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1木質素簡介

1基本物理化學性質木質素的物理化學性質，不僅與植物的種類有關，且與分離提取方法密切相關。植物中原本木質素的主要部分是與糖類緊密連接并形成巨大的空間網狀結構，這種木質素－糖類復合物在所有的溶劑中都不溶。分離木質素時發生了縮合和降解，木質素的相關物理性質發生了改變，溶解度性質也隨之有所改變。木質素中酚羥基和羧基的存在，使木質素能在濃的強堿溶液中溶解，而木質素磺酸鹽則可溶于水。化學制漿法的原理，就是用堿使得原本木質素產生大量的酚羥基，并形成酚羥基鹽，使之溶解于水，或在木質素大分子中導入磺酸基，形成可溶性的木質素磺酸鹽，即造紙“黑液”等的主要成分之一。原本木質素是一種白色或接近無色的粉末。木質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之一。通常提取的木質素的相對分子質量在2800～17800之間［10］。木質素分子結構中，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反應。

1.2木質素的工業應用木質素在植物生長發育及工農業生產中具有重要作用，人類利用纖維素已有幾千年的歷史，而木質素真正開始研究，始于上世紀30年代，至今為止仍未得到很好的利用。木質素作為木材水解工業和造紙工業的副產業，由于得不到充分利用，變成了環境污染物，嚴重地污染了環境。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素，嚴重污染了地表水和地下水，造成該流域許多城鎮居民生活用水困難、健康水平下降、農業生產滑坡［11，12］。木質素在工業領域中有著廣泛應用，可作為合成樹脂，黏合劑的原料;石油鉆井作業中，木質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。土木工程領域中，木質素通常作為混凝土的減水劑使用。農業領域中木質素在飼料、土壤改良劑和地膜等方面也有著廣泛應用。

2木質素在巖土工程中的應用

雖然工業副產品木質素在工業中有著廣泛應用，但在巖土工程領域卻很少得到利用。巖土工程建設要消耗大量土工材料，將木質素應用于土體改良，不僅可以合理、有效地處理工業副產品，還可實現自然資源的多途徑利用，減小處置不當帶來的環境問題。

2.1路基良目前有關木質素加固土體工程應用的文獻報道較少，大多數研究均以室內試驗為主。Surdahl等(2005)［13］報道了木質素用于路基土加固和路面揚塵控制。圖1為木質素改良某路基施工現場，該場地內共選用6種不同添加劑，其中2種為木質素或木質素衍生物。經過2年的監測，結果表明木質素加固土體路用性能高于其他類型添加劑的平均水平，且費用相對經濟、加固效率較高。該場地內氣候條件相對干燥，通過現場觀測，結果顯示木質素在氣候干燥地區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境，適宜野生動植物生存。美國愛荷華州立大學的Ceylan等［14］基于生物能源副產品，開發了一種用于土體加固穩定的添加劑，添加劑中主要成分為木質素及其衍生物，如圖2。副產品A為造紙廠“黑液”提取物，約含25%的木質素，pH值為2.2;副產品B來自于乙醇加工廠的副產品，約含5%木質素，50%半纖維素。試驗場地位于愛荷華州的卡爾霍恩縣(CalhounCounty)，場地內不良土體多為低塑性黏土。大量的室內和現場試驗研究結果表明，生物燃料副產品對加固Iowa10號土(CL或A－6(8))是有效的。

2.2土體抗侵蝕特性內部裂紋和表面裂紋破壞是大壩和路基等結構物常見的兩種侵蝕模式。采用經濟、適用的措施提高土體的抗侵蝕性能是非常重要的?；瘜W添加劑就是增強土體抗侵蝕性的方法之一。傳統抗侵蝕的化學添加劑有石灰、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。雖然傳統添加劑可以提高土體抗侵蝕性，但當加固土體附近存在植物或易受腐蝕的鋼結構時，傳統添加劑的使用就受到了限制。加固土體中過高的pH值，對周圍環境產生不利影響，促使研究人員尋求一種新的、不污染環境的土體抗侵蝕添加劑。木質素是一種對易侵蝕土有加固作用、具有應用前景的添加劑。木質素加固劑來源于造紙廠“黑液”，主要成分是一種基于木質素的有機聚合物———木質素磺酸鹽。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］研究了木質素加固粉砂的侵蝕特性，得到試驗結果，如圖3、圖4。Indraratna定義侵蝕速率為零時的液壓剪應力為臨界剪應力τc，即發生侵蝕所需的最小液壓剪應力。隨著木質素磺酸鹽摻量增加，加固土對應的臨界剪應力逐漸增大，侵蝕系數(擬合線的斜率)逐漸減小。侵蝕試驗結果表明，木質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，會產生大量的粉塵污染，粉塵不僅會阻礙交通通行，且對現場施工人員的身體健康造成嚴重危害。如何有效、經濟地抑制揚塵是工程建設中亟待解決的問題之一。傳統的路面灑水、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，有學者研究將化學添加劑噴灑在有揚塵的路面上，穩定路面揚塵。用于揚塵抑制的添加劑很多，如樹脂、酶、瀝青和木質素等，但傳統的水泥、石灰、粉煤灰等材料無法應用。Rushing等［18］對美國鄰近墨西哥的干燥氣候地區低容量路的路面揚塵進行了大量研究(圖5)，并采用2種不同的木質素副產品A，B進行揚塵抑制。現場實測結果表明，兩種副產品木質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研究，指出以木材加工廠的副產品木質素為原料的揚塵抑制劑，可有效地減少路面的揚塵量，環境治理和路面維修成本相對較低，是一種極具應用前景的化學添加劑。

3木質素的改良土力學特性

目前，最常用的評價加固土物理力學特性的指標為無側限抗壓強度UCS。Tingle和Santoni等［20］分別對木質素加固黏土、砂土進行了大量的UCS試驗，結果表明:對于黏土而言，干、濕養護條件下木質素對加固土體的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，木質素磺酸鹽1在干、濕養護條件下，對土體UCS均有顯著提高;干燥條件下，28天養護齡期下的木質素磺酸鹽1，2加固土的UCS強度是7天條件下的2倍;濕潤條件下，木質素磺酸鹽2加固土樣表現出一定的“崩解”現象;建議木質素加固土體的最優摻量為5%。Kim等［21］不僅對木質素加固土的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，副產品A的加固效果優于副產品B，且摻量12%時，土體強度到達峰值;含水量OMC條件下，副產品A加固土樣1天齡期的強度均小于副產品B，但7天齡期的結果截然相反;含水量OMC+4條件下，不論哪種齡期，副產品B加固土體強度均優于副產品B。因此，Kim等認為木質素是一種具有應用前景、不污染環境的土體加固劑。副產品A在干燥條件下優勢明顯，而副產品B在濕潤條件下效果更佳，養護齡期對副產品A加固土的UCS影響強于副產品B。浸泡試驗(soakingtest)常用來評價加固土體的水穩性。Tingle和Santoni［20］先后對木質素加固黏土和粉土進行了浸泡試驗，見圖6。與常規浸泡試驗不同的是，文獻中采取半浸泡試驗方法對加固土水穩性和UCS進行評價。試驗結果表明，木質素磺酸鹽2加固粉砂放入水中迅速“崩解”，完全喪失強度;木質素磺酸鹽1加固粉砂具有較好的水穩性，浸泡試驗前后土樣UCS差別不大。對黏性土加固，有相同的規律。

4結語

(1)生物能源副產品木質素是一種不污染環境、成本低廉、化學性質相對穩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，在評價木質素加固土體效果時，要謹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中不良路基土進行木質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的固化模型。(3)生物能源副產品木質素，是一種與傳統固化劑不同的有機高分子化合物，應用于工程實踐時，需要針對其自身特點，提出相關施工工藝并進行現場試驗評價，明確路基土進行木質素固化時，必須滿足工程設計的各項要求。

作者：李軍海 接道波 張濤 蔡國軍 單位：江蘇省交通規劃設計院股份有限公司 東南大學巖土工程研究所