木质素的岩土工程应用范文

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1木质素简介

1基本物理化学性质木质素的物理化学性质，不仅与植物的种类有关，且与分离提取方法密切相关。植物中原本木质素的主要部分是与糖类紧密连接并形成巨大的空间网状结构，这种木质素－糖类复合物在所有的溶剂中都不溶。分离木质素时发生了缩合和降解，木质素的相关物理性质发生了改变，溶解度性质也随之有所改变。木质素中酚羟基和羧基的存在，使木质素能在浓的强碱溶液中溶解，而木质素磺酸盐则可溶于水。化学制浆法的原理，就是用碱使得原本木质素产生大量的酚羟基，并形成酚羟基盐，使之溶解于水，或在木质素大分子中导入磺酸基，形成可溶性的木质素磺酸盐，即造纸“黑液”等的主要成分之一。原本木质素是一种白色或接近无色的粉末。木质素从植物中分离出来时，随分离方法的不同，带有灰黄至灰褐色。木质素的相对密度大约在1135～1150g/cm3之间，折射率高达1161左右，热值高达2610J/g，这也是造纸黑液回收的依据之一。通常提取的木质素的相对分子质量在2800～17800之间［10］。木质素分子结构中，存在着芳香基、酚羟基、醇羟基、羧基等活性基团，可以进行氧化、还原、水解、醇解、光解、磺化、卤化、硝化或接枝共聚等许多化学反应。

1.2木质素的工业应用木质素在植物生长发育及工农业生产中具有重要作用，人类利用纤维素已有几千年的历史，而木质素真正开始研究，始于上世纪30年代，至今为止仍未得到很好的利用。木质素作为木材水解工业和造纸工业的副产业，由于得不到充分利用，变成了环境污染物，严重地污染了环境。如淮河流域星罗棋布的大大小小的造纸厂排出的大量造纸黑液，其中除了碱以外，主要是无法利用的木质素，严重污染了地表水和地下水，造成该流域许多城镇居民生活用水困难、健康水平下降、农业生产滑坡［11，12］。木质素在工业领域中有着广泛应用，可作为合成树脂，黏合剂的原料;石油钻井作业中，木质素可作为钻进液处理剂，同时还普遍作为降黏剂和分散剂使用。土木工程领域中，木质素通常作为混凝土的减水剂使用。农业领域中木质素在饲料、土壤改良剂和地膜等方面也有着广泛应用。

2木质素在岩土工程中的应用

虽然工业副产品木质素在工业中有着广泛应用，但在岩土工程领域却很少得到利用。岩土工程建设要消耗大量土工材料，将木质素应用于土体改良，不仅可以合理、有效地处理工业副产品，还可实现自然资源的多途径利用，减小处置不当带来的环境问题。

2.1路基良目前有关木质素加固土体工程应用的文献报道较少，大多数研究均以室内试验为主。Surdahl等(2005)［13］报道了木质素用于路基土加固和路面扬尘控制。图1为木质素改良某路基施工现场，该场地内共选用6种不同添加剂，其中2种为木质素或木质素衍生物。经过2年的监测，结果表明木质素加固土体路用性能高于其他类型添加剂的平均水平，且费用相对经济、加固效率较高。该场地内气候条件相对干燥，通过现场观测，结果显示木质素在气候干燥地区加固路面土体效果良好、路面扬尘得到有效控制，加固土体没有污染周围环境，适宜野生动植物生存。美国爱荷华州立大学的Ceylan等［14］基于生物能源副产品，开发了一种用于土体加固稳定的添加剂，添加剂中主要成分为木质素及其衍生物，如图2。副产品A为造纸厂“黑液”提取物，约含25%的木质素，pH值为2.2;副产品B来自于乙醇加工厂的副产品，约含5%木质素，50%半纤维素。试验场地位于爱荷华州的卡尔霍恩县(CalhounCounty)，场地内不良土体多为低塑性黏土。大量的室内和现场试验研究结果表明，生物燃料副产品对加固Iowa10号土(CL或A－6(8))是有效的。

2.2土体抗侵蚀特性内部裂纹和表面裂纹破坏是大坝和路基等结构物常见的两种侵蚀模式。采用经济、适用的措施提高土体的抗侵蚀性能是非常重要的。化学添加剂就是增强土体抗侵蚀性的方法之一。传统抗侵蚀的化学添加剂有石灰、水泥、粉煤灰、矿渣等，斜坡路堤与路基接触面土体常添加石灰、石膏等控制土体侵蚀。虽然传统添加剂可以提高土体抗侵蚀性，但当加固土体附近存在植物或易受腐蚀的钢结构时，传统添加剂的使用就受到了限制。加固土体中过高的pH值，对周围环境产生不利影响，促使研究人员寻求一种新的、不污染环境的土体抗侵蚀添加剂。木质素是一种对易侵蚀土有加固作用、具有应用前景的添加剂。木质素加固剂来源于造纸厂“黑液”，主要成分是一种基于木质素的有机聚合物———木质素磺酸盐。加固土pH值较素土基本无变化，且掺量较小，没有浸出影响，对地下水无污染［15］。Indraratna等(2008、2009)［16－17］研究了木质素加固粉砂的侵蚀特性，得到试验结果，如图3、图4。Indraratna定义侵蚀速率为零时的液压剪应力为临界剪应力τc，即发生侵蚀所需的最小液压剪应力。随着木质素磺酸盐掺量增加，加固土对应的临界剪应力逐渐增大，侵蚀系数(拟合线的斜率)逐渐减小。侵蚀试验结果表明，木质素磺酸盐可有效提高土体抗侵蚀性能。

2.3扬尘抑制工程施工时，会产生大量的粉尘污染，粉尘不仅会阻碍交通通行，且对现场施工人员的身体健康造成严重危害。如何有效、经济地抑制扬尘是工程建设中亟待解决的问题之一。传统的路面洒水、清扫等方法费工、费时，且不能从根本上解决路面扬尘问题。因此，有学者研究将化学添加剂喷洒在有扬尘的路面上，稳定路面扬尘。用于扬尘抑制的添加剂很多，如树脂、酶、沥青和木质素等，但传统的水泥、石灰、粉煤灰等材料无法应用。Rushing等［18］对美国邻近墨西哥的干燥气候地区低容量路的路面扬尘进行了大量研究(图5)，并采用2种不同的木质素副产品A，B进行扬尘抑制。现场实测结果表明，两种副产品木质素对路面扬尘控制均有着显著作用。美国卡罗拉多州立大学的Addo［19］教授对美国低容量道路的路面扬尘及其抑制问题做了系统研究，指出以木材加工厂的副产品木质素为原料的扬尘抑制剂，可有效地减少路面的扬尘量，环境治理和路面维修成本相对较低，是一种极具应用前景的化学添加剂。

3木质素的改良土力学特性

目前，最常用的评价加固土物理力学特性的指标为无侧限抗压强度UCS。Tingle和Santoni等［20］分别对木质素加固黏土、砂土进行了大量的UCS试验，结果表明:对于黏土而言，干、湿养护条件下木质素对加固土体的UCS均有显著提高;掺量5%时，加固土的UCS最高;木质素磺酸盐1较其他6种类型添加剂对低塑性黏土的UCS提高最显著。对砂土而言，木质素磺酸盐1在干、湿养护条件下，对土体UCS均有显著提高;干燥条件下，28天养护龄期下的木质素磺酸盐1，2加固土的UCS强度是7天条件下的2倍;湿润条件下，木质素磺酸盐2加固土样表现出一定的“崩解”现象;建议木质素加固土体的最优掺量为5%。Kim等［21］不仅对木质素加固土的UCS进行了测试，还对比分析了掺量、含水量、龄期等对加固土UCS的影响。Kim等指出加固土较素土强度有明显提高，土体强度随添加剂掺量增加而增加，7天龄期的土体强度高于1天龄期的强度。含水量对土体改变也存在较大影响。含水量OMC－4条件下，副产品A的加固效果优于副产品B，且掺量12%时，土体强度到达峰值;含水量OMC条件下，副产品A加固土样1天龄期的强度均小于副产品B，但7天龄期的结果截然相反;含水量OMC+4条件下，不论哪种龄期，副产品B加固土体强度均优于副产品B。因此，Kim等认为木质素是一种具有应用前景、不污染环境的土体加固剂。副产品A在干燥条件下优势明显，而副产品B在湿润条件下效果更佳，养护龄期对副产品A加固土的UCS影响强于副产品B。浸泡试验(soakingtest)常用来评价加固土体的水稳性。Tingle和Santoni［20］先后对木质素加固黏土和粉土进行了浸泡试验，见图6。与常规浸泡试验不同的是，文献中采取半浸泡试验方法对加固土水稳性和UCS进行评价。试验结果表明，木质素磺酸盐2加固粉砂放入水中迅速“崩解”，完全丧失强度;木质素磺酸盐1加固粉砂具有较好的水稳性，浸泡试验前后土样UCS差别不大。对黏性土加固，有相同的规律。

4结语

(1)生物能源副产品木质素是一种不污染环境、成本低廉、化学性质相对稳定的新型高效固化剂，可有效加固砂土和黏性土，显著提高土体强度，具有良好的水稳性和扬尘抑制性。(2)对于不同工程背景，有着不同的加固效果评价方法，在评价木质素加固土体效果时，要谨慎选择合适的试验方法，综合评价;目前有必要积极开展针对我国岩土工程建设中不良路基土进行木质素改良的路用性能和微观机理试验研究，定量评价加固效果，进一步揭示加固机理并提出相应的固化模型。(3)生物能源副产品木质素，是一种与传统固化剂不同的有机高分子化合物，应用于工程实践时，需要针对其自身特点，提出相关施工工艺并进行现场试验评价，明确路基土进行木质素固化时，必须满足工程设计的各项要求。

作者：李军海 接道波 张涛 蔡国军 单位：江苏省交通规划设计院股份有限公司 东南大学岩土工程研究所