木质素磺酸钙改良的低液限黏土三轴压缩特性.pdf
《木质素磺酸钙改良的低液限黏土三轴压缩特性.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《木质素磺酸钙改良的低液限黏土三轴压缩特性.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、通过对具有不同木质素磺酸钙掺量、不同养护时间的改良低液限黏土进行一系列三轴剪切试验,分析了改良土应力应变曲线、峰值偏应力及抗剪强度参数的变化规律,结合扫描电镜探究了其内在机制。试验结果表明:木质素磺酸钙的掺入能够显著提升土体抗剪强度,随着掺量的增加,改良土的抗剪强度先增加后减小,最优掺量为 8%;随着养护时间的增加,改良土的抗剪强度提升,且增强速度逐渐变缓;养护 7 d 后 8%掺量的改良土获得最大峰值偏应力 2017.23 kPa,比养护相同时间的纯黏土高 236.25%;改良土黏聚力随着木质素磺酸钙掺量的增加先增加后减小,而内摩擦角增大到一定值后趋于稳定。改良土强度提升的内在机制可以概括为
2、填充孔隙、离子交换、吸附包裹土粒以及胶结土粒团聚体。关键词:黏土;木质素磺酸钙;强度特性;微观结构;改性机制中图分类号:TU41摇 摇 摇 文献标志码:A摇 摇 摇 文章编号:10067647(2023)05010007Triaxial compression properties of calcium lignosulfonate鄄modified low liquid limit clay/WEI Shijie1,ZHAOHongyan2,HAO Shefeng3,4,MEI Hong1,BU Fan1,LIU Jin1,GE Liqiang2,3,REN Jinghua3,4,LIANG
3、 Yu1(1.School ofEarth Sciences and Engineering,Hohai University,Nanjing 211100,China;2.China Developent Bank Jiangsu Branch,Nanjing 210019,China;3.Technology Innovation Center for Ecological Monitoring and Restoration Project on Land(Arable),MNR,Nanjing 210018,China;4.Geological Survey Institute of
4、Jiangsu Province,Nanjing 210018,China)Abstract:A series of triaxial shear tests were carried out on improved low liquid limit clay with different amounts ofcalcium lignosulfonate(Ca鄄LS)and different curing time.The law of the stress鄄strain curve,peak deviator stress and shearstrength parameters were
5、 analyzed.The internal mechanism of the improved soil was analyzed with the scanning electronmicroscope.The test results show that Ca鄄LS can significantly improve the shear strength of clay.With the increase of Ca鄄LS content,the shear strength of improved soil first increases and then decreases,and
6、the optimal content is 8%.With theincrease of curing time,the shear strength of the improved soil becomes stronger,but the strengthening speed graduallyslows down.After 7 d of curing,the peak deviator stress of the improved soil containing 8%of Ca鄄LS is 2 017.23 kPa,which is 236.25%higher than the p
7、ure clay that cured for the same time.The cohesion force of the improved soil firstincreases and then decreases with the Ca鄄LS content,and the internal friction angle of the improved soil first increases andthen remains stable.The internal mechanism of the modified soil strength improvement can be s
8、ummarized as filling pores,ion exchange,adsorption of wrapped soil particles and cemented soil particle aggregates.Key words:clay;calcium lignosulfonate;strength characteristics;microstructure;modification mechanism摇 摇 工程建设中经常遇见强度特性达不到施工要求的土体,因此需要利用各种方法对其进行改良处理。随着国家区域发展总体战略的逐步实施,各地区推出了数量众多的基础设施建设政策1
9、,大量基础工程建设项目的开展对土体强度特性的提升提出了更高的要求。为了更方便地获取工程性质优良的建筑001水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/材料并提高资源利用率,开展针对土体改良技术的研究很有必要。土体改良技术是指向土体中掺入由多种无机、有机材料复合而成的固化剂,从而改变土体成分与结构特征,以达到改善土体工程性质的目的。目前常用土体固化剂可分为无机类和有机类,其中无机类土体固化剂具有成本低、性能稳定等优点,缺点是容易造成资源浪费、不够环保等。而有机类土体固化剂一般由环氧树脂、高分子聚合物等配制而成,通过有机材料本身性
10、质胶结土粒。有机类固化剂具有掺入量少、施工方便、环保无污染等优点,具有良好的应用前景。为了减轻生产和使用无机类加固材料造成的环境污染,对环保友好型的新型加固材料的研究早有开展2鄄4。木质素是一种典型的生物资源,在植物界储量仅次于纤维素,具有可再生、成本低、环境友好等特点5。造纸产业中将木质素与纤维素分离,木质素及其副产品被作为废弃物大量排放到自然界,增加碳排放的同时也不能充分利用资源。将木质素用于土体改良技术中,不仅能够更经济有效地改良土体工程特性,还有助于避免传统土体固化剂带来的环境污染问题。随着木质素被越来越多地应用于土体改良,其对土体性质的影响也越来越受到重视。目前基于木质素类固化剂的土
11、体改良技术已有开展,Ceylan 等6通过试验验证了木质素用于改良土体的可行性;张涛等7鄄9采用木质素对粉土进行了改良,分别进行了无侧限单轴抗压、固结不排水剪、固结排水剪等试验,发现木质素改良粉土的最优掺量为12%,改良土的孔隙水压力低于素土,且龄期对改良土强度有着显著影响;陈学军等10研究发现木质素改良红黏土的最优掺量为 8%,且红黏土液塑限和pH 值随着木质素掺量的增加而增大。根据造纸产业分离方法的不同,工业木质素可分为酸木质素、碱木质素、木质素磺酸盐等11,其中木质素磺酸盐用途最为广泛,在土体改良方面也有应用。Sharmila等12将木质素磺酸钙(以下简称“木钙冶)用于改良膨胀土,发现处
12、理后的膨胀土膨胀压力大大降低;贺智强等13对木钙加固黄土的工程性能进行了试验研究,结果表明适量木钙的掺入能够明显加强黄土的抗渗透性、抗崩解性;姬胜戈等14用木钙进行了改性分散性土试验,研究结果表明木钙的掺入能够显著降低分散性土的崩解性。张建伟等15采用木钙对黄泛区粉土进行了改良,结果表明木钙最优掺量为 5%,且在经历冻融循环后改良土的无侧限抗压强度仍明显高于素土。目前国内对于木钙改良土体的研究主要集中在其分散性、崩解性等方面,对木钙改良低液限黏土的力学特性与内部结构之间联系的研究较少,特别是缺少自然养护条件下改良土抗剪强度参数变化的研究。因此本文对不同木钙的掺量、不同土样养护时间条件下低液限黏
13、土的改良土进行三轴压缩试验,研究了木钙掺量和养护时间对其强度特性的影响,并结合微观扫描电镜试验分析总结其内在机制,以期为木钙改良黏土的工程实践应用提供参考。1摇 试验材料与方案1.1摇 试验材料1.1.1摇 试验土样试验用土取自南京江宁某边坡,根据筛分试验结果,试验用土中粒径大于0.075mm 的土粒质量分数为 12.81%,粒径为 0.005 0.075 mm 的土粒含量为 71.77%,粒径小于 0.005 mm 的土粒含量为15.42%,塑性指数为 10.21,为低液限黏土。通过标准击实试验测得试验用土的最优含水率为14.13%,最大干密度为1.73g/cm3,比重为2.72,液限为 2
14、5.55%,塑限为 15.34%。1.1.2摇 木钙木钙是一种高分子聚合物,通常来自酸法制浆的蒸煮废液,经喷雾干燥形成,其水溶液呈黑色,如果不对其进行合理利用,作为废水排放便会污染自然环境16。试验所用木钙为某化工公司生产产品,外观为棕黄色粉末,略带芳香气味,木质素质量分数大于或等于55%,还原物质量分数小于或等于 10%,水分质量分数小于或等于 9%,pH 值(1%水溶液)在4 6 之间,水不溶物质量分数小于或等于 1.5%,分子式为 C20H24CaO10S2,无毒无害,稳定性好。1.2摇 试验方案1.2.1摇 制样过程将试验用土敲碎放入105益烘箱烘干10h,取出土样降至室温后用研磨机磨
15、碎,过2mm 筛后密封备用。本次试验取木钙掺量和试样养护时间为变量,木钙掺量(与黏土的干质量比)分别取 0%、4%、8%、12%,试样养护时间分别取 1、3、5、7 d。根据试验设计,按 95%压实度分别取一定量的黏土和木钙粉末搅拌均匀,按含水率(与黏土质量比)14.13%取适量常温水,倒入混合物中充分搅拌。搅拌好的土料按质量平均分为 5 份,依次倒入模具中击实到相应高度,直至击实最后一层结束后用千斤顶将试样压出。最终得到直径 39.1 mm、高 80.0 mm 的圆柱形试样,制备好的试样在室温 25益、湿度 50%条件下自然养护至相应龄期。101水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Te
16、l:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/1.2.2摇 试验过程三轴剪切试验采用仪器为南京土壤仪器厂生产的 TSZ鄄1 型全自动三轴剪切仪,分别以 100、200、300 kPa围压进行不固结不排水剪试验,试验前不对试样进行饱和处理。试验过程按照 GB/T 501232019土工试验方法标准进行,控制剪切仪的应变速率为 0.8 mm/min。试验结束后根据不同围压下的峰值偏应力绘制破坏应力圆及包络线,以此获得不同试样的强度参数。2摇 试验结果与分析图 1摇 100 kPa 围压下不同养护时间试样应力应变曲线2.1摇 应力应变曲线分析图 1 为 100 kPa 围压下不同
17、养护时间的试样应力应变曲线,围压200、300kPa 时也有类似规律。从曲线形态上看,三轴压缩试验开始阶段为弹性阶段,试样的偏应力与轴向应变近似线性关系,曲线切线模量较大;随着试验过程的进行,试样达到屈服强度后转变为塑性阶段,应力应变曲线变为非线性,试样达到峰值强度后剪破。由图 1 可知,木钙掺量的变化对试样的强度特性有着显著影响,当木钙掺量为8%时试样强度最高。与纯黏土相比,改良土的抗剪切变形能力明显更强,后者的屈服强度和破坏强度更高。随着应变的增加,纯黏土试样的轴向偏应力表现为先增加后平缓,而改良土试样的应力应变曲线则有较明显的峰值。这是因为当试样掺入木钙并养护一定时间后,其一部分抗剪切变
18、形能力由木钙胶结物提供,发生剪切破坏后这部分抗剪切能力消失或大幅度减小,使得试样进一步发生应变所需的应力比原来要小,从而出现应变软化现象。随着养护时间的增加,试样的强度特性也会发生明显变化。土体剪切破坏后偏应力衰减率 D 的计算公式为D=(1-q20/q)伊 100%(1)式中:q20为试样轴向应变 20%时的偏应力;q 为试样破坏强度。对于应力应变曲线峰值明显的试样,取峰值偏应力为破坏强度;无明显峰值时,取轴向应变 15%时的偏应力为破坏强度。通过分析衰减率的变化,可以更好地了解试样的强度特性。围压为 100 kPa 时,试样剪切破坏后的偏应力衰减率与养护时间、木钙掺量的关系如图 2 所示。
19、由图 2 可知,养护时间的增加对改良土力学特性的影响更为显著。与纯黏土试样相比,改良土试样在4 个不同养护时间下的衰减率变化幅度更大,且衰减率与养护时间成正相关,说明改良土试样在 4 个养护时间的应力应变曲线均产生应变软化,且养护时间越长应变软化越明显。这是由于随着养护时间的增加,试样中木钙与土体反应更彻底,试样脆性增强。图 2摇 100 kPa 围压下试样的偏应力衰减率根据应力应变曲线可确定试样的弹性模量。图 3为 100 kPa 围压下试样弹性模量与木钙掺量关系图。由图 3 可知,养护时间为 1d 时,不同木钙掺量的试样弹性模量几乎一致。养护时间延长后,试样的弹性模量受木钙掺量影响明显,随
20、着木钙掺量的增加,弹性模量先增加后降低,即适量木钙有利于提高黏土弹性模量,过量的木钙掺入会使黏土弹性模量下降。当养护时间为 7 d 时,木钙掺量为 8%的试样弹性模量达到 60.07 MPa,比养护相同时间的纯黏土增加了 138.02%。图 3摇 100 kPa 围压下试样弹性模量与木钙掺量关系201水利水电科技进展,2023,43(5)摇 Tel:02583786335摇 E鄄mail:jz 摇 http:/2.2摇 峰值偏应力分析图 4 为不同围压条件下试样峰值偏应力随木钙掺量变化的曲线。从图 4 可以看出,掺入木钙能够显著提升土体抗剪强度,且峰值偏应力与围压之间存在正相关关系。这是因为围
21、压越大,受压试样受到的侧向约束也越强,试样轴向的抗变形能力也因此变强。峰值偏应力随着木钙掺量的增加呈现先增加后下降的趋势,在 0%到 8%区间内均表现为随着木钙掺量单调增强,到 12%掺量时下降。木钙掺量超过 8%后,木钙本身更容易与其他木钙发生团聚,缺少了土粒骨架的支撑作用,因此导致试样峰值强度降低。张涛等7、Chen 等17分别从木质素磺酸盐改良粉土、砂质粉土的试验研究中得到了与本文相似的结论,土体强度随木质素磺酸盐掺量的增加而增加,超过一定值后土体强度降低。图 4摇 木钙掺量对不同养护时间试样峰值偏应力的影响当木钙掺量达到 12%后,峰值偏应力相较掺量8%的试样稍有下降,但高于木钙掺量
22、4%的试样和纯黏土试样,仍然能起到加固效果。由图 4(b)可知,养护 1 d 时,200 kPa 围压条件下木钙掺量 8%、12%的试样峰值强度分别为1440.26、1054.86kPa,相比纯黏土试样的增长幅度分别为 130.17%、68.58%,养护 7 d 后的增长幅度分别为152.98%、133.40%,可以看出随着养护时间的增加,8%与12%木钙掺量试样的强度变得接近。养护时间较短时,木钙加固效果不充分,富余木钙会造成受压试样局部软弱6,18,12%掺量的改良土强度比 8%掺量的更低。随着养护时间的增加,木钙凝固黏结在土粒表面和孔隙中,多余的木钙影响变小,12%掺量与8%掺量改良土的
23、抗剪强度越来越接近。综上,对于本试验所取用的黏土而言,木钙加固的最佳掺量为8%。从图 4 还可以看出,随着养护时间的增加,试样峰值偏应力也不断提升,其中改良土试样增强幅度远远超过纯黏土试样。由图 4(c)可知,当养护时间为 7 d 时,木钙掺量为 8%的试样的峰值偏应力达到最大值 2017.23 kPa,相较养护同样时间的纯黏土试样提升了 236.25%。改良土试样在养护 1 3 d 区段增强幅度较大,300 kPa 围压下 4%掺量改良土试样养护 3 d 后的峰值偏应力相较养护 1 d 时提升了46.77%。随着养护时间的增加,增强速度也随之变缓,当养护时间达到 7 d 后,8%和 12%掺
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 木质素 磺酸钙 改良 低液限 黏土 压缩 特性
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。