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木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的力學(xué)性能研究

2024-06-01 23:32:44張康
甘肅科技縱橫 2024年4期
關(guān)鍵詞:黃土

摘 要:文章以木質(zhì)素磺酸鈣為固化劑,以蘭州市西固區(qū)的黃土為固化對(duì)象,開展木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的力學(xué)性能研究。通過重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及回彈模量試驗(yàn),研究固化劑摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和回彈模量的影響。結(jié)果表明:當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量增加時(shí)固化黃土的最大干密度上升、最優(yōu)含水率下降;固化劑摻量不超過1%時(shí),固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而增加,而當(dāng)摻量超過1%后,固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則會(huì)出現(xiàn)下降;隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加,固化黃土的回彈模量逐漸增大,隨固化劑摻量的增加回彈模量先增大后減??;基于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù),建立了木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系,所得成果可為工程實(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞:黃土;木質(zhì)素磺酸鈣;無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;回彈模量

中圖分類號(hào):TU472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A*基金項(xiàng)目:甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-工業(yè)類項(xiàng)目“高性能?;⒅楸厣皾{的研制與應(yīng)用示范”(23YFGA0052);2023年度中鐵二十一局集團(tuán)第二工程有限公司企業(yè)級(jí)課題“高效節(jié)能?;⒅楸厣皾{的研制與應(yīng)用示范”(2023-YTHJJDKY-003)。

作者簡(jiǎn)介:張康(1988-),男,大學(xué)本科,助理工程師,主要研究方向:工業(yè)與民用建筑施工和管理。

0 引言

黃土在中國的分布非常廣泛,約占中國國土面積的6.6%,總面積大約為6.3×10 5 km 2[1-2]。在中國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施背景下,大量的工業(yè)與民用建筑、公用基礎(chǔ)設(shè)施等工程在黃土地區(qū)大規(guī)模建設(shè),而黃土的地基承載能力較低,因此必須對(duì)其進(jìn)行加固處理才能滿足工程建設(shè)中對(duì)土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求。傳統(tǒng)土體加固劑如石灰、水泥和粉煤灰等無機(jī)結(jié)合材料經(jīng)濟(jì)性、加固效果較好,被廣泛用于黃土的固化中。但這類加固方法容易造成資源消耗嚴(yán)重、環(huán)境污染加劇等問題[3],并且會(huì)導(dǎo)致土壤的pH大幅上升[4]。因此,研究可再生、環(huán)境友好的固化劑是實(shí)現(xiàn)黃土地區(qū)工程建設(shè)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇。

木質(zhì)素是一種碳元素豐富的高分子化合物,地球上儲(chǔ)量?jī)H次于纖維素,廣泛分布在植物中,不同植物中木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)也有所差異[5-6]。目前,中國工業(yè)木質(zhì)素年產(chǎn)量可達(dá)2 000億t[7],但其綜合利用效率不到5%,大量的工業(yè)木質(zhì)素作為“黑液”排入河流和湖泊,對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。木質(zhì)素磺酸鈣是一種陰離子表面活性劑、屬于木質(zhì)素衍生物,將其應(yīng)用于黃土的固化中既可以提高黃土的強(qiáng)度,又可以變廢為寶,降低環(huán)境污染。

多年來,對(duì)木質(zhì)素加固土體的研究持續(xù)不斷推進(jìn)。Ceylan等[8]采用2種不同類型的木質(zhì)素加固黏土,發(fā)現(xiàn)2種方法均能提升土體的強(qiáng)度,木質(zhì)素穩(wěn)定黏土存在最佳摻量,摻量超過 12%后強(qiáng)度開始下降。Chen等[9]嘗試用木質(zhì)素磺酸鹽對(duì)黏土的強(qiáng)度進(jìn)行增強(qiáng),發(fā)現(xiàn)黏土的強(qiáng)度有明顯提升,得出木質(zhì)素磺酸鹽增強(qiáng)黏土的最優(yōu)摻量為2%。張濤等[10]發(fā)現(xiàn)木質(zhì)素能夠提高粉土的路用性能。鑒于木質(zhì)素磺酸鈣作為一種環(huán)境友好、可再生的新型土體固化劑,目前國內(nèi)關(guān)于其在黃土中的應(yīng)用尚不多見,因此,文章選擇黃土作為固化對(duì)象,木質(zhì)素磺酸鈣為固化劑,通過重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)、無側(cè)限壓抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、回彈模量試驗(yàn),系統(tǒng)研究木質(zhì)素磺酸鈣摻量、養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)固化黃土力學(xué)性能的影響。

1 原材料及試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用黃土取自蘭州市西固區(qū)棚戶區(qū)改造項(xiàng)目某基坑,將天然黃土風(fēng)干后碾碎,過0.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)篩。試驗(yàn)所用木質(zhì)素磺酸鈣是造紙工業(yè)的副產(chǎn)品,分子式為C 20 H 24 CaO 10 S 2 ,易溶于水、不溶于有機(jī)物,具有黏結(jié)性、芳香氣味的淺棕色粉末,木質(zhì)素磺酸鈣購自河南省某化工有限公司,其質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)見表1。

1.2 試驗(yàn)配合比

借鑒劉釗釗[11]的研究結(jié)果,選定木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的摻量(質(zhì)量比)為0%、0.6%、1%、1.5%、2%、3%,養(yǎng)護(hù)齡期分別為3 d、7 d、14 d、28 d。

1.3 重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019),采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法,試樣分3層擊實(shí)。測(cè)得不同配合比木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率試驗(yàn)結(jié)果見表2。

1.4 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無側(cè)限抗壓強(qiáng)度是試樣在無任何側(cè)向限制的情況下所能承受軸向壓力的最大值。采用上海華龍測(cè)試儀器股份有限公司生產(chǎn)的WHY-3000型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī),將試樣放置于升降板上加壓直至試樣破壞,儀器所記錄試樣破壞時(shí)的軸向壓力與試樣截面積的比值為試樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

1.5 回彈模量試驗(yàn)

回彈模量是指試樣在垂直荷載作用下,試樣所產(chǎn)生的應(yīng)力與其所產(chǎn)生的回彈應(yīng)變的比值。試驗(yàn)采用杠桿壓力儀法測(cè)試固化黃土的回彈模量,記錄各級(jí)荷載作用下的回彈變形,并計(jì)算試樣最終的回彈模量。

1.6 試樣的制備

采用 TYS-50 型土樣壓實(shí)裝置完成試樣的制作,試樣為圓柱形,長125 mm、直徑61.8 mm。計(jì)算制備一個(gè)試樣所需材料的數(shù)量,為減少試驗(yàn)誤差每組配合比的木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土制備6個(gè)平行試樣。首先將木質(zhì)素磺酸鈣和黃土混合,然后加入適量水進(jìn)行攪拌。攪拌均勻后,將混合物裝入密封袋,放在平整的制樣臺(tái)上浸潤24 h,然后開始制備試樣。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)試樣分5層壓實(shí),壓實(shí)完一層后,還需進(jìn)行試樣表面的拉毛步驟,試樣制備完成后包裹保鮮膜,放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù),達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間取出試樣測(cè)定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

回彈模量試樣采用重型標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)大擊實(shí)桶制備試樣,試樣為圓柱狀,高度為120 mm、直徑為152 mm。稱取相應(yīng)的黃土、木質(zhì)素磺酸鈣、加水?dāng)嚢杈鶆颍湃朊芊獯o置24 h后分3層擊實(shí),將制備好的試樣放入養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù),達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的試樣取出測(cè)試其回彈模量。

2 結(jié)果與討論

2.1 標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)

各配合比木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土含水率與干密度的關(guān)系如圖1所示。從圖中可知黃土中添加木質(zhì)素磺酸鈣后,其最大干密度和最優(yōu)含水率都發(fā)生了明顯變化。摻入少量的木質(zhì)素磺酸鈣會(huì)使得黃土的最優(yōu)含水率大幅度降低,這表明木質(zhì)素磺酸鈣能夠降低黃土的最優(yōu)含水率。隨著木質(zhì)素磺酸鈣摻量的增加,固化黃土的最大干密度持續(xù)增大,最優(yōu)含水率不斷降低,但隨著摻量逐漸增加,這種變化趨勢(shì)會(huì)逐漸減緩。當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量達(dá)到2%和3%時(shí),固化黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率趨于穩(wěn)定。由于木質(zhì)素磺酸鈣顆粒較小,可以填充黃土顆粒之間的孔隙,當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量達(dá)到2%~3%時(shí),木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)黃土孔隙的填充已趨于飽和。因此,固化黃土的最大干密度和最優(yōu)含水率將保持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍。

2.2 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

各配合比木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的關(guān)系如圖2所示,從圖中可以看出隨著木質(zhì)素磺酸鈣摻量的增加,固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢(shì)不一致。當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量不超過1%時(shí),固化黃土的無限抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長而逐漸提高;當(dāng)摻量超過1%后,木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土試樣的無限抗壓強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)3 d后均有所提升。隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增長,添加3%和2%的木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土試樣的無限抗壓強(qiáng)度開始出現(xiàn)下降趨勢(shì)。在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí),添加1.5%木質(zhì)素磺酸鈣的固化黃土試樣的無限抗壓強(qiáng)度也開始下降。對(duì)于高摻量(木質(zhì)素磺酸鈣摻量大于1%)的固化黃土,隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的推移其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度會(huì)有所降低。特別是在摻量較高的情況下,無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)下降的時(shí)間在養(yǎng)護(hù)早期發(fā)生。由于木質(zhì)素磺酸鈣摻量過多,其黏結(jié)性與螯合性使得多余的木質(zhì)素磺酸鈣在黃土顆粒中形成團(tuán)聚體,從而產(chǎn)生“潤滑作用”。這種現(xiàn)象導(dǎo)致固化黃土中缺少土體骨架,進(jìn)而使木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的強(qiáng)度出現(xiàn)了下降。

2.3 木質(zhì)素磺酸鈣摻量對(duì)固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響

通過比較不同養(yǎng)護(hù)齡期固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的測(cè)試數(shù)據(jù)(圖3),可以得出隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長,固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度基本不變,沒有隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加無側(cè)限抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的改變。因此,采用木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土?xí)r,應(yīng)該在摻量上做出適當(dāng)?shù)钠胶?,以保證最優(yōu)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。黃土中僅摻加0.6%的木質(zhì)素磺酸鈣可明顯提高其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。盡管添加1%的木質(zhì)素磺酸鈣可使固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比摻加0.6%的更大,但提升幅度相對(duì)較小。添加1%的木質(zhì)素磺酸鈣時(shí),固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大值;隨著木質(zhì)素磺酸鈣摻量的進(jìn)一步增加,固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度開始逐漸降低,摻量越高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度反而越低,3%木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的最終強(qiáng)度甚至低于重塑黃土。主要是木質(zhì)素磺酸鈣屬于陰離子表面活性劑,加入適量的木質(zhì)素磺酸鈣可以吸附在土顆粒表面并產(chǎn)生膠結(jié)作用,降低土顆粒之間的斥力,從而使土體的結(jié)構(gòu)變得更為緊密;同時(shí),木質(zhì)素磺酸鈣還具有充填土體孔隙、降低孔隙率等作用,提高了黃土的力學(xué)性能。摻入過量的木質(zhì)素磺酸鈣對(duì)黃土具有“潤滑”效應(yīng),使其強(qiáng)度反而下降。

2.4 木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的回彈模量

各配合比木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的回彈模量隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化情況如圖4所示,當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、木質(zhì)素磺酸鈣摻量為0.6%~3%的固化黃土回彈模量分別為61.36 MPa、64 MPa、57 MPa、33.77 MPa、33.87 MPa,較重塑黃土分別提升了124.2%、133.9%、108.3%、23.4%、23.7%。從試驗(yàn)結(jié)果可知,將木質(zhì)素磺酸鈣摻入黃土中可以有效地提升黃土的回彈模量。其中,1%的木質(zhì)素磺酸鈣摻量取得了最高的回彈模量,0.6%的木質(zhì)素磺酸鈣摻量也對(duì)提升固化黃土的回彈模量有一定作用。但當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量超過1%后,固化黃土的回彈模量開始下降,木質(zhì)素磺酸鈣摻量超過1.5%后固化黃土的回彈模量下降速度加快。從圖4可以看出,木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的回彈模量在養(yǎng)護(hù)早期增長較快,養(yǎng)護(hù)后期逐漸趨于穩(wěn)定;小摻量木質(zhì)素磺酸鈣的固化黃土隨齡期增長較大,高摻量木質(zhì)素磺酸鈣隨齡期變化較小。說明木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土?xí)r需謹(jǐn)慎選擇摻量,當(dāng)摻量過高時(shí)則會(huì)增加固化成本,也會(huì)降低黃土的回彈模量。

2.5 固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)的回歸擬合

固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度能否滿足工程要求是關(guān)鍵,如果能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè),將會(huì)對(duì)施工進(jìn)度和人力資源的合理配置起到非常重要作用。由2.3節(jié)的研究結(jié)果可知,摻入木質(zhì)素磺酸鈣可以提高黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度,但當(dāng)摻量超過1%時(shí),無側(cè)限抗壓強(qiáng)度開始下降。高摻量的木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土不僅成本較高,而且其強(qiáng)度較小,還會(huì)隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長而出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮。因此,該節(jié)僅探討木質(zhì)素磺酸鈣摻量為0.6%和1%固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的回歸擬合,發(fā)現(xiàn)冪函數(shù)公式(1)和雙曲線函數(shù)公式(2)可以擬合抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)時(shí)間的關(guān)系,具體擬合結(jié)果如圖5和圖6所示。

UCS=At B(1)

式中:UCS為固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度;A、B為回歸系數(shù)。

式中:t為養(yǎng)護(hù)齡期;C、D、E為回歸系數(shù)。

從圖5可知采用冪函數(shù)擬合固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的相關(guān)系數(shù)均為0.84,擬合曲線與實(shí)測(cè)值的重合度較低,因此不建議使用冪函數(shù)預(yù)測(cè)木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

從圖6可知雙曲線函數(shù)擬合固化黃土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與養(yǎng)護(hù)齡期的相關(guān)系數(shù)均為0.99,雙曲線擬合效果優(yōu)于冪函數(shù)。雙曲線的擬合值與實(shí)測(cè)值重合度較高,能夠很好地反映木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土早期強(qiáng)度增長較快、后期強(qiáng)度增長較慢的趨勢(shì),在實(shí)際工程中可采用所擬合的雙曲線函數(shù)來預(yù)測(cè)固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化趨勢(shì)。

3 結(jié)論

通過木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的試驗(yàn)研究,主要所得結(jié)論如下:

(1)黃土中摻入木質(zhì)素磺酸鈣可提高無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。隨著木質(zhì)素磺酸鈣固化劑摻量的增加,固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì),當(dāng)木質(zhì)素磺酸鈣摻量超過1%后,固化土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度則呈下降趨勢(shì)。

(2)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長,木質(zhì)素磺酸鈣固化黃土的回彈模量呈上升趨勢(shì);木質(zhì)素磺酸鈣摻量增加時(shí)固化黃土的回彈模量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì),摻量為1%時(shí)固化黃土的回彈模量達(dá)到最大值。

(3)采用冪函數(shù)和雙曲線函數(shù)對(duì)固化黃土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)齡期之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了擬合,比較擬合效果得出雙曲線函數(shù)的擬合相關(guān)性最佳。

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Study on Mechanical Properties of Loess Solidified by Calcium Lignosulfonate

ZHANG Kang

(China Railway 21st Bureau Group Second Engineering Corporation Limited, Lanzhou Gansu 730030,China)

Abstract:This paper study the mechanical properties of calcium lignosulfonate solidified loess by using calci?um lignosulfonate as curing agent and loess in Xigu District of Lanzhou City as curing object. The effects of curing agent content and curing age on the unconfined compressive strength and rebound modulus of calcium lignosulfo?nate solidified loess were studied by heavy standard compaction test, unconfined compressive strength test and re?bound modulus test. The results show that the maximum dry density of solidified loess increases and the optimal moisture content decreases with the increase of calcium lignosulfonate content. When the content of curing agent is less than 1 %, the unconfined compressive strength of solidified loess increases with the increase of curing age, but decreases when the content is more than 1 %. With the increase of curing time, the resilience modulus of solidified loess gradually increased, and with the increase of curing agent content,the resilience modulus first increased and then decreased. Based on the experimental data of unconfined compressive strength, the relationship between un?confined compressive strength and curing age of calcium lignosulfonate solidified loess was established. The ob?tained results can provide reference for engineering practice.

Key words:loess; calcium lignosulfonate; unconfined compressive strength; resilient modulus

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