水泥石灰改良鹽漬土強(qiáng)度形成微觀機(jī)理研究

崔俊英 袁 露

(海門市公路管理站，江蘇南通 226100)

1 概述

濱海地區(qū)土壤為典型的氯鹽漬土，根據(jù)JTG F10-2006公路路基施工技術(shù)規(guī)范［1］，弱、中鹽漬土均不宜直接用于高等級(jí)公路路基工程。采用水泥石灰對(duì)鹽漬土進(jìn)行改良，并將其應(yīng)用于高等級(jí)公路的路基工程，對(duì)于充分利用臨海鹽漬土資源、降低工程造價(jià)具有實(shí)際意義。以往對(duì)水泥石灰改良鹽漬土強(qiáng)度發(fā)展特性的研究主要依靠化學(xué)分析或強(qiáng)度試驗(yàn)，不能直觀地反映水泥石灰改良鹽漬土的強(qiáng)度形成機(jī)理［2］。為探尋水泥石灰改良鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，剖析改良鹽漬土的強(qiáng)度發(fā)展微觀作用機(jī)理，采用Matlab圖像處理系統(tǒng)對(duì)掃描電鏡圖像進(jìn)行處理，將處理后的圖像通過(guò)IPP專業(yè)圖像分析軟件進(jìn)行量化信息的提?。?，4］，獲取不同齡期改良鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)及量化信息，研究了水泥石灰改良鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)特性，分析了宏觀力學(xué)特性與微觀特征參數(shù)之間的關(guān)系。

2 研究的方案與方法

試驗(yàn)鹽漬土樣取自江蘇臨海高等級(jí)公路，為低液限細(xì)粒式粘土，土的塑性指數(shù)在7～10之間，屬于劣質(zhì)填料［5］。土樣的易溶鹽含量平均為0.43%，最高為0.624%，比值大于2，屬于弱氯鹽漬土。對(duì)鹽漬土采用P.O42.5級(jí)水泥和石灰改良，分別采用3%水泥+9%石灰、6%水泥+6%石灰。對(duì)鹽漬土、不同水泥+石灰劑量改良鹽漬土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，獲得最大干密度、最佳含水量后進(jìn)行CBR及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)［6］。采用掃描電子顯微鏡對(duì)改良鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集，利用Matlab和IPP平面圖像辨別技術(shù)對(duì)掃描電鏡圖像進(jìn)行微觀數(shù)據(jù)提取。為反映改良鹽漬土的微觀結(jié)構(gòu)特征，文中提出了如下幾項(xiàng)參數(shù):1)等效圓直徑:與顆粒(或孔隙)面積相等的等效圓的直徑，用以說(shuō)明單個(gè)顆粒(或孔隙)的大小其中，A為顆粒(或孔隙)的實(shí)際面積。2)孔洞率:所測(cè)孔隙面積占總圖像面積的百分比，用以說(shuō)明單位面積孔隙的多少?？锥幢?孔隙面積與顆粒面積的比。其中，e為土的孔洞率;n為土的孔洞比;S為土的橫截面積;Ae為橫截面中孔洞所占的面積;Sk為橫截面中土顆粒所占的面積。3)橢圓度:顆粒(或孔隙)的長(zhǎng)軸和短軸之比，用于表示土體內(nèi)顆粒或孔洞向橢球體發(fā)展的趨勢(shì)。其值越大，說(shuō)明顆粒(或孔隙)越趨于長(zhǎng)條形;反之，愈接近球體。橢圓度的取值采用一幅圖像中所有橢圓度的平均值。其中，L，B分別為顆粒的長(zhǎng)軸和短軸的長(zhǎng)度。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

3.1 改良鹽漬土的電鏡掃描照片

原狀土、3%水泥+9%石灰改良鹽漬土、6%水泥+6%石灰改良鹽漬土28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后的500倍及4 000倍電鏡照片如圖1，圖2所示。

3.2 微觀參數(shù)與強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系

素土、3%水泥+9%石灰、6%水泥+6%石灰改良鹽漬土的微觀參數(shù)與水泥石灰改良鹽漬土的強(qiáng)度特性的關(guān)系如圖3～圖5所示。

分析圖3～圖5中的數(shù)據(jù)可知:

1)水泥石灰改良鹽漬土的抗壓、抗剪特性與改良鹽漬土內(nèi)的顆粒特性具有較好的相關(guān)性，隨著單位體積內(nèi)改良鹽漬土顆粒個(gè)數(shù)越少，顆粒更趨向于圓形及顆粒增大，改良鹽漬土的強(qiáng)度越高;

2)單位體積內(nèi)改良鹽漬土的孔隙個(gè)數(shù)越少，橢圓度越高，孔隙越小，改良鹽漬土的強(qiáng)度和CBR值越高;

3)改良鹽漬土的孔隙橢圓度與其強(qiáng)度特性的關(guān)系表現(xiàn)出了與顆粒橢圓度相反的趨勢(shì)，即孔隙越圓，強(qiáng)度反而越低，所以不適宜采用孔隙的橢圓度。

3.3 浸水前后改良鹽漬土微觀參量的變化

為了分析水對(duì)改良鹽漬土微觀結(jié)構(gòu)的影響，課題對(duì)浸水前后改良鹽漬土的微觀參量進(jìn)行了提取，改良鹽漬土浸水前后顆粒參數(shù)與孔隙。

分析圖6，圖7中的數(shù)據(jù)，浸水前后改良鹽漬土微觀參量與強(qiáng)度之間的關(guān)系如下:

1)改良鹽漬土浸水后，顆粒特征表現(xiàn)為單位面積顆粒個(gè)數(shù)增多、等效圓直徑減小、橢圓度增大，這與前述分析中微觀參數(shù)與強(qiáng)度發(fā)展間的關(guān)系一致，浸水后強(qiáng)度降低，說(shuō)明水分滲透進(jìn)土體后，鹽漬土中易溶鹽溶解，土體松散，單位面積顆粒數(shù)量增多，土體顆粒變小;2)改良鹽漬土浸水后，內(nèi)部孔隙特征表現(xiàn)為孔隙橢圓度減小、等效圓直徑增大、單位面積孔隙數(shù)量增多，同時(shí)浸水后土體內(nèi)部孔洞率提高，這也與強(qiáng)度的變化關(guān)系一致，浸水后，改良鹽漬土的孔隙變多、變大，使土體的強(qiáng)度降低。

4 結(jié)語(yǔ)

文中利用Matlab和IPP技術(shù)對(duì)水泥石灰改良鹽漬土掃描電鏡圖像中的顆粒和孔隙參數(shù)進(jìn)行了提取，并從微觀層面對(duì)改良鹽漬土強(qiáng)度發(fā)展機(jī)理進(jìn)行了定量分析，所得結(jié)論如下:1)改良鹽漬土的顆粒橢圓度、顆粒個(gè)數(shù)、顆粒等效圓直徑、孔隙個(gè)數(shù)、孔隙等效圓直徑、孔洞率等幾個(gè)微觀指標(biāo)與改良鹽漬土的強(qiáng)度指標(biāo)具有較好的相關(guān)性，隨著顆粒橢圓度、顆粒個(gè)數(shù)、孔隙個(gè)數(shù)、孔隙等效圓直徑、孔洞率的降低及顆粒等效圓直徑的提高，改良鹽漬土的強(qiáng)度指標(biāo)提高;2)隨著改良劑用量的提高，改良鹽漬土內(nèi)顆粒橢圓度、顆粒個(gè)數(shù)、孔隙個(gè)數(shù)、孔隙等效圓直徑、孔洞率降低，而顆粒等效圓直徑提高;3)改良鹽漬土浸水后，易溶鹽溶解，土體中孔洞率、孔隙個(gè)數(shù)、孔隙等效圓直徑、顆粒個(gè)數(shù)、顆粒橢圓度提高，顆粒等效圓直徑降低，土體孔多、松散，改良鹽漬土強(qiáng)度降低。

［1］JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［2］JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JTJ 034-2000，公路路面基層施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］DB 29-20-2000，巖土工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［5］JTJ 057-94，公路工程無(wú)機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［6］鐵道部第一勘察設(shè)計(jì)院.鹽漬土地區(qū)鐵路工程［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1988.