基于河道淤泥氣泡混合土微觀構(gòu)造特征的發(fā)泡劑適用性研究

李榮賀, 顧歡達

(蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215011)

為了疏通河道，保證水利水運工程的正常運行和環(huán)境改善，需要對河道網(wǎng)定期或不定期疏浚，如何避免疏浚淤泥很可能造成二次污染及再利用，已成為各界關(guān)心的問題。

為保護環(huán)境及淤泥的資源化利用，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了可行性探索。包建平、顧歡達等[1-3]對淤泥的處理技術(shù)和工程性質(zhì)進行探討。在國外，橫田圣哉等[4-6]學(xué)者對氣泡輕質(zhì)土物理力學(xué)性質(zhì)的研究起步較早；國內(nèi)關(guān)于與氣泡輕質(zhì)土的研究，原料土主要為沙土和黏土；淤泥混合輕質(zhì)土，輕質(zhì)材料以塑料泡沫顆粒居多。以淤泥作為原料土，氣泡作為輕質(zhì)材料的相關(guān)研究較少。鄭少午、姬鳳玲等[7-13]對以EPS顆粒為輕質(zhì)材料的輕質(zhì)土進行研究，考察了其不同因素對其工程性質(zhì)的影響及配方優(yōu)化；何國杰，顧歡達等[14-16]考察了以氣泡為輕質(zhì)材料的輕質(zhì)土，考察了其物理力學(xué)特征及耐久性；事實上，土體宏觀性能的發(fā)揮與土體內(nèi)部微孔微觀分布特征相關(guān)。TTOVEY等[17]對不同土體微觀構(gòu)造技術(shù)進行了研究，主要包括定向及定量方面；申春妮等[18]從微觀角度對Q2黃土特殊的濕陷性進行解釋；顧歡達等[19-20]分別用壓汞試驗和圖像處理技術(shù)考察了不同配比條件對河道淤泥氣泡混合土微觀構(gòu)造的影響，以及微觀構(gòu)造與宏觀性能的相關(guān)性。發(fā)泡劑作為河道淤泥氣泡混合土主要發(fā)泡材料，其制備氣泡的性能直接對混合土性質(zhì)產(chǎn)生影響，目前，市場上流通的發(fā)泡劑品種繁多，而不同發(fā)泡劑制備的氣泡性能各不相同，甚至差異很大，由其制備的FMLSS內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)特性的差異，以及對宏觀特征的影響值得探討。

1 材料與方法

為考察發(fā)泡劑的適用性，前發(fā)泡選用第2代表面活性劑類K12A、第4代復(fù)合類發(fā)泡劑F，后發(fā)泡選用雙氧水作為輕質(zhì)材料，利用上述不同發(fā)泡劑類型制作FMLSS，通過比對試驗，考察其適用性。

FMLSS依照氣泡的制備方式，可以分為后生成式和前生成式兩種。后發(fā)泡法通常直接將發(fā)泡劑溶液，倒入混合土料漿中，通過機械攪拌作用將發(fā)泡劑溶液分散于料漿中，利用雙氧水在堿性環(huán)境下易分解為氧氣，同時雙氧水自身還會電離出氫氣，利用生成的氧氣和氫氣作為氣源，在料漿中產(chǎn)生氣泡，從而制備成輕質(zhì)土；前發(fā)泡將由發(fā)泡裝置預(yù)制的氣泡加入攪拌均勻的混合土料漿中攪拌均勻制成氣泡混合土，為后述方便起見，將K12A制備的FMLSS記為K型，復(fù)配類發(fā)泡劑制備的FMLSS記為F型；后發(fā)泡型中，將雙氧水制備的FMLSS記為H型。

1.1 試驗原料及配比設(shè)計

以蘇州市某河道淤泥質(zhì)土為原料土，其基本物理指標(biāo)如表1所示。

表1 原料土的物理性質(zhì)指標(biāo)

試驗所用的前發(fā)泡型發(fā)泡劑包括K12A(陰離子表面活性劑)和復(fù)合類發(fā)泡劑(F型)，各前發(fā)泡型發(fā)泡劑的理想性能如表2所示；后發(fā)泡型發(fā)泡劑為濃度30%工業(yè)級雙氧水，堿性條件下具有很強的氧化性，產(chǎn)生氣體；試驗用水為自來水，水泥選用PO42.5的普通硅酸鹽水泥。以干土質(zhì)量為試驗原料摻量控制指標(biāo)。氣泡摻入比ωe為氣泡質(zhì)量(后發(fā)泡為雙氧水質(zhì)量，)與干土質(zhì)量之比，水泥摻入比ωc為水泥質(zhì)量與干土質(zhì)量之比，原料土含水量ω指摻入水和原料土原有水的質(zhì)量之和與干土質(zhì)量之比。試驗配合方案如表3所示。

1.2 試樣制備及試驗方法

根據(jù)試驗設(shè)計配比，稱取原料土、水，達到設(shè)計含水量，利用攪拌機將土水混合均勻；加入水泥攪拌均勻，形成水泥土料漿，再加入預(yù)制的氣泡(前發(fā)泡型)或雙氧水(后發(fā)泡型)，通過攪拌直至氣泡或雙氧水完全融入到水泥土料漿中。將混合料裝入內(nèi)徑3.91 cm，高7.8 cm的模具，漿體分3層裝入模具，每層沿模具4個方向各震動30下，保證密實，每個試樣至少制備3個平行樣，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室中養(yǎng)護24 h后進行脫模，用保鮮膜將土樣封閉，避免水分蒸發(fā)，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護條件下，養(yǎng)護至試驗齡期。

表2 各前發(fā)泡型發(fā)泡劑的性能

表3 不同材料試驗方案

(1) 密度試驗。為測定其密度，對每個配比制成的3個試樣稱量其質(zhì)量，測得密度ρ為：

ρ=M/V

(1)

式中：V——試樣體積(cm3)；M——試樣質(zhì)量(g)，為減少試驗誤差，以試樣的密度偏差率為控制指標(biāo)，當(dāng)一組平行樣密度偏差率小于1%時，認為滿足制樣要求。

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

FMLSS微觀構(gòu)造特性分析試驗：將養(yǎng)護28 d的試樣選擇觀測斷面進行圖像攝取并分析，為了減少樣本誤差，每個試樣在2，4，6 cm這3個高度上各選3個觀測區(qū)域攝取圖像(圖1)，再通過圖像處理軟件Image J對圖像進行預(yù)處理及二值化處理，提取數(shù)據(jù)對觀測區(qū)域的微孔結(jié)構(gòu)進行統(tǒng)計分析，最后計算平均值。

圖1 圖像處理及閾值分割

為了對FMLSS微觀構(gòu)造特征進行定量分析，采用以下定義的微孔分布特征參數(shù)：

微孔面積百分比M:由Image J直接讀出，微孔總面積與整個斷面圖像的總面積之比。

(2)

(3)

(4)

式中：d——平均等效孔徑(mm)；A——微孔平均面積(mm2)；A1，A2，A3，…，An——單個微孔的面積(mm2)；S——大小微孔數(shù)量比；N0.1，N0.01——大于0.1 mm及小于0.01 mm的微孔數(shù)量。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 微孔分布特征分析

為定量的考察不同F(xiàn)MLSS內(nèi)部的微孔尺度及微孔分布的均勻性，引用大小微孔數(shù)量比S和平均等效孔徑d，平均等效孔徑d越大，表明土體內(nèi)部氣孔尺度越大；大小微孔數(shù)量比S越大，表明土體中小氣孔中含有大氣孔數(shù)量越多，反映了土體內(nèi)部氣孔分布的不均勻性。圖2為微孔分布特征參數(shù)隨與氣泡摻入比的關(guān)系。由圖2可知，隨著氣泡摻量增大，各微觀構(gòu)造參數(shù)隨之增大。此結(jié)果表明，摻入氣泡越多土體內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)尺度增大、大孔數(shù)量增多、孔徑分布趨于不均勻。進一步考察可知，不同類型發(fā)泡劑孔結(jié)構(gòu)特征有所區(qū)別，H型發(fā)泡劑在氣泡混合土制備過程中消泡明顯，其微孔數(shù)量及平均孔徑均明顯少于其他類型發(fā)泡劑，說明H型發(fā)泡劑形成大氣孔數(shù)量較少，總體上相比較H型發(fā)泡劑輕質(zhì)化效果較差。土中氣泡分布特征直接影響混合土密度，從圖3可以看出不同的發(fā)泡劑對FMLSS密度影響明顯，K型與F型密度小于H型，隨氣泡摻入量的增大FMLSS密度呈減小趨勢；水泥摻量對密度有一定的影響，隨水泥摻量的增大密度提高，與F型相比，在高氣泡摻量下，水泥摻量的增大對K型影響較為明顯，原因為水泥摻量的增大使料漿的黏性增大，在相同高氣泡摻入比條件下，穩(wěn)定性差的K型自身易消泡，同時氣泡接觸的幾率增大，氣泡不均勻?qū)е職馀蓍g的融合造成大尺度氣泡過多，氣泡穩(wěn)定性降低，最終消泡過多將使成型后的FMLSS密度增大，摻入氣泡作為FMLSS輕量化要素，氣泡在料漿中的穩(wěn)定性對FMLSS密度影響明顯。

圖2 微孔分布特征參數(shù)

圖3 3種類型FMLSS密度對比

為了說明不同類型發(fā)泡劑對FMLSS密度的影響機理，可以根據(jù)圖4所示的孔徑分布曲線闡明?？讖椒植记€根據(jù)Image J讀取土體中各微孔面積，通過換算得出小于某等效孔徑的微孔累積百分比，得出

孔徑分布曲線，曲線右移表明孔徑尺度越?。磺€越陡，孔徑分布越均勻。從圖4可以看出，H型曲線位于K型和F型曲線右側(cè)，根據(jù)圖像觀測，H型FMLSS土體內(nèi)部以細小孔隙為主，其原因在于H型發(fā)泡劑制備過程中消泡較多，大部分孔隙為土粒間的毛細孔，而非由氣泡所形成的氣孔，因此其密度大于K型和F型，但同時H型FMLSS中孔徑超過0.2 mm大孔含量較K型和F型多，此結(jié)果說明H型FMLSS中孔徑分布均勻性較差。而K型和F型曲線位于左側(cè)，曲線較為平緩，說明平均孔徑較大。對比K，F(xiàn)型曲線可以發(fā)現(xiàn)，K型在F型的左邊，且曲線較為平緩，圖4所示，在氣泡摻量較小時，兩條曲線間距較小，隨氣泡摻量增大，K型曲線左移，且更為平緩。此結(jié)果表明，在兩者密度差異不大條件下，K型的平均孔徑增大，且分布更不均勻。同時，隨水泥摻量的增加，曲線右移，即平均孔徑減小。

圖4 FMLSS微孔孔徑分布曲線

對比K型與F型發(fā)泡劑，由圖2可以看出利用氣泡置換土體的效果兩者差異較??；若進一步考察，在同等氣泡摻量條件下，F(xiàn)型的平均等效孔徑d，大小微孔數(shù)量比S均較K型要小，則表明與K型相比，F(xiàn)型發(fā)泡劑成孔分布較為均勻。隨水泥含量增大土中微孔數(shù)量減小、輕質(zhì)化效果減弱，但平均等效孔徑及孔徑分布相差不大，表明水泥摻量對混合土微觀構(gòu)造參數(shù)的影響相對較小。

2.2 微孔分布特征與力學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性分析

在工程應(yīng)用中，除了輕量化指標(biāo)外，強度發(fā)揮是衡量FMLSS能否滿足工程要求的重要指標(biāo)。在設(shè)計上為了適應(yīng)低地基承載力條件或降低側(cè)向壓力的輕量化要求，往往需要在滿足強度發(fā)揮指標(biāo)的前提下盡可能降低FMLSS的密度，因此，在同等強度條件下FMLSS密度越小越有利。FMLSS的強度發(fā)揮與變形性質(zhì)往往與混合土中的孔結(jié)構(gòu)分布特性密切相關(guān)。根據(jù)前述分析結(jié)果可知，水泥對FMLSS微觀構(gòu)造差異性影響相對較小，以下重點考察水泥摻量為25%時，3種不同類型發(fā)泡劑形成的FMLSS強度發(fā)揮的差異性。

對不同氣泡摻量條件下FMLSS強度發(fā)揮與微孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)性進行分析(圖5)。由圖5可以看出，隨氣泡摻量的增大，土體內(nèi)成孔尺度及孔徑分布產(chǎn)生了變化，隨著平均等效孔徑及大孔徑微孔數(shù)量的增大，F(xiàn)MLSS的抗壓強度呈降低趨勢。其中，H型發(fā)泡劑在后發(fā)泡過程中，除了消泡現(xiàn)象比較明顯導(dǎo)致氣泡數(shù)量明顯減少密度增大外，還較易在土體內(nèi)部形成少量尺度超過0.5 mm較大的氣孔，結(jié)果在硬化后的土體內(nèi)部形成了較大空腔，容易導(dǎo)致土體受載后內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻。

因此，H型發(fā)泡劑制成的FMLSS其內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)分布不均勻，成型后的氣泡混合土不僅密度大、輕質(zhì)化效果差，而且強度發(fā)揮較差。對比前發(fā)泡型F型與K型的試驗結(jié)果可知，在氣泡摻量較小的情況下，雖然F型發(fā)泡劑成型后的混合土微孔分布均勻性較K型要好，但在氣泡摻量較少的情況下，土骨架體積占比較大，微孔結(jié)構(gòu)分布的少量差異對土骨架強度發(fā)揮的影響并不明顯，顯示兩者的強度發(fā)揮在相同氣泡摻量條件下比較接近。隨著氣泡摻量的增大，混合土中土骨架占比逐漸減少，微孔結(jié)構(gòu)分布性對氣泡混合土的影響逐漸增大。對比兩者的變化趨勢可以看出，K型發(fā)泡劑成型后的混合土微孔分布均勻性較差，隨著氣泡摻入量增大、微孔數(shù)量增多，對混合土強度發(fā)揮的削弱作用更為顯著，相比之下F型發(fā)泡劑成型后的混合土內(nèi)部成孔分布比較均勻、氣孔尺度較小、大孔徑微孔數(shù)量較少，因此，不僅輕質(zhì)化效果較好，隨氣泡摻量增大混合土強度下降趨勢也沒有其余兩種混合土顯著。因此，在輕質(zhì)化效果及強度發(fā)揮方面，相比H型及K型，F(xiàn)型發(fā)泡劑在制備FMLSS時顯示更好的適用性。

圖5 氣泡條件下微孔參數(shù)與強度相關(guān)性

為定量考察不同密度等級下，不同種類FMLSS強度發(fā)揮受微觀構(gòu)造差異性的影響，分別對強度及d，S隨密度的變化進行非線性擬合，強度方面，F(xiàn)型、K型、擬合優(yōu)度為：0.993 02，0.975 35；d方面，F(xiàn)型、K型、擬合優(yōu)度為：0.974 52，0.944；S方面，F(xiàn)型、K型、擬合優(yōu)度為：0.941 66，0.975 35。由于H型離散性較大，圖中趨勢線僅作為參考。圖6顯示，H型輕質(zhì)化效果較差，密度等級為1.43～1.51 g/cm3，H型離散性較大，d最大達到0.065 mm遠高于F型及H型，同等密度條件下內(nèi)部過大孔徑微孔，導(dǎo)致其強度發(fā)揮明顯低于其它兩種發(fā)泡劑制成的FMLSS。而F型與K型相比，在氣泡摻量較小時，土中微孔數(shù)量較少的情況下，如密度在1.45～1.51 g/cm3范圍內(nèi)，F(xiàn)型與K型d相差量0～0.003 mm，S相差量在0～0.104，兩者微觀構(gòu)造差異性較小，對FMLSS強度發(fā)揮影響較??；隨著氣泡摻量增大，土中微孔分布均勻性對FMLSS強度發(fā)揮產(chǎn)生的影響趨于顯著，如在1.20～1.45 g/cm3，強度差異性呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，從趨勢線可以看出，隨密度的減小，F(xiàn)型d與S小于K型，且兩者差異性有增大的趨勢，在一定的強度儲備下，F(xiàn)型良好的微孔尺度及均勻性，更有利于強度的發(fā)揮，強度方面遠優(yōu)于K型，但隨著密度的繼續(xù)減小，土骨架削弱嚴(yán)重，強度儲備降低，微觀構(gòu)造的差異性影響相對減弱，上述結(jié)果更進一步說明，由于F型發(fā)泡劑制備的FMLSS具有較好的微孔分布均勻性，對于制備FMLSS顯示更好的輕質(zhì)化效果及工程適用性。

圖7為不同類型FMLSS應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，整體上顯示，不同氣泡摻量，H型其破壞應(yīng)變較小，維持在1%左右，強度達到峰值后，迅速降低，呈脆性破壞，彈性階段曲線斜率與前發(fā)泡型相比較小，整體變形特性較前發(fā)泡型差。前發(fā)泡型中，隨氣泡摻入比增大，K型和F型受影響較為明顯，F(xiàn)MLSS的彈性模量逐漸減小，破壞峰值強度逐漸降低，破壞形式由脆性破壞逐漸變成延性破壞。

圖8為不同密度條件下破壞應(yīng)變與微孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)性。結(jié)果顯示，微孔構(gòu)造分布的變化對同種FMLSS破壞應(yīng)變的影響相對較小，但微孔小而分布比較均勻的F型，F(xiàn)MLSS的破壞應(yīng)變相對較高，而H型由于過大微孔的存在，導(dǎo)致土體在較小應(yīng)變條件下發(fā)生破裂，總體上屬于呈脆性破壞。

圖7 ωc=25%時FMLSS 應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系變化

圖8 微孔參數(shù)與破壞應(yīng)變相關(guān)性

為了進一步考察FMLSS在荷載作用下的變形特性，對E50隨密度的變化進行線性擬合，F(xiàn)型和K型擬合優(yōu)度較高在0.9左右，H型由于離散性較大，擬合優(yōu)度為0.45，僅作為參考。圖9為不同密度條件下變形模量E50與微孔結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的相關(guān)性?？疾旖Y(jié)果顯示，類似于強度發(fā)揮，同等密度條件下H型發(fā)泡劑制成的FMLSS由于微孔結(jié)構(gòu)分布不均勻，土中含有的超過0.5 mm大孔徑微孔削弱了土體的剛度，顯示較小的剛度特性。對比F型及K型發(fā)泡劑制成的FMLSS，在密度范圍1.43～1.5 g/cm3以上時，

兩者d在0.048～0.056 mm，S在0.71～1.0相差較小，微觀構(gòu)造差異性小，其抵抗變形能力較為接近，E50在60～65 MPa；但在低密度條件下，密度范圍在1.2～1.43 g/cm3范圍內(nèi)，F(xiàn)型d在0.052～0.066 mm，K型d在0.056～0.073 mm、F型S在0.93～1.51，K型S在1.03～1.9，F(xiàn)型微孔尺度及分布均勻性明顯由于K型，圖中顯示出，兩者E50差異性增大，低密度條件下，F(xiàn)型抵抗變形的能力優(yōu)于K型。在實際工程應(yīng)用中具有承載力更高、變形更小的適應(yīng)性。

圖9 微孔參數(shù)與E50相關(guān)性

3 結(jié) 論

(1) 微孔分布特征：不同類型FMLSS微觀構(gòu)造差異性受氣泡摻量影響顯著，受水泥影響較小，H型消泡嚴(yán)重且內(nèi)部存有過大尺度微孔，F(xiàn)型較K型微孔尺度小而分布均勻，且隨氣泡摻量的增大，三者差異增大，F(xiàn)型成孔優(yōu)勢更明顯。

(2) 強度與微觀構(gòu)造相關(guān)性：H型內(nèi)部的過大微孔對土體強度削弱嚴(yán)重，F(xiàn)型與K型對比，低氣泡摻量下，微孔結(jié)構(gòu)分布的少量差異對土骨架強度發(fā)揮的影響并不明顯，高氣泡摻量下，內(nèi)部微孔尺度小而分布均勻的F型受力均勻，強度發(fā)揮優(yōu)于K型。

(3) 變形特性與微觀構(gòu)造相關(guān)性：H型內(nèi)部過大微孔，導(dǎo)致土體應(yīng)力集中顯著，在整個配比內(nèi)表現(xiàn)出脆性破壞；成孔效果較好的F型較K型具有良好的土骨架結(jié)構(gòu)，同等密度下剛度和破壞應(yīng)變均優(yōu)于K型，表現(xiàn)出物理分布越均勻，力學(xué)變形特征優(yōu)越。