木质素改良红黏土强度特性试验研究

木质素改良红黏土强度特性试验研究

杨纬卿， 程芸，段志超，关艳丽

（云南建投第一勘察设计有限公司，云南 昆明 650032）

摘  要：木质素是一种可以从植物中提取的可再生原料，将木质素用于红黏土的改良，具有显著的环境友好性。为此，通过无侧限抗压试验，以明确木质素掺量及养护时间对红黏土无侧限抗压强度的影响规律，主要得到了以下结论： 1. 在非饱和状态时，试样的应力-应变曲线都呈软化型，发生脆性破坏，在饱和状态时，改良试样的应力-应变曲线呈软化型，发生脆性破坏，但饱和红黏土试样的应力-应变曲线则呈硬化型，发生延性破坏；2.红粘土的软化系数为0.29，改良试样的软化系数在0.70以上，即经木质素改良后，饱和红黏土试样的无侧限抗压强度至少达到了最优含水率状态下试样无侧限抗压强度的70%以上，改良试样软化系数为红黏土软化系数的2倍以上，说明红黏土遇水强度急剧下降的特性得到了改善。3.木质素改良试样的无侧限抗压强度随着养护时间的增加逐渐增大，且峰值强度软化系数随着养护时间的增大速率在逐渐减小；4.在养护3天后，木质素改良试样的无侧限抗压强度软化系数就有0.63，说明在掺入木质素后，短期内就可以改善红黏土遇水强度急剧下降的不利工程特性。研究结果可为西南地区红黏土在交通建设中的应用提供理论参考。

关键词：木质素；红黏土；无侧限抗压强度；养护龄期

Experimental study on strength characteristics of lignin-amended red clay

YANG Weiqing，CHEN Yun，DUAN Zhichao，GUAN Yanli

（YCIH NO.1 Engineering Survey and Design Co.,Ltd.，Kunming，Yunnan province,650032）

Abstract: If the red clay is improved and used as roadbed filler, it not only reduces a large amount of red clay disposal, but also expands the filler selection range. Lignin is a renewable raw material that can be extracted from plants, and using lignin for the improvement of red clay soils has significant environmental friendliness. To this end, the unconfined compressive test was conducted to clarify the effect law of lignin dosing and maintenance time on the unconfined compressive strength of red clay, and the following conclusions were mainly obtained In the unsaturated state, the stress-strain curves of the specimens were all softened and brittle damage occurred, and in the saturated state, the stress-strain curves of the improved specimens were softened and brittle damage occurred, but the stress-strain curves of the saturated red clay specimens were softened and brittle damage occurred, but the stress-strain curves of the saturated red clay specimens were The softening coefficient of red clay is 0.29, and the softening coefficient of the modified specimen is above 0.70, which means that the unconfined compressive strength of the saturated red clay specimen reaches at least 70% of the unconfined compressive strength of the specimen in the optimum moisture content state after being modified by lignin, and the softening coefficient of the modified specimen is more than twice of the softening coefficient of the red clay, indicating that the red clay 3. the unconfined compressive strength of the lignin-improved specimens gradually increased with the increase of curing time, and the softening coefficient of the peak strength gradually decreased with the increase of curing time; 4. the softening coefficient of the unconfined compressive strength of the lignin-improved specimens was 0.63 after 3 days of curing, which indicated that the unfavorable characteristics of the red clay soil of rapid decline in strength with water could be improved in a short time after the incorporation of lignin. The unfavorable engineering properties of the red clay soil, in which the strength decreases sharply with water, can be improved in a short period of time after lignin is added. The results of the study can provide theoretical reference for the application of red clay in transportation construction in southwest China.

Key words: Lignin; Red clay; Lateral limitless compressive strength; Age of maintenance

0 引言

随着成渝双城经济圈的蓬勃发展，成渝轨道交通线路里程越来越长，不可避免的要穿越红黏土区，若将红粘土改良后用作路基填料，既减少了大量的红粘土弃方，扩大填料选用范围。木质素是一种可以从植物中提取的可再生原料，将木质素用于红黏土的改良，具有显著的环境友好性。为此，本文通过无侧限抗压试验研究木质素改良红黏土对其强度特性的影响。

红黏土在成渝地区广泛分部。红粘土颗粒易破碎，遇水后易软化，抗压强度低，工程性质差，一般认为其属于C组填料。若将其改良后加以利用，可以做到二次利用，因此开展红黏土路基填料改良研究十分必要。

成渝地区的红黏土形成年代以侏罗纪和白垩纪为主，主要分布在四川云南两地，西南地区降水量大，红粘土多由于剥蚀而裸露地面，造成成渝地区多发生滑坡、风化剥落（危岩落石）、路基翻浆冒泥和不均匀沉降病害问题突出[1]。

魏永幸对四川盆地红黏土的分布，风化，及崩解性等红黏土的基本特性进行了研究，他们得出结论：四川盆地的红黏土主要形成于侏罗纪、白垩纪，颜色多为棕红色或朱红色，处于可塑-软塑状态 [2]。

红黏土因其广泛分布，预崩解后利用施工机械将其碾压成型，就可形成具有一定强度及耐久性的填料，但其力学特性也受多方面因素（压实度、含水率）的影响。王鹏对甘肃地区红黏土强度特性进行研究指出压实度对内摩擦角有显著影响，在欠压实状态下（K<90%）路基填料的内摩擦角将显著降低[3]。刘宝臣的研究结果表明：在含水率相同的情况下强度随干密度增加而提高，但当压实度超过100%时，无侧限抗压强度增长较缓慢，其还研究了含水率（饱和度）的影响，在相同压实度的条件下，饱和试样黏聚力显著降低，但内摩擦角几乎没有变化[4]。陈佳雨的研究结果则显示红黏土饱和后的黏聚力和内摩擦角都有显著降低，随含水率增加红黏土还具有明显的软化特性，其饱和后的无侧限抗压强度约下降70%，且应力-应变曲线从硬化特性逐渐变为软化特性[5]。王贺对红粘土进行SEM实验揭示微观结构对红黏土强度的影响[6]。赵亦婷以重庆地区的红黏土为研究对象，研究了上覆荷载及不同加水量对红黏土膨胀特性的影响发现：竖向荷载对泥岩膨胀变形的抑制作用十分明显，其膨胀性随时间的变化关系呈对数型变化，含水量对泥岩的膨胀量变形过程起着决定性作用，加水量越小，试样膨胀性越快趋于稳定[7]。

关于木质素改良路基填料的研究，刘文白通过实验研究木质素掺量对粉土的改良效果，并采用SEM试验对改良土的微观结构进行了研究，揭示了木质素改良对粉土的改良机理[8]。周孝顺通过对经木质素改良的黄土进行研究发现，木指数改良可以显著提高黄土的强度及刚度，以及抗变形能力[9]，王明岳通过界限含水率试验等研究了木质素改良后液塑限变化规律及土性转变，并采用XRD试验研究了木质素改良后土中矿物成分的变化[10]。向杨通过研究符合改良剂（木质素+粉煤灰）对土体的改良效果发现，复合改良剂能显著提高土体的强度特性及抗变形特性，单纯使用木指数也能使土体强度得到提高[11]。

西南地区广泛分布的红黏土因其特殊的气候条件及历史成因，具有独特的性质，但当前对 采用木质素对红黏土改良的研究还鲜有报道，故本文采用无侧限抗压试验研究不同浓度的木质素对红黏土强度特性的影响，以明确木质素对红黏土强度特性的影响规律，为西南地区红黏土在交通建设中的应用提供理论参考。

1.试验材料与试验方案

1.1试验材料

本实验所用红黏土取自重庆市永川区，将取回的红黏土经过晾晒及筛分而后用于后续试验研究，其基本物理特性指标见表1。

表1 基本物理特性指标

采用重型击实试验对红黏土的击实特性进行研究，由图1可知，本次试验用红黏土最大干密度及最优含水率分别为1.93 g/cm3和10.4%。

由于试验所用红黏土在取回后过2 mm筛，故本次试验所用红黏土的最大粒径为2 mm，采用马尔文试验对试验所用红黏土的颗粒级配进行试验，由图2可知，本次试验用土为粒径均匀，且以细粒为主的红粘土。

图1 红黏土击实曲线

图2 红黏土级配曲线

1.2 试验方案

表2 试验方案

通过改变木质素掺量研究掺量的影响，考虑到将改良后的红黏土应用在实际工程中作为填料，会在雨水浸泡下饱和，采用抽气饱和进行饱和，以研究饱和状态下木质素对红黏土的改良效果。为了研究养护临期对改良效果的影响，在控制试样干密度、含水率不变的情况下对试样分别养护3d、7 d、28 d，同样考虑到降雨的影响，故养护龄期达到期限的试样进行抽气饱和。

本次试验所用试样采用分层静压成型法制备，分三层将试样制备为高76mm、直径38mm的圆柱样，在标准养护条件下进行养护，而后采用0.5mm/min的加载速率进行无侧限抗压试验。

2. 试验结果与分析

2.1木质素掺量对抗压强度的影响

将标准养护7d，不同木质素掺量的红黏土改良试样进行无侧限抗压试验，非饱和及饱和试样的无侧限抗压试验结果如图2和 图4所示。

图3 非饱和木质素改良红黏土应力-应变曲线

图4 饱和木质素改良红黏土应力-应变曲线

由图3可知，非饱和红黏土试样及木质素改良试样的的应力-应变曲线都可以分为四个阶段：1.轴向应力随轴向应变的增加呈线性增加趋势，此时试样的变形以弹性变形为主；2.当试样达到峰值抗压强度后，轴向应力快速减小至残余应力状态，此时已产生贯穿试样的裂缝；3.峰值强度后，试应力先随应变增加显著减小，而后轴向应力基本保持不变，此时试样的强度来自于破裂面之间的摩擦。

由图4可知，饱和状态下，改良红黏土与为改良红黏土应力应变曲线的变化规律不同，破坏模式不同。饱和红黏土的应力-应变曲线呈硬化型，饱和木质素改良红黏土的应力-应变曲线呈软化型，其变化可分为4个阶段：1.应力-应变曲线为直线，变形以弹性变形为主；2.轴向应力随轴向应变增加变得缓慢，此时试样内部的微裂纹快速发展，但土颗粒之间的要和和摩擦还能继续抵抗轴向荷载的增大，故轴向应力依然随着轴向应力的增加在增加；3.在达到峰值强度后，应力快速达到残余状态，产生了贯穿试样的裂缝；4.试样轴向应力达到残余阶段。

图5 峰值抗压强度随木质素掺量变化图

如图5所示，红粘土经木质素改良后试样的无侧限抗压强度显著提高，且随着木质素掺量的提高，试样无侧限抗压强度逐渐增大。且不论是木质素改良试样还是红黏土试样，饱和试样无侧限抗压强度小于非饱和试样无侧限抗压强度，说明由于水的作用，削弱了土颗粒之间的摩擦。

将试应力-应变曲线先经过线性相关变化阶段，将试样在弹性变形阶段的弹性模量计算出来，如图6所示，红粘土经木质素改良后试样的弹性模量显著提高，且随着木质素掺量的提高，试样弹性模量逐渐增大，说明试样在经木质素改良后抗变形能力显著增强。且不论是木质素改良试样还是红黏土试样，饱和试样弹性模量小于非饱和试样弹性模量，同样也说明由于水的作用削弱了土颗粒之间的摩擦，与前述得到的结论相一致。

图6 弹性模量随木质素掺量变化图

图7 峰值强度软化系数随着木质素掺量变化图

如图7所示，红粘土的软化系数为0.29，即饱和红粘土试样的无侧限抗压强度仅为最优含水率状态下的29%，说明红黏土在饱和后颗粒之间的咬合、摩擦急剧减小。当红粘土经过木质素改良后，改良试样的软化系数在0.70以上，即经木质素改良后，饱和红黏土试样的无侧限抗压强只少达到了最优含水率状态下试样无侧限抗压强度的70%以上，改良试样软化系数为红黏土软化系数的2倍以上，说明红黏土遇水强度急剧下降的特性得到了改善。

2.2养护时间对无侧限抗压强度的影响

选用木质素掺量为6%，对经过标准养护3d、7d、28d的试样进行无侧限抗压试验以 研究养护时间的影响。

图8 不同养护时间试样无侧限抗压强度变化图

如图8所示，不同养护时间的木质素改良试样的无侧限抗压强度随着养护时间的增加逐渐增大，且峰值强度软化系数随着养护时间的增大速率在逐渐减小，且由图8还可知，在养护3天后，木质素改良试样的无侧限抗压强度软化系数就有0.63，说明在掺入木质素后。短期内就可以改善红黏土遇水强度急剧下降的不利工程特性。

图9不同养护时间试样弹性模量变化图

如图9所示，木质素改良红黏土的弹性模量随着养护时间的增加逐渐增大，说明木质素改良红粘土的抗变形能力随着养护时间的增加逐渐增大。

3.结论

本文通过研究不同掺量、不同养护时间木质素对红黏土无侧限抗压强度的影响，主要得到了以下结论：

1. 在非饱和状态时，试样的应力-应变曲线都呈软化型，发生脆性破坏，在饱和状态时，改良试样的应力-应变曲线呈软化型，发生脆性破坏，但饱和红黏土试样的应力-应变曲线则呈硬化型，发生延性破坏；

2. 红粘土的软化系数为0.29，改良试样的软化系数在0.70以上，即经木质素改良后，饱和红黏土试样的无侧限抗压强度至少达到了最优含水率状态下试样无侧限抗压强度的70%以上，改良试样软化系数为红黏土软化系数的2倍以上，说明红黏土遇水强度急剧下降的特性得到了改善。

3.木质素改良试样的无侧限抗压强度随着养护时间的增加逐渐增大，且峰值强度软化系数随着养护时间的增大速率在逐渐减小。

4.在养护3天后，木质素改良试样的无侧限抗压强度软化系数就有0.63，说明在掺入木质素后。短期内就可以改善红黏土遇水强度急剧下降的不利工程特性。                                                           

参考文献

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