發布時間：2021-06-17所屬分類：農業論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：分散性土屬于一種水敏性土，具有遇水分散流失的特征。通過分散性試驗、力學性質試驗、化學性質試驗、微觀結構試驗及模擬降雨沖刷試驗，研究了木質素磺酸鈣改性分散性土的影響因素及其改性機制。試驗結果表明，隨著木質素磺酸鈣摻量的增加，改性土的分
摘要：分散性土屬于一種水敏性土，具有遇水分散流失的特征。通過分散性試驗、力學性質試驗、化學性質試驗、微觀結構試驗及模擬降雨沖刷試驗，研究了木質素磺酸鈣改性分散性土的影響因素及其改性機制。試驗結果表明，隨著木質素磺酸鈣摻量的增加，改性土的分散性、崩解性和抗沖蝕性均逐漸改善，在摻量達到3.0%時即有著良好的改性效果;無側限抗壓強度先增大后減小，壓縮系數呈先減小后增大的趨勢，均在0.5%摻量時取得極值。隨著養護齡期的延長，改性土的分散性和崩解性逐漸降低，壓縮系數顯著減小，抗壓強度逐漸增大。28d齡期時，0.5%摻量和3.0%摻量改性土的抗壓強度較分散性土分別提升了50%和20%。木質素磺酸鈣主要通過雙電層厚度降低、陽離子橋接、顆粒膠結和疏水基斥水作用來改善分散性土的工程特性，但摻量過高時，木質素磺酸鈣會優先與自身結合并減弱土顆粒間的吸引力，使得土體孔隙率增大、力學性能下降。研究表明，木質素磺酸鈣對分散性土具有良好的改性作用，可顯著改善黏性土的水敏性，提高土體的水穩性和抗沖蝕性。
關鍵詞：分散性土;木質素磺酸鹽;力學性質;改性機制;模擬降雨沖刷
1引言
分散性土是一種在低含鹽量(或純凈)水中，呈團聚存在的顆粒體自行分散成原級土顆粒的水敏性特殊土[1]，其抗水蝕能力差，容易引起大壩、堤防等擋水建筑物的破壞，對水利工程造成了嚴重的潛在威脅。目前對不良土體的改性主要采取石灰、水泥和粉煤灰等材料進行處治，但是這些傳統改性材料有一定的局限性，如嚴重消耗自然資源、過度污染環境、增大土體脆性、影響環境安全[2]等。
木質素是一種存在于大部分植物中的可再生的天然高分子聚合物，每年約有1500億噸的木質素通過植物的光合作用被生產出來[3]。木質素副產品作為造紙行業和生物燃料制取乙醇的工業廢渣常被直接排放到江河或焚燒處理，對環境造成了很大的負面影響。在全球范圍內，工業副產品木質素的行業化利用率不足2%[4]，如何實現工業副產品木質素的資源化利用已成為國內外的研究熱點。
木質素副產品可用于油田開采、水處理、高分子材料、建材助劑等[3]。在土體改性方面，歐美等發達國家較早地開展了相關研究。Ceylan等[5]采用兩種木質素對土體進行改性，一種來源于商業生物質轉化工廠，另一種是乙醇加工廠的副產品，結果發現兩者均能提高低塑限黏土的強度。Indraratna等[6-7]通過試驗驗證和理論計算，發現隨著木質素磺酸鹽用量的增加，粉砂的臨界剪切應力、土壤侵蝕系數等參數均得到改善。Alazigha等[8]對澳大利亞昆士蘭州的膨脹土采用木質素磺酸鹽進行改性，發現其能夠有效改善土的膨脹性和凍融循環性。Ta'negonbadi等[9-10]用木質素磺酸鹽改善了高塑性黏土的剛度、無側限抗壓強度和黏聚力。Li等[11]采用木質素磺酸鹽改善了粉土的強度、干濕耐久性和凍融耐久性。
目前，我國對木質素改良土相關報道較少，工業副產品的回收、再利用技術明顯滯后于發達國家。國內對木質素改性土體的研究多集中于粉土[12-13]和黃土[14-16]，而對于分散性土這一工程危害極大的水敏性特殊土尚無相關報道。另外，綜合以上研究發現：①木質素摻量過高會降低土體的強度，但現有研究中并未對此給出合理的解釋;②木質素加固土體的機制尚未形成統一定論，對于木質素和土體離子交換作用的解釋還處于理論階段，缺乏相關驗證。
因此，綜合考慮改善黏土分散性的必要性、現有改良處理技術的局限性、木質素改良加固技術的廣闊前景和木質素加固土體機制的不足，本文采用針孔、雙比重計、碎塊、無側限抗壓強度、壓縮、濕化崩解以及模擬降雨沖刷等試驗方法，研究木質素磺酸鈣摻量和養護齡期對土的分散性、力學性質等工程特性的影響，并探討其改性機制，以期為木質素磺酸鹽在土體改性方面的資源化利用提供一定的理論基礎和技術依據。
2試驗材料及方法
2.1試驗材料
2.1.1土樣
本文試驗所用原料土取自陜西省楊凌區連霍高速旁某建筑工地，取土深度約4m。在該土樣中加入0.16%的Na2CO3進行分散化處理[17]，其基本物理化學性質如表1所示。經針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗鑒定[18](表2)，土樣屬于分散性土。
2.1.2木質素磺酸鈣
木質素磺酸鈣(calciumlignosulfonate)，簡稱木鈣，屬高分子聚合物陰離子表面活性劑，通常來自亞硫酸鹽法制漿的蒸煮廢液，經噴霧干燥而成，具有強黏結性和螯合性，可作分散劑、減水劑和潤濕劑等。試驗所用木鈣為上海麥克林生化科技有限公司生產，外觀為棕色粉末狀固體，有芳香氣味，易溶于水，分子式為C20H24CaO10S2，分子量為528.61，純度≥96%，水分約為5%，含碳量約為40%，含硫量約為5%，其1.0%水溶液pH值為7.00。
2.2試驗方法
稱取一定量的分散性土，按照干土質量比0.5%、1.0%、2.0%、3.0%和4.0%加入木鈣粉末并攪拌均勻，分層噴灑去離子水至預定含水率，浸潤24h后拌合均勻，制備不同規格的試樣，并在標準養護條件(相對濕度≥95%，溫度20±2℃)下包裹保鮮膜養護至預定齡期后進行試驗。
擊實試驗表明，隨摻量的不同，木質素磺酸鈣改性土的最優含水率在16.1%～17.3%范圍之間波動，最大干密度均為1.77g/cm3。因此，為方便研究，本文試樣均采用素土的最優含水率17.3%進行制備。除壓縮試驗和模擬降雨沖刷試驗分別采用0.96和0.90的壓實度制備試樣外，其余試驗均采用1.00的壓實度制備試樣。
2.2.1分散性鑒定試驗
針孔試驗、雙比重計試驗、碎塊試驗分別按照美國試驗與材料協會(AmericanSocietyforTestingandMaterials，簡稱ASTM)的D4647-20[19]、D4221-18[20]、D6572-20[21]標準進行。雙比重計試驗用土為無側限抗壓強度試驗結束后的中心破碎土樣。
2.2.2力學性質試驗
主要參照《土工試驗方法標準》(GB/T50123-2019)[22]進行。
(1)無側限抗壓強度試驗：采用YSH-2型無側限抗壓儀，加載速率為1mm/min，試樣直徑×高為f50mm×50mm。
(2)壓縮試驗：采用南京土壤儀器廠生產的GZQ-1型全自動氣壓固結儀，試樣直徑×高為f61.8mm×20mm，依次施加12.5、25.0、50.0、100.0、200.0、400.0kPa的壓力，儀器判斷穩定的標準為壓縮變形速率小于0.01mm/h，判斷穩定后儀器將自動施加下一級荷載。
(3)崩解試驗：采用文獻[23]介紹的“一種可精確測定土體濕化、崩解與分散的試驗裝置”，測量試樣浸水24h的崩解變化情況，濕化崩解試驗裝置示意圖見圖1。
(4)模擬降雨沖刷試驗：通過對比分散性土與摻量為3.0%的改性土在相同降雨條件下邊坡坡面的沖刷侵蝕特性，探究木質素磺酸鈣用于分散性土邊坡防護的可行性。
試驗在中國科學院水土保持研究所人工模擬降雨大廳進行，采用側噴式降雨，降雨高度為16m，設定雨強為90mm/h，降雨均勻度在80%以上。試驗土槽(圖2)的長×寬×高為100cm×50cm×16cm，底板每10cm均勻布置直徑為2mm的孔，土槽底部裝填3cm的沙土層，并在其上覆蓋紗布，以模擬天然土體的滲水情況。沙土層上分兩層夯填共10cm的試驗用土，并在層間刨毛。根據土石壩、路基等實際工程中常見的填挖方邊坡坡率[24-25]，將坡率選為1:1.5(33.7º)進行試驗。試驗降雨時長為2h，在降雨過程中觀察兩土體坡面形態的變化，間隔2min接一次泥沙水，待泥沙沉淀后棄去上層清水，將泥沙沉淀在105℃烘箱中烘至恒量，測記泥沙干質量，計算土體的累計泥沙量。
2.2.3機制分析試驗
無側限抗壓強度試驗結束后，將試樣中心破碎土樣取出，風干備用。稱取10g風干土樣加入無CO2純水，制備土水比為1:5的土水懸液，進行酸堿度和電導率試驗，試驗儀器分別為上海雷磁儀器廠生產的PHS-3C型精密pH計和DDS-11A型電導率儀。參照美國試驗與材料協會制定的交換性鈉離子百分比試驗標準(D7503-18)[26]進行試驗。掃描電鏡試驗同時進行能譜分析，所用試樣規格同壓縮試驗，儀器為美國FEI公司生產的Quanta600FEG場發射掃描電鏡。
3改性土分散性試驗結果與分析
3.1木鈣摻量對改性土分散性的影響
因黏性土的復雜性，不同分散性試驗判別結果有一定的差異。從工程安全的角度考慮，本文以針孔試驗、雙比重計試驗和碎塊試驗3種試驗中最不利的結果(即分散性最強)作為最終判別結果。木鈣改性土分散性的試驗結果見表3，針孔試驗和碎塊試驗的典型照片見圖3。由表3可知，3種試驗結果和最終判別結果均表明，土樣的分散性隨木鈣摻量的增加呈現出逐漸降低的趨勢，土樣由分散性土逐漸變為過渡性土，最終變為非分散性土。在3種試驗中，3.0%摻量的木鈣均表現出良好的改性效果，表明一定摻量的木鈣可有效抑制土體產生分散。
3.2養護齡期對改性土分散性的影響
由表3可知，針孔、碎塊、雙比重計3種試驗結果和最終判別結果均表明，隨著養護齡期的延長，土樣的分散性逐漸降低。養護齡期對木鈣改性土的分散性有著顯著的影響，如無養護條件下，各摻量土樣的綜合判別結果均呈分散性;在養護齡期為1d時，木鈣摻量為3.0%的改性土的分散性已有顯著的改善;在28d齡期時，木鈣摻量為2.0%的改性土表現為非分散性土。所以工程實踐中應注重對木鈣改性土的養護，尤其是在改性初期。
4改性土力學性質試驗結果與分析
4.1無側限抗壓強度試驗
改性土無側限抗壓強度的試驗結果見圖4。由圖4可知，隨著木鈣摻量的增加，土體的無側限抗壓強度先上升后下降，當木鈣摻量為0.5%時取得極大值。當養護齡期為28d時，素土的抗壓強度為241.9kPa，木鈣摻量為0.5%的改性土抗壓強度為361.9kPa，較素土提升了50%，增幅明顯;當木鈣摻量超過0.5%，隨著摻量的增加，抗壓強度逐漸降低，當木鈣摻量為3.0%時基本和素土相等。木鈣摻量增加后，可能在土體內部產生聚集，使得土顆粒圖4改性土無側限抗壓強度Fig.4Unconfinedcompressivestrengthofmodifiedsoil間摩阻力下降，導致強度降低，后文5.5節中結合機制分析試驗結果對力學性質降低的原因進行了相關分析。從圖4還可看出，隨著養護齡期的延長，土體的無側限抗壓強度逐漸增大，但3d后增長緩慢。由此可見，木鈣的摻量和養護齡期對改性土的無側限抗壓強度具有一定的影響。
4.2壓縮試驗
改性土壓縮系數a1-2的試驗結果見圖5。由圖5可知，在齡期大于1d且保持不變時，隨著木鈣摻量的增加，土體的壓縮系數a1-2先下降后上升，在0.5%的摻量時取得極小值。在14d養護齡期時，0.5%摻量改性土的壓縮系數僅是素土的53%，降幅明顯。當摻量超過0.5%，隨著木鈣摻量的增加，壓縮系數逐漸增大，當摻量為4.0%時基本和素土相等。
從圖5還可看出，隨著養護齡期的延長，改性土壓縮系數a1-2逐漸減小。1d齡期時，各改性土的a1-2均較大;在3d齡期時，改性土的a1-2有一定程度降低;7d齡期后，改性土的a1-2降幅明顯，說明養護齡期對改性土的壓縮特性影響顯著。同無側限抗壓強度試驗結果一樣，木鈣的摻量和養護齡期對改性土的壓縮系數具有一定的影響。
4.3濕化崩解試驗
改性土濕化崩解試驗的結果見圖6。由圖6可看出，隨著木鈣摻量的增加，改性土崩解速率和最終崩解量均降低。養護齡期超過7d后，木鈣摻量為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圖6改性土崩解過程曲線Fig.6Disintegrationcurveofmodifiedsoil
另外，從圖6(d)～6(f)可看出，齡期達到7d及以上時，木鈣摻量為0.5%的改性土崩解曲線近似為一條直線，木鈣摻量為1.0%～2.0%的改性土崩解曲線存在曲線突變。原因是隨著木鈣摻量的增加，土體中的膠結物質逐漸增多，促使土中細小顆粒產生團聚，使土體在浸水后呈塊狀剝落[16]。從圖6中還可看出，隨著養護齡期的延長，改性土的崩解速率和最終崩解量均降低。木鈣摻量為0.5%的改性土在各個齡期下都完全崩解，而其余摻量的改性土抗崩解性均有不同程度地提高。由此可知，在養護齡期大于1d且保持不變時，隨著木鈣摻量的增加，改性土的水穩性增強;在木鈣摻量大于0.5%且保持不變時，隨著養護齡期的延長，改性土的水穩性增強。
4.4模擬降雨沖刷試驗
分散性土擋水建筑物內部在滲流水作用下易發生管涌滲透破壞，表面在雨水沖刷作用下易發生沖蝕破壞。目前眾多學者針對內部孔蝕侵蝕開展了大量研究，但對危害同樣嚴重的表面侵蝕研究較少。在較為純凈的雨水作用下，分散性土邊坡往往更易發生破壞而影響結構物的安全。本文通過模擬人工降雨，研究了分散性土在木鈣改性前后的坡面形態與產沙量，降雨累計產沙量如圖7所示，坡面形態的變化如圖8所示。
由圖7可知，降雨初期，經過雨滴濺蝕作用和坡面徑流沖刷作用，兩土槽表面松散的土顆粒均產生分散流失。分散性土在前期產生分散的情況更為嚴重，前8min坡面受到雨滴的打擊作用，坡面表層大量土顆�？焖俦郎⒘魇Р⒍氯鏊�。因此，經疏導后，8～10min時徑流桶內的泥沙含量大幅度增加。隨著降雨歷時延長，兩坡面累計產沙量的斜率均逐漸降低，即產沙速率降低，說明坡面表層較為松散的土顆粒已流失殆盡，下部土體較為密實，不易被雨水沖蝕分散。從圖7中可明顯發現，降雨結束時，改性土累計產沙量較少，約為分散性土的30%。按照降雨對坡面土體的侵蝕特征，坡面沖刷侵蝕階段可分為濺蝕、片蝕、溝蝕、坍塌和滑坡[27]。由圖8可看出，降雨結束階段，分散性土坡面表層出現較多凹陷，坡腳受到徑流掏蝕而嚴重破損，坡面處于溝蝕階段。而木鈣改性土表面仍較為完好，基本沒有明顯的凹陷和破損，尚未到達溝蝕階段。由此說明，改性土邊坡抗雨水侵蝕特性要優于分散性土。因此，木鈣可用于分散性土的邊坡防護。
5木鈣改性分散性土的作用機制
5.1木鈣對改性土酸堿度的影響
木鈣改性土的酸堿度試驗結果見圖9。由圖9可知，隨著木鈣摻量的增加，改性土的pH值呈冪函數下降;隨著養護齡期的延長，改性土的pH值逐漸下降，但在養護齡期超過3d后，改性土的酸堿度隨齡期變化不明顯。圖9改性土的酸堿度Fig.9pHvalueofmodifiedsoil
酸堿度對土體分散性的影響主要是其改變了黏粒的熱力學電位[28]。堿性介質條件下，若酸堿度升高，即OH−慢慢增多，使得黏粒中礦物的等電點pH差值變大，即黏粒熱力學電位和電動電位變大，黏土顆粒表面暴露出來的羥基的離解程度增大，導致凈負電荷數(SiO−)增加，從而吸附更多的鈉離子，使得雙電層中的擴散層變厚，也就是結合水膜變厚，增加了顆粒的分散傾向[29]。反之，若酸堿度降低，則會降低顆粒的分散傾向。木鈣可降低土體的酸堿度，因此促進土顆粒產生絮凝。
5.2木鈣對改性土交換性鈉離子百分比的影響
交換性鈉離子百分比(exchangeablesodiumpercentage，簡稱ESP)，是指在一定條件下，土壤能夠交換吸附的鈉離子總量與土壤所能交換吸附的陽離子總量之比，是判斷土壤是否堿化的重要指標。改性土的交換性鈉離子百分比試驗結果見圖10。由圖10可知，隨著木鈣摻量的增加和養護齡期的延長，改性土的ESP逐漸下降;齡期超過3d后，改性土的ESP隨齡期變化不明顯。
木鈣加入分散性土后，為土體引入了大量的Ca2+，從而改變了土體中鹽基離子的構成，使得Na+相對含量下降。此外，在相同條件下，Ca2+的交換能力要強于Na+[29]，土體孔隙水溶液中游離的Ca2+會與吸附在土顆粒上的Na+發生離子交換反應，致使在陽離子交換性試驗中土體所能釋放出的Na+減少，綜合作用下促使ESP值呈下降趨勢。隨著齡期的延長，Ca2+與Na+的離子交換反應進行得更加徹底，使ESP持續下降。但是離子交換反應的時間一般較短，齡期超過3d后，反應進行變緩，所以ESP變化不明顯。根據雙電層理論，當黏土顆粒表面電荷恒定時，離子濃度越高，離子價數越大，雙電層厚度越薄[18]。在土−水−電解質系統中，相較于一價的Na+，二價的Ca2+的雙電層厚度和水化半徑都要小，絮凝能力更強。因此，木鈣的加入可以減小土顆粒的雙電層厚度，增大顆粒間的吸引力，促使土顆粒絮凝。
5.3木鈣對改性土電導率的影響
電導率可以反映介質中電荷流動的難易程度，不同木鈣摻量和養護齡期下土體的電導率結果見圖11。由圖11可知，隨著木鈣摻量的增加，土體的電導率值呈現出線性上升的趨勢;隨著養護齡期的延長，土體的電導率逐漸降低。由此來看，木鈣的摻入增大了土體的電導率，意味著改性土孔隙水溶液的離子濃度增大。——論文作者：姬勝戈，王寶仲，楊秀娟，樊恒輝
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