冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究
1.
2.
Experimental study on mechanical properties of calcium lignosulfonate modified loess under freeze-thaw cycle
1.
2.
通讯作者:
收稿日期: 2022-04-28 修回日期: 2022-10-12
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Received: 2022-04-28 Revised: 2022-10-12
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黄雨灵, 张吾渝, 季港澳, 解邦龙, 董超凡.
HUANG Yuling, ZHANG Wuyu, JI Gang’ao, XIE Banglong, DONG Chaofan.
0 引言
青海省东北部地区黄土分布较广,黄土具有孔隙大、遇水易湿陷等性质,因此黄土内部结构易发生破坏[2],致使建筑结构存在较多安全隐患。此外,该地区黄土位于季节冻土区内,冻融循环作用也是导致建筑物产生工程病害的重要因素之一。冻融作用主要以改变土颗粒之间的结构连接和排列方式导致土体劣化,对土体造成不可逆的损伤,进而影响土体的力学性质。季节冻土区工程施工中经常采用水泥、生石灰和粉煤灰等传统改良剂对黄土地基或路基进行换土垫层,以提高土体的承载力。同时,有研究发现,固化剂的种类及掺量的不同会造成改良土加固效果的差异,与重塑黄土相比,改良黄土的强度仍明显提高[3-6]。伴随着青海省“生态优先、绿色发展”战略的提出,为顺应生态保护和高质量发展的要求,选取一种稳定且环境友好型的改良材料对土体进行加固,显得尤为重要。
木质素具有环境友好、可再生性强、化学性质相对稳定的等优点[1]。利用木质素改良土体的相关研究已有开展,Santoni等[7]、Tingle等[8]分别对木质素磺酸盐改良粉砂和粉质黏土进行试验,发现干湿条件下木质素可以有效改善土体的无侧限抗压强度;Indraratna等[9]对木质素改良粉砂进行抗侵蚀试验,发现木质素能够提高粉砂抗侵蚀能力,且木质素改良粉砂的抗侵蚀性优于水泥改良土;Ceylan等[10]研究了木质素在黏土路基稳定方面的应用,结果表明:木质素的掺入能有效提高地基承载力;侯鑫等[11]、贺智强等[12]分别对木质素磺酸钙改良黄土进行了加卸载试验和不固结排水剪切试验,发现改良黄土的回弹模量和抗剪强度明显高于素土;刘松玉等[13]开展木质素磺酸钙改良粉土路基填料现场试验,研究结果表明木质素磺酸钙可有效提高粉土的抗压强度和耐久性。
综上所述,在季节性冻土区利用木质素对土体改良具有可行性,且能够为寒区工程建设提供一定的参考依据。本文主要以木质素磺酸钙和黄土为试验材料,首先进行侧限浸水压缩试验,之后以冻融循环次数、木质素磺酸钙掺量和围压为试验变量,对木质素磺酸钙改良黄土进行冻融试验、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,研究木质素磺酸钙对黄土的改良效果及冻融作用对木质素磺酸钙改良黄土力学特性的影响,试验结果可为木质素磺酸钙在黄土地基及路基的处理设计中提供参考。
1 试验材料与方案
1.1 试验材料
试验所用黄土取自青海省西宁市城北区某场地,取土深度为3 m,颜色为淡黄色,无明显根系及虫洞。黄土的基本物理性质如表1所示,并定名该地黄土为低液限黏土。
表1 黄土基本物性指标
Table 1
天然密度/(g·cm-3) | 最大干密度/(g·cm-3) | 最优含水率/% | 塑限/% | 液限/% | 塑性指数 | 液性指数 |
---|---|---|---|---|---|---|
1.484 | 1.73 | 14.74 | 13.50 | 25.10 | 11.60 | 0.106 |
图1
图2
1.2 试样制备
1.3 试验方案
1.3.1 室内侧限浸水压缩试验
试验首先采用三联固结仪分别对木质素磺酸钙掺量为0%、1%、2%和3%的改良黄土进行侧限浸水压缩试验,各级加载压力分别为50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa。
1.3.2 冻融循环试验
冻融循环试验在冻胀循环试验箱(TMS9018-500)中进行,冻融过程为封闭系统下的三维冻融过程。为准确模拟实际工程,对青海省西宁地区近三年冬季月平均最低气温进行统计(图3),得到平均最低气温为-14.4 ℃,故将冻结温度设定为-15 ℃。结合已有试验,融化温度对土体结构的影响不大[19],因此将融化温度设定为15 ℃,最终采用如图4所示的正弦波形温控模式进行冻融循环试验,起始相位为π,幅值为15 ℃。为保证试验过程中试样能够完全冻结和融化,在冻融循环试验开始前,在试样中心嵌入热电偶,测试结果表明试样在12 h内可完全冻结和融化[4,19-21]。因此,本次试验以冻结12 h和融化12 h为1次冻融循环。
图3
图3
西宁近3年冬季平均最低气温曲线
Fig. 3
The average lowest temperature curve of Xining in recent 3 years
图4
既有的试验结果表明,土体强度的最低值出现于10次冻融循环内,而在冻融10次之后,强度逐渐趋于稳定。鉴于此,8~12次冻融循环可满足研究冻融循环作用对强度等力学性质影响的要求[22],因此,本研究中冻融循环次数设定为0、3、6、9和12次共5种。
1.3.3 不固结不排水三轴剪切试验
1.3.4 扫描电镜试验
选择经过冻融循环试验后,具有代表性的试样,用真空冷冻干燥仪冻结干燥,保证试样干燥并保持原有形态结构[23]。将干燥完成的土样掰开并取得新鲜断面后进行喷金处理,之后开展扫描电镜试验(SEM),扫描倍数为500倍,从微观角度分析土样内部结构变化。
1.3.5 X射线衍射试验
取经过冻融循环试验后自然风干土样50 g,利用研钵对较大颗粒土样研磨碾碎,再制样进行X射线衍射试验(XRD),分析土样内部矿物成分的变化情况。
2 结果与讨论
2.1 湿陷性评价
各掺量下改良黄土的湿陷系数如图5所示。在100 kPa、150 kPa、200 kPa压力下,黄土的湿陷系数均介于0.015~0.03之间,说明该黄土为弱湿陷性黄土。而各掺量改良黄土在各级压力下的湿陷系数均小于0.015,说明木质素磺酸钙的加入,可以有效消除黄土的湿陷性。
图5
图5
各掺量下木质素磺酸钙改良黄土的湿陷系数(L表示木质素磺酸钙掺量,σ3表示围压,F-T表示冻融循环次数)
Fig. 5
Collapsibility coefficient of calcium lignosulfonate improved loess with different dosage (L represents the content of calcium lignosulfonate, σ3 represents the confining pressure, F-T represents the number of freeze-thaw cycles)
2.2 应力-应变曲线
图6
图6
试样应力-应变曲线
Fig. 6
Stress-strain curves of samples: the effect of content of calcium lignosulfonate and confining pressure (F-T=0) (a); the effect of content of calcium lignosulfonate and freeze-thaw cycles (σ3=45 kPa) (b)
图7
图7
木质素磺酸钙改良黄土剪切破坏图像
Fig. 7
Calcium lignosulfonate modified loess shear failure image
2.3 木质素磺酸钙改良黄土的破坏强度特性
2.3.1 木质素磺酸钙掺量的影响
不同掺量下改良黄土的破坏强度如图8所示。由图8分析可知,在相同围压下,改良黄土的破坏强度随着掺量的增加呈现出先增大后减小的趋势,在掺量为1%时,试样的破坏强度最高。在相同掺量下,改良黄土的破坏强度随着围压的增大而增大。当围压分别为15 kPa、45 kPa、75 kPa时,将掺量为1%的改良黄土试样的破坏强度与素土试样进行对比,发现前者破坏强度分别增长34.7 kPa、32.3 kPa、47.2 kPa。这是由于随着围压的增大,改良黄土内部的土颗粒重新排列挤密,且围压越大,颗粒之间接触会更加紧密,则土颗粒间的滑动摩擦更大,土体的破坏强度逐渐增大,可见围压的挤密作用,可以增加土体抵抗变形的能力。当围压为75 kPa时,掺量分别为1%和2%时,改良黄土的破坏强度较素土分别提高18.6%、14.7%。而掺量增至3%时,改良黄土的破坏强度较素土降低10.8%,可见适量木质素磺酸钙的掺入才可以有效提高改良黄土的破坏强度。
图8
图8
不同木质素磺酸钙掺量下破坏强度曲线
Fig. 8
Relationship of failure strength under different calcium lignosulfonate content
2.3.2 冻融循环次数的影响
图9
图9
不同围压下破坏强度和冻融循环次数的关系曲线
Fig. 9
Relationship between failure strength and number of freeze-thaw cycles under different confining pressures: σ3=15 kPa (a); σ3=45 kPa (b); σ3=75 kPa (c)
图10
图10
不同冻融循环次数下1%掺量木质素磺酸钙改良黄土SEM图像
Fig. 10
SEM images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles
2.3.3 破坏强度衰减率
对于应力-应变曲线呈硬化形式的试样,选取轴向应变15%所对应的偏应力值作为破坏强度。土体的破坏强度衰减率计算公式如下。
式中:σ1-σ3(max,i)为冻融循环第i次后试样的破坏强度;σ1-σ3(max,0)为未冻融循环试样的破坏强度。
围压为15 kPa时,不同掺量改良黄土的破坏强度衰减率与冻融循环次数的关系曲线如图11所示。围压为45 kPa、75 kPa时也有类似规律。由图11(a)可知,随着冻融循环次数的增加,冻融作用对土体的劣化效应持续增加,冻融循环次数为12次时,衰减率有变缓趋势,由于本次试验为了更快达到理想效果,最大冻融次数仅为12次,其变化规律未来可增加循环次数进一步深入讨论。在冻结过程中,水分迁移及水相变过程可改变颗粒间的连接方式,能够破坏试样内部结构,因此破坏强度会出现下降的趋势;经过多次冻融循环后,土体颗粒间的排列方式和连接方式以及土体结构逐渐达到一种新的平衡状态,破坏强度衰减率也逐渐趋于稳定。随着掺量的增加,衰减率的拟合直线斜率呈现出先减小再增大的趋势,说明适量木质素磺酸钙的掺入,可以有效抵抗冻融循环作用的影响,由此推测木质素磺酸钙能有效降低冻融破坏的影响,具有一定的抗冻性。图11(a)中也可以看出,当掺量为1%时衰减率最低。由图11(b)还可看出,经冻融作用后,掺量为1%的改良黄土相较于素土,破坏强度衰减率明显下降。
图11
图11
不同冻融循环次数下破坏强度衰减率
Fig. 11
Attenuation rate of failure strength under different freeze-thaw cycles: different content (a); L=1% (b)
2.4 抗剪强度指标分析
土体的抗剪强度指标黏聚力(c)和内摩擦角(φ)是反映土体强度的重要参数。图12为黏聚力与内摩擦角随冻融循环次数变化的关系曲线。由图12可知,随着掺量的增加,抗剪强度指标呈现先增大后减小的趋势,而随着冻融循环次数的增加,抗剪强度指标总体为降低趋势。素土和改良黄土在冻融循环作用的影响下,黏聚力都出现不同程度的降低,对比未经冻融和经历12次冻融的土样,发现素土的黏聚力降低了8.68 kPa,降低率为52.25%;改良黄土的黏聚力随木质素磺酸钙掺量增加1%、2%和3%,分别降低了4.39 kPa、5.34 kPa和6.89 kPa,降低率分别为17.33%、22.96%和46.59%。可见,未添加木质素的素土黏聚力降低最大,木质素磺酸钙掺量1%改良黄土降低最小。
图12
图12
c、φ值与冻融循环次数和掺量的关系
Fig. 12
The relationship between the value of c、φ and the number of freeze-thaw cycles and dosage: cohesion (a); internal friction angle (b)
由图12(a)中可以看出,试样的黏聚力随着冻融循环次数总体为降低趋势。分析原因认为:试样在冻结时水相变产生的冰晶均匀分布在土体中,造成的体积膨胀,胶结作用增强。但是土体融化时,原相变产生的用于支撑土颗粒骨架的冰晶融化成水,已造成的试样结构变化无法恢复,土颗粒间的接触点明显减少,因此黏聚力降低。而冻融循环被认为是动态平衡的过程,随着冻融次数的增加,土体内部一般经历破坏-弱稳定-弱破坏-稳定状态,最终土体结构和连结方式不再明显改变[25],因此黏聚力总体为降低趋势。从图12(b)中可以观察到,相较于黏聚力,改良黄土的内摩擦角随冻融次数的增加有波动性,但总体来看内摩擦角随冻融循环次数呈减小趋势。这是由于在冻融过程中,水分冻胀使土颗粒间距增大,导致咬合摩擦角的减小[21],并且土体内部发生水分重分布及劣化,使得土颗粒间产生相对滑动,表现为内摩擦角减小的规律。
2.5 弹性模量
弹性模量是衡量改良土体的重要指标。Lee等[25]进行了无侧限压缩试验,认为土体产生1%的应变时对应的应力可以作为判定冻融作用下土弹性模量的变化标准。在本试验中,选取应力-应变曲线中轴向应变达到1%时所对应的偏应力与轴向应变的比值作为该试样的弹性模量,计算公式如(2)所示。
式中:ε1%代表试样应变达到1%时的轴向应变;σ1%代表土体产生1%的应变时对应的应力。
图13
图13
不同冻融循环次数下黄土的弹性模量与木质素磺酸钙掺量的关系
Fig. 13
The relationship between elastic module and different calcium lignosulfonate content of loess with different freeze-thaw cycles
2.6 冻融循环作用对改良土的微观影响
2.6.1 二值化分析
图14
图14
不同冻融循环次数下1%掺量木质素磺酸钙改良黄土SEM与二值化图像
Fig. 14
SEM and binary images of 1% content calcium lignosulfonate soil under different freeze-thaw cycles
图15
图15
不同木质素磺酸钙掺量下改良土的微观定量参数
Fig. 15
Changes of microscopic quantitative parameters of improved loess under different calcium lignosulfonate content: probability entropy (a); fractal dimension (b); average form factor (c)
由图15可以发现,冻融循环前6次时,概率熵、分形维数和平均形状系数变化幅度较大,试样内部孔隙以圆滑分布为主,内部结构排列疏松,分析其变化规律主要由于土体内部的水分不断冻结与融化,反复冻融过程中产生的冻胀力不断破坏土体结构,土颗粒结构之间的胶结作用受到破坏,对土体内部造成损伤,破坏程度增加,宏观上表现为土体抗剪强度下降。而冻融至12次时,试样内部结构趋于稳定,概率熵、分形维数和平均形状系数变化幅度较小,颗粒间的孔隙增长幅度下降,达到较为平稳的状态,说明随着冻融循环次数的增加,土体内部受到冻融循环次数影响逐渐减弱,对应的破坏强度也逐渐趋于稳定。
2.6.2 XRD试验结果
不同冻融循环次数下,素土和1%掺量的改良土体的X射线衍射谱结果如图16所示。由图16可以看出,素土和1%掺量改良黄土的特征衍射峰出现的位置是相同的,且改良土图像中并无新峰的出现,说明改良前后土体的内部矿物成分未发生变化,表明木质素的改良机理与水泥和石灰等传统改良材料的改良机理是不同的,这也与侯鑫等[11]的研究结果一致。通过对XRD试验结果进行定性分析,发现试样所含矿物成分主要均为石英、方解石、钠长石、钾长石和斜长石,但是改良土的衍射峰值强度略有减小。Alazigha等[27]、刘尧伍[28]分别利用木质素改良盐渍土、膨胀土时都观察到了相同的现象,这可能是因为木质素的无定形特性限制了矿物原子平面的衍射造成的。对经过12次冻融循环后掺量为1%的改良土进行分析,发现其衍射峰基本保持不变,内部矿物成分未有变化,可以推测冻融循环不会造成矿物成分的消解,这与刘尧伍[28]的研究结果一致。
图16
图16
木质素磺酸钙改良黄土的XRD衍射图
Fig. 16
XRD diffraction pattern of calcium lignosulfonate improved loess
2.7 讨论
结合扫描电子显微镜及经过颗粒及裂隙识别与分析系统(PCAS)处理的图像特征,并根据木质素磺酸钙改良黄土的试验结果,进一步探讨木质素磺酸钙改良黄土最优掺量为1%的作用机制。
图17为不同掺量下未冻融的改良黄土扫描电镜以及经过颗粒及裂隙识别与分析系统(PCAS)二值化处理后的图像,二值化图像中白色代表孔隙,黑色代表土体。从图17(a)中可以看出,素土的内部结构中,土颗粒与孔隙区分明显,土颗粒棱角分明,大颗粒表面附着粒状、絮状的胶结物质。当木质素磺酸钙掺量为1%时,如图17(b)所示,土体中生成新的胶结物质逐渐增多,其分布于土颗粒间且填充部分颗粒间的孔隙,提供一定的胶结作用,孔隙变小且数量减少,使得土体内部变得更加密实。由图17(c)可知,当掺量增至3%时,土体中大部分孔隙被填充,但从图像中也可发现过多的木质素磺酸钙附着于土颗粒上,填充于颗粒之间,反而使颗粒间的间距有所增大。换句话说,掺量过高虽然可使得木质素磺酸钙相互结合程度增大,但与土颗粒的结合度反而降低。再结合图17(d)~17(f)二值化图像也可以看到,不同掺量,白色图像占比均比0%掺量小,也反映出木质素磺酸钙的掺入可减少改良黄土的孔隙;另外,也可观察到,1%掺量白色图像占比最小。
图17
图17
未冻融各掺量SEM与二值化图像
Fig. 17
SEM and binary images of each content of unfreeze-thaw: SEM image, L=0% (a); SEM image, L=1% (b); SEM image, L=3% (c); binary image, L=0% (d); binary image, L=0% (e); binary image, L=3% (f)
不同掺量下未冻融的改良黄土孔隙率如图18所示。随着掺量的增加,改良土体的孔隙率先减小后增加。掺量分别为1%、2%、3%时,改良土体的孔隙率较素土分别降低了6.1%、4.2%、3.0%。由此推测,孔隙率的减小是改良土体强度提升的重要原因。木质素磺酸钙掺入后导致改良土体孔隙结构改变,因木质素磺酸钙颗粒的填隙作用及木质素磺酸钙与素土离子交换导致的颗粒成团作用[12],使改良土体孔隙减少,密实度提高,强度提升。除此之外,木质素磺酸钙具有大分子基团磺酸基[1],磺酸基与相近的土颗粒搭接,形成空间结构。当木质素磺酸钙掺量最优时,搭接作用最强,促使改良土体镶嵌更加紧密,在宏观上表现为破坏强度最高。但木质素磺酸钙掺量增至3%时,木质素磺酸钙颗粒优先与自身结合及过多的木质素磺酸钙颗粒会导致双电层厚度增加及颗粒间的吸引力降低[1,15],反而减弱土颗粒间的联结作用,孔隙率增加,宏观上表现为破坏强度降低。由此可见,木质素磺酸钙改良土的最优掺量为1%。
图18
图18
不同木质素磺酸钙掺量下改良土的孔隙率
Fig. 18
Void ratio of improved loess under different calcium lignosulfonate content
3 结论
本文选用木质素磺酸钙对黄土进行改良,并结合青海地区的自然环境条件,对木质素磺酸钙改良黄土进行侧限浸水压缩试验、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,分析了冻融循环次数、木质素磺酸钙掺量和围压对木质素磺酸钙改良土力学性质的影响,得到如下主要结论:
(1)木质素磺酸钙的掺入,可以有效消除黄土的湿陷性。随着围压和木质素掺量的增加,改良黄土的应力-应变曲线由弱硬化型向一般硬化型发展;随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线仍为弱硬化型。试样破坏形态没有出现明显破坏面,表现出明显的剪胀破坏特征,属于塑性破坏。
(2)在相同围压下,改良黄土的破坏强度随着木质素磺酸钙掺量的增加呈现出先增大再减小的趋势,在掺量为1%时,试样的破坏强度最高。各掺量改良黄土随着冻融循环次数的增加,破坏强度呈现出先减小再趋于稳定的规律。
(3)随着木质素磺酸钙掺量的增加,抗剪强度指标呈现先增大后减小的趋势,而随着冻融循环次数的增加,抗剪强度指标呈现减小的趋势。
(4)冻融循环作用下,1%掺量的木质素磺酸钙改良土的弹性模量高于素土的弹性模量,对黄土具有较好的改良效果,具有一定的抵抗冻融能力。
(5)根据SEM微观图像观察结果,木质素磺酸钙改良黄土的形成是由木质素磺酸钙胶结土颗粒与填充孔隙两部分组成的。冻融循环作用导致土体颗粒的接触方式由面-面接触向点-点、点-面接触过渡。通过XRD分析发现,木质素改良黄土的改良机制不同于传统改良,不会造成土体矿物成分的改变。
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