FMLSS微觀構(gòu)造特征與強度相關(guān)性分析

章培培，顧歡達，陳冬青

（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）

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FMLSS微觀構(gòu)造特征與強度相關(guān)性分析

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：通過對河道淤泥氣泡混合土（FMLSS）微觀構(gòu)造特征的觀測，考察了反映FMLSS微觀構(gòu)造特征的微孔分布參數(shù)的特性及其變化規(guī)律。結(jié)合不固結(jié)不排水三軸試驗結(jié)果，進一步分析了微孔分布參數(shù)與FMLSS強度指標(biāo)的相關(guān)性，從微觀構(gòu)造角度揭示了FMLSS的強度發(fā)揮及破壞機理。

關(guān)鍵詞：氣泡混合土；平均等效孔徑；微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)；強度參數(shù)

在我國南方地區(qū)，河流湖泊眾多，長年淤積的結(jié)果，會有大量淤泥沉積下來。當(dāng)河道中淤泥量達到一定程度后除了影響交通航運外，也不利于自然生態(tài)環(huán)境。為此，必須對江河湖泊進行定期清淤。根據(jù)惲文榮等[1]截止2015年的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國僅珠江三角洲地區(qū)每年產(chǎn)生的河道淤泥就達到8 000萬m3；江南地區(qū)河網(wǎng)密布，每年清淤產(chǎn)生的河道淤泥量數(shù)量同樣不少?；诳沙掷m(xù)發(fā)展理念，開發(fā)利用河道淤泥勢在必行。目前的有效利用方式，有直接利用河道淤泥作為制磚材料[2]，或摻入水泥固化處理用作工程填料[3]，顧歡達等研究了河道淤泥輕質(zhì)土的工程性質(zhì)[4]。趙全勝等對淤泥中摻入水泥、粉煤灰、水以及氣泡制成氣泡混合土用于控制軟土路堤橋頭沉降進行了研究[5]。河道淤泥綜合有效利用作為目前一個比較重要的課題，其他學(xué)者也就相關(guān)問題進行了較多的研究考察[6-7]。

對于河道淤泥氣泡混合土（FMLSS）的研究，以往主要以常規(guī)試驗方法從宏觀角度對其物理力學(xué)性質(zhì)進行研究。實際上，F(xiàn)MLSS屬于一種具有多孔性微觀構(gòu)造特征的材料，其宏觀物理力學(xué)性質(zhì)必然與其微觀構(gòu)造特征存在密切聯(lián)系。自從Terzaghi提出粘土微觀結(jié)構(gòu)概念開始，對于土的物理力學(xué)性質(zhì)考察，尤其是強度發(fā)揮及破壞機理不再局限于宏觀試驗的研究，隨著觀測與分析技術(shù)的進步，目前對于土的微觀結(jié)構(gòu)分析已經(jīng)進入量化分析的階段[8]。常防震等介紹了粘土微觀結(jié)構(gòu)的觀測技術(shù)、微觀結(jié)構(gòu)特征以及粘土變形的微觀特性和機理[9]，P.Dudoignon研究了土體在剪切過程中微觀特性變化[10]，周翠英[11]提出了利用孔隙率、孔隙平均面積、氣孔數(shù)量等微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析土體的剪切破裂面上微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與強度之間的關(guān)系。由于巖土的微觀結(jié)構(gòu)決定了其宏觀特性[12]，F(xiàn)MLSS是在河道淤泥中摻入一定量的氣泡群，使得FMLSS形成一種多孔性材料，其微孔的微觀構(gòu)造特征決定了FMLSS的物理力學(xué)性質(zhì)。為掌握FMLSS的強度特性及破壞機理，基于FMLSS的微觀構(gòu)造特性進行微觀構(gòu)造及相應(yīng)的相關(guān)性分析是十分有效的。

1　材料及試驗方法

1.1試驗原料及配合比設(shè)計

原料土取自蘇州某河道的淤泥質(zhì)土，首先用4.75 mm的網(wǎng)篩過篩，過濾掉淤泥中的雜質(zhì)，再用攪拌機攪勻。通過室內(nèi)試驗得到原料土的基本物理指標(biāo)，如表1所示，原料土的顆粒級配曲線見圖1。由表1可知，塑性指數(shù)Ip為15.7，液性指數(shù)IL=1.67>0，孔隙比e=1.36；根據(jù)圖1所示結(jié)果，該淤泥的顆粒分布以細粒土（孔徑小于0.75 mm）為主，且不均勻系數(shù)Cu=5，曲率系數(shù)Cc=1.31，級配良好。根據(jù)《公路土工試驗規(guī)程》（JTG E40-2007）和《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTJ 50-2006）的規(guī)定，原料土屬于含水量高、處于流塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土。

表1　原料土的物理性質(zhì)指標(biāo)

根據(jù)蔡明智等人對于氣泡混合輕質(zhì)土工程性質(zhì)的分析[13-14]，對氣泡混合土工程性質(zhì)具有明顯影響的因素主要有固化劑、輕質(zhì)材料的含量和養(yǎng)護齡期等。由于氣泡的體積難以測量，所以在控制氣泡含量時稱其質(zhì)量，且在配合設(shè)計中所有摻入量以原料土中干土質(zhì)量為標(biāo)準(zhǔn)。水泥含量指摻入到氣泡混合土中水泥的質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值；氣泡含量指摻入的氣泡質(zhì)量與干土質(zhì)量的比值。試驗中，調(diào)整原料土的含水量為110%，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下養(yǎng)護28 d后進行試驗，具體配比設(shè)計如表2所示。

圖1　淤泥的顆粒級配曲線

表2　配合比設(shè)計

1.2試樣的制備

水采用自來水，固化劑采用32．5#普通硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑采用動物蛋白類復(fù)配型發(fā)泡劑。根據(jù)表2所示配合設(shè)計，分別按照水、水泥和氣泡的順序加入到原料土中進行攪拌至均勻后即可裝入模具，模具尺寸為直徑38 mm、高76 mm，每個試樣至少制備3個平行樣，然后置于養(yǎng)護室養(yǎng)護24 h后脫模，再將試樣繼續(xù)養(yǎng)護至試驗齡期。

1.3強度試驗

為了考察FMLSS的強度特性，對經(jīng)28 d標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的試樣進行三軸不固結(jié)不排水試驗。試驗儀采用SJ-1A三軸剪力儀，設(shè)定剪切速率為0．9 mm/min，試驗數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動采集。

1.4數(shù)字圖像分析方法

數(shù)字圖像的提取采用α-6000型SONY相機拍攝，拍攝對象為試樣的某一截面，在進行任何力學(xué)試驗之前，分別取試樣的1/3、2/3斷面處進行拍攝，在進行力學(xué)試驗后，由于破壞面與破壞面之間的摩擦使得孔隙結(jié)構(gòu)殘缺，因此在非破壞面處掰開的斷面處進行拍攝，且所有斷面均取較平整的區(qū)域進行拍攝，每個斷面拍攝三張圖像，且計算時取平均值。每次拍攝時相機的攝像模式及鏡頭與截面之間的距離保持一致，并同時做好標(biāo)定，將實際的尺寸換算成數(shù)字圖像中像素尺度后進行數(shù)字化處理。

粘性土的微觀結(jié)構(gòu)的定量研究采用數(shù)字圖像處理手段。數(shù)字圖像的量化分析過程是利用ImageJ數(shù)字圖像分析軟件對試樣的截面圖像進行初步處理，包括灰度圖像的轉(zhuǎn)化、圖像的平滑和銳化處理、噪聲和陰影的去除等；為了定量分析截面中氣孔結(jié)構(gòu)的構(gòu)造特征，需將灰度處理后的圖像進行二值化處理，選擇合適的閾值生成二值化圖像；然后選擇設(shè)定的物理參數(shù)，包括微孔結(jié)構(gòu)的大小、尺寸、面積等等，經(jīng)過統(tǒng)計分析之后，即可對微孔結(jié)構(gòu)進行定量分析。

2　微觀結(jié)構(gòu)與強度特性的相關(guān)性分析

2.1微孔分布參數(shù)定義及影響分析

圖2～圖4顯示數(shù)字圖像處理的結(jié)果，試樣截面圖像經(jīng)二值化處理后顯示不規(guī)則微孔圖形和孔的輪廓線，以及微孔的分布情況。由于除了摻入的氣泡形成微孔外，還有部分在成型過程中由于空氣沒有排出產(chǎn)生的氣孔，而形成的狹長不規(guī)則氣孔。但總體上氣泡比較均勻分布于整個界面中。

利用ImageJ數(shù)字圖像分析軟件可以統(tǒng)計出在圖像所示區(qū)域內(nèi)微孔數(shù)量N、單個氣孔面積A、氣孔面積百分比含量M等反映FMLSS微孔構(gòu)造特征的參數(shù)，對所有的氣孔面積取平均值為氣孔平均面積A。為方便對比分析，對每個不規(guī)則微孔按照圓形來進行簡化處理，可根據(jù)單個面積換算成等效圓孔，其直徑記為等效孔徑d，所有的微孔的等效孔徑取平均值為平均等效孔徑，記為d。則d=（4A/π）0．5，其中，A表示單個氣孔的面積。為考察微孔尺度的分布情況，定義等效孔徑不均勻系數(shù)Cu、曲率系數(shù)Cc、大小氣孔數(shù)量比S。則Cu=d60/d10；Cc=d230/（d10·d60）。式中，d10、d30、d60分別指小于某等效孔徑的氣孔數(shù)量的百分比含量分別為10%、30%、60%所對應(yīng)的等效孔徑的大小。S=N0．2/N0．05。N0．2、N0．05分別表示的是在圖像區(qū)域中等效孔徑大于0．2 mm和小于0．05 mm的氣孔的數(shù)量。

圖2　原始圖像

圖3　二值化處理后圖像

圖4　微孔分布情況

類比粒徑成分分布曲線，可以建立微孔孔徑分布曲線。以等效孔徑大小為橫坐標(biāo)，以小于（或大于）某等效孔徑微孔數(shù)量的累計百分比含量為縱坐標(biāo)建立的等效孔徑分布曲線。不均勻系數(shù)Cu表示的是整個圖像中微孔尺寸分布的大小范圍，反映微孔孔徑分布均勻程度；曲率系數(shù)Cc反映微孔分布曲線的整體形態(tài)，即微孔孔徑分布的連續(xù)性。Cu越大，等效孔徑分布范圍大，微孔分布越不均勻，曲線越平緩。而曲率系數(shù)Cc過大或過小，則表示孔徑分布連續(xù)性較差。圖5顯示為水泥摻入量為25%時的孔徑分布曲線，可以看出曲線連接比較平順，且大部分等效孔徑集中在0．02～0．2 mm之間，孔徑分布比較均勻。從材料角度考察，有利于提高FMLSS材質(zhì)的均勻性，從而有利于其強度發(fā)揮及減小變形。隨著摻入氣泡含量的增加，孔徑分布曲線整體向左側(cè)移動，即隨著摻入氣泡量的增加，大孔徑數(shù)量趨于增大。

結(jié)合圖6可知，由圖5中的曲線越向左側(cè)移動，S值越大，表示大孔徑微孔數(shù)量趨于增多，而小孔徑微孔數(shù)量趨于減少，且隨著氣泡摻入量增加，在單位土體范圍內(nèi)，大孔徑微孔數(shù)量越多，相應(yīng)地土骨架體積將會減小，從而削弱了土體結(jié)構(gòu)，而不利于FMLSS的強度發(fā)揮，受載后變形增大；而隨著水泥摻入量的增加，大孔徑微孔數(shù)量減少，土骨架體積增大，土體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，F(xiàn)MLSS強度更大。

由圖7（a）和圖（b）可以看出，隨著氣泡摻入量的增加，微孔數(shù)量呈增加趨勢，且平均等效孔徑也呈增大趨勢，隨著水泥摻入量的增加，微孔數(shù)量減少同時平均等效孔徑減小。考察上述結(jié)果可以看出，保持水泥摻入量不變時，氣泡含量越高的配比，試樣中大氣孔數(shù)量就越大，小氣孔的數(shù)量越小，保持氣泡摻入量一定時，水泥含量越高的配比，試樣中大氣孔的數(shù)量越少，小氣孔的數(shù)量越多。分析上述現(xiàn)象，可以認為在水泥摻入量不變時，氣泡摻入量越大，土體中氣泡數(shù)量多，當(dāng)多個小氣泡相距較近時更容易聯(lián)接形成更大孔徑的氣泡，而使得平均等效孔徑增大；?而?水泥摻入量越大，氣泡摻入量一定時，由于在養(yǎng)護期間?，水泥發(fā)生水硬凝等一系列反應(yīng)，生成的??水?化物會在孔隙之間進行填充，平均等效孔徑減小。氣孔百分比含量、平孔徑和氣孔數(shù)量滿足——平均等效孔徑增大，氣孔個數(shù)減少，但氣孔百分比荷載作用下，土體更易發(fā)生破壞；而平均等效孔徑越小，氣孔越多，但氣孔百分比含量卻減小，使得土體微觀構(gòu)造趨于均勻，骨架體積增大，結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，有利于FMLSS的強度和剛度提高。2.2強度指標(biāo)

圖5　氣孔分布曲線

圖6　大小氣孔數(shù)量比曲線

圖7　微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性

根據(jù)不固結(jié)不排水三軸試驗結(jié)果，可以得到FMLSS強度包線，從而獲得其強度指標(biāo)c、φ值。圖8所示的是水泥摻入量15%、氣泡摻入量為0時的強度包絡(luò)線圖。由表3所列試驗結(jié)果可以看出，水泥含量一定時，隨著氣泡摻入量的增大，F(xiàn)MLSS的粘聚力及內(nèi)摩擦角均呈減小趨勢，氣泡摻入量每增加1%，粘聚力值減小20%～30%左右，內(nèi)摩擦角值減小4%～7%左右，在水泥摻入量較低時，強度指標(biāo)的變化更明顯，以上結(jié)果說明摻入氣泡含量的變化對FMLSS粘聚力的影響更加明顯；當(dāng)氣泡含量一定，隨著水泥摻入量的增加，粘聚力和內(nèi)摩擦角也隨著增加，水泥摻入量每增加10%，粘聚力增幅在0．8～2倍左右，內(nèi)摩擦角增幅在30%～60%，而且在氣泡摻入量較高時，粘聚力的增幅更加顯著。由此可見，氣泡摻入量越高、水泥摻入量越低，F(xiàn)MLSS的強度指標(biāo)越小，而且主要對粘聚力具有顯著影響。根據(jù)庫倫強度理論，強度指標(biāo)越小，F(xiàn)MLSS承受荷載及抵抗變形能力就越小。因此將FMLSS用于實際工程時，可通過調(diào)整氣泡和水泥摻入量滿足設(shè)計強度或變形要求。

2.3考慮加載影響的微孔分布參數(shù)變化

FMLSS受荷載作用后，內(nèi)部微孔構(gòu)造將發(fā)生改變。根據(jù)觀察可以看出加載后FMLSS中的大孔徑微孔數(shù)量減小，小孔徑微孔數(shù)量增多，由此可認為是大孔徑氣孔在受荷載后遭到破壞，一個大氣孔被擠壓成兩個或多個小氣孔，整體的孔徑分布更為均勻。微孔數(shù)量增大，氣孔面積百分比、單個氣孔的面積、平均等效孔徑均呈減小趨勢。

為定量分析加載前后微孔分布參數(shù)的變化，定義平均等效孔徑的變化率R1和氣孔百分比變化率R2：

圖8　強度包線圖

圖9　微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化

表3　 UU試驗強度指標(biāo)試驗結(jié)果

由以上的分析可知，微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化會引起強度特性的改變，圖10則進一步分析了強度參數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化率之間的相關(guān)性。圖10表示的是水泥含量保持在15%時，隨著氣泡摻入量以及加載條件的變化，強度參數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。隨著圍壓的增加，強度參數(shù)增大，土體結(jié)構(gòu)中土顆粒表面之間的摩擦力更大，團粒之間的粘聚力更大，土體結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定，所以在加載過程中，微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化率和就越小，土體更難破壞，F(xiàn)MLSS的抗變形能力就越強；相反，當(dāng)強度參數(shù)越小，土顆粒之間的摩擦力和粘聚力就越小，微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化率就越大，F(xiàn)MLSS的抗變形能力就越低。

圖10　 φ與R1和R2的關(guān)系

2.4微觀構(gòu)造特征與強度間的相關(guān)性分析

根據(jù)前述關(guān)于微觀構(gòu)造在不固結(jié)不排水三軸試驗中的變化規(guī)律可知，微孔構(gòu)造特征會直接影響土骨架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而影響FMLSS的強度發(fā)揮。圖11中參數(shù)均指試驗前FMLSS的特征參數(shù)，由顯示結(jié)果可以看出，等效孔徑越小、孔徑分布越均勻而微孔數(shù)量越少的構(gòu)造特征，微孔面積百分比含量就越小，孔與孔之間形成的土網(wǎng)絡(luò)骨架越堅固，內(nèi)摩擦角和黏聚力就越大，也就是土顆粒與土顆粒表面之間的摩擦越大，粘結(jié)力也越大，所以，氣泡混合土的強度就越大；而等效孔徑越大、孔徑分布越不均勻且微孔數(shù)量越多的氣孔結(jié)構(gòu)，氣孔面積百分比含量就越大，土顆粒之間的摩擦和黏聚力也越小，土骨架結(jié)構(gòu)強度和剛度降低，土體結(jié)構(gòu)容易發(fā)生變化，使得氣泡混合土的強度降低。

根據(jù)圖11（a）和11（b）所示結(jié)果分析，當(dāng)水泥摻入量分別為15%、25%和35%時，平均等效孔徑每增大0．01 mm，對應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別減小1%～2%、4%～7%和3%～4%；而微孔面積百分比含量每增加2%時，對應(yīng)的內(nèi)摩擦角分別減小2%～4%、7%～15%和6%～12%。由此可見，與平均等效孔徑的影響相比較，微孔面積百分比的變化對FMLSS內(nèi)摩擦角的影響更加顯著。

而圖11（c）中，微孔數(shù)量對強度參數(shù)的影響恰恰與前兩者相反，當(dāng)氣孔數(shù)量每增加500個，水泥摻量分別為15%、25%、35%時，內(nèi)摩擦角的變化范圍在2%～3%、5%～8%和3%～4%之間。氣泡含量越高，影響越小。即微孔數(shù)量的增加，并不意味著微孔面積的增大，還得同時考慮平均等效孔徑的影響，但是微孔數(shù)量增加的同時，微孔分布更加均勻，且以較小的細微孔為主，因此有利于土材料的均勻化，因此內(nèi)摩擦角反而會增加。

圖11　微觀結(jié)構(gòu)基本參數(shù)

相關(guān)的研究認為，巖土的微觀結(jié)構(gòu)對其宏觀力學(xué)性質(zhì)存在顯著的控制作用。利用圖像分析技術(shù)可以比較方便地得到FMLSS微孔分布特征參數(shù)，利用微孔分布特征參數(shù)與土的強度相關(guān)性分析，可以有效地揭示FMLSS強度發(fā)揮及荷載作用下的破壞機理。圖12顯示的是微孔分布綜合特征與強度參數(shù)的相關(guān)性。根據(jù)孔徑分布特征，孔徑分布不均勻系數(shù)越小，氣孔分布越均勻，材質(zhì)的均勻性越好，內(nèi)摩擦角越大；大小氣孔數(shù)量比越大，微孔中大孔徑微孔數(shù)量越多，內(nèi)摩擦角越小，土骨架之間形成的間隙就越大，F(xiàn)MLSS在受到荷載后更加容易變形，但可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)達到一定值后的減小幅度趨緩。

圖12　微觀結(jié)構(gòu)復(fù)合參數(shù)

3　結(jié)論

（1）利用圖像處理技術(shù)獲得FMLSS的微觀結(jié)構(gòu)特征，因此可對FMLSS的微觀結(jié)構(gòu)進行定量分析。通過分析微觀結(jié)構(gòu)與強度參數(shù)的相關(guān)性，揭示FMLSS的強度發(fā)揮特征及破壞機理。

（2）摻入氣泡主要產(chǎn)生減小密度和改變河道淤泥氣泡混合土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，而摻入水泥不僅能夠使得氣孔結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)都減小，而且考慮到水化物的填充作用以及氣孔間的土顆粒形成的團粒而引起的團粒效應(yīng)，氣泡混合土的土骨架強度和剛度提高，從而使得氣泡混合土能夠滿足實際工程的需要。

（3）氣泡混合土中的大氣孔數(shù)量、氣孔分布的均勻性都是影響強度參數(shù)的重要因素。在實際工程應(yīng)用中，除了通過調(diào)整摻入材料的量來控制氣泡混合土的密度、強度特性外，還應(yīng)從原材料的性質(zhì)考慮，比如發(fā)泡的質(zhì)量，包括均勻性、含水率適中等問題，還有水泥的類型，加上施工工藝的優(yōu)化等方面來提高氣泡混合土中氣孔結(jié)構(gòu)的均勻性，從而制得更高質(zhì)量的河道淤泥氣泡混合土。

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通信聯(lián)系人：顧歡達（1958-），男，江蘇無錫人，教授，博士，從事軟土地基處理原理與技術(shù)研究；E-mail：ghdgx@163.com。

（責(zé)任編輯：秦中悅）

Correlation analysis of microstructure characteristics and intensity of FMLSS

ZHANG Peipei1，GU Huanda1，CHEN Dongqing2
（1.Department of Civil Engineering，SUST，Suzhou 215011，China; 2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co.,Ltd，Suzhou 215134，China）

Abstract：Through the observation of microstructure characteristics of the foamed mixture lightweight soil and sludge（FMLSS）in the river, the paper studied the features and the change rules of microporous distribution parameters which can show the microstructure of FMLSS.Based on the results of unconsolidated and undrained traxial test, the correlation of the microporous distribution parameters and the intensity indicators of FMLSS was further analyzed, which revealed the strength and failure mechanism from the perspective of the microstructure of FMLSS.

Key words：foamed mixture lightweight soil; he average equivalent aperture; microstructural parameter; intensity parameter

中圖分類號：TU411

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-0679（2016）01-0048-06

[收稿日期]2015－09-25

[基金項目]國家自然科學(xué)基金項目（51378327）

[作者簡介]章培培（1991-），女，江蘇南通人，碩士研究生。