膨润土–木质素复合改性黄土的水稳定性、力学强度与微观结构机制及其裂缝填充应用

《Results in Engineering》：Water Stability, Mechanical Strength, and Microstructural Mechanisms of Bentonite–Lignin Composite Modified Loess for Crack Filling in Loess Slopes

　　

膨润土–木质素改性（bentonite–lignin modification）提高了黄土的强度和水稳定性；显著的膨润土–木质素交互作用（bentonite–lignin interaction）主导了无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，UCS）的发展；多龄期扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析将微观结构演化与强度增长联系起来。

黄土在中国西北地区广泛分布，随着工程建设的持续推进，黄土区域形成了大量高陡边坡。传统认为干旱少雨气候有利于黄土边坡长期稳定，但近年来西部降水增加、地震活动频繁，边坡表面裂缝成为水分入渗的优先通道，可能诱发深部黄土层快速饱和变形与强度骤降，进而促进深部滑动带发育。因此，裂缝填充被视作降低地表水沿裂缝入渗风险、提升黄土边坡稳定性的潜在工程措施。黄土本身具有大孔隙、欠固结结构和高水敏性，遇水易发生湿陷变形并促进裂缝发展。工程中常采用水泥、石灰、粉煤灰等常规材料进行裂缝修复，但近年来工业副产物资源化利用和天然黏土材料在岩土工程中的应用日益受关注。木质素是造纸和生物质加工过程的典型副产物，具有来源广、成本低、可再生和环境相容等优点，其分子中的羟基和芳香环等活性官能团可通过包覆、胶结和桥接效应增强颗粒间连接，同时部分填充粒间孔隙。但木质素改性效率高度依赖掺量，过量可能引起局部聚集或非均匀胶结，削弱改善效果。膨润土因强吸水膨胀性对黄土湿陷性呈现相反响应，可有效占据湿陷变形空间，通过填充或细分土中大孔隙、降低孔隙连通性来提升抗渗性和水稳定性，但过量膨润土也可能因过度膨胀、干燥收缩开裂或细颗粒过度积累而限制强度增长。已有研究多集中于单一材料或其与水泥等传统胶凝材料的组合，对膨润土-木质素复合改性的性能演化与交互机制认识尚不充分。因此，研究人员开展本研究，旨在明确膨润土-木质素复合改性黄土的性能演化规律，并识别较优配比，为其用作黄土边坡裂缝填充材料提供物质层面证据。

研究人员以甘肃省兰州市七里河区采集的Q₃黄土为研究对象，以膨润土和木质素为复合稳定剂，设计不同膨润土含量、木质素含量和养护龄期组合，系统考察了水稳定性、无侧限抗压强度（UCS）和微观结构特征。结果表明，膨润土-木质素复合改性可有效提升黄土强度与水稳定性，其中4.5%膨润土+2%木质素（B:4.5%-L:2%）配比综合性能最优，28 d UCS达301.74 kPa，较素黄土提高152.9%，最终崩解量降至9.9%。三因素方差分析显示膨润土与木质素含量存在显著交互作用，说明复合改性并非简单加合。微观表征揭示膨润土的孔隙填充效应与木质素的颗粒胶结效应形成互补，构成强度与水稳定性协同提升的机制。这为黄土边坡裂缝填充材料的配比选择和性能评价提供了实验室依据。

主要技术方法包括：针对不同配比和养护龄期试件开展崩解试验和UCS试验（应变速率1.0%/min），并采用三因素方差分析量化膨润土含量、木质素含量和养护龄期对UCS的主效应及交互效应；采用扫描电子显微镜（SEM）结合ImageJ二值化图像分析定量表征二维孔隙面积率（PAF）；采用X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）分别分析矿物物相与表面官能团变化。样本取自Q₃黄土，所有试件按素黄土最优含水率14%和最大干密度1.78 g/cm³制备，养护1、7、14和28 d。

3.1 崩解行为
崩解试验显示，养护1和7 d时，所有试件最终崩解量均达100%；养护14和28 d后，部分含木质素及复合改性试件保持结构完整。其中B:4.5%-L:2%试件最终崩解量由14 d的37.5%降至28 d的9.9%，为全部配比中最低，表明合理配比结合较长养护龄期可显著改善水稳定性。

3.2 崩解速率
崩解速率（SDR）曲线表明，素黄土SDR波动剧烈、峰值明显（28 d峰值0.52%/s），而木质素和复合改性试件曲线较平缓。B:4.5%-L:2%试件的峰值SDR随养护龄期持续下降，28 d时降至0.02%/s，说明复合改性使崩解过程由短期快速结构破坏转变为较缓的颗粒剥落与表面侵蚀。

3.3 无侧限抗压强度演化
UCS试验显示，所有试件强度随养护龄期增加，但增幅差异明显。素黄土28 d平均UCS仅119.32 kPa，B:4.5%-L:2%试件达301.74 kPa。配比效应方面，固定膨润土含量时，木质素掺量由0%增至2%使UCS上升，再增至3%反而下降；固定木质素含量时，膨润土掺量也存在最优范围。三因素方差分析表明，膨润土含量、木质素含量和养护龄期的主效应均显著（partial η²分别为0.976、0.907和0.888），且B×L交互效应显著（partial η²=0.607），证实两种改性材料存在协同配比匹配关系。

3.4 微观结构与孔隙演化
基于SEM定量图像分析，素黄土28 d的PAF为19.49%，B:4.5%-L:2%试件仅5.22%，相对降低73.2%。四种代表性配比的多龄期PAF演化显示，复合改性试件PAF持续下降（1 d 11.30%至28 d 5.22%），而素黄土基本不变。对16个“配比-龄期”组合的相关性分析显示，PAF与UCS呈强负相关（Pearson r=-0.861，Spearman ρ=-0.800），线性回归R2=0.740，表明孔隙致密化与宏观强度增长存在紧密关联。

3.5 X射线衍射特征
XRD分析显示，改性前后试件的主要晶体矿物（石英、方解石、伊利石、长石）类型和衍射峰位置基本一致，未检出新增晶体物相，表明膨润土-木质素复合改性未引发可检测的物相变化。

3.6 傅里叶变换红外光谱特征
FTIR分析显示，不同改性试件的特征吸收峰位置总体不变，但羟基（–OH）和Si–O键相关吸收峰强度有所变化，说明膨润土和木质素主要改变了颗粒表面局部化学环境，增强表面吸附、氢键等界面相互作用，而非生成大量新官能团。

讨论部分总结认为，养护龄期延长促进内部水分再分布，膨润土细颗粒逐步填充孔隙，木质素吸附包覆颗粒表面，使土体从松散结构向密实稳定结构转化。膨润土的孔隙调节与木质素的颗粒胶结功能存在互补性，但掺量过高会因膨润土吸水膨胀收缩或木质素局部聚集而削弱性能。XRD和FTIR结果排除新晶相和大量新化学键的形成，证明改性主要源于孔隙结构优化和颗粒表面相互作用增强。PAF与UCS的强负相关支持微观结构调整是宏观强度和抗崩解性能提升的共同基础。工程意义上，B:4.5%-L:2%改性黄土有望用作黄土边坡裂缝填充材料，但研究者指出，仍需进一步评估其与裂缝壁的界面黏结行为、干湿/冻融循环及长期服役性能。

研究结论如下：（1）膨润土-木质素复合改性试件总体上表现出更低的崩解量和更高的UCS，其响应受材料配比和养护龄期共同影响；试验范围内，4.5%膨润土+2%木质素试件综合性能较优，表明合理调控复合配比是提升黄土结构稳定性的关键。（2）三因素方差分析显示，膨润土含量、木质素含量和养护龄期对UCS均有显著影响，且膨润土与木质素含量存在显著交互作用，说明复合改性的提升并非简单叠加效应，而是与两组分比例匹配密切相关。（3）基于多龄期SEM的定量PAF表征显示，复合改性改善了黄土孔隙结构；PAF与UCS呈强负相关，表明二维孔隙结构变化与宏观强度发展存在统计学关联；XRD和FTIR结果进一步表明改性过程伴随颗粒表面相互作用状态变化。这些发现为在更真实的水力、界面和长期服役条件下开展裂缝填充验证提供了材料层面基础。