一种木质素改良粉质黏土抗冻性研究方法与流程

本发明涉及木质素改良粉质黏土性能研究领域，具体涉及一种木质素改良粉质黏土抗冻性研究方法。

背景技术：

在季节性冰冻地区，春季路基土解冻融化，由于路基土层上部积累的冰晶体融化，使路基土含水率增加，加之粉质黏土排水能力差，路基上层软化，强度降低。在车辆荷载反复作用下，轻者路面出现结构性车辙，限制行车速度，重者路面开裂、冒泥，路基变形过大失稳。

近些年来，北方严寒地区道路运行状况的调查时发现粉质黏土填筑的路基冻害显著，木质素改良粉质黏土应用于寒区路基工程中，需要对其工程性质与耐久性开展探索性研究，而目前针对寒区工业副产品木质素改良黏性土在冻融循环条件下路用性能的研究鲜有报道，其工程应用和效果评价都十分缺乏。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种木质素改良粉质黏土抗冻性研究方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种木质素改良粉质黏土抗冻性研究方法，包括如下步骤:

s1.将粉质黏土风干，筛分出小颗粒粉质黏土；

s2.将筛选后的粉质黏土与木质素掺杂在一起；

s3.将不同木质素掺配比例的粉质黏土试样搅拌均匀，静压法成型圆柱形试件，密封恒温养生，然后进行冻融循环试验；

s4.将经冻融循环试验前后的试件进行重复加载动态回弹模量试验；

s5.将经冻融循环试验前后的试件进行承载比试验；

s6.将经冻融循环试验前后的试件进行导热系数试验。

优选的，在所述s1中，将粉质黏土风干后，经孔径为2mm的筛网，得到筛选后的粉质黏土。

优选的，在所述s2中，将筛选后的粉质黏土与木质素按照木质素质量百分比为0％、2％、4％、6％的比例掺杂在一起，试件成型密度为最佳含水率条件下，最大干密度的96％。

优选的，在所述s3中，所述冻融循环试验包括如下步骤：

s31.将不同木质素掺配比例的粉黏土加水搅拌均匀后的试样装入密封袋内，浸润12h；

s32.采用静压法成型试件，聚酯薄膜密封后放入标准养生箱内，在温度为20℃，相对湿度为95％条件下养生7d、28d；

s33.完成养生的木质素改良粉质黏土试件与粉质黏土试件一同放入高低温交变试验箱内，所述高低温交变试验箱的冻结融化温度分别为-20℃与20℃，冻结融化时间各24h，冻融循环10次。

优选的，在所述s4中，所述重复加载动态回弹模量试验为三轴重复加载试验，所述三轴重复加载试验采用dts30通用试验机完成测试，通过dts30配套的testlab软件完成数据采集与分析。

优选的，dts30通用试验机中，围压为气压加载，半正矢脉冲荷载，荷载频率10hz，加载时间为0.2s，荷载间歇时间为0.8s；试验中各土样制作3个平行试件，每个试件含水率与压实度误差控制在1％以内。

优选的，在所述s5中，所述承载比试验包括如下步骤：

s51.称量冻融前后每个试件与筒的质量；

s52.将试件放入框架内，安装好测量膨胀量的表架与百分表后，将试件再放入水槽内，读取百分表初始读数，然后在水槽内加水，水面高出试件顶面25mm以上；

s53.试件浸泡4昼夜后，读取百分表读数，将试件从水槽中取出，倒出试件顶面的水，静置15min，卸去框架、荷载板等附件，称量筒和试件质量；

s54.将试件放在mqs-2型路面材料强度试验仪上进行贯入试验，计录位移值与压力值；

s55.计算cbr、膨胀量与吸水量。

优选的，在所述s54中，在进行贯入试验时，采用50kn加载感应头，加载速率为1mm/min。

优选的，在所述s6中，所述导热系数试验采用导热系数仪完成，仪器导热系数测量范围：0.005～500w/(m·k)，精度：±3％，传感器采用聚酰亚胺覆膜，测试时间1～2560s。

优选的，所述导热系数仪采用双螺旋探头结构，双螺旋探头夹于两块样品之间，并依据双螺旋探头测得的阻值大小建立双螺旋探头温度随时间的变化关系。

本发明的有益效果是：

1.冻融后粉质黏土试件表面有明显的裂缝，木质素掺量2％的改良粉质黏土表面存在微小的裂缝，而木质素掺量4％与6％的改良粉质黏土整体性好，未见裂缝，说明木质素掺入有效改善了土体冻融稳定性。

2.木质素改良粉质黏土的动态回弹模量试验结果表明：冻融前后，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量随着偏应力的增大而减小，随着围压的增大而增大。冻融前，木质素改良粉质黏土的回弹模量随着木质素掺量增加而减小。冻融后，木质素改良粉质黏土的回弹模量随着木质素掺量增加而增加，回弹模量衰减百分率随着木质素掺量增加而减小。说明木质素提高了土体抗冻性，但木质素掺量过多对土体强度不利。

3.木质素改良粉质黏土的cbr试验结果表明：木质素改良土cbr随着木质素掺量增加，先增大后减小。冻融后，粉质黏土与木质素改良粉质粘土的cbr均减小，但木质素改良粉质黏土的cbr减小幅度较小。冻融前，木质素改良土膨胀量随着木质素掺量增加而减小。冻融后，木质素改良土的膨胀量随着木质素掺量增加而增大。冻融前后，木质素改良粉质黏土的吸水量均随着木质素掺量增加而增大。综合分析，给出寒区粉质黏土路基最佳木质素掺量为4％。

4.木质素改良粉质黏土的导热性试验结果表明：木质素改良粉质黏土的导热系数随着木质素掺量增加而减小，木质素掺入土体，降低了土体的传热性，对提高抗冻性有利。粉质黏土与木质素改良粉质黏土在冻融后导热系数均增加。

附图说明

图1为粉质黏土与木质素改良粉质黏土的冻融7d后试件表观情况；

图2粉质黏土与木质素改良粉质黏土的冻融28d后试件表观情况；

图3为粉质黏土冻融后裂缝扩展情况；

图4为养生7d木质素改良土冻融前应力状态对回弹模量的影响；

图5为养生7d木质素改良土冻融后应力状态对回弹模量的影响；

图6为养生7d木质素改良土冻融后应力状态对模量衰减值的影响；

图7为养生28d木质素改良土冻融前应力状态对回弹模量的影响；

图8为养生28d木质素改良土冻融后应力状态对回弹模量的影响；

图9为养生28d木质素改良土冻融后应力状态对模量衰减值的影响；

图10为养生7d改良土动态回弹模量与木质素掺量关系；

图11为养生28d改良土动态回弹模量与木质素掺量关系；

图12为木质素改良土回弹模量衰减百分率；

图13为冻融对木质素改良粉质黏土cbr值的影响；

图14为冻融对木质素改良粉质黏土膨胀量的影响；

图15为冻融对木质素改良粉质黏土吸水量的影响；

图16为养生7d冻融前后木质素改良土导热系数；

图17为养生28d冻融前后木质素改良土导热系数。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例

一种木质素改良粉质黏土抗冻性研究方法，包括如下步骤:

s1.将粉质黏土风干，经孔径为2mm的筛网，得到筛选后的粉质黏土；

s2.将筛选后的粉质黏土与木质素按照木质素质量百分比为0％、2％、4％、6％的比例掺杂在一起，试件成型密度为最佳含水率条件下，最大干密度的96％；

s3.将s2中不同木质素掺配比例的粉质黏土试样搅拌均匀，密封并浸润12h，然后进行冻融循环试验；所述冻融循环试验包括如下步骤：

s31.将密封并浸润后的试样倒入钢模内，采用静压法成型试件,成型后的试件用聚酯薄膜密封；

s32.密封的木质素改良粉质土试件放入标准养生箱内，在温度为20℃，相对湿度为95％条件下养生7d、28d；

s33.完成养生的木质素改良粉质土试件与粉质黏土试件一同放入高低温交变试验箱内，所述高低温交变试验箱的冻结融化温度分别为-20℃与20℃，冻结融化时间各24h，冻融循环10次。

s4.将经冻融循环试验前后的样品进行重复加载动态回弹模量试验；三轴重复加载试验是在国际上被广泛接纳和应用的测试路基土动态回弹模量的方法，制定出的细粒土路基三轴试验加载序列表如表1所示，

表1.三轴试验加载序列表

具体来说，所述三轴重复加载试验采用dts30通用试验机完成测试，通过dts30配套的testlab软件完成数据采集与分析；dts30通用试验机中，围压为气压加载，半正矢脉冲荷载，荷载频率10hz，加载时间为0.2s，荷载间歇时间为0.8s；试验中各土样制作3个平行试件，每个试件含水率与压实度误差控制在1％以内。

s5.将经冻融循环试验前后的样品进行承载比试验；所述承载比试验包括如下步骤：

s51.称量冻融前后每个试件与筒的质量；

s52.将试件放入框架内，安装好测量膨胀量的表架与百分表后，将试件再放入水槽内，读取百分表初始读数，然后在水槽内加水，水面高出试件顶面25mm以上；

s53.试件浸泡4昼夜后，读取百分表读数，将试件从水槽中取出，倒出试件顶面的水，静置15min，卸去框架、荷载板等附件，称量筒和试件质量；

s54.将试件放在mqs-2型路面材料强度试验仪上进行贯入试验，采用50kn加载感应头，加载速率为1mm/min，计录位移值与压力值；

s55.按照《公路土工试验规程》(jtge40-2007)中公式(t0134-2)～公式(t0134-7)，计算cbr、膨胀量与吸水量。

其中，cbr试验是承载比试验的简称，cbr是由美国加州公路局提出的一种评定路基材料承载能力的指标，该试验模拟路基填料在满足压实度条件并处于受水浸泡的最不利环境情况下，路基抗局部剪切力破坏的能力。

s6.将经冻融循环试验前后的样品进行导热系数试验；所述导热系数试验采用导热系数仪完成，仪器导热系数测量范围：0.005～500w/(m·k)，精度：±3％，传感器采用聚酰亚胺覆膜，测试时间1～2560s，导热系数仪采用双螺旋探头结构，双螺旋探头夹于两块样品之间，并依据双螺旋探头测得的阻值大小建立双螺旋探头温度随时间的变化关系。

其中，基于瞬态平板热源的技术理论，导热系数仪采用了双螺旋探头结构，该探头在测试过程中起到两个作用，它既是一个用来加热样品的热源，又是一个用来记录温度随时间升高的阻值温度计。通常探头是由10微米厚的镍金属按双螺旋线布置的，其宽度、圈数及其半径都是经过精密设计的。这种螺旋结构由外部薄膜材料保护起来，该材料一方面提供探头一定的机械强度，另一方面保证探头在使用中的电绝缘性。在测试材料的导热系数时，被膜装的镍螺旋探头夹于两块样品之间。在测试时间内，探头的阻值变化将被一一记录下来，基于阻值的大小系统建立起测试期间探头所经历的温度随时间变化关系。根据不同材料的导热系数大小，系统要选择不同的测试参数，包括：输出功率，测试时间以及采用探头的尺寸等。

本实施例中，

在冻融循环试验中，

粉质黏土与木质素改良粉质黏土的冻融后试件表观情况，如图1、2、3所示，由图1、2、3可知，粉质黏土试件经过冻融作用后，其表面存在显著的裂缝，并向纵横向发展。木质素掺量2％的改良土表面也存在微小的裂缝，但木质素掺量4％与6％的改良土表面未见裂缝。冻融后试件的表观特征说明木质素可以改善粉质黏土路基冻融稳定性。

重复加载动态回弹模量试验中，冻融前后不同加载序列的养生7d木质素改良粉质黏土动态回弹模量测试结果见表2，

表2.养生7d木质素改良粉质黏土回弹模量测试表

如图4、5所示，冻融前后，在围压一定的前提下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量均随着偏应力的增大而减小；在偏应力一定的前提下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量均随着围压的增大而增大。

如图6所示，在围压一定条件下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量衰减值随着偏应力的增大而减小；在偏应力一定条件下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量衰减值随着围压的增大而增大。

冻融前后不同加载序列的养生28d木质素改良粉质黏土动态回弹模量测试结果见表3，对表3中冻融作用前后的不同应力状态下木质素改良粉质黏土的动态回弹模量测试结果进行分析整理，其结果如图7、8所示，由图7、8可知，冻融前后，在围压一定的前提下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量均随着偏应力的增大而减小，在偏应力一定的前提下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量均随着围压的增大而增大。应力状态对28d养生的木质素改良粉质黏土的动态回弹模量影响规律与7d养生的木质素改良粉质黏土的动态回弹模量试验结果具有很好的一致性。

对表3.4中冻融循环作用后的不同应力状态下木质素改良粉质黏土的动态回弹模量衰减值进行分析整理，如图9所示，由图9可知，在围压一定条件下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量衰减值随着偏应力的增大而减小；在偏应力一定条件下，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量衰减值随着围压的增大而增大。应力状态对28d养生的木质素改良粉质黏土的模量衰减值影响规律与7d养生的木质素改良粉质黏土的模量衰减值试验结果具有很好的一致性。

表3.4养生28d木质素改良粉质黏土回弹模量(mpa)

选取路基平均工作围压30kpa条件下的测试结果，绘制成图10与图11。由图10(a)、11(a)可知，在冻融前，木质素改良粉质黏土的动态回弹模量随着木质素掺量增加而减小。由图10(b)与图11(b)可知，在经历10次冻融后，木质素改良粉质黏土随着木质素掺量增加而增加，说明木质素掺入有效抑制了土体强度的衰减。

对不同应力状态回弹模量衰减结果取平均值，再求衰减百分率，结果见表4与图12所示，

表4木质素改良土回弹模量衰减百分率(％)

可知，木质素的掺入有效的改善了粉质黏土的抗冻性，随着木质素掺量增加，木质素改良粉质黏土的回弹模量衰减百分率逐渐减小，养生时间对木质素掺量6％改良土的影响更为显著。

承载比试验

冻融前后，木质素改良粉质黏土承载比试验结果，见表3.6、表3.7，图13

表3.6冻融前木质素改良粉质黏土的cbr试验结果

表3.7冻融后木质素改良粉质黏土的cbr试验结果

可知，木质素改良土cbr值随着木质素掺量增加，先增大后减小。冻融前，木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，cbr增长了127％、131.2％、57.4％，在养生28d时，cbr增长了134.4％、143.2％、66.7％。冻融后，粉质黏土与木质素改良粉质黏土的cbr均减小，但木质素改良粉质黏土的cbr减小幅度较小。粉质黏土冻融后，cbr减小了53％。木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d冻融后，cbr减小了29.9％、9.3％、8.2％，在养生28d冻融后，cbr减小了21.4％，7.8％，10.1％。

冻融对木质素改良粉质黏土膨胀量的影响

由表3.6、表3.7及图14可知，冻融前，木质素改良土膨胀量随着木质素掺量增加而减小。木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，膨胀量减小了0.37％、0.36％、0.21％，在养生28d时，膨胀量减小了0.27％、0.29％、0.3％。冻融后，木质素改良土的膨胀量随着木质素掺量增加而增大。木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，膨胀量增大了0.79％、0.85％、0.88％，在养生28d时，膨胀量增大了0.92％、0.96％、1.15％。粉质黏土在冻融后，膨胀量减小了0.92％。木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d冻融后，膨胀量增大了0.23％、0.29％、0.17％；在养生28d冻融后，膨胀量增大了0.26％、0.33％、0.53％。

冻融对木质素改良粉质黏土吸水量的影响

由表3.6、表3.7及图15可知，冻融前后，木质素改良粉质黏土的吸水量均随着木质素掺量增加而增大。冻融前，木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，吸水量增大了42g、48g、64g，在养生28d时，吸水量增大了37g、54g、74g。冻融后，木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，吸水量增大了74g、90g、117g，在养生28d时，吸水量增大了38g、63g、89g。粉质黏土与木质素改良粉质黏土在冻融后，吸水量均增大，粉质黏土增大了7g，木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，吸水量增大了39g、49g、60g；在养生28d时，吸水量增大了8g、16g、22g。

承载比试验结果表明，粉质黏土在冻融作用前后cbr均较小，不能满足《公路路基设计规范》中路基填料最低技术指标的要求。分析木质素改良粉质黏土冻融前后cbr、膨胀量与吸水量的变化规律可得出，寒区粉质黏土路基最佳木质素掺量为4％。

导热性试验

粉质黏土与木质素改良粉质黏土导热系数测定结果，见表3.8～3.9、图16、17，由表3.8、表3.9、图16及图17可知，冻融前后，木质素改良粉质黏土的导热系数均随着木质素掺量增加而减小。冻融前，木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，功率150w条件下测得导热系数减小了2.93％、9.05％、14％，功率180w条件下测得导热系数减小了0.08％、8.42％、13.76％；在养生28d时，功率150w条件下测得导热系数减小了2.51％、5.2％、15.93％，功率180w条件下测得导热系数减小了2.09％、4.42％、13.18％。冻融后，木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，功率150w条件下测得导热系数减小了3.01％、4.72％、16.02％，功率180w条件下测得导热系数减小了2.51％、3.24％、15.37％；在养生28d时，功率150w条件下测得导热系数减小了3.17％、5.85％、12.76％，功率180w条件下测得导热系数减小了2.99％、6.55％、12.22％。粉质黏土与木质素改良粉质黏土在冻融后导热系数均增加，粉质黏土在功率150w条件下测得导热系数增加了3.1％，在功率180w条件下测得导热系数增加了3.09％。木质素掺量为2％、4％及6％的改良土，在养生7d时，功率150w条件下测得导热系数增大了3.02％、8.02％、0.68％，功率180w条件下测得导热系数减小了0.58％、8.93％、1.16％；在养生28d时，功率150w条件下测得导热系数增大了2.41％、2.39％、6.98％，功率180w条件下测得导热系数减小了2.13％、0.79％、4.23％。

表3.8养生7d木质素改良粉质黏土导热系数(w/m·k)

表3.9养生28d木质素改良粉质黏土导热系数(w/m·k)

通过本发明研究木质素改良粉质黏土抗冻性能，表明：木质素掺入有效改善了土体冻融稳定性；木质素提高了土体抗冻性，但木质素掺量过多对土体强度不利；出寒区粉质黏土路基最佳木质素掺量为4％；粉质黏土与木质素改良粉质黏土在冻融后导热系数均增加，以此为木质素在粉质黏土改良中提供理论依据，弥补了目前针对寒区工业副产品木质素改良黏性土在冻融循环条件下路用性能的研究鲜有报道，以及其工程应用和效果评价都十分缺乏的缺陷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。