发布时间：2021-06-17所属分类：农业论文浏览：1次
摘 要： 摘要：分散性土属于一种水敏性土，具有遇水分散流失的特征。通过分散性试验、力学性质试验、化学性质试验、微观结构试验及模拟降雨冲刷试验，研究了木质素磺酸钙改性分散性土的影响因素及其改性机制。试验结果表明，随着木质素磺酸钙掺量的增加，改性土的分
摘要：分散性土属于一种水敏性土，具有遇水分散流失的特征。通过分散性试验、力学性质试验、化学性质试验、微观结构试验及模拟降雨冲刷试验，研究了木质素磺酸钙改性分散性土的影响因素及其改性机制。试验结果表明，随着木质素磺酸钙掺量的增加，改性土的分散性、崩解性和抗冲蚀性均逐渐改善，在掺量达到3.0%时即有着良好的改性效果;无侧限抗压强度先增大后减小，压缩系数呈先减小后增大的趋势，均在0.5%掺量时取得极值。随着养护龄期的延长，改性土的分散性和崩解性逐渐降低，压缩系数显著减小，抗压强度逐渐增大。28d龄期时，0.5%掺量和3.0%掺量改性土的抗压强度较分散性土分别提升了50%和20%。木质素磺酸钙主要通过双电层厚度降低、阳离子桥接、颗粒胶结和疏水基斥水作用来改善分散性土的工程特性，但掺量过高时，木质素磺酸钙会优先与自身结合并减弱土颗粒间的吸引力，使得土体孔隙率增大、力学性能下降。研究表明，木质素磺酸钙对分散性土具有良好的改性作用，可显著改善黏性土的水敏性，提高土体的水稳性和抗冲蚀性。
关键词：分散性土;木质素磺酸盐;力学性质;改性机制;模拟降雨冲刷
1引言
分散性土是一种在低含盐量(或纯净)水中，呈团聚存在的颗粒体自行分散成原级土颗粒的水敏性特殊土[1]，其抗水蚀能力差，容易引起大坝、堤防等挡水建筑物的破坏，对水利工程造成了严重的潜在威胁。目前对不良土体的改性主要采取石灰、水泥和粉煤灰等材料进行处治，但是这些传统改性材料有一定的局限性，如严重消耗自然资源、过度污染环境、增大土体脆性、影响环境安全[2]等。
木质素是一种存在于大部分植物中的可再生的天然高分子聚合物，每年约有1500亿吨的木质素通过植物的光合作用被生产出来[3]。木质素副产品作为造纸行业和生物燃料制取乙醇的工业废渣常被直接排放到江河或焚烧处理，对环境造成了很大的负面影响。在全球范围内，工业副产品木质素的行业化利用率不足2%[4]，如何实现工业副产品木质素的资源化利用已成为国内外的研究热点。
木质素副产品可用于油田开采、水处理、高分子材料、建材助剂等[3]。在土体改性方面，欧美等发达国家较早地开展了相关研究。Ceylan等[5]采用两种木质素对土体进行改性，一种来源于商业生物质转化工厂，另一种是乙醇加工厂的副产品，结果发现两者均能提高低塑限黏土的强度。Indraratna等[6-7]通过试验验证和理论计算，发现随着木质素磺酸盐用量的增加，粉砂的临界剪切应力、土壤侵蚀系数等参数均得到改善。Alazigha等[8]对澳大利亚昆士兰州的膨胀土采用木质素磺酸盐进行改性，发现其能够有效改善土的膨胀性和冻融循环性。Ta'negonbadi等[9-10]用木质素磺酸盐改善了高塑性黏土的刚度、无侧限抗压强度和黏聚力。Li等[11]采用木质素磺酸盐改善了粉土的强度、干湿耐久性和冻融耐久性。
目前，我国对木质素改良土相关报道较少，工业副产品的回收、再利用技术明显滞后于发达国家。国内对木质素改性土体的研究多集中于粉土[12-13]和黄土[14-16]，而对于分散性土这一工程危害极大的水敏性特殊土尚无相关报道。另外，综合以上研究发现：①木质素掺量过高会降低土体的强度，但现有研究中并未对此给出合理的解释;②木质素加固土体的机制尚未形成统一定论，对于木质素和土体离子交换作用的解释还处于理论阶段，缺乏相关验证。
因此，综合考虑改善黏土分散性的必要性、现有改良处理技术的局限性、木质素改良加固技术的广阔前景和木质素加固土体机制的不足，本文采用针孔、双比重计、碎块、无侧限抗压强度、压缩、湿化崩解以及模拟降雨冲刷等试验方法，研究木质素磺酸钙掺量和养护龄期对土的分散性、力学性质等工程特性的影响，并探讨其改性机制，以期为木质素磺酸盐在土体改性方面的资源化利用提供一定的理论基础和技术依据。
2试验材料及方法
2.1试验材料
2.1.1土样
本文试验所用原料土取自陕西省杨凌区连霍高速旁某建筑工地，取土深度约4m。在该土样中加入0.16%的Na2CO3进行分散化处理[17]，其基本物理化学性质如表1所示。经针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水阳离子试验和交换性钠离子百分比试验鉴定[18](表2)，土样属于分散性土。
2.1.2木质素磺酸钙
木质素磺酸钙(calciumlignosulfonate)，简称木钙，属高分子聚合物阴离子表面活性剂，通常来自亚硫酸盐法制浆的蒸煮废液，经喷雾干燥而成，具有强黏结性和螯合性，可作分散剂、减水剂和润湿剂等。试验所用木钙为上海麦克林生化科技有限公司生产，外观为棕色粉末状固体，有芳香气味，易溶于水，分子式为C20H24CaO10S2，分子量为528.61，纯度≥96%，水分约为5%，含碳量约为40%，含硫量约为5%，其1.0%水溶液pH值为7.00。
2.2试验方法
称取一定量的分散性土，按照干土质量比0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%加入木钙粉末并搅拌均匀，分层喷洒去离子水至预定含水率，浸润24h后拌合均匀，制备不同规格的试样，并在标准养护条件(相对湿度≥95%，温度20±2℃)下包裹保鲜膜养护至预定龄期后进行试验。
击实试验表明，随掺量的不同，木质素磺酸钙改性土的最优含水率在16.1%～17.3%范围之间波动，最大干密度均为1.77g/cm3。因此，为方便研究，本文试样均采用素土的最优含水率17.3%进行制备。除压缩试验和模拟降雨冲刷试验分别采用0.96和0.90的压实度制备试样外，其余试验均采用1.00的压实度制备试样。
2.2.1分散性鉴定试验
针孔试验、双比重计试验、碎块试验分别按照美国试验与材料协会(AmericanSocietyforTestingandMaterials，简称ASTM)的D4647-20[19]、D4221-18[20]、D6572-20[21]标准进行。双比重计试验用土为无侧限抗压强度试验结束后的中心破碎土样。
2.2.2力学性质试验
主要参照《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)[22]进行。
(1)无侧限抗压强度试验：采用YSH-2型无侧限抗压仪，加载速率为1mm/min，试样直径×高为f50mm×50mm。
(2)压缩试验：采用南京土壤仪器厂生产的GZQ-1型全自动气压固结仪，试样直径×高为f61.8mm×20mm，依次施加12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0kPa的压力，仪器判断稳定的标准为压缩变形速率小于0.01mm/h，判断稳定后仪器将自动施加下一级荷载。
(3)崩解试验：采用文献[23]介绍的“一种可精确测定土体湿化、崩解与分散的试验装置”，测量试样浸水24h的崩解变化情况，湿化崩解试验装置示意图见图1。
(4)模拟降雨冲刷试验：通过对比分散性土与掺量为3.0%的改性土在相同降雨条件下边坡坡面的冲刷侵蚀特性，探究木质素磺酸钙用于分散性土边坡防护的可行性。
试验在中国科学院水土保持研究所人工模拟降雨大厅进行，采用侧喷式降雨，降雨高度为16m，设定雨强为90mm/h，降雨均匀度在80%以上。试验土槽(图2)的长×宽×高为100cm×50cm×16cm，底板每10cm均匀布置直径为2mm的孔，土槽底部装填3cm的沙土层，并在其上覆盖纱布，以模拟天然土体的渗水情况。沙土层上分两层夯填共10cm的试验用土，并在层间刨毛。根据土石坝、路基等实际工程中常见的填挖方边坡坡率[24-25]，将坡率选为1:1.5(33.7º)进行试验。试验降雨时长为2h，在降雨过程中观察两土体坡面形态的变化，间隔2min接一次泥沙水，待泥沙沉淀后弃去上层清水，将泥沙沉淀在105℃烘箱中烘至恒量，测记泥沙干质量，计算土体的累计泥沙量。
2.2.3机制分析试验
无侧限抗压强度试验结束后，将试样中心破碎土样取出，风干备用。称取10g风干土样加入无CO2纯水，制备土水比为1:5的土水悬液，进行酸碱度和电导率试验，试验仪器分别为上海雷磁仪器厂生产的PHS-3C型精密pH计和DDS-11A型电导率仪。参照美国试验与材料协会制定的交换性钠离子百分比试验标准(D7503-18)[26]进行试验。扫描电镜试验同时进行能谱分析，所用试样规格同压缩试验，仪器为美国FEI公司生产的Quanta600FEG场发射扫描电镜。
3改性土分散性试验结果与分析
3.1木钙掺量对改性土分散性的影响
因黏性土的复杂性，不同分散性试验判别结果有一定的差异。从工程安全的角度考虑，本文以针孔试验、双比重计试验和碎块试验3种试验中最不利的结果(即分散性最强)作为最终判别结果。木钙改性土分散性的试验结果见表3，针孔试验和碎块试验的典型照片见图3。由表3可知，3种试验结果和最终判别结果均表明，土样的分散性随木钙掺量的增加呈现出逐渐降低的趋势，土样由分散性土逐渐变为过渡性土，最终变为非分散性土。在3种试验中，3.0%掺量的木钙均表现出良好的改性效果，表明一定掺量的木钙可有效抑制土体产生分散。
3.2养护龄期对改性土分散性的影响
由表3可知，针孔、碎块、双比重计3种试验结果和最终判别结果均表明，随着养护龄期的延长，土样的分散性逐渐降低。养护龄期对木钙改性土的分散性有着显著的影响，如无养护条件下，各掺量土样的综合判别结果均呈分散性;在养护龄期为1d时，木钙掺量为3.0%的改性土的分散性已有显著的改善;在28d龄期时，木钙掺量为2.0%的改性土表现为非分散性土。所以工程实践中应注重对木钙改性土的养护，尤其是在改性初期。
4改性土力学性质试验结果与分析
4.1无侧限抗压强度试验
改性土无侧限抗压强度的试验结果见图4。由图4可知，随着木钙掺量的增加，土体的无侧限抗压强度先上升后下降，当木钙掺量为0.5%时取得极大值。当养护龄期为28d时，素土的抗压强度为241.9kPa，木钙掺量为0.5%的改性土抗压强度为361.9kPa，较素土提升了50%，增幅明显;当木钙掺量超过0.5%，随着掺量的增加，抗压强度逐渐降低，当木钙掺量为3.0%时基本和素土相等。木钙掺量增加后，可能在土体内部产生聚集，使得土颗粒图4改性土无侧限抗压强度Fig.4Unconfinedcompressivestrengthofmodifiedsoil间摩阻力下降，导致强度降低，后文5.5节中结合机制分析试验结果对力学性质降低的原因进行了相关分析。从图4还可看出，随着养护龄期的延长，土体的无侧限抗压强度逐渐增大，但3d后增长缓慢。由此可见，木钙的掺量和养护龄期对改性土的无侧限抗压强度具有一定的影响。
4.2压缩试验
改性土压缩系数a1-2的试验结果见图5。由图5可知，在龄期大于1d且保持不变时，随着木钙掺量的增加，土体的压缩系数a1-2先下降后上升，在0.5%的掺量时取得极小值。在14d养护龄期时，0.5%掺量改性土的压缩系数仅是素土的53%，降幅明显。当掺量超过0.5%，随着木钙掺量的增加，压缩系数逐渐增大，当掺量为4.0%时基本和素土相等。
从图5还可看出，随着养护龄期的延长，改性土压缩系数a1-2逐渐减小。1d龄期时，各改性土的a1-2均较大;在3d龄期时，改性土的a1-2有一定程度降低;7d龄期后，改性土的a1-2降幅明显，说明养护龄期对改性土的压缩特性影响显著。同无侧限抗压强度试验结果一样，木钙的掺量和养护龄期对改性土的压缩系数具有一定的影响。
4.3湿化崩解试验
改性土湿化崩解试验的结果见图6。由图6可看出，随着木钙掺量的增加，改性土崩解速率和最终崩解量均降低。养护龄期超过7d后，木钙掺量为3.0%和4.0%的改性土均不崩解。(a)0d(b)1d(c)3d(d)7d(e)14d(f)28d图6改性土崩解过程曲线Fig.6Disintegrationcurveofmodifiedsoil
另外，从图6(d)～6(f)可看出，龄期达到7d及以上时，木钙掺量为0.5%的改性土崩解曲线近似为一条直线，木钙掺量为1.0%～2.0%的改性土崩解曲线存在曲线突变。原因是随着木钙掺量的增加，土体中的胶结物质逐渐增多，促使土中细小颗粒产生团聚，使土体在浸水后呈块状剥落[16]。从图6中还可看出，随着养护龄期的延长，改性土的崩解速率和最终崩解量均降低。木钙掺量为0.5%的改性土在各个龄期下都完全崩解，而其余掺量的改性土抗崩解性均有不同程度地提高。由此可知，在养护龄期大于1d且保持不变时，随着木钙掺量的增加，改性土的水稳性增强;在木钙掺量大于0.5%且保持不变时，随着养护龄期的延长，改性土的水稳性增强。
4.4模拟降雨冲刷试验
分散性土挡水建筑物内部在渗流水作用下易发生管涌渗透破坏，表面在雨水冲刷作用下易发生冲蚀破坏。目前众多学者针对内部孔蚀侵蚀开展了大量研究，但对危害同样严重的表面侵蚀研究较少。在较为纯净的雨水作用下，分散性土边坡往往更易发生破坏而影响结构物的安全。本文通过模拟人工降雨，研究了分散性土在木钙改性前后的坡面形态与产沙量，降雨累计产沙量如图7所示，坡面形态的变化如图8所示。
由图7可知，降雨初期，经过雨滴溅蚀作用和坡面径流冲刷作用，两土槽表面松散的土颗粒均产生分散流失。分散性土在前期产生分散的情况更为严重，前8min坡面受到雨滴的打击作用，坡面表层大量土颗粒快速崩散流失并堵塞出水孔。因此，经疏导后，8～10min时径流桶内的泥沙含量大幅度增加。随着降雨历时延长，两坡面累计产沙量的斜率均逐渐降低，即产沙速率降低，说明坡面表层较为松散的土颗粒已流失殆尽，下部土体较为密实，不易被雨水冲蚀分散。从图7中可明显发现，降雨结束时，改性土累计产沙量较少，约为分散性土的30%。按照降雨对坡面土体的侵蚀特征，坡面冲刷侵蚀阶段可分为溅蚀、片蚀、沟蚀、坍塌和滑坡[27]。由图8可看出，降雨结束阶段，分散性土坡面表层出现较多凹陷，坡脚受到径流掏蚀而严重破损，坡面处于沟蚀阶段。而木钙改性土表面仍较为完好，基本没有明显的凹陷和破损，尚未到达沟蚀阶段。由此说明，改性土边坡抗雨水侵蚀特性要优于分散性土。因此，木钙可用于分散性土的边坡防护。
5木钙改性分散性土的作用机制
5.1木钙对改性土酸碱度的影响
木钙改性土的酸碱度试验结果见图9。由图9可知，随着木钙掺量的增加，改性土的pH值呈幂函数下降;随着养护龄期的延长，改性土的pH值逐渐下降，但在养护龄期超过3d后，改性土的酸碱度随龄期变化不明显。图9改性土的酸碱度Fig.9pHvalueofmodifiedsoil
酸碱度对土体分散性的影响主要是其改变了黏粒的热力学电位[28]。碱性介质条件下，若酸碱度升高，即OH−慢慢增多，使得黏粒中矿物的等电点pH差值变大，即黏粒热力学电位和电动电位变大，黏土颗粒表面暴露出来的羟基的离解程度增大，导致净负电荷数(SiO−)增加，从而吸附更多的钠离子，使得双电层中的扩散层变厚，也就是结合水膜变厚，增加了颗粒的分散倾向[29]。反之，若酸碱度降低，则会降低颗粒的分散倾向。木钙可降低土体的酸碱度，因此促进土颗粒产生絮凝。
5.2木钙对改性土交换性钠离子百分比的影响
交换性钠离子百分比(exchangeablesodiumpercentage，简称ESP)，是指在一定条件下，土壤能够交换吸附的钠离子总量与土壤所能交换吸附的阳离子总量之比，是判断土壤是否碱化的重要指标。改性土的交换性钠离子百分比试验结果见图10。由图10可知，随着木钙掺量的增加和养护龄期的延长，改性土的ESP逐渐下降;龄期超过3d后，改性土的ESP随龄期变化不明显。
木钙加入分散性土后，为土体引入了大量的Ca2+，从而改变了土体中盐基离子的构成，使得Na+相对含量下降。此外，在相同条件下，Ca2+的交换能力要强于Na+[29]，土体孔隙水溶液中游离的Ca2+会与吸附在土颗粒上的Na+发生离子交换反应，致使在阳离子交换性试验中土体所能释放出的Na+减少，综合作用下促使ESP值呈下降趋势。随着龄期的延长，Ca2+与Na+的离子交换反应进行得更加彻底，使ESP持续下降。但是离子交换反应的时间一般较短，龄期超过3d后，反应进行变缓，所以ESP变化不明显。根据双电层理论，当黏土颗粒表面电荷恒定时，离子浓度越高，离子价数越大，双电层厚度越薄[18]。在土−水−电解质系统中，相较于一价的Na+，二价的Ca2+的双电层厚度和水化半径都要小，絮凝能力更强。因此，木钙的加入可以减小土颗粒的双电层厚度，增大颗粒间的吸引力，促使土颗粒絮凝。
5.3木钙对改性土电导率的影响
电导率可以反映介质中电荷流动的难易程度，不同木钙掺量和养护龄期下土体的电导率结果见图11。由图11可知，随着木钙掺量的增加，土体的电导率值呈现出线性上升的趋势;随着养护龄期的延长，土体的电导率逐渐降低。由此来看，木钙的掺入增大了土体的电导率，意味着改性土孔隙水溶液的离子浓度增大。——论文作者：姬胜戈，王宝仲，杨秀娟，樊恒辉
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