5.生物能源副产品木质素加固土体研究进展_刘松玉(2)

泥、石灰、粉煤灰、矿渣和沥青材料等，这些添加剂在改变土体矿物成分、提高加固土体强度和耐久性的

［］

同时也对环境造成一定的危害。Ｓｒｗｏｏｄ７认为ｈｅ

能源副产品木质素加固土体方面的研究成果。表１中的相关文献报道显示，木质素在加固路基土、抑制扬尘和改善土体抗侵蚀性能等方面均具有广阔的应用前景，同时可用于木质素改良的土体类型也是多样的，如粉砂、粘土和崩解土等。

由于木质素自身的复杂性和多样性，使得基于副产品木质素的土体固化剂形态也多种多样，但主］］要存在固态和液态２种形式。文献［中针１４１６～［

对粉末状木质素提出配制质量分数为３０％溶液喷

水泥、石灰等传统固化剂改变了土体的ｐ形成Ｈ值，

了一定范围的侵蚀环境，对周围植被、地下水均产生

［］了一定的影响。Ｒｌｉｎｓ等８认为传统固化剂处理ｏｌｇ

土体的ｐ土体呈碱性对水泥强度和钢Ｈ值约为９，

］［０

认为结构寿命产生一定的威胁。Ｂｒｄｍａｎ等９－１ｏａ

随着固化剂掺量和养护龄期增加，土体中离子交换

等：生物能源副产品木质素加固土体研究进展第８期　　　　　　　　　　刘松玉，

３

［４］

认为质素主要作为胶结物质加固土体。Ａｏ等３ｄｄ

木质素加固土体时，部分土颗粒的重新排列是加固土抗剪强度增加的主要原因之一。美国陆军工程研

［５］

对木质素磺酸盐加固究与发展中心的Ｔｅ等３ｉｎｌｇ

粉砂和粘土进行了研究，认为木质素磺酸盐是一种有机高分子化合物，其化学组成与传统无机固化剂不同，作为胶结物具有较少的化学活性，其主要是通过薄膜将土颗粒物理胶结在一起，提出的相关固化

图１

木质素加固某道路路基

模型如图２所示。

ＬｉｎｉｎｏｉｌｏｆＳｕｂｒａｄｅＳｔａｂｉｌｉｚｅｄｂＦｉ．１Ｓ　　　　ｇｇｙｇ　表１

国外相关机构木质素加固土体研究

Ｔａｂ．１ＲｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎＬｉｎｉｎＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＳｏｉｌｉｎ　　　　　ｇ

ＦｏｒｅｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎｓ　ｇ

机构美国陆军工程研究与发展中心美国爱荷华州立大学

研究内容

通过相关室内试验，明确了木质素磺酸盐加固粉砂和粘土在强度和耐久性方面均优于素土，可用于低交通容量条件下路基土加固和路面扬尘处理。２种不同类型的副产品木质素可有效加］，固爱荷华低塑性粘土［ＣＬ或Ａ６（８）－在满足工程要求的前提下，副产品木质素可替代传统添加剂改良路基土。２种类型木质素磺酸盐成功应用于野生动物保护区内道路路基加固和路面扬尘处理，并提出木质素磺酸盐加固土体的施工方法。

木质素磺酸盐处理粉砂等分散性土后，土体抗侵蚀性能大大提高，固化土环境友好且固化成本相对低廉，具有广阔的应用前景。

文献［］］２４２９～［

文献［］，［］２３２２

文献［］］１７２１～［

文献［］］１４１６～［

来源

阿根廷联邦公路管理局

图２

木质素固化土体机理示意

ＦｃｈｅｍａｔｉｃＤｉａｒａｍｏｆＭｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｉ．２Ｓ　　　　ｇｇ

ＬｉｎｉｎＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＳｏｉｌ　　ｇ

澳大利亚卧龙岗大学

图２中的木质素固化土体机理为：木质素磺酸盐首先水解出高价阳离子并与土中低价阳离子置换，土颗粒表面双电层厚度减小，土层间距减小；其次，土颗粒表面带有一定量的负电荷，由于静电引力作用，带正电的有机大分子被吸引至土颗粒表面，形成胶结物质并填充孔隙；最后，土颗粒间以摩擦联结和物理联结２种方式联系起来，形成更为致密的土体结构。

［７］

通过对比分析木质素磺酸盐加固ｏｄ等２Ｖｉｎ

分散性粉砂的微观试验结果，提出了与Ｔｅ相似ｉｎｌｇ

洒的施工工艺，而文献［中则采用与石灰等类似２２］的拌和施工工艺进行现场施工。对于液态木质素的施工方法一般采用预先配制的不同浓度溶液，利用洒水车进行喷洒作业。关于木质素固化土的现场施工工艺尚缺乏统一的规程，如何正确、合理地将其应用于实际工程建设，仍需进一步探索。

２木质素与加固土体的相互作用机理

欧美学者对木质素与加固土体的相互作用机理

［０］

做了大量的研究，但目前尚无统一定论。Ｇｏｗ等３

的固化机理。认为木质素磺酸盐在土体孔隙液中首和氢氧根离子先发生水解作用，产生氢离子（Ｈ＋），（同时仲醇羟基上的氧原子质子化，带正电ＯＨ－）

荷的木质素磺酸盐中和土颗粒表面负电荷，双电层厚度减小，生成的木质素磺酸盐聚合物与粘土矿物形成胶结。素粘土矿物层间通过胶结物质相连。木质素磺酸盐加入土中后，通过上述一系列反应产生木质素磺酸盐聚合物，将粘土颗粒联结起来，形成土颗粒聚集体。

研究认为木质素主要通过４个方面加固分散性土体：改善对水的吸附性和降低①填充土颗粒间孔隙，冻胀敏感性；②消除土体内部局部软弱部分；③细颗粒填充孔隙，增加土体密实度；④增加胶结部分比表

［１］３３－

认为木面积，进一步增强土体强度。Ｗｄｓ等３ｏｏ

４

中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　２４年０１

研究木质素加固土体机理的主要化学分析试验

表２

如表２表示。

研究木质素加固土体机理的主要化学分析试验

．２ＭａｉｎＣｈｅｍｉｃａｌＡｎａｌｓｉｓＴｅｓｔｓｆｏｒＲｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎＳｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｏｆＬｉｎｉｎＳｔａｂｉｌｉｚｅｄＳｏｉｌｓＴａｂ　　　　　　　　　　　　ｙｇ

试验名称能谱仪试验（）ＥＤＳ

试验对象木质素磺酸盐

主要研究成果

木质素磺酸盐主要含有Ｃ，ａ等化学元素。Ｏ，Ｓ，Ｎ

、、苯环（波段数为１木质素磺酸盐含有Ｏ－Ｈ（波段数为３ｍ－１）１０，７２５ｃｍ－１）３８０ｃ６４５，１５　　　

傅里叶变换红外光谱试验（Ｒ）ＦＴＩ

木质素磺酸盐和Ｃ－Ｈ（和Ｃ－Ｏ（等官能团，波段数为１并得到木质波段数为１ｍ－１）９０ｃｍ－１）４６０ｃ０４０，１０　　　木质素磺酸盐

固化土

素磺酸盐的化学结构式；木质素磺酸盐加固土中的官能团等于天然素土中存在的官能团加上木质素磺酸盐的官能团，并未产生新的官能团；Ｏ－Ｈ，Ｃ－Ｈ等官能团的出现是由于木质素磺酸盐与粘土矿物离子交换形成的，离子交换过程与粘土矿物种类密切相关。

Ｘ射线衍射试验（ＸＲＤ）

素土和木质素磺酸盐固化土木质素磺酸盐

电导率试验

固化土（土）水比为１∶５

微观扫描电镜试验（ＳＥＭ）

粉砂和木质素磺酸盐固化粉砂

天然分散性粉砂土的主要成有高岭石、蒙脱石、伊利石和石英，加固土的ＸＲＤ试验结果中没有出现新的峰值。

土体孔隙液电导率随添加剂掺量的增加而增大，电导率随养护龄期增加７ｄ养护龄期之前，而减小，电导率值基本不变。土体孔隙液电导率增加表明：土体介电常７ｄ养护龄期之后，数减小、土颗粒间双电层厚度减小、土颗粒絮凝、土体结构稳定性提高。

粉砂土颗粒具有明显边界，木质素磺酸盐固化后的粉砂颗粒间存在胶结物质，土体孔隙得到填充，土体形成更为稳定的结构体系。

］文献［２７文献］［］，［２８７２来源文献］［］，［８２７２

文献［］］，［２６８３

］文献［２５

可以得出：　　通过以上文献总结，

（）生物能源副产品木质素是一种有机高分子１化合物，其化学组成与传统无机固化剂（如水泥、石灰和粉煤灰等）不同，加固土体的固化机理也不同。（）木质素加固土体主要通过离子交换和中和２

土颗粒表面负电荷，减小双电层厚度、生成胶结物质填充孔隙并联结土颗粒，形成更稳定的土体结构。

（）木质素加固土体过程中并未发生火山灰反３

应、碳酸化反应等传统无机固化剂固化土体时发生的化学反应，其胶结物质的生成主要通过水解作用和离子交换作用，木质素在整个固化过程中化学组成（如官能团、苯环结构等）基本保持不变。（）关于木质素固化土冻胀敏感性降低和土颗４

粒重新排列引起土体强度增加等结论，尚缺少相关试验证明或无统一的机理解释。总之，生物能源副产品木质素加固土体的机理已有相关认识，但目前尚无完整定论，仍需进一步明确。

）水稳试验（完全要包括无侧限抗压强度（试验、ＵＣＳ、浸泡试验、半浸泡试验）膨胀性试验、抗侵蚀特性试验和应力－应变关系试验等，最常见的是无侧限抗压强度试验和水稳试验。

［７］

对比分析了木质素、ｍｅｒ等３ｌＰａｌＣａＣ２和

强度提高的效果，发现木质ＭＣｌＳＭ）ｇ２对粉土质砂（

，质量分数，素固化土在掺量２．下文同）５％（７ｄ养，并指出水对护龄期下的最大Ｕ６６１ｋＰａＣＳ值为７　木质素的侵蚀和浸出作用是固化土强度降低的主要

］［４１５－

分别对木质素磺酸盐固化粉原因。Ｓｔｏｎｉ等１ａｎ

砂和粘土进行了Ｕ得到干、湿养护条件下ＣＳ试验，

固化土的强度较素土均有显著提高，建议木质素磺酸盐的最优掺量为５％。文献中［中对造纸厂副２０］产品“黑液”和乙醇加工厂副产品（２种不同类型的无硫木质素）进行了大量的强度试验，认为木质素加（）］的最优掺量为固爱荷华低塑性粘土［６８ＣＬ或Ａ－超过此掺量后固化土强度反而有所降低。在１２％，中国，固化土作为路基填料时，压实度和承载力等均应满足一定的要求，如一级公路、填石路堤路基土压实度不应小于９路堤高度小于１承载力６％，０ｍ时，

［８］

。木质素固化土强度虽有显著不宜低于１Ｐａ３５０ｋ

３木质素加固土体性能评价标准

目前已有生物能源副产品木质素加固土体工程

［７］２１－

报道了木质素加应用的文献报道。Ｃｎ等１ｅｌａｙ

固爱荷华州卡尔霍恩县的爱荷华低塑性粘土［ＣＬ（）］，但文献中均未给出现场试验测试结果或Ａ６８－

［２］２３－

报道了木质及相关性能评价标准；ｄａｈｌ等２Ｓｕｒ