基于IPP分析的改良土微觀特性研究

鄭芝恒　高建偉

(1.唐山市交通運(yùn)輸局　唐山　063000;　2.西北電力設(shè)計(jì)院　西安　710075)

基于IPP分析的改良土微觀特性研究

鄭芝恒1高建偉2

(1.唐山市交通運(yùn)輸局唐山063000;2.西北電力設(shè)計(jì)院西安710075)

摘要某高速公路穿越泥巖地層，該地層泥巖風(fēng)化程度高，直接作為路基填料填筑時(shí)，易產(chǎn)生路面鼓包、路基不均勻沉降、承載力不足等工程問題，嚴(yán)重威脅道路運(yùn)輸安全。為了消除泥巖風(fēng)化路基土的不良特性，采用了石灰、粉煤灰、水泥對(duì)泥巖風(fēng)化路基土進(jìn)行室內(nèi)改良試驗(yàn)研究。利用電子顯微鏡觀察改良土微觀結(jié)構(gòu)，并應(yīng)用IPP軟件提取SEM中改良土體微觀參數(shù)，研究分析泥巖改良土的微觀改良機(jī)制，與改良土改良效果試驗(yàn)對(duì)比，分析3種改良劑改良效果。結(jié)果表明，石灰改良土的孔隙比降低，孔隙改良效果明顯；粉煤灰改良土整體的孔隙比與素土基本持平；水泥改良土孔隙改良效果差，但是孔隙中生長了大量的鈣礬石，使得水泥改良土的宏觀強(qiáng)度性質(zhì)有較大提高。

關(guān)鍵詞改良土IPPSEM改良機(jī)制

某高速路所經(jīng)泥巖地層物理風(fēng)化程度高，產(chǎn)生大量崩解、脫落、解體的泥巖巖屑顆粒，礦物成分及含量并未發(fā)生顯著改變，其中伊利石與蒙脫石等膨脹性礦物含量并未改變；相反，由于風(fēng)化作用形成的黏土物質(zhì)在水作用條件下更易發(fā)生積聚而產(chǎn)生膨脹性。因此，直接將風(fēng)化剝離的巖屑或黏土聚集物用于路基填筑，會(huì)產(chǎn)生路面鼓包、路基不均勻沉降、承載力不足等工程問題。但由于路基填料缺乏、節(jié)省工程造價(jià)等原因，路基填筑一般采用就地取材。因而開展泥巖改良土的研究十分必要[1]。

現(xiàn)今諸多學(xué)者對(duì)土體微觀研究用PhotoShop，Arcinfo，Matlab等軟件對(duì)SEM圖像做定量研究，但是此類軟件存在自動(dòng)化程度低、統(tǒng)計(jì)分析功能差、定量分析功能少等不足，對(duì)土壤SEM圖像中的土壤顆粒、孔隙的參數(shù)提取及分析不便[2-4]。IPP(Image-Pro Plus)圖像分析軟件是由美國Media Cybernetics公司研究開發(fā)，具有強(qiáng)大的2D和3D圖像處理、分析功能，是Image-Pro軟件系列中功能最強(qiáng)大的成員之一。IPP豐富的測(cè)量和定制功能使得該軟件廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域的科學(xué)研究。因此,本文利用IPP提取改良土SEM圖像中的微觀參數(shù),分析改良劑改良機(jī)理,對(duì)比改良效果。

1改良試驗(yàn)

1.1　試驗(yàn)土樣及改良劑

試驗(yàn)土體選自某高速路段的泥巖風(fēng)化物,經(jīng)室內(nèi)一系列土工試驗(yàn)得土體基本物理性質(zhì)指標(biāo),見表1。

表1　泥巖風(fēng)化物物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗(yàn)中土體改良劑分別選用石灰、粉煤灰、水泥3種，經(jīng)化學(xué)成分分析，3種改良劑指標(biāo)見表2、表3、表4。

表2　石灰化學(xué)成分含量

表3　粉煤灰化學(xué)成分含量

表4　水泥化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2　SEM測(cè)試樣品制備

改良土制樣前，先將改良劑風(fēng)干，并將土樣放入烘箱烘干一晝夜。制樣時(shí)，水和改良劑按質(zhì)量摻比、含水率比稱取質(zhì)量，見表5，快速攪拌均勻，悶樣24 h，采用靜壓法制成體積為60 cm3的環(huán)刀樣，利用液氮冷凍技術(shù)，對(duì)試樣進(jìn)行脫水處理，按電鏡掃描樣品要求制成掃描試樣。其中，水泥改良土制樣過程中，水泥作為改良劑應(yīng)在靜壓成樣前迅速與含水土體攪拌均勻，并迅速靜壓成環(huán)刀樣。

表5　改良土摻比指標(biāo)

2改良土SEM圖像分析

圖1所示為素土和3種改良土在電子顯微鏡下1 200倍的SEM圖像，圖像清晰地顯示了各改良土的改良效果。圖1a)素土圖像中土顆粒呈片狀，結(jié)構(gòu)松散、孔隙大；圖1b)石灰改良土中土顆粒呈片狀，改良效果明顯，土體變密實(shí)，孔隙大幅減小。石灰改良土的改良機(jī)理有離子交換作用、絮凝作用、碳化作用和膠結(jié)作用等，主要是石灰成分中的CaO，MgO與土顆粒之間發(fā)生反應(yīng)，分解的Ca2+，Mg2+與Na+，K+離子的交換，或是與空氣中的CO2反應(yīng)使土顆粒碳化；圖1c)粉煤灰改良土中土顆粒片狀圖像不明顯，粉煤灰的膠球狀膠結(jié)作用明顯，這是因?yàn)榉勖夯抑谢钚怨韬突钚凿X的含量較高，易生成穩(wěn)定的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，即微珠效應(yīng)，能夠改善拌和物的和易性，使土顆粒易于密實(shí)。粉煤灰的改良作用主要有離子交換作用、絮凝作用及硬凝反應(yīng)等，提高土體強(qiáng)度；圖1d)水泥改良土中土顆粒不再呈片狀,膠結(jié)作用使得土顆粒呈團(tuán)粒狀，孔隙間鈣礬石生長明顯,這主要是由于水泥改良作用中的水化反應(yīng)和膠結(jié)作用，使得碳酸鹽和鋁水化合物膠結(jié)、脫水、結(jié)晶,改變土體性質(zhì)，土體孔隙中大量生長針狀鈣礬石,提高土體水穩(wěn)定性和強(qiáng)度[5-9]。

a)素土SEM圖像b)石灰改良土SEM圖像c)粉煤灰改良土SEM圖像d)水泥改良土SEM圖像

圖1素土與改良土1 200倍SEM圖像

3測(cè)試樣品SEM圖像參數(shù)提取

利用IPP提取測(cè)試樣品SEM圖像參數(shù)時(shí)，需執(zhí)行閾值處理，采用圖像重合法及多人多次的目視分割法確定閾值。圖2素土SEM圖像中深色區(qū)域表示孔隙，使用右側(cè)對(duì)話框中的拖動(dòng)條改變閾值，對(duì)比原圖像，直至得到最佳分割效果[10]。

圖2　素土SEM圖像閾值選取

對(duì)于孔隙密集區(qū)域，孔隙自動(dòng)分割出現(xiàn)誤差，可在自動(dòng)分割的基礎(chǔ)上采用人工分割法，對(duì)自動(dòng)分割的孔隙進(jìn)一步分割或融合，提高圖像分割精度。

IPP圖像處理軟件對(duì)于孔隙的特征參數(shù)可自動(dòng)提取，IPP提供了40多種幾何、形態(tài)特征參數(shù)，包括孔隙面積、孔隙數(shù)、圓度、孔隙直徑等，根據(jù)研究需求在對(duì)話框中選取，見圖3。

圖3　素土SEM圖像統(tǒng)計(jì)類別

根據(jù)馮曉臘等對(duì)土體孔隙的分類[11]，結(jié)合IPP統(tǒng)計(jì)的孔隙直徑對(duì)素土SEM圖像中的孔隙進(jìn)行分類，將孔隙分為大孔隙、中孔隙、微孔隙、超微孔隙4類，并進(jìn)行了偽彩色標(biāo)識(shí)，見圖4。

圖4　素土SEM圖像孔隙分類和偽彩色標(biāo)識(shí)

IPP對(duì)石灰改良土、粉煤灰改良土、水泥改良土SEM圖像孔隙參數(shù)的提取同素土SEM圖像孔隙參數(shù)的提取相同。素土及改良土的SEM圖像孔隙參數(shù)提取見表6。根據(jù)IPP提取的孔隙面積和圖像面積計(jì)算素土及改良土的孔隙比。

根據(jù)SEM圖像及從中提取的參數(shù)和孔隙比分析，石灰改良土較素土密實(shí)，且其孔隙比較素土孔隙比降低了16%，孔隙改良效果較好；而粉煤灰改良土主要由于粉煤灰的微珠膠結(jié)作用使土體孔隙變小，總體的孔隙比與素土孔隙比基本持平；水泥改良土使得土顆粒團(tuán)?；?，土體孔隙中大量生成針狀鈣礬石，雖然對(duì)于孔隙的改良效果差，但是結(jié)合其他試驗(yàn)表明水泥改良土的強(qiáng)度得到明顯提高。

表6　SEM圖像孔隙部分參數(shù)提取表

4結(jié)語

利用IPP(Image-Pro Plus)圖像處理功能對(duì)泥巖改良土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理、分析，提取了SEM圖像中的孔隙面積、孔隙數(shù)、孔隙直徑、圓度等特征參數(shù)，并根據(jù)孔隙直徑將孔隙分為大孔隙、中孔隙、小孔隙、超微孔隙4類。同時(shí)，根據(jù)SEM圖像中提取的參數(shù)計(jì)算了素土及改良土的孔隙比，分別分析了各改良土的改良機(jī)制與效果。

根據(jù)各改良土SEM圖像中的孔隙比得出，石灰改良土的孔隙比較素土的降低了16%，孔隙改良效果明顯；粉煤灰改良土從SEM圖像分析，孔隙較素土的變小，但是整體的孔隙比與素土孔隙比基本持平；水泥改良土孔隙改良效果差，但是孔隙中生長了大量的鈣礬石，使得水泥改良土的宏觀強(qiáng)度性質(zhì)有較大提高。

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The Microscopic Characteristic Analysis of Red Bed

Mudstone Modified Soil Based on IPP

ZhengZhiheng1，GaoJianwei2

(1.Tangshan City Transport Department, Tangshan 063000, China;

2.Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China)

Abstract：One highway through the purple mudstone stratum with great weathering degree of the mudstone, it is easy to generate engineering problems such as road surface bulge, uneven settlement, and insufficient bearing capacity when it is used as subgrade filling directly, which is a serious threat to road transportation safety. In order to eliminate the bad properties of weathering mudstone soil, lime, fly ash and cement are adopted for indoor experimental study of weathering mudstone soil improvement. Using electron microscope to observe the microstructure of modified soil, microscopic parameters in SEM by IPP software are extracted, the micro mechanism of modified soil is studied, and the modified results are contrasted by three kinds of modifiers. The results show that the void ratio of lime modified soil is obviously decreased and the modified result is good. Fly ash modified soil's void ratio is almost equal to that of Prime soil. The pores of cement modified soil are not modified greatly, but make the growth of a large number of ettringite crystal in pores, the macroscopic strength properties of cement modified soil is improved greatly by the reason.

Key words:modified soil; IPP; SEM; modified mechanism

收稿日期：2015-10-17

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.038