木质素磺酸盐+聚丙烯纤维路基分散性土性能复合改良研究

2022-08-04李剑波庄宝利

公路工程 2022年3期

卢永,李剑波，庄宝利,苏龙,吴腾

(1.湖南联智科技股份有限公司,湖南长沙 410203；2.湖南省交通科学研究院有限公司,湖南长沙 410015)

1 概述

随分散性土是一类土颗粒极易分散黏性土的统称，往往含有较多的钠离子，由于钠离子半径较大，致使黏土双电层厚度增加，土颗粒间吸引力减小，遇水后土颗粒容易由团聚状转变为松散状，宏观上表现为受水浸泡或冲刷而造成的渐进式侵蚀。在公路建设中若贸然采用分散性土进行路基填筑，尽管在干燥状态下路基可保持较好的服役状态，但在雨季由于松散土颗粒的流失，路基刚度和强度迅速衰减，易出现不均匀沉降而引起路面开裂，严重时甚至导致路基失稳垮塌[1]。

目前，对分散性土进行处治常规固化剂包括石灰[2]、水泥[2]、火山灰[3]等和复合无机材料[4-5]。虽然这些材料可以有效降低分散性，但也存在一定的缺点，如水泥、石灰土等大多呈强碱性，使用过多将形成碱性环境，对周围土体、地下水和植物生长等均产生威胁。木质素磺酸盐为一种木质素基有机聚合物，在自然界中的存在十分丰富，我国每年大约有5 000万t的木质素副产品从造纸业产出[6]。与传统固化剂不同的是，木质素磺酸盐不仅可以有效提升分散性土的延性，延缓张拉开裂，而且绿色、环保[7]。TA’NEGONBADI[8]等发现随着木质素磺酸盐的加入，黏土颗粒间的静电反应使土的刚度和无侧限抗压强度(UCS)增加。SEZER[9]指出木质素磺酸盐还可以提高土的水稳性，并降低土的渗透系数。贺智强[10]等发现适当加入木质素磺酸盐可有效降低土的崩解性和渗透系数，但掺量不宜过大。刘钊钊[11]认为随着木质素掺量的增加，土的平均孔隙面积、表观孔隙比和平均形状系数等指标都呈先降后增趋势，对于分散性较强的黄土，木质素的最优掺量大约为2%。

现有一系列研究成果表明，掺入木质素磺酸盐对降低土的分散性比较有效，但对力学性质的改善并不明显，甚至还会降低刚度或强度等指标，因此往往还需要配合水泥、石灰等材料使用。聚丙烯纤维是一种无毒无害、极耐腐蚀的纤维材料，由于其对土颗粒的嵌固作用，近年来多应用于膨胀土改良[12-13]，但其在分散性土改良方面的相关报道较少，尤其鲜见其与木质素进行分散性土复合改良的研究。本文针对某公路路基分散性土，尝试以木质素磺酸盐+聚丙烯纤维作为复合改良材料，开展一系列关于改良土的针孔试验、UCS试验、抗剪强度试验，分析改良配比对最终流量、UCS等指标的影响，获取合理的复合改良方案，旨在为复合改良的应用推广提供试验支撑。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

试验用的素土来自湖南省某公路路基现场，根据现场勘查经验和周边工程类比，可将该土初步判定为分散性土。取土后开展了常规土工试验，获取其基本物理力学性质如下：砂粒含量6%，粉粒含量48%，黏粒含量46%，最优含水率19.4%，最大干密度1.75 g/cm2，液限34%，塑性指数18%，USCS分类为CL。并利用X射线荧光(XRF)分析其主要化学成分的质量占比为：SiO241.60%，Al2O311.99%，CaO 13.49%，Fe2O37.25%，MgO 4.70%，K2O 2.67%，Na2O 1.12%，P2O51.28%，LOI 15.3%。

试验用改良剂为木质素磺酸钠，属于木质素磺酸盐(LS)的一类，无毒、无腐蚀性，成本较低，为1 000～1 200元/t，见图1(a)。木质素磺酸钠粉末为棕黄色，pH为4，易溶于水，主要元素为碳C、氧O、硫S和钠Na。试验用聚丙烯纤维(PF)选用了12 mm长的透明纤维，成本约4 000元/t[见图1(b)]，其基本参数如下：比重0.91 g/cm3，平均直径0.032 mm，平均长度12 mm，抗拉强度350 MPa，弹性模量3 200 MPa，熔点165 ℃，燃点580 ℃，耐酸碱性强。

(a)木质素磺酸钠(LS)

本次试验配置了3种类型的改良土，即只含有LS、只含有PF和含有LS+PF。配置只含有LS的改良土时，LS以1%、1.5%、2%的比例加入分散性土中，并掺入适量的水以保障改良土大致处于最优含水率状态，然后按照试验要求制成模型，并在密封塑料袋中进行定期的恒湿状态养护。配置只含有PF的改良土时，将PF按0.35%、0.7%和1.4%的比例掺入分散性土中，均匀拌和，制模和养护同上。配置含有LS+PF的改良土时，首先在土中按0.35%、0.7%和1.4%的比例掺入PF，然后掺入2%的LS，制模和养护同上。通过击实试验得出的各改良土最优含水率和最大干密度如图2所示，可以看出，改良后土的最优含水率普遍有所提高，而最大干密度的变化缺少规律性。

图2 不同改良土的最优含水率和最大干密度

对2%LS+0.35%PF复合改良土(7 d养护)的XRD测试如图3所示，可以看出原土中矿物主要为方解石、磁铁矿、沸石和氧化铝。进行改良后，改良土的主要矿物成分并没有显著变化，但是含量有所改变，改良后主要矿物的XRD分析谱峰位更加明显。

(a) 改良土元素分析位置

2.2 试验方法

2.2.1针孔试验

针孔试验被认为是最可靠的判别土分散性的方法，本文参考了文献[14]的方法来开展试验，圆柱体试样的直径×高度为40 mm×38.1 mm，用针孔贯通试样，本文试验采用的水头高度分别为50、180、1 020 mm，对试样进行渗流冲蚀，根据表1进行的土分散性判别和分组。其中，原土被划分为D1组，反映出了最强烈的分散性，验证了现场将其初步判定为分散性土的正确性。

表1 针孔试验判别准则[15]Table 1 Criteria for pinhole test[15]土样类型作用水头/mm在某一水头下持续时间/s最终流量/(mL·s-1)渗流冲蚀终止时水流的颜色侧视顶视孔径大小/mm分组分散性土503001.0～1.4浑浊很浑浊≥2.0D1506001.0～1.4很浑浊浑浊>1.5D2过渡性土506000.8～1.0轻微浑浊较浑浊≤1.5I11803001.4～2.7肉眼可见轻微浑浊≥1.5I2非分散性土1 020300≤3.0完全清澈清澈1ND1

2.2.2UCS和抗剪强度试验

无侧限抗压强度(UCS)是表征改良土强度特性的一项重要指标，本文参照文献[15]的方法开展试验，当存在峰值应力时选取其作为UCS，无峰应力时选取对应轴向应变为15%时的应力值，每个工况下开展3次平行试验。

抗剪强度试验参照文献[15]的方法进行，仪器为三轴试验仪，试样为圆柱体(7 d养护)，直径约40 mm，高度约80 mm，压实度为93%。围压设置为20、40、80 kPa，固结排水剪切速率为0.01 mm/min。

3 试验结果分析

3.1 针孔试验

图4显示了针孔试验中不同水头高度下原土和改良土最终流量的变化情况，养护时间统一为7 d。总体来看，在单独添加LS后，土的最终流量有了显著下降，而且LS添加量越大，土的抗侵蚀能力就越强，但这并不能完全消除土的分散性，例如在50 mm水头下，LS添加量为1.0%、1.5%、2.0%时，最终流量分别为3.01、2.831、2.29 mL/s，根据表1可知全部属于分散性土。单独掺入PF聚丙烯纤维同样不能完全消除土的分散性，例如在50 mm水头下，PF添加量为0.35%、0.7%、1.4%时，最终流量分别为1.35、1.31、0.83 mL/s，根据表1可知它们分别属于分散性土、非分散性土和过渡性土。由此可见，针孔试验判定单一的改良剂都不能将原土改良成为非分散性土。根据表1，在所有改良土中，只有复合改良配比为2%LS+0.35%PF、2%LS+0.70%PF、2%LS+1.4%PF改良土的最终流量达到了非分散性土的要求，从而显示了进行复合改良的必要性。

图4 不同改良技术下最终流量的变化

对于木质素磺酸盐改良而言，土分散度减小是由于静电、絮凝和凝聚等作用使土颗粒形成了颗粒簇和团聚体，因而更加稳定。而对于纤维改良而言，分散度降低是因为纤维与土颗粒之间形成强烈的摩擦和附着，抑制了土中拉裂缝的形成，从而延缓了土的侵蚀作用[12]。将上述两者复合使用时，木质素磺酸盐又可作为一种化学黏结剂，进一步增强纤维与土颗粒之间的胶结作用。

3.2 针孔试验

图5显示了UCS试验中不同养护时间下原土和改良土UCS的变化情况。可以看出，对于所有的改良土，养护时间越长，UCS越高。相对于原土，LS的添加有助于强度增加，但是当LS的添加量由1%增加到2%时，UCS却有所下降，例如，前者UCS在养护7 d后为0.42 MPa，养护28 d后为0.73 MPa，后者养护7 d后UCS为0.32 MPa，养护28 d后UCS为0.53 MPa。随着LS的增加，UCS降低的原因是LS的强度低于土颗粒，如果土孔隙中填充了较多LS，宏观的UCS会下降。然而，根据前述研究，1%的LS用量并不足以消除分散性，而采用2%LS才可以使土成为非分散性土，因此单独采用LS会面临分散度降低与UCS保持矛盾。

此外，PF添加对于UCS增强的效果是非常明显的。仅在1 d养护下，掺入0.35%、0.7%、1.4%PF分别使土的强度增大至原土的3.4、3.95和4.86倍，因此PF可以短时间内快速提高分散性土的UCS。在1.4%的高PF添加量下，土的UCS在养护3、7、28 d后增长至原土的9.5倍、11.17倍和29.87倍，而对于低纤维添加量(0.35%)的改良土，UCS随养护时间的变化可以忽略。PF虽然显著地提高了力学性能，根据前述研究在消除土的分散性和抗侵蚀方面却并不理想。对于改良土而言，抗侵蚀性和强度都是重要的考虑因素，以上试验进一步验证了LS与PF复合使用的必要性。根据图5，养护1 d后，复合改良土(2%LS+0.35%PF)的UCS会增加96%，养护3 d后增加242%，养护7 d后增加639%，养护28 d后增加2 541%。

定义R为复合改良土UCS与2%LS改良土UCS的比值。图6显示了R与PF掺入量的关系。可以看出，当PF添加量从0.35%上升到1.4%时，在各个养护周期下，UCS反而减少，这可能归因于纤维起了“润滑”作用，有助于土颗粒之间的相对移动，因此复合改良时过量的纤维反而对UCS产生了不利影响，可以看出0.35%添加量是纤维有助于提升UCS的临界点。

图6 不同纤维含量下的R值

3.3 抗剪强度分析

根据针孔试验，2%LS+0.35%PF、2%LS+0.70%PF、2%LS+1.4%PF改良土最终流量达到了非分散性土的要求，进一步针对上述改良土和素土开展抗剪强度试验，得到偏应力-轴向应变关系曲线如图7所示。令qult为曲线趋于稳定时的终值偏应力，可以看出，qult总体上随围压的增加而上升。当围压为20、40 kPa时，改良土的qult与素土的差别明显，但围压增至60 kPa时，两者趋于一致。

(a) 围压=20 kPa

图8为复合改良对土体临界状态抗剪强度的影响。

(a) 抗剪强度试验结果

图8(a)为固结排水抗剪强度试验中，素土和2%LS+0.35%PF改良土qult与平均有效正应力p′的关系。通过回归分析可得：

qult=

(1)

结合图8(a)和式(1)可以看出，复合改良对土的临界状态线(CSL)斜率几乎没有影响，但会使CSL向左平移，从而在纵轴上产生截距，如前所述，这是复合改良产生的胶结作用所致。这说明木质素磺酸盐+聚丙烯纤维复合改良主要是改善土的黏聚力，对于内摩擦角则影响较小。以DAFALIES提出的边界面模型为例，图8(b)为木质素磺酸盐+聚丙烯纤维复合改良土的屈服轨迹示意图，图中M、c别为CSL的斜率和截距。改良土和素土的CSL相互平行，前者的屈服面由于改良后胶结作用的影响，在后者屈服面的基础上有所扩大，体现出改良土更难发生屈服。