河道淤泥氣泡混合土微觀構(gòu)造及力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性

河道淤泥氣泡混合土微觀構(gòu)造及力學(xué)性質(zhì)相關(guān)性

章培培1，顧歡達1，陳冬青2

(1．蘇州科技學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011；

2．蘇州市恒正工程質(zhì)量檢測有限公司，江蘇 蘇州 215134)

摘要：基于河道淤泥氣泡混合土(FMLSS)的微觀構(gòu)造特征，通過微觀構(gòu)造觀察和分析，評價了FMLSS的強度特性和破壞機理。試驗結(jié)果表明，保持FMLSS含水量一定，隨著氣泡摻入量的增加，F(xiàn)MLSS的內(nèi)部平均等效孔徑和氣孔面積百分比含量呈線性增大趨勢、而隨著水泥摻入量的增加呈減小趨勢；隨著氣泡摻入量的增加，F(xiàn)MLSS的氣孔大小分布的均勻性降低，氣孔平均等效孔徑增大。試驗結(jié)果還表明，F(xiàn)MLSS的強度發(fā)揮及破壞機理與FMLSS的氣孔分布的均勻性以及等效孔徑等微觀構(gòu)造參數(shù)存在明顯的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞：氣泡混合土;數(shù)字圖像技術(shù);等效孔徑;微觀結(jié)構(gòu);無側(cè)限抗壓強度

Received:2015-07-23

Foundation item：National Natural Science Foundation of China (No.51378327)

Author brief：Zhang Peipei(1991-)，main interest: the soft soil foundation treatment technology and principle,(E-mail)zppwodeshijie@163.com.

中國幅員廣大，尤其南方地區(qū)河湖眾多，每年河道淤泥產(chǎn)量大。對于河道淤泥的處理方式，從以前單一用于農(nóng)作物肥料和廢棄堆積到現(xiàn)在的綜合有效利用，例如對其進行輕質(zhì)化處理，再將其作為實際工程中的填筑材料，既能解決廢棄淤泥的存放問題，同時又提供了一種新型的建筑材料，既降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益，對環(huán)境治理與保護也有很好的效果，可以有效促進河道淤泥的再生資源化利用。

河道淤泥具有含水量大、壓縮性高、強度低等特性，一般很難直接應(yīng)用于工程實際中。顧歡達等[1]探討了河道淤泥再生資源化利用的可能性及方式，評價了處理后作為填土材料的可行性,并對河道淤泥進行了輕質(zhì)化處理。通過對河道淤泥添加起泡劑、固化劑，調(diào)整配比和養(yǎng)護齡期等因素制備了比重在0.591~1.124 g/cm3之間、強度在300~800 kPa之間變化的氣泡混合輕質(zhì)土[2]。或是加其他輕質(zhì)材料可滿足強度要求的輕質(zhì)土[3]。同時，Kikuchi等[4]針對氣泡混合土的滲透性進行了分析。

對河道淤泥進行氣泡混合化處理，可以達到有效利用河道淤泥，利用其密度小、強度高、具有流動性等特征，可以用于軟基處理、空洞填充及狹窄區(qū)域施工等比較特殊的工程領(lǐng)域，具有良好的適用性。經(jīng)處理后的河道淤泥可用于海港和機場的建設(shè)[5]、橋梁路基過渡區(qū)的土壤中、路基的填充材料以及穩(wěn)定土的墊層材料[6-7]。由于氣泡混合土具有輕質(zhì)性，高流動性，強度可調(diào)節(jié)等特點，可減輕路基的自重，從而降低了地基附加應(yīng)力和地基沉降量，也更易滿足所需的地基承載力條件，相對于未處理的河道淤泥而言，可不用再做地基處理，降低了工程成本，提高了社會效益。氣泡混合土還具有隔熱保溫、滲透性小、低蠕變、抗凍融與耐久性良好等特點。

將河道淤泥作為原料土進行輕質(zhì)化處理制成氣泡混合土，主要是將河道淤泥、固化劑及氣泡根據(jù)設(shè)定的配合條件進行混合形成輕質(zhì)土材料，在保持一定的強度與剛度條件下，通過混入氣泡形成一種輕質(zhì)多孔性材料。根據(jù)材料構(gòu)造特征，其強度發(fā)揮及在荷載條件下的變形特性必然與混入氣泡后在土體內(nèi)部形成的微孔構(gòu)造特征相關(guān)。對于輕質(zhì)土的力學(xué)性質(zhì)已有了一定的研究[8-9]，而巖石的微觀結(jié)構(gòu)特征與其力學(xué)行為有著很大的相關(guān)性[10],李紅英等[11]也從材料的微觀結(jié)構(gòu)探究了其耐久性以及振動對早期強度的影響[12]，因此認為土體的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)同樣存在著一定的相關(guān)性。因此，要了解氣泡混合土的強度發(fā)揮及破壞機理，掌握土體內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)構(gòu)造特性如微孔數(shù)量、孔徑尺寸、孔徑分布等參數(shù)與氣泡混合土強度發(fā)揮與變形的相關(guān)性十分重要[13-14]。

為了對土體內(nèi)部的微孔構(gòu)造特性進行定量化分析，在研究中采用數(shù)字圖像分析技術(shù)對土體內(nèi)部的微孔構(gòu)造特征進行數(shù)值化處理，結(jié)合物理及強度試驗對河道淤泥氣泡混合土的強度發(fā)揮與破壞機理進行分析，為河道淤泥氣泡混合土的工程應(yīng)用建立一定的理論基礎(chǔ)。通過圖像處理統(tǒng)計分析得出土體的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，并與其工程力學(xué)性質(zhì)相結(jié)合分析[15]。尤其是對氣泡混合土的特殊面比如薄弱面、破壞面[16]等的分析，其微觀結(jié)構(gòu)的變化與強度和變形特性更明顯。Liu等[17]對土中砂粒SEM圖像進行了特征分析，姬鳳玲等[18]在對輕質(zhì)混合土的微觀結(jié)構(gòu)試驗過程中，解釋了輕質(zhì)混合土的強度及變形機理。

1試驗方法

1.1　試驗原料及配比設(shè)計

該試驗原料來自蘇州某河道清淤的淤泥質(zhì)土，經(jīng)室內(nèi)實驗得出基本物理參數(shù)指標，可判斷該淤泥質(zhì)土屬于流塑狀的粉質(zhì)黏土，且顆粒級配良好。

為了研究河道淤泥氣泡混合土的微觀結(jié)構(gòu)對力學(xué)性質(zhì)的影響，且經(jīng)過反復(fù)試驗，結(jié)合管文[19]研究孔結(jié)構(gòu)對泡沫混凝土性能的影響，對微觀結(jié)構(gòu)影響較大的兩個因素即是氣泡摻入量及水泥摻入量。因此，制備了如表1 的試驗配合設(shè)計。

表1　試驗配比設(shè)計

由于摻入氣泡的體積大小難以測量，因此，所有組成材料的配比均以河道淤泥的干土質(zhì)量為標準。水泥摻入量即表示摻入水泥的質(zhì)量與試樣干土質(zhì)量的比值；氣泡摻入量即表示為摻入氣泡的質(zhì)量與試樣干土質(zhì)量的比值。含水量指摻入水之后包含原料土中的水的質(zhì)量與試樣干土質(zhì)量的比值。

1.2　試樣制備

試樣的制備主要包括原料土、水泥、水及氣泡的摻入。制樣之前，原料土經(jīng)4.75 mm方格網(wǎng)過篩，去除雜質(zhì)。然后摻水解泥，再摻入水泥攪勻，試驗使用32.5#普通硅酸鹽水泥，最后根據(jù)設(shè)定的配合條件加入氣泡。氣泡生成使用動物蛋白類復(fù)配型發(fā)泡劑自制氣泡。攪拌均勻后制樣，制樣時采用直徑38 mm、高76 mm的模具，并將調(diào)配完成的氣泡混合土分3層裝入模具，且每個配比的試樣至少有3個平行樣。密封后放在標準養(yǎng)護條件下養(yǎng)護24 h后取出脫模，繼續(xù)養(yǎng)護至設(shè)定的試驗齡期。

1.3　試驗方法

1.3.1密度試驗及強度試驗為測定其密度，對每個配比制成的3個試樣稱量其質(zhì)量M1、M2、M3，測得平均密度ρ為

(1)

式中：V是試樣平均體積，cm3；M為試樣平均質(zhì)量，g；當(dāng)滿足任何兩個試樣的密度差Δρ<1%，即可認為制成的試樣比較均勻，可用于后續(xù)試驗。

強度試驗主要是采用無側(cè)限抗壓強度儀，試驗中軸向應(yīng)變速率約為1 mm/min。

1.3.2數(shù)字圖像分析方法數(shù)字圖像分析主要包括以下幾個方面內(nèi)容：1) 利用數(shù)字攝像設(shè)備對土體界面進行圖像攝取并對圖像進行初步處理；2) 利用圖像分析軟件對圖像上顯示的微孔構(gòu)造特征進行數(shù)字化處理并提取反映微孔構(gòu)造特征的物理參數(shù)；3) 根據(jù)提取的物理參數(shù)進行定量化處理與分析。數(shù)字圖像攝取利用高分辨率α-6000型SONY相機拍攝，再利用ImageJ數(shù)字圖像軟件對數(shù)字圖像進行處理,提取反映微孔構(gòu)造特征的參數(shù)并進行分析。為了便于對比分析，拍攝時將攝相機鏡頭固定在距拍攝界面50 cm位置，同時,用標尺標定一定單位尺度，再利用圖像分析軟件將標定的單位尺度換算為像素值并設(shè)為圖像單位尺度，進而可以對圖像中的微孔尺度進行數(shù)字化分析處理。根據(jù)白光紅等[20]對Image J的研究應(yīng)用，利用圖像分析軟件能從圖像中提取研究對象的面積、尺寸以及輪廓。圖1及圖2為土體界面圖像及經(jīng)二值化處理后的圖像，在此基礎(chǔ)上可進一步對土體內(nèi)部的微孔特征進行數(shù)字化處理分析。如在設(shè)定的區(qū)域范圍內(nèi)提取微孔總面積、不同尺度微孔百分比、單個微孔面積及微孔數(shù)量等參數(shù)。對氣泡混合土的氣孔結(jié)構(gòu)進行粒度分析[21]。

圖1　原始圖像Fig.1　Original

圖2　二值化處理后圖像Fig.2　Binarization

2數(shù)字圖像特征參數(shù)的定義

河道淤泥氣泡混合土的強度和變形特性與土體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)特征有密切的關(guān)系。實際上，氣泡混合土內(nèi)部微觀構(gòu)造決定了土體的宏觀力學(xué)與物理性質(zhì)。氣泡混合土內(nèi)部微孔構(gòu)造特征受多種因素影響，如原料土性質(zhì)、固化劑類型、配合條件、發(fā)泡劑類型及發(fā)泡倍率、試樣制作工藝等。在不同因素影響下成型后的氣泡混合土內(nèi)部微孔構(gòu)造特征會呈現(xiàn)不同的特征，從而影響其強度發(fā)揮及變形規(guī)律。為了揭示不同的微孔構(gòu)造特征對氣泡混合土物理力學(xué)性質(zhì)的影響，利用數(shù)字圖像分析技術(shù)可以比較明確地對氣泡混合土內(nèi)部的微孔構(gòu)造特征進行定量化處理分析，從而有助于進一步揭示河道淤泥氣泡混合土的強度發(fā)揮特性及破壞機理。

2.1　圖像數(shù)字化處理

經(jīng)二值化處理后的圖像顯示的為不規(guī)則微孔圖形，為方便分析對比，對單個微孔按圓形進行簡化處理，將單個微孔面積換算為等效圓孔，其直徑記為等效孔徑。對所有微孔的等效孔徑取平均值記為平均孔徑。等效孔徑的換算公式為

(2)

式中：D為等效孔徑，mm；A為微孔總面積，mm2。

為便于對土體內(nèi)部微孔特征進行定量分析，將根據(jù)上式計算得到的等效孔徑按大小進行分類統(tǒng)計，從而確定不同尺度微孔的分布特征參數(shù)并據(jù)此定義土體內(nèi)部的微孔分布特征。

2.2　數(shù)字圖像特征參數(shù)

根據(jù)統(tǒng)計得到的微孔等效孔徑分布數(shù)據(jù)，可以建立反映不同孔徑微孔的分布曲線，如圖3所示，以圖像中小于(或大于)某孔徑的微孔數(shù)量占該圖像中總微孔數(shù)量的累計百分比為縱坐標，微孔的等效孔徑為橫坐標，在單對數(shù)坐標上可以繪制出微孔等效孔徑分布曲線。由分布曲線的坡度(即陡峭程度)可判斷土體內(nèi)部中微孔分布的均勻程度。若曲線較陡，表示孔徑分布比較均勻，反之，曲線平緩，則孔徑大小相差較大，微孔孔徑分布不均勻。

圖3　微孔等效孔徑分布曲線Fig.3　Pore size distribution

基于氣泡混合土的微觀構(gòu)造特征，微孔孔徑分布均勻，則表明發(fā)泡后氣泡相對比較穩(wěn)定，成型后的氣泡混合土材質(zhì)相對比較均勻，在荷載條件下有利于強度發(fā)揮及抵抗變形；而微孔孔徑分布不均的情況下，在較大孔徑附近的土骨架容易受到削弱，在荷載作用下較易從這些薄弱部位發(fā)生破壞，從而使得土體強度降低、變形增大。因此，微孔孔徑分布特征與土體強度、變形等力學(xué)性質(zhì)應(yīng)存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

為了定量反映微孔孔徑分布特征，可以根據(jù)微孔分布曲線建立反映微孔分布均勻情況的特征參數(shù)：定義微孔孔徑分布不均勻系數(shù)Cu及曲率系數(shù)Cc

(3)

(4)

式中：d60、d30及d10分別為小于某孔徑的微孔數(shù)量百分比含量60%、30%及10%對應(yīng)的孔徑，分別稱為限制孔徑、中值孔徑和有效孔徑。不均勻系數(shù)Cu反映不同孔徑微孔的分布范圍，即微孔孔徑分布的均勻程度。Cu越大，表示微孔孔徑分布范圍越大，微孔孔徑分布不均勻。曲率系數(shù)Cc描述累計曲線分布的整體形態(tài)，反映了限制孔徑d60與有效孔徑d10之間各孔徑的分布情況。圖4顯示為兩種不同氣泡混合條件下的微孔孔徑分布曲線，根據(jù)測試數(shù)據(jù)計算不均勻系數(shù)后可以看出，Cu值較大的情況下分布曲線比較平緩，而Cu值較小時曲線比較陡峭，即代表土體內(nèi)部孔徑分布比較均勻。由此可知，通過圖像特征參數(shù)Cu值可以定量地反映土體內(nèi)氣孔孔徑分布的均勻程度。

圖4　氣孔累計曲線對比Fig.4　Comparison of cumulative porosity

為了進一步把握土體內(nèi)部大小微孔孔徑的尺度，將土體中各種不同大小孔徑的微孔按等效孔徑為0.05和0.2 mm分成小孔徑、中孔徑和大孔徑3種，劃分孔徑的分界尺寸(0.05和0.2 mm)稱為界限孔徑。根據(jù)等效孔徑的大小可以定義反映孔徑尺度大小的特征參數(shù)，定義大小孔徑數(shù)量比S

(5)

式中：N0.2和N0.05分別表示圖像中等效孔徑大于0.2 mm的氣孔數(shù)量和小于0.05 mm的氣孔數(shù)量。顯然，大孔徑微孔數(shù)量越多，S值越大；S值越小，則表明土體內(nèi)部主要以孔徑較小的微孔為主，相對土體的材質(zhì)比較均勻，受荷載后的力學(xué)性質(zhì)較好。

3河道淤泥氣泡混合土微觀構(gòu)造特征

3.1　等效孔徑特性

由圖5(a)可以看出，在一定的水泥含量下，隨著混入氣泡含量的增加土體內(nèi)部平均等效孔徑基本呈線性增大。說明隨著氣泡混入量的增加，土體內(nèi)不僅微孔數(shù)量增加，大孔徑微孔的比例也相應(yīng)增大。當(dāng)氣泡混入量從1%提高到2%，增大1倍的情況下，平均等效孔徑增大約10%程度。圖中Ac定義為水泥摻入比，Ae為氣泡混合比。

圖5(b)所示的是氣泡混入量保持在2%不變，改變含水量時微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。很明顯可以看出含水量越高，氣泡混合土中大微孔的數(shù)量越多，當(dāng)含水量增加10%，在水泥產(chǎn)量為15%的情況下，平均等效孔徑增大20%左右，在水泥摻量為25%和35%時，平均等效孔徑增大12%左右。說明含水量越高，平均等效孔徑越大，且當(dāng)水泥摻量較低時，平均等效孔徑的大小隨含水量的增加而增加的越快。

圖5　特征參數(shù)的變化Fig.5　Change of feature

由于平均孔徑的增大意味著土骨架體積的縮小，在荷載作用下必然引起土體強度下降、變形增大，實際工程中在滿足土體密度及強度條件下，應(yīng)盡量控制氣泡的混入量。另外，在氣泡混入量一定的情況下，水泥摻入量越大，微孔平均等效孔徑越小。水泥的混入在養(yǎng)護過程中要發(fā)生水化、結(jié)晶、硬凝反應(yīng)，在固體顆粒表面生成的水化物對土體內(nèi)部的微小孔隙存在一定的填充效應(yīng)，因此，隨著水泥摻入量的增大，土骨架體積增大、強度及剛度提高的同時，微孔的數(shù)量及等效孔徑也會相應(yīng)減小，從而有利于提高土體的強度與剛度，實際工程中可以利用此特性通過調(diào)整水泥摻入量調(diào)整氣泡混合土的密度及強度以滿足工程要求。

3.2　微孔孔徑分布特性

在原料土含水量為110%，水泥摻入量為25%，氣泡摻入量分別為0、1%、2%、3%的條件下，河道淤泥氣泡混合土微孔孔徑分布曲線如圖6所示。從等效孔徑分布曲線可以看出，在不同的氣泡混入量情況下，等效孔徑分布曲線的形態(tài)基本相同，大部分微孔孔徑集中在0.02~0.2 mm范圍內(nèi)。隨著氣泡混合量的增大，分布曲線總體上向左側(cè)移動，說明隨著氣泡混合量的增大，大孔徑微孔數(shù)量增多，其趨勢與圖5顯示的結(jié)果是一致的，使得氣泡混合土在密度減小的同時，由數(shù)量較多的大尺度微孔引起的土體強度下降及變形增大將會更加明顯。

圖6　氣孔分布曲線對比Fig.6　Comparison of stomatal distribution

根據(jù)圖7顯示的結(jié)果可以看出，大小微孔數(shù)量比隨氣泡混入量和含水量的增加而增加，而且成非線性狀態(tài)。當(dāng)氣泡混合量超過1%或者是含水量超過110%以后，大小微孔數(shù)量增大更加明顯。說明隨著氣泡混合量和含水量的增大，會促使大尺度微孔的數(shù)量明顯增加，如前所述，大尺度微孔數(shù)量的增加，會使得土骨架體積減小，并在土體內(nèi)部形成相對薄弱的部位，使混合土的強度與剛度下降；隨著水泥摻入量的提高，不僅使土體內(nèi)部平均等效孔徑減小，而且大小微孔數(shù)量比也會降低。因此，水泥摻入比的提高，不僅會提高土骨架的強度與剛度，同時也會使得土體內(nèi)部微孔孔徑分布趨于均勻化。因此，實際工程中，通過適當(dāng)提高作為固化材料的水泥摻入量，對于改善河道淤泥氣泡混合土的力學(xué)性質(zhì)具有比較明顯的效果。

圖7　大小氣孔數(shù)量比的變化Fig.7　Change of the quantity of the size of the

含水量與氣泡混入量對微孔分布的影響關(guān)系很類似，且氣泡混合土的力學(xué)性質(zhì)及存在狀態(tài)受含水量的影響較大，在實際工程應(yīng)用選擇較為合適的含水量尤為重要，在該研究中，取含水量較為適中的狀態(tài)，所以，在以下關(guān)于微孔分布特征的研究以調(diào)整氣泡混入量和水泥摻量為主要依據(jù)，保持含水量為110%，總結(jié)歸納其特性。

進一步根據(jù)前述所定義的反映微孔孔徑分布均勻性的特征參數(shù)對河道淤泥氣泡混合土的微觀構(gòu)造特征進行分析，基于前述微孔孔徑分布曲線的均勻性分析，當(dāng)土體內(nèi)微孔孔徑分布能同時滿足Cu<5.0和Cc=1.1~1.4的條件時，可認為土體內(nèi)微孔孔徑分布比較均勻，屬于有利于土體強度發(fā)揮及抵抗變形的比較理想微孔分布狀態(tài)。根據(jù)圖8和圖9所顯示的氣泡混合量與均勻性特征參數(shù)的關(guān)系，微孔分布均勻性與氣泡混合量及水泥摻入量相關(guān)，為了獲得比較理想均勻的微觀構(gòu)造，可通過調(diào)整氣泡混合量及水泥摻入量使得河道淤泥氣泡混合土體內(nèi)部微孔構(gòu)造處于比較均勻的狀態(tài)。

圖8　不均勻系數(shù)的變化Fig.8　The change of uneven

圖9　曲率系數(shù)的變化Fig.9　Variation of curvature

例如，對于水泥含量為15%的河道淤泥氣泡混合土，為滿足Cu<5的條件，氣泡混合量應(yīng)控制在約1.25%以下，而要滿足Cc<1.4的條件，則氣泡混合量不宜超過約0.75%，據(jù)此，可以推斷對于水泥摻入量為15%的河道淤泥氣泡混合土，為了獲得比較均勻的微孔構(gòu)造狀態(tài)，氣泡混合量不宜超過0.75%；而對于水泥摻入量為25%的河道淤泥氣泡混合土，要滿足Cu<5的條件，則氣泡混合量不宜超過約2.25%，若要滿足Cc=1.1~1.4的條件，氣泡混合量應(yīng)控制在0~2.5%范圍內(nèi)，按同時滿足兩個條件考慮，對于水泥摻入量為25%的河道淤泥氣泡混合土，氣泡混合量控制在0~2.25%范圍內(nèi)時，都可以獲得比較均勻的微觀構(gòu)造狀態(tài)。在實際設(shè)計與施工過程中，還應(yīng)考慮密度、強度等要求，在上述范圍內(nèi)選擇合理的氣泡混合量。

4微觀構(gòu)造特征與強度的相關(guān)性分析

4.1　微孔孔徑特性與強度的相關(guān)性

根據(jù)前述微觀構(gòu)造分析可知，微孔孔徑大小會影響土骨架結(jié)構(gòu)強度進而影響氣泡混合土的強度，尤其是大孔徑微孔數(shù)量對氣泡混合土的強度產(chǎn)生直接影響，大孔徑微孔數(shù)量越多，對土骨架的削弱作用更加明顯，從而對氣泡混合土的強度影響越大。圖10所示的結(jié)果顯示，河道淤泥氣泡混合土的抗壓強度隨大小孔徑數(shù)量比的增大而減小，而且水泥摻入量越大，這種趨勢更加明顯。這是由于水泥摻入量高，土骨架強度也隨之提高，大孔徑微孔的存在對土骨架強度的削弱影響更加明顯。從圖中同樣可以發(fā)現(xiàn)，水泥摻入量減少，不僅使河道淤泥氣泡混合土的強度降低，大小孔徑數(shù)量比的變化范圍也增大，說明對于水泥摻入量比較少的氣泡混合土，強度降低不僅與土骨架強度降低有關(guān)，而且與大孔徑微孔數(shù)量增大有關(guān)。同時，圖10中曲線還表示隨著箭頭方向氣泡摻入量不斷增加，變化范圍在0~3%。由此可見，隨著氣泡摻入量的增加，大小氣孔數(shù)量比S逐漸增大，且氣泡混合土的強度呈緩慢衰減趨勢。

圖10　qu-S的關(guān)系Fig.10　Relationship between qu and

進一步考察強度試驗前后的大小孔徑數(shù)量比的變化情況(圖11)，與強度試驗前的大小孔徑數(shù)量比相比，試驗后S值降低，說明土樣受到荷載作用后，大孔徑微孔首先受到破壞，相應(yīng)的大孔徑微孔數(shù)量減小使得S值降低，該現(xiàn)象進一步說明在土樣受到壓縮后首先從大孔徑微孔開始破壞，大孔徑微孔數(shù)量是影響氣泡混合土強度的主要因素。而且隨著氣泡混合量的增大，試驗后大孔徑微孔減少的現(xiàn)象更加明顯，這是由于氣泡混合量大，產(chǎn)生的大孔徑微孔數(shù)量也相應(yīng)增加，破壞后大孔徑微孔消失的數(shù)量也同樣增加。

圖11　S-Ae的關(guān)系Fig.11　relationship between S and

強度試驗后除了大孔徑微孔數(shù)量減小外，圖12的結(jié)果顯示，壓縮試驗后微孔總面積比試驗前明顯減小。以上結(jié)果表明，在壓縮試驗過程中，氣泡混合土內(nèi)部微孔構(gòu)造在外荷載作用下，大孔徑微孔發(fā)生破壞，大孔徑微孔受擠迫后形成單個或多個小孔徑微孔，也可能直接消失，其余中小孔徑微孔也有受壓縮后孔徑縮小或消失的可能。最終導(dǎo)致壓縮試驗后孔徑尺度及微孔面積明顯減小，此結(jié)果說明對于氣泡混合土而言，土體內(nèi)部存在的微孔特征及分布是影響氣泡混合土強度發(fā)揮的重要因素。

圖12　試驗前后的對比Fig.12　Comparison of before and after

4.2　微孔分布特征與強度的相關(guān)性

除了微孔孔徑尺度對氣泡混合輕質(zhì)土的強度產(chǎn)生影響外，土體內(nèi)部的微孔孔徑分布特征即微孔孔徑分布的均勻性對氣泡混合輕質(zhì)土的強度發(fā)揮產(chǎn)生明顯影響。根據(jù)前述，土體內(nèi)部的微孔孔徑分布特征可以利用微孔孔徑分布曲線及對應(yīng)的孔徑分布特征參數(shù)進行描述。為了說明土體內(nèi)部微孔孔徑分布特征對氣泡混合土強度發(fā)揮的影響，圖13反映了不同微孔孔徑分布特征參數(shù)Cu值對河道淤泥氣泡混合土強度發(fā)揮的影響。根據(jù)試驗結(jié)果可以看出：1)隨著微孔孔徑分布不均勻系數(shù)Cu值的增大，即微孔孔徑分布均勻性下降，總體上河道淤泥氣泡混合土的強度呈下降趨勢；2)雖然水泥摻入量的提高可以增大河道淤泥氣泡混合土的強度，但隨著微孔孔徑不均勻程度的降低，與低水泥摻入量的氣泡混合土相比，強度下降更加明顯，說明微孔孔徑分布的均勻性對強度較高的土體影響更明顯。

以上結(jié)果表明，在實際工程中為了提高河道淤泥氣泡混合土的強度及剛度，應(yīng)從發(fā)泡劑材料的穩(wěn)泡性、發(fā)泡倍率等指標控制生成微泡的均勻性，從而有利于提高河道淤泥氣泡混合土的品質(zhì)。

圖13　qu-Cu的關(guān)系Fig.13　The relationship between σ and qu and

另一方面，可以從強度試驗前后土體內(nèi)部微孔孔徑分布變化，進一步根據(jù)微孔孔徑分布特征變化考慮河道淤泥氣泡混合土的破壞機理。圖14反映了同一配比試樣強度試驗前后土體內(nèi)部微孔孔徑分布的變化情況。根據(jù)圖示結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：1)強度試驗后微孔孔徑分布曲線整體向右側(cè)移動，說明壓縮試驗后土體內(nèi)部的平均等效孔徑減??；2)對比強度試驗前后的不均勻系數(shù)Cu值，分別為4.46和3.42，壓縮試驗后土體內(nèi)部微孔孔徑分布不均勻系數(shù)減小。

上述結(jié)果表明：在壓縮試驗過程中較大孔徑微孔受擠迫后先于較小孔徑微孔發(fā)生破裂或縮小分解為較小孔徑的微孔，使得壓縮試驗后整體平均等效孔徑減小、孔徑分布均勻性提高；結(jié)合前述微孔孔徑尺度對強度發(fā)揮的影響分析，對于河道淤泥氣泡混合土，土體內(nèi)部較大孔徑微孔的孔徑尺度及數(shù)量、微孔孔徑分布的均勻性是影響河道淤泥氣泡混合土的重要因素，尤其是對于相對強度比較高的土體影響更加明顯。因此，通過選擇穩(wěn)泡性較好、發(fā)泡倍率適當(dāng)?shù)陌l(fā)泡劑材料，以及通過采用合理的成型工藝，在成型過程中減小對土體的撓動，減小大孔徑微孔數(shù)量及提高微孔孔徑分布的均勻性，是提高河道淤泥氣泡混合土質(zhì)量的重要因素。

圖14　試驗前后氣孔分布對比Fig.14　Comparison of porosity distribution before and after the

5結(jié)論

1)利用數(shù)字圖像分析方法可以對河道淤泥氣泡混合土的微觀構(gòu)造特征進行定性及定量分析，利用其微觀構(gòu)造特征與力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性，可有效揭示河道淤泥氣泡混合土的強度發(fā)揮特征及破壞機理。

2)隨著水泥摻入量的提高，由于團粒化效應(yīng)及水化物的填充作用，不僅使得土體內(nèi)部微孔孔徑減小、孔徑分布均勻化，同時提高土骨架的強度與剛度，從而使得河道淤泥氣泡混合土的強度與剛度明顯提高。

3)較大微孔孔徑尺度及數(shù)量、微孔孔徑分布的均勻性是影響河道淤泥氣泡混合土力學(xué)性質(zhì)的重要因素，尤其是對于相對強度比較高的土體，影響更加明顯。實際工程中，除了根據(jù)對土體的密度、強度要求選擇合理的配合條件外，應(yīng)盡可能從發(fā)泡劑性質(zhì)指標選擇、氣泡混合土成型施工工藝、減小對土體撓動等多個方面采取合理措施，減小土體內(nèi)部較大微孔孔徑尺度及數(shù)量、提高微孔孔徑分布均勻性以提高河道淤泥氣泡混合土的質(zhì)量。

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(編輯王秀玲)

Gu Huanda(corresponding author), professor,PhD, (E-mail)：ghdgx@163.com.

Correlation analysis of microscopic structure and the mechanical properties about foamed mixture lightweight soil using river sludge

Zhang Peipei，Gu Huanda，Chen Dongqing

(1.Department of Civil Engineering，University of Science and Technology of Suzhou，Suzhou 215011，Jiangsu,P.R.China;

2. Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co.,Ltd，Suzhou 215134，Jiangsu,P.R.China)

Abstract:Based on the characteristics of microstructure of foamed mixture lightweight soil using river sludge (FMLSS), the strength properties and failure mechanism of FMLSS are studied. The results show that when water content of FMLSS is constant,with the increase of bubble incorporation internal average equivalent aperture, the percentage of porosity area of FMLSS present linear increasing trend, while all of them decrease with the increase of cement incorporation. With the increase of bubble incorporation，the size uniformity of pore in FMLSS reduces, while improve with the increase of cement incorporation. The strength of FMLSS has obvious correlations with the microscopic parameters of FMLSS such as the equivalent aperture and uniformity of pore distribution. The results provided basis for the study of the strength of FMLSS and the mechanism of the damage.

Key words:foamed mixture lightweight soil；digital image technology；equivalent aperture；microstructure；unconfined compressive strength

通信作者顧歡達()，男，教授，博士，(E-mail)ghdgx@163.com。

作者簡介：章培培(1991-)，女，主要從事軟土地基處理技術(shù)及原理研究，(E-mail)zppwodeshijie@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金(51378327)

收稿日期：2015-07-23

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A

文章編號：1674-4764(2015)06-0078-09

doi:10.11835/j.issn.1674-4764.2015.06.011