木质素基土壤稳化剂的机理研究和原子模拟

摘要

膨胀土是土木工程建设中经常遇到的问题，每年造成巨大的经济损失。探索有效、经济、低污染、低能耗的土壤稳定剂是工程界迫切需要解决的问题。木质素及其衍生产品是生物产品副产品，如果没有得到妥善的处理会导致严重的环境问题，而在我国目前没有得到有效的利用。本文基于工业副产品木质素衍生物木质素磺酸钙的膨胀土稳定方法，研究了木质素磺酸钙稳定土壤的宏观性能和微观机理，并利用分子动力学在原子尺度对其进行模拟计算。主要研究内容和成果如下： （1）土壤对木质素磺酸钙有较强的吸附作用，而木质素磺酸钙改性土壤主要是物理过程。木质素磺酸钙能够有效降低土壤颗粒的比表面积，填充内部介孔，在介观角度提高了土壤密实程度，降低其微观缺陷。木质素磺酸钙能降低土壤的塑限并提高土壤的液限和塑性指数；有效降低土壤的膨胀性，并且能够提升土壤试件的无侧限抗压强度和水稳定性能，其最佳掺量为4%左右。 （2）木质素磺酸钙与土壤中的非膨胀性矿物如高岭土、石英等仅存在吸附作用。而对于蒙脱石，随着木钙掺量的增加其晶面间距会降低。在单矿物蒙脱石中掺加木质素磺酸钙会使得其ζ电位上升；在单矿物高岭石中掺加木质素磺酸钙会使得其ζ电位下降，类似于屏蔽效应。而在天然土壤中掺加木质素磺酸钙会使得土壤颗粒的ζ电位上升，类似于蒙脱石的规律。说明木质素磺酸钙中的亲水基团会优先吸附在黏土矿物的边缘破损带正电处，其次会吸附在颗粒表面产生屏蔽效应。 （3）基于流变学的解释：木质素磺酸钙对于蒙脱土颗粒悬浮液在静置时具有有效的絮凝效果，该效果的最佳掺量在2%~4%附近；而在剪切作用下会形成一种较强的结构并且该结构也拥有较强的抵抗剪切的能力，这种结构在2%掺量时最明显。而对于高岭土，木质素磺酸钙的掺入导致了高岭土颗粒间的结构发生了改变，在静置时呈现的絮凝效果，在剪切作用下会形成稳定的分散体系。 （4）SEM试验表明木质素磺酸钙的加入改变了蒙脱土矿物片层结构脆弱易破碎的性质，加强了片层结构的强度，同时增强了层间的联结能力，减少了颗粒内部的孔隙。对于压实的天然土随着木质素磺酸钙的掺入，压实土的微小的孔隙被填充，土壤团聚体变大。 （5）Na-蒙脱石的层间距远大于Ca-蒙脱石和K-蒙脱石，拥有最强的膨胀性。Ca-蒙脱石的层间距最低，膨胀性最低。蒙脱石层间的K+离子和Na+离子在相同的水分子数量下相比Ca2+水化程度更高，层间距更大。蒙脱石层间的Na+的扩散能力最高，而Ca2+和K+的扩散能力相对较低，Ca2+的状态最为稳定。对于阳离子与水分子之间的相互作用关系，蒙脱石层间的Na+和Ca2+与水分子的排布较为紧凑，有较大的水合能，K+的水合能较低。 （6）木质素磺酸基在蒙脱石表面有强烈的吸附效果，吸附能是水分子的近20倍，原因是磺酸根基团（-SO3-）与蒙脱石表面有强烈的相互作用。且木质素磺酸基的存在比较稳定，运动扩散能力较差。

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