木质素改良粉土路基的研究分析

木质素改良粉土路基的研究分析

闫振强

山东建筑大学交通工程学院山东济南250101

摘要：粉土路基处理是我国东南沿海地区交通工程建设经常面临的技术难题，探索经济、高效的粉土改良技术是目前我国岩土工程界迫切需要解决的难题之一。木质素是生物能源和造纸厂生产的主要副产品，目前没有得到有效的利用。通过应用木质素对粉土路基进行改良，研究分析木质素改良土的其改良机理，对其效益与环境影响进行分析评价。

关键词：木质素；粉土；改良机理；环境

1引言

随着中国城市化、工业化进程的不断加快，煤、石油和天然气等化石燃料的消耗越来越大，由此引发的环境污染问题也越来越严重。能源危机的出现迫使人类寻求新的可再生能源，如太阳能、风能、潮汐能和生物能等，其中生物能源被认为是最高效的清洁能源［1］。在可持续发展背景下，生物能源的产量和使用量日益增加，基于植物生物质的生物能源生产不仅产生生物燃料或乙醇，也产生了大量的木质素和木质素衍生物等副产品［2］。木质素是一种存在于大部分陆地植物木质部中的复杂高分子化合物，在自然界中的储量仅次于纤维素，且每年以50万亿千克的速度再生。目前为止，超过95％的木质素副产品以“黑液”形式直接排入江河或浓缩后焚烧，回收利用率较低。这种处理方式不仅污染了生态环境，而且造成资源的严重浪费，不符合中国“建设资源节约型、环境友好型社会”的需要［3］。

目前基于生物能源副产品木质素的土体加固技术在国外已得到广泛研究。相关研究结果表明，与传统无机固化剂（如水泥、石灰、粉煤灰和矿渣等）相比，木质素具有环境友好、成本低廉、化学性质相对稳定、不改变固化土pH值等优点。中国木质素及其改性产品在工业中的应用主要表现在：①合成树脂和胶粘剂；②橡胶补强剂；③石油化学品，如驱油剂和降粘剂等；④建材助剂，如减水剂和沥青乳化剂等；⑤其他应用，如分散剂、絮凝剂和固沙剂等。

2木质素改良粉土机制

目前，国内外对木质素加固土体的相互作用机理做了大量的研究，但是直到现在，尚没有统一的定论。张涛[4]根据其试验结果发现，在粉土中加入木质素后，粉土中的土颗粒开始相互粘结，使得结构内部的空隙得到填充，并且增加了土骨架的刚度，在宏观方面表现为力学性能的增强。黏土矿物主要以蒙脱石、伊利石和高岭石为代表，不同的黏土矿物其晶粒大小不同，相应的双电层水膜厚度也不同。晶粒大小依次为高岭石＞伊利石＞蒙脱石，水膜厚度与晶粒大小呈反比。添加木质素后，三种黏土矿物的水膜厚度均有不同程度的压缩，晶粒尺寸减小。土体中含有一定量的黏土矿物可有利于吸引带正电荷的木质素聚合物，増强木质素联结土颗粒的效果。木质素在土中经过水解反应、离子交换和质子化反应等形成带正电荷的木质素聚合物胶体，通过静电引为作用吸附于黏土颗粒表面。微观结构上，土颗粒通过木质素产生的胶结物质相互连接，颗粒间孔隙得到有效填充，整体形成更为稳定、致密的土体结构[5]。对于粉土或砂性土而言，土体中含有较少量的黏土矿物，水化膜厚度变化在土体改良中作用较小，木质素固化土体主要通过具有黏结特性的高分子聚合物联结、缠绕土颗粒，并填充一部分孔隙，改良土体的微观结构，进而可以显著的改善土体的力学特性。

3经济和社会效益分析

张涛[6]等通过室内试验和现场实验测试结果发现，一定掺量下的木质素改良粉土的工程特性要比一般的石灰土要好的多。木质素为工业副产品[7]，其材料成本远远低于石灰，利用木质素代替石灰来进行土体加固和路基改良，不仅节约了建设成本，有效利用了自然资源，而且也避免了工业副产品对环境造成的污染，一定程度上保护了自然环境。

目前我国道路基层填料改良大多采用石灰或石灰＋水泥联合改良，石灰一般需要集中堆放和提供消解场地，施工时易产生扬尘，威胁工作人员和周围居民身体健康。水泥虽然具有显著提高土体工程特性的能力，但其价格相对昂贵，水泥土较高的碱性环境不宜植被生长，同时对地下水安全具有一定的危害。木质素具有一定的吸湿性，现场与土体拌合时，可黏结至土颗粒表面，产生抑制扬尘的作用。从能源消耗和温室气体排放的角度考虑，以水泥为例，生产1吨水泥熟料需要消耗约1.5吨石灰石和黏土，消耗能量约5000MJ，同时排放约0.95t二氧化碳[8]，木质素来源于工业副产品，其产生过程无能耗和二氧化碳等温室气体排放。利用木质素改良路基粉土，不仅有效利用自然资源、节约建设成本，减少能源消耗，同时解决了副产品可能产生的环境危害和工程建设场地缺乏优质填料的问题，具有良好的经济和社会效益，符合可“持续发展的”基本要求。

4现有研究存在的不足

生物能源副产品木质素是一种极具应用前景的土体固化添加剂。已有研究证明，木质素在提高土体强度、耐久性和抗侵蚀性等方面效果显著，有些方面甚至优于水泥等传统固化剂，但仍存在以下几方面的问题有待进一步研究：

（1）生物能源副产品木质素加固土体的类型。现有文献中木质素加固土体的类型主要包括粉砂、粘性土（包括低塑性粘土和高塑性粘土）以及分散性土（人工配制），除此之外，尚无木质素加固其他类型土（如粉土、海相粘土等）的研究。

（2）生物能源副产品木质素加固土体物理力学特性和路用性能评价方法。目前文献中评价木质素加固土体性能的方法常见的有UCS验、水稳性试验和抗侵蚀性试验等，对于CBR、回弹模量等其他耐久性试验和现场试验研究较少，然而固化土作为路基填料时对这些试验结果指标有一定的要求，需进一步完善。

（3）木质素固化改良土体技术是一项新技术，现有的理论和工程应用处于起步阶段。木质素改良前后土体微观结构、pH值、化学组成和矿物成分等的变化规律，以及木质素的分子结构、化学活性等方面有待深入研究，木质素改良土体的机理仍需进一步探索。

（4）工业副产品木质素改良路基粉土技术是一种利用工业废渣处理不良土体的新技术，其工程应用和效果评价都十分缺乏。因此不仅需要对该技术进行室内试验和理论研究，还需开展工程实践应用，提出应用该技术的施工工艺和应用效果评价方法。这将有助于木质素固化改良土体技术的推广应用，对提高我国粉土地基处理技术水平具有重要的实际意义。

5结语

（1）木质素作为一种生物能源副产品，具有环境友好，成本低廉的特点，是具有应用前景的土体改良剂。木质素相对于传统固化剂具有明显的优势，同时在工业废弃物的回收利用方面也具有非常重要的意义。

（2）木质素改良土的微观结构中具有胶结物质，土颗粒被其包裹并联结，使土体形成稳定的结构。

（3）通过水解、离子交换、质子化和静电引力等作用，使木质素减小双电层厚度，形成木质素高分子聚合物，填充空隙，在宏观上改善土体的力学特性。

参考文献：

[1]姚穆，孙润军，陈美玉，etal.植物纤维素、木质素、半纤维素等的开发和利用[J].精细化工，2009，26（10）：937-941.

[2]魏建华，宋艳茹.木质素生物合成途径及调控的研究进展[J].植物学报，2001，43（8）：771-779.

[3]邱学青，楼宏铭，杨东杰，etal.工业木质素的改性及其作为精细化工产品的研究进展[J].精细化工，2005（3）：161-167.

[4]张涛，蔡国军，刘松玉，etal.工业副产品木质素改良路基粉土的微观机制研究[J].岩土力学，2016，37（6）：1665-1672.

[5]张涛，刘松玉，蔡国军.考虑胶结作用的木质素固化粉土边界面塑性模型[J].岩土工程学报，2016，38（4）：670-680.

[6]张涛.基于工业副产品木质素的粉土固化改良技术与工程应用研究[D].2015.

[7]王晓红，赵谦.造纸黑液中木质素在农业领域的应用[J].生物质化学工程，2004，38（2）：36-40.

[8]易耀林.基于可持续发展的搅拌桩系列新技术与理论[D].东南大学，2013.