木質(zhì)素的巖土工程應(yīng)用范文
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1木質(zhì)素簡介
1基本物理化學(xué)性質(zhì)木質(zhì)素的物理化學(xué)性質(zhì)，不僅與植物的種類有關(guān)，且與分離提取方法密切相關(guān)。植物中原本木質(zhì)素的主要部分是與糖類緊密連接并形成巨大的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種木質(zhì)素－糖類復(fù)合物在所有的溶劑中都不溶。分離木質(zhì)素時發(fā)生了縮合和降解，木質(zhì)素的相關(guān)物理性質(zhì)發(fā)生了改變，溶解度性質(zhì)也隨之有所改變。木質(zhì)素中酚羥基和羧基的存在，使木質(zhì)素能在濃的強堿溶液中溶解，而木質(zhì)素磺酸鹽則可溶于水。化學(xué)制漿法的原理，就是用堿使得原本木質(zhì)素產(chǎn)生大量的酚羥基，并形成酚羥基鹽，使之溶解于水，或在木質(zhì)素大分子中導(dǎo)入磺酸基，形成可溶性的木質(zhì)素磺酸鹽，即造紙“黑液”等的主要成分之一。原本木質(zhì)素是一種白色或接近無色的粉末。木質(zhì)素從植物中分離出來時，隨分離方法的不同，帶有灰黃至灰褐色。木質(zhì)素的相對密度大約在1135～1150g/cm3之間，折射率高達1161左右，熱值高達2610J/g，這也是造紙黑液回收的依據(jù)之一。通常提取的木質(zhì)素的相對分子質(zhì)量在2800～17800之間［10］。木質(zhì)素分子結(jié)構(gòu)中，存在著芳香基、酚羥基、醇羥基、羧基等活性基團，可以進行氧化、還原、水解、醇解、光解、磺化、鹵化、硝化或接枝共聚等許多化學(xué)反應(yīng)。
1.2木質(zhì)素的工業(yè)應(yīng)用木質(zhì)素在植物生長發(fā)育及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中具有重要作用，人類利用纖維素已有幾千年的歷史，而木質(zhì)素真正開始研究，始于上世紀(jì)30年代，至今為止仍未得到很好的利用。木質(zhì)素作為木材水解工業(yè)和造紙工業(yè)的副產(chǎn)業(yè)，由于得不到充分利用，變成了環(huán)境污染物，嚴(yán)重地污染了環(huán)境。如淮河流域星羅棋布的大大小小的造紙廠排出的大量造紙黑液，其中除了堿以外，主要是無法利用的木質(zhì)素，嚴(yán)重污染了地表水和地下水，造成該流域許多城鎮(zhèn)居民生活用水困難、健康水平下降、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)滑坡［11，12］。木質(zhì)素在工業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用，可作為合成樹脂，黏合劑的原料;石油鉆井作業(yè)中，木質(zhì)素可作為鉆進液處理劑，同時還普遍作為降黏劑和分散劑使用。土木工程領(lǐng)域中，木質(zhì)素通常作為混凝土的減水劑使用。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中木質(zhì)素在飼料、土壤改良劑和地膜等方面也有著廣泛應(yīng)用。
雖然工業(yè)副產(chǎn)品木質(zhì)素在工業(yè)中有著廣泛應(yīng)用，但在巖土工程領(lǐng)域卻很少得到利用。巖土工程建設(shè)要消耗大量土工材料，將木質(zhì)素應(yīng)用于土體改良，不僅可以合理、有效地處理工業(yè)副產(chǎn)品，還可實現(xiàn)自然資源的多途徑利用，減小處置不當(dāng)帶來的環(huán)境問題。
2.1路基良目前有關(guān)木質(zhì)素加固土體工程應(yīng)用的文獻報道較少，大多數(shù)研究均以室內(nèi)試驗為主。Surdahl等(2005)［13］報道了木質(zhì)素用于路基土加固和路面揚塵控制。圖1為木質(zhì)素改良某路基施工現(xiàn)場，該場地內(nèi)共選用6種不同添加劑，其中2種為木質(zhì)素或木質(zhì)素衍生物。經(jīng)過2年的監(jiān)測，結(jié)果表明木質(zhì)素加固土體路用性能高于其他類型添加劑的平均水平，且費用相對經(jīng)濟、加固效率較高。該場地內(nèi)氣候條件相對干燥，通過現(xiàn)場觀測，結(jié)果顯示木質(zhì)素在氣候干燥地區(qū)加固路面土體效果良好、路面揚塵得到有效控制，加固土體沒有污染周圍環(huán)境，適宜野生動植物生存。美國愛荷華州立大學(xué)的Ceylan等［14］基于生物能源副產(chǎn)品，開發(fā)了一種用于土體加固穩(wěn)定的添加劑，添加劑中主要成分為木質(zhì)素及其衍生物，如圖2。副產(chǎn)品A為造紙廠“黑液”提取物，約含25%的木質(zhì)素，pH值為2.2;副產(chǎn)品B來自于乙醇加工廠的副產(chǎn)品，約含5%木質(zhì)素，50%半纖維素。試驗場地位于愛荷華州的卡爾霍恩縣(CalhounCounty)，場地內(nèi)不良土體多為低塑性黏土。大量的室內(nèi)和現(xiàn)場試驗研究結(jié)果表明，生物燃料副產(chǎn)品對加固Iowa10號土(CL或A－6(8))是有效的。
2.2土體抗侵蝕特性內(nèi)部裂紋和表面裂紋破壞是大壩和路基等結(jié)構(gòu)物常見的兩種侵蝕模式。采用經(jīng)濟、適用的措施提高土體的抗侵蝕性能是非常重要的。化學(xué)添加劑就是增強土體抗侵蝕性的方法之一。傳統(tǒng)抗侵蝕的化學(xué)添加劑有石灰、水泥、粉煤灰、礦渣等，斜坡路堤與路基接觸面土體常添加石灰、石膏等控制土體侵蝕。雖然傳統(tǒng)添加劑可以提高土體抗侵蝕性，但當(dāng)加固土體附近存在植物或易受腐蝕的鋼結(jié)構(gòu)時，傳統(tǒng)添加劑的使用就受到了限制。加固土體中過高的pH值，對周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，促使研究人員尋求一種新的、不污染環(huán)境的土體抗侵蝕添加劑。木質(zhì)素是一種對易侵蝕土有加固作用、具有應(yīng)用前景的添加劑。木質(zhì)素加固劑來源于造紙廠“黑液”，主要成分是一種基于木質(zhì)素的有機聚合物———木質(zhì)素磺酸鹽。加固土pH值較素土基本無變化，且摻量較小，沒有浸出影響，對地下水無污染［15］。Indraratna等(2008、2009)［16－17］研究了木質(zhì)素加固粉砂的侵蝕特性，得到試驗結(jié)果，如圖3、圖4。Indraratna定義侵蝕速率為零時的液壓剪應(yīng)力為臨界剪應(yīng)力τc，即發(fā)生侵蝕所需的最小液壓剪應(yīng)力。隨著木質(zhì)素磺酸鹽摻量增加，加固土對應(yīng)的臨界剪應(yīng)力逐漸增大，侵蝕系數(shù)(擬合線的斜率)逐漸減小。侵蝕試驗結(jié)果表明，木質(zhì)素磺酸鹽可有效提高土體抗侵蝕性能。
2.3揚塵抑制工程施工時，會產(chǎn)生大量的粉塵污染，粉塵不僅會阻礙交通通行，且對現(xiàn)場施工人員的身體健康造成嚴(yán)重危害。如何有效、經(jīng)濟地抑制揚塵是工程建設(shè)中亟待解決的問題之一。傳統(tǒng)的路面灑水、清掃等方法費工、費時，且不能從根本上解決路面揚塵問題。因此，有學(xué)者研究將化學(xué)添加劑噴灑在有揚塵的路面上，穩(wěn)定路面揚塵。用于揚塵抑制的添加劑很多，如樹脂、酶、瀝青和木質(zhì)素等，但傳統(tǒng)的水泥、石灰、粉煤灰等材料無法應(yīng)用。Rushing等［18］對美國鄰近墨西哥的干燥氣候地區(qū)低容量路的路面揚塵進行了大量研究(圖5)，并采用2種不同的木質(zhì)素副產(chǎn)品A，B進行揚塵抑制。現(xiàn)場實測結(jié)果表明，兩種副產(chǎn)品木質(zhì)素對路面揚塵控制均有著顯著作用。美國卡羅拉多州立大學(xué)的Addo［19］教授對美國低容量道路的路面揚塵及其抑制問題做了系統(tǒng)研究，指出以木材加工廠的副產(chǎn)品木質(zhì)素為原料的揚塵抑制劑，可有效地減少路面的揚塵量，環(huán)境治理和路面維修成本相對較低，是一種極具應(yīng)用前景的化學(xué)添加劑。
3木質(zhì)素的改良土力學(xué)特性
目前，最常用的評價加固土物理力學(xué)特性的指標(biāo)為無側(cè)限抗壓強度UCS。Tingle和Santoni等［20］分別對木質(zhì)素加固黏土、砂土進行了大量的UCS試驗，結(jié)果表明:對于黏土而言，干、濕養(yǎng)護條件下木質(zhì)素對加固土體的UCS均有顯著提高;摻量5%時，加固土的UCS最高;木質(zhì)素磺酸鹽1較其他6種類型添加劑對低塑性黏土的UCS提高最顯著。對砂土而言，木質(zhì)素磺酸鹽1在干、濕養(yǎng)護條件下，對土體UCS均有顯著提高;干燥條件下，28天養(yǎng)護齡期下的木質(zhì)素磺酸鹽1，2加固土的UCS強度是7天條件下的2倍;濕潤條件下，木質(zhì)素磺酸鹽2加固土樣表現(xiàn)出一定的“崩解”現(xiàn)象;建議木質(zhì)素加固土體的最優(yōu)摻量為5%。Kim等［21］不僅對木質(zhì)素加固土的UCS進行了測試，還對比分析了摻量、含水量、齡期等對加固土UCS的影響。Kim等指出加固土較素土強度有明顯提高，土體強度隨添加劑摻量增加而增加，7天齡期的土體強度高于1天齡期的強度。含水量對土體改變也存在較大影響。含水量OMC－4條件下，副產(chǎn)品A的加固效果優(yōu)于副產(chǎn)品B，且摻量12%時，土體強度到達峰值;含水量OMC條件下，副產(chǎn)品A加固土樣1天齡期的強度均小于副產(chǎn)品B，但7天齡期的結(jié)果截然相反;含水量OMC+4條件下，不論哪種齡期，副產(chǎn)品B加固土體強度均優(yōu)于副產(chǎn)品B。因此，Kim等認(rèn)為木質(zhì)素是一種具有應(yīng)用前景、不污染環(huán)境的土體加固劑。副產(chǎn)品A在干燥條件下優(yōu)勢明顯，而副產(chǎn)品B在濕潤條件下效果更佳，養(yǎng)護齡期對副產(chǎn)品A加固土的UCS影響強于副產(chǎn)品B。浸泡試驗(soakingtest)常用來評價加固土體的水穩(wěn)性。Tingle和Santoni［20］先后對木質(zhì)素加固黏土和粉土進行了浸泡試驗，見圖6。與常規(guī)浸泡試驗不同的是，文獻中采取半浸泡試驗方法對加固土水穩(wěn)性和UCS進行評價。試驗結(jié)果表明，木質(zhì)素磺酸鹽2加固粉砂放入水中迅速“崩解”，完全喪失強度;木質(zhì)素磺酸鹽1加固粉砂具有較好的水穩(wěn)性，浸泡試驗前后土樣UCS差別不大。對黏性土加固，有相同的規(guī)律。
4結(jié)語
(1)生物能源副產(chǎn)品木質(zhì)素是一種不污染環(huán)境、成本低廉、化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定的新型高效固化劑，可有效加固砂土和黏性土，顯著提高土體強度，具有良好的水穩(wěn)性和揚塵抑制性。(2)對于不同工程背景，有著不同的加固效果評價方法，在評價木質(zhì)素加固土體效果時，要謹(jǐn)慎選擇合適的試驗方法，綜合評價;目前有必要積極開展針對我國巖土工程建設(shè)中不良路基土進行木質(zhì)素改良的路用性能和微觀機理試驗研究，定量評價加固效果，進一步揭示加固機理并提出相應(yīng)的固化模型。(3)生物能源副產(chǎn)品木質(zhì)素，是一種與傳統(tǒng)固化劑不同的有機高分子化合物，應(yīng)用于工程實踐時，需要針對其自身特點，提出相關(guān)施工工藝并進行現(xiàn)場試驗評價，明確路基土進行木質(zhì)素固化時，必須滿足工程設(shè)計的各項要求。
作者：李軍海 接道波 張濤 蔡國軍 單位：江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 東南大學(xué)巖土工程研究所