基于工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素的粉土固化改良技術(shù)與工程應(yīng)用研究.pdf

1、粉土路基處理是我國(guó)東南沿海地區(qū)交通工程建設(shè)經(jīng)常面臨的技術(shù)難題，探索經(jīng)濟(jì)、高效的粉土改良技術(shù)是目前我國(guó)巖土工程界迫切需要解決的難題之一。木質(zhì)素是生物能源和造紙廠生產(chǎn)的主要副產(chǎn)品，目前沒(méi)有得到有效的利用。本文提出基于工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素的粉土改良新技術(shù)，深入開展木質(zhì)素改良粉土的機(jī)理和工程特性等研究，旨在為該新技術(shù)的推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
　　本文以江蘇省交通科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013Y04)為依托，以木質(zhì)素改良路基粉土為研究對(duì)象，以揭示其

2、改良機(jī)理和工程特性為目標(biāo)，采用室內(nèi)試驗(yàn)、理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)木質(zhì)素改良路基粉土技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)系統(tǒng)總結(jié)了工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素的基本性質(zhì)和資源化利用現(xiàn)狀，對(duì)木質(zhì)素在土體改良中的應(yīng)用、改良土強(qiáng)度特性、改良機(jī)理和本構(gòu)模型等方面的研究成果進(jìn)行了分析，指出其存在和需要解決的問(wèn)題。
　　(2)系統(tǒng)研究了木質(zhì)素改良后粉土物理力學(xué)特性和耐久性的變化規(guī)律。通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，研究了摻量和養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)改良

3、土物理力學(xué)特性指標(biāo)的影響，對(duì)比分析了木質(zhì)素和石灰改良粉土的效果，指出了木質(zhì)素改良粉土技術(shù)的可行性和優(yōu)勢(shì)。研究結(jié)果表明，木質(zhì)素可有效提高粉土力學(xué)性能，強(qiáng)度隨摻量增加而增長(zhǎng)，摻量超過(guò)一定值后，強(qiáng)度呈降低趨勢(shì);對(duì)于江蘇粉土，木質(zhì)素最優(yōu)摻量為12％;木質(zhì)素改良土的耐久性優(yōu)于石灰土，抑制收縮能力低于石灰。
　　(3)基于彎曲元測(cè)試技術(shù)，分析了木質(zhì)素、水泥改良土小應(yīng)變剪切模量G0隨養(yǎng)護(hù)齡期的發(fā)展規(guī)律，引入歸一化參數(shù)分析小應(yīng)變剪切模量和無(wú)側(cè)限抗

4、壓強(qiáng)度的相關(guān)關(guān)系，建立了木質(zhì)素改良土強(qiáng)度的無(wú)損評(píng)價(jià)方法。研究結(jié)果表明，兩種類型改良土在不同摻量下隨齡期變化的小應(yīng)變剪切模量經(jīng)歸一化參數(shù)G28處理后，均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律;歸一化小應(yīng)變剪切模量和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，小應(yīng)變剪切模量可作為改良土強(qiáng)度發(fā)展的評(píng)價(jià)指標(biāo)。
　　(4)通過(guò)非穩(wěn)態(tài)熱探針測(cè)試技術(shù)，測(cè)試了天然土和木質(zhì)素改良粉土的熱阻系數(shù)，研究了含水率、干密度、顆粒粒徑和飽和度等因素對(duì)熱阻系數(shù)的影響，建立了預(yù)測(cè)天然土熱阻

5、系數(shù)的模型，討論了木質(zhì)素?fù)搅亢蛪簩?shí)含水率對(duì)改良土熱阻系數(shù)的影響，分析了改良土熱阻系數(shù)隨養(yǎng)護(hù)齡期的變化規(guī)律，探討了木質(zhì)素改良土熱阻系數(shù)與力學(xué)指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系。研究結(jié)果表明，熱阻系數(shù)隨含水率、干密度、顆粒粒徑和飽和度增加呈減小趨勢(shì)，低于“臨界含水率”時(shí)，熱阻系數(shù)對(duì)含水率變化的敏感性較高;熱阻系數(shù)與眾多影響因素間不呈單一相關(guān)關(guān)系;改良土熱阻系數(shù)隨木質(zhì)素?fù)搅亢宛B(yǎng)護(hù)齡期增加而增加，60d齡期后，不同摻量試樣的熱阻系數(shù)基本相同。28d齡期后，壓實(shí)含

6、水率對(duì)熱阻系數(shù)基本無(wú)影響;木質(zhì)素改良土熱阻系數(shù)與重度呈線性反比關(guān)系，與抗壓強(qiáng)度和回彈模量總體呈增加趨勢(shì)。
　　(5)通過(guò)電鏡掃描(SEM)、壓汞分析(MIP)、pH值、電阻率、X射線衍射(XRD)、能譜分析(EDS)和傅里葉變換紅外光譜分析(FTIR)等方法，研究了木質(zhì)素改良后土體微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化特征，揭示了木質(zhì)素改良土體的機(jī)理。研究結(jié)果表明，木質(zhì)素改良土形成致密、穩(wěn)定的微觀結(jié)構(gòu)，未產(chǎn)生新的官能團(tuán)和礦物成分;土體中主要礦物

7、成分平均晶粒尺寸均有不同程度的減小;木質(zhì)素主要通過(guò)水解反應(yīng)、質(zhì)子化反應(yīng)和靜電引力作用，減小雙電層厚度并產(chǎn)生具有膠結(jié)性質(zhì)的高分子聚合物，包裹、連接顆粒，填充孔隙。
　　(6)基于能量守恒原理對(duì)木質(zhì)素改良土直接剪切過(guò)程各階段的功能轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行分析，提出了評(píng)價(jià)木質(zhì)素改良粉土剪切強(qiáng)度的理論模型;通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)，研究了改良土臨界狀態(tài)下的強(qiáng)度變化特征，基于邊界面塑性理論建立了考慮膠結(jié)作用的木質(zhì)素改良土本構(gòu)模型。研究結(jié)果表明，木質(zhì)素產(chǎn)生的膠結(jié)

8、物質(zhì)不僅提高粉土的力學(xué)性能，還可增強(qiáng)塑性變形能力;具有膠結(jié)特性改良土剪切過(guò)程的能量分為:破壞顆粒間膠結(jié)的能量、顆粒間滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的能量和顆粒間摩擦運(yùn)動(dòng)的能量，其中破壞膠結(jié)的能量是土體自身的特性，與豎向應(yīng)力無(wú)關(guān);改良土臨界狀態(tài)剪應(yīng)力隨摻量增加而增大，其臨界狀態(tài)線相對(duì)于素土發(fā)生平行移動(dòng)，膠結(jié)特性對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的提高主要通過(guò)黏聚力反映;新的屈服方程和膠結(jié)破壞速率等參數(shù)的引入，可較好描述木質(zhì)素改良土的應(yīng)力-應(yīng)變特征。
　　(7)開展工業(yè)副產(chǎn)品

9、木質(zhì)素改良粉土路基現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，論證了木質(zhì)素改良粉土技術(shù)的可行性和優(yōu)越性，提出了相應(yīng)的施工工藝，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行了系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。總結(jié)了木質(zhì)素改良路基土的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境影響，探討了改良路基土浸出液的處治方法。研究結(jié)果表明，木質(zhì)素改良路基土的強(qiáng)度在養(yǎng)護(hù)初期(＜7d)增長(zhǎng)較石灰土慢，28d齡期養(yǎng)護(hù)后，12％木質(zhì)素路基土的路用性能指標(biāo)優(yōu)于8％石灰改良土;含水率增多對(duì)土體強(qiáng)度增長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響;木質(zhì)素改良土建設(shè)材料成本低于石灰土的1/10，其土壤環(huán)境質(zhì)量