冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0162

摘要/Abstract

摘要：

木质素磺酸钙作为一种绿色环保的改良材料，近年来被应用于土体加固领域。为探究木质素磺酸钙对黄土的固化效果，通过开展侧限浸水压缩试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、扫描电镜试验和X射线衍射试验，分析冻融循环次数、掺量和围压对木质素磺酸钙改良黄土力学性质和微观机理的影响规律。研究结果表明：掺入木质素磺酸钙，可有效消除黄土的湿陷性。此外，改良黄土的应力-应变曲线随木质素磺酸钙掺量的增加向一般硬化型转变，而随着冻融循环次数的增加，应力-应变曲线向弱硬化型转变。改良黄土的破坏强度随木质素磺酸钙掺量的增加呈先增大后减小的趋势，木质素磺酸钙掺量为1%时破坏强度最高，各掺量改良黄土随冻融循环次数的增加先减小后趋于稳定，同时抗剪强度指标呈现下降的趋势。通过扫描电镜试验和X射线衍射试验，发现改良黄土内部有胶结物生成并填充了土颗粒间的孔隙，使土体密实度提高，进而提高土体强度；而冻融作用导致土颗粒的接触方式由面-面接触向点-点、点-面接触过渡。此外，木质素磺酸钙改良黄土中未发现有新的矿物成分生成，且冻融作用未造成土体矿物成分的消解。

关键词: 黄土, 木质素磺酸钙, 冻融循环, 抗剪强度, 微观机理

Abstract:

Calcium lignosulfonate， as an environmentally-friendly improved material， has been applied to the field of soil reinforcement in recent years. In order to explore the solidification effect of calcium lignosulfonate on loess， indoor tests such as confined immersion compression test， freeze-thaw cycle test， unconsolidated undrained triaxial shear test， scanning electron microscope test and X-ray diffraction test were carried out to analyze the effects of freeze-thaw cycle times， content and confining pressure on the mechanical properties and microscopic mechanism of calcium lignosulfonate improved loess. The results show that： adding calcium lignosulfonate can effectively eliminate the collapsibility of loess. In addition， with the increase of calcium lignosulfonate content， the stress-strain curve of improved loess changes to general hardening type， while with the increase of freeze-thaw cycles， the stress-strain curve changes to weak hardening type. The failure strength of improved loess increases first and then decreases with the increase of calcium lignosulfonate content， and the failure strength is the highest when the calcium lignosulfonate content is 1%. With the increase of freeze-thaw cycles， the failure strength of improved loess decreases first and then tends to be stable， while the shear strength index shows a downward trend. Through scanning electron microscope test and X-ray diffraction test， it is found that cement is formed in the improved loess and fills the pores among soil particles， which improves the compactness of the soil and the strength of the soil. However， the freezing and thawing effect causes the contact mode of soil particles to change from surface-to-surface contact to point-to-point contact and point-to-surface contact. In addition， no new mineral components were found in the loess improved by calcium lignosulfonate， and the freezing and thawing did not cause the dissolution of mineral components in the soil.

Key words: loess, calcium lignosulfonate, freeze-thaw cycle, shear strength, microscopic mechanism

中图分类号:

P642.14

黄雨灵, 张吾渝, 季港澳, 解邦龙, 董超凡. 冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1863-1874.

Yuling HUANG, Wuyu ZHANG, Gang’ao JI, Banglong XIE, Chaofan DONG. Experimental study on mechanical properties of calcium lignosulfonate modified loess under freeze-thaw cycle[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2022, 44(6): 1863-1874.

图/表 19

表1

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

图9

图10

图11

图12

图13

图14

图15

图16

图17

图18

参考文献 28

1	Jiang Tingda. Lignin［M］. 2nd ed. Beijing： Chemical Industry Press， 2018： 1-3.
	蒋挺大. 木质素［M］. 2版. 北京：化学工业出版社， 2008： 1-3.
2	Zhang Wuyu. Loess engineering［M］. Beijing： China Building Materials Press， 2018：1-6.
	张吾渝. 黄土工程［M］. 北京：中国建材工业出版社， 2018： 1-6.
3	Hu Zaiqiang， Liang Zhichao， Wu Chuanyi， et al. Experimental study on mechanical properties of lime modified loess under freeze-thaw cycle［J］. China Civil Engineering Journal， 2019， 52（）： 211-217.
	胡再强，梁志超，吴传意，等. 冻融循环作用下石灰改性黄土的力学特性试验研究［J］. 土木工程学报， 2019， 52（）： 211-217.
4	Cui Honghuan， Pei Guolu， Yao Shijun， et al. Experimental study of mechanical properties of cement soil of different curing time subjected to freezing-thawing cycles［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2018， 40（1）： 110-115.
	崔宏环，裴国陆，姚世军，等. 不同养生龄期下水泥土经冻融循环后力学性能试验探究［J］. 冰川冻土， 2018， 40（1）： 110-115.
5	Wang Tianliang， Liu Jiankun， Tian Yahu， et al. Static properties of cement- and lime-modified soil subjected to freeze-thaw cycles［J］. Rock and Soil Mechanics， 2011， 32（1）： 193-198.
	王天亮，刘建坤，田亚护. 冻融作用下水泥及石灰改良土静力特性研究［J］. 岩土力学， 2011， 32（1）： 193-198.
6	Zhang Wuyu， Guo Anbang， LinChen. Effects of Cyclic Freeze and Thaw on Engineering Properties of Compacted Loess and Lime-Stabilized Loess ［J］. Journal of Materials in Civil Engineering， 2019， 31（9）： 04019205.1-04019205.12.
7	Santoni R， Tingle J， Webster S. Stabilization of silty sand with nontraditional additives［J］. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board， 2002， 1787： 61-70.
8	Tingle J， Santoni R. Stabilization of clay soils with nontraditional additives［J］. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board， 2003， 1819： 72-84.
9	Indraratna B， Muttuvel T， Khabbaz H. Modelling the erosion rate of chemically stabilized soil incorporating tensile force-deformation characteristics［J］. Canadian Geotechnical Journal， 2009， 46（1）： 57-68.
10	Ceylan H， Gopalakrishnan K， Kim S. Soil stabilization with bioenergy coproduct［J］. Transportation Research Record： Journal of the Transportation Research Board， 2010， 2186（1）： 130-137.
11	Hou Xin， Ma Wei， Li Guoyu， et al. Influence of lignosulfonate on mechanical properties of Lanzhou loess［J］. Rock and Soil Mechanics， 2017， 38（）： 18-26.
	侯鑫，马巍，李国玉，等. 木质素磺酸盐对兰州黄土力学性质的影响［J］. 岩土力学， 2017， 38（）： 18-26.
12	He Zhiqiang， Fan henghui， Wang Junqiang， et al. Experimental study of engineering properties of loess reinforced by lignosulfonate［J］. Rock and Soil Mechanics， 2017， 38（3）： 731-739.
	贺智强，樊恒辉，王军强，等. 木质素加固黄土的工程性能试验研究［J］. 岩土力学， 2017， 38（3）： 731-739.
13	Liu Songyu， Zhang tao， Cai Guojun. Research on teachnology and engineering application of silt subgrade solidified by lignin-based industrial by-product［J］. China Journal of Highway and Transport， 2018， 31（3）： 1-11.
	刘松玉，张涛，蔡国军. 工业废弃木质素固化改良粉土路基技术与应用研究［J］. 中国公路学报， 2018， 31（3）： 1-11.
14	Zhang Jianwei， Kang Feixiang， Bian Hanliang， et al. Experiments on unconfined compressive strength of lignin modified silt in Yellow River flood area under freezing-thawing cycles［J］. Rock and Soil Mechanics， 2020， 41（）： 1-6.
	张建伟，亢飞翔，边汉亮，等. 冻融循环下木质素改良黄泛区粉土无侧限抗压强度试验研究［J］. 岩土力学， 2020， 41（）： 1-6.
15	Liu Zhaozhao， Wang Qian， Zhong Xiumei， et al. Water holding capacity and water stability of lignin-modified loess［J］. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2020， 39（12）： 2582-2892.
	刘钊钊，王谦，钟秀梅，等. 木质素改良黄土的持水性和水稳性［J］. 岩石力学与工程学报， 2020， 39（12）： 2582-2592.
16	Ji Shengge， Wang Baozhong， Yang Xiujuan， et al. Experimental study of dispersive clay modified by calcium lignosulfonate［J］. Rock and Soil Mechanics， 2021， 42（9）： 2405-2415.
	姬胜戈，王宝仲，杨秀娟，等. 木质素磺酸钙改性分散性土的试验研究［J］. 岩土力学， 2021， 42（9）： 2405-2415.
17	Zhang Tao， Cai Guojun， Liu Songyu， et al. Research on stabilization microcosmic mechanism of lignin based industrial by-product treated subgrade silt［J］. Rock and Soil Mechanics， 2016， 37（6）： 1665-1672.
	张涛，蔡国军，刘松玉，等. 工业副产品木质素改良路基粉土的微观机制研究［J］. 岩土力学， 2016， 37（6）： 1665-1672.
18	Liu Zhaozhao. Mechanical properties and reinforcement mechanism of lignin-modified loess［D］. Lanzhou： Lanzhou University， 2020： 16.
	刘钊钊. 木质素改良黄土力学特性及加固机理研究［D］. 兰州：兰州大学， 2020： 16.
19	Liu J， Chang D， Yu Q. Influence of freeze-thaw cycles on mechanical properties of a silty sand［J］. Engineering Geology， 2016， 210： 23-32.
20	Wang Tianliang. Study on dynamic and static properties of cement and lime modified fillings subjected to freezing and thawing［D］. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2011： 55.
	王天亮. 冻融条件下水泥及右灰路基改良土的动静力特性研究［D］. 北京：北京交通大学， 2011： 55.
21	Hu Tianfei， Liu Jiankun， Fang jianhong， et al. Experimental study on the effect of cyclic freezing-thawing on mechanical properties of silty clay with different degrees of compaction［J］. Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2017， 36（6）： 1495-1503.
	胡田飞，刘建坤，房建宏，等. 冻融循环下压实度对粉质黏土力学性质影响的试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2017， 36（6）： 1495-1503.
22	Hu Tianfei， Liu Jiankun， Fang jianhong， et al. Experimental study on the effect of moisture content on mechanical propertues of silty clay subjected to freeze-thaw cycling ［J］. Journal of Harbin Institute of Technology， 2017， 49（12）： 123-130.
	胡田飞，刘建坤，房建宏，等. 冻融循环下含水率对粉质黏土力学性质影响试验［J］. 哈尔滨工业大学学报， 2017， 49（12）： 123-130.
23	Liu Jiankun， Xiao Junhua. Experimental study on the stability of railroad silt subgrade with increasing train speed［J］. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2010， 136（6）： 833-841.
24	Zhao Futang， Chang Lijun， Zhang Wuyu. Analysis on the influence of cyclic stress ratio and vibration frequency on microstructure of saline soil［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2020， 42（3）： 854-864.
	赵福堂，常立君，张吾渝. 循环应力比和振动频率对盐渍土微观结构影响分析［J］冰川冻土， 2020， 42（3）： 854-864.
25	Lee W， Bohra N C， Altschaeffl A G.et al. Resilient modulus of cohesive soils and the effect of freeze-thaw［J］. Canadian Geotechnical Journal， 1995， 32（4）： 559-568.
26	Xie Banglong， Zhang Wuyu， Sun Xianglong， et al. Study on the influence of lime-improved loess strength based on different temperature control curves［J］. Journal of Glaciology and Geocryology， 2022， 44（1）： 262-274.
	解邦龙，张吾渝，孙翔龙，等. 不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究［J］. 冰川冻土， 2022， 44（1）： 262-274.
27	Alazigha D， Indraratna B， Vinod J， et al. Mechanisms of stabilization of expansive soil with lignosulfonate admixture［J］. Transportation Geotechnics， 2018，（14）： 81-92.
28	Liu Yaowu. Effective assessment and stabilization mechanism of sulfur-free lignin-stabilized soda alkaline soil［D］. Changchun： Jilin University， 2020： 138.
	刘尧伍. 无磺木质素加固碳酸型盐渍土工程效果与机理研究［D］. 长春：吉林大学， 2020： 138.

[1]	吕敦波, 张帆, 张益峰, 杨科, 吕飞, 胡大伟. -160 ℃超低温冻融循环后花岗岩三点弯曲试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1796-1806.
[2]	刘启, 张泽, 张圣嵘, 恽晴飞, 付峻松. 冻融循环作用下砂土粒组变化的分形特征及其与长期强度的相关性分析[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1820-1832.
[3]	刘春龙, 刘奉银, 黄素娟, 付争, 王锐, 王松鹤. 冻融循环作用下改良灰土力学特性与孔隙特征试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(6): 1833-1841.
[4]	宋锦坡, 崔宏环, 胡淑旗, 高鹏飞. 寒区高吸力非饱和土的破坏准则研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(5): 1581-1592.
[5]	贾亮, 奴丽艳木·夏甫开提, 陈岑, 郭健, 包得祥. 快硬磷酸镁-铁铝酸盐复合水泥的抗冻性研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(3): 1021-1028.
[6]	刘大翔, 刘德玉, 童标, 杨悦舒, 丁瑜, 许文年. 冻融循环作用下植被混凝土团聚结构变化对养分固持能力的影响[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 623-633.
[7]	张亮, 牛富俊, 刘明浩, 鞠鑫. 冻融损伤与围压对层状岩石强度各向异性的影响[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 366-375.
[8]	恽晴飞, 谢春磊, 张泽, 刘有乾, 付峻松, 刘启. 球模仪测试冻结砂长期抗剪强度的双球模型解答及其试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 485-494.
[9]	王丹, 刘恩龙, 杨成松. 冻融循环作用下冻结掺和土料动力特性研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 524-534.
[10]	马小涵, 薛珂, 高樯, 张明礼, 刘建平, 谢军, 向卿, 杨明东. 衬砌粗糙度对季节冻土区渠基土-衬砌接触面间峰值抗剪强度的影响[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 535-544.
[11]	周志, 李海鹏, 王建伟, 康庆平, 张洋, 李智涵, 杨念. 有载冻融作用对深部重塑黏土抗剪强度影响的试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 583-590.
[12]	张玉芝, 刘文龙, 王海永, 张莲海, 陈世杰, 朱晓东. 冻融循环作用下含水率对粗颗粒填料水分迁移影响的宏细观试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 591-601.
[13]	黄佑芬, 吴道勇, 吴诗雨. 冻融循环条件下重塑硫酸盐渍土变形试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 602-611.
[14]	董超凡, 张吾渝, 张瑞星, 黄雨灵, 高英. 冻融作用下木质素纤维改良黄土力学与热学特性试验研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(2): 612-622.
[15]	解邦龙, 张吾渝, 孙翔龙, 刘乐青, 刘成奎. 不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究[J]. 冰川冻土, 2022, 44(1): 262-274.