厚度變薄，潤滑性提高，利于填充孔隙，而且膠結生成物在不斷包裹聯結顆粒、填充孔隙，所以木鈣土的密實程度提升較大。相同滲透壓力下，水在木鈣土試樣內流通的速度放緩，滲透性得到一定程度減弱;木鈣土中土顆粒雙電層厚度變薄，從而也提升其斥水性;崩解的本質是水分進入土體內部、并弱化顆粒間膠結，最終破壞土體結構。木鈣的摻入可改善土體的斥水性和滲透性，分別從土體表面和孔隙通道有效減緩水分進入土體，有利于保持土體內部干燥狀態，另外，木鈣本身具有很強的黏結性、螯合性，黃土顆粒間多黏附著木鈣，且反應產生膠結生成物，膠結性能增強，所以木鈣土的水穩性也得到提升。

4 結論

（1） 木鈣對黃土具有改良作用。木鈣的摻入可以提高黃土的斥水性、水穩性，低摻量木鈣土提升幅度有限，高摻量木鈣土整體表現良好，而減弱滲透性的作用有限。

（2） 木鈣土的水理性質發揮具有齡期效應，工程應用時可取28 d為標準養護齡期。

（3） 同一養護齡期下，不同摻量木鈣土的斥水性、滲透性和水穩性對應參數的變化規律存在一定差異。綜合水理性質指標，建議木鈣土的最佳摻量為7%。

（4） 木鈣土并未產生新的礦物成分，但土顆粒雙電層厚度變薄，而且膠結生成物包裹聯結顆粒、填充孔隙，從而改善木鈣土的水理性質。

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（本文編輯：張向紅）

基金項目：甘肅省住房和城鄉建設廳科研項目（JK2020-16）

第一作者簡介：王沈力（1983-），男，碩士研究生，主要從事黃土地區工程地質的研究。E-mail：29275417@qq.com。

王沈力，李曉龍，劉辰麟，等.木鈣對蘭州黃土水理性質的影響［J］.地震工程學報，2024，46（3）：637-643.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002

WANG Shenli，LI Xiaolong，LIU Chenlin，et al.Influence of calcium lignosulfonate on the hydrological properties of Lanzhou loess［J］.China Earthquake Engineering Journal，2024，46（3）：637-643.DOI：10.20000/j.1000-0844.20220418002