基于SEM方法分析干濕和凍融循環(huán)對(duì)黃土微觀結(jié)構(gòu)的影響

田 暉, 李 麗, 張 坤, 王 鵬

(1. 甘肅省公路交通建設(shè)集團(tuán)有限公司, 甘肅 蘭州 730030; 2. 甘肅省交通科學(xué)研究院有限公司, 甘肅 蘭州 730030; 3. 甘肅省地礦局第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院, 甘肅 蘭州 730050)

對(duì)于公路黃土邊坡而言,由于季節(jié)交替和溫度變化,邊坡表層會(huì)剝落嚴(yán)重[1-4].邊坡黃土經(jīng)歷著反復(fù)干濕循環(huán)作用,對(duì)黃土的物理力學(xué)性質(zhì)和微宏觀結(jié)構(gòu)都有很大影響,嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致邊坡失穩(wěn),影響公路運(yùn)營(yíng)[5-7].冬季,凍融作用會(huì)作為一種強(qiáng)風(fēng)化作用,不斷改變土體的狀態(tài),影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)[8-13].

在黃土邊坡剝落成因方面,王景明[3]按黃土高原重力侵蝕發(fā)展的過(guò)程及特點(diǎn),將黃土重力侵蝕分為三類(lèi)十亞類(lèi).劉東生等[4]認(rèn)為黃土斜坡剝落破壞是由于溫差及干濕交替,使坡面黃土風(fēng)化為碎粒狀,沿坡滾落所致.胡雄韜[14]認(rèn)為,黃土邊坡剝落和坡面的風(fēng)化程度有關(guān),黃土中的含鹽量及邊坡所處的位置影響剝落的程度.李亞蘭[15]、方鵬[16]通過(guò)調(diào)查認(rèn)為影響黃土邊坡剝落的因素有內(nèi)因、外因及人為因素.內(nèi)因主要為黃土的成因、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造、易溶鹽含量、黏粒含量；外因主要為氣溫變化、凍融循環(huán)作用、降雨、陰陽(yáng)坡影響；人為因素主要有邊坡過(guò)陡、施工因素、排水設(shè)施不完善、邊坡植被破壞及后期養(yǎng)護(hù)不及時(shí)等.陜西黃延高速公路有限責(zé)任公司等單位對(duì)黃土邊坡剝落病害處治技術(shù)及剝落病害的成因與機(jī)理進(jìn)行了研究.

一些學(xué)者對(duì)干濕和凍融循環(huán)作用后土體的微觀結(jié)構(gòu)開(kāi)展了一些研究.2002年盧再華等[17]首先對(duì)膨脹土干濕循環(huán)脹縮裂隙演化作了CT試驗(yàn),分析了裂隙損傷變量隨累計(jì)干縮體變的變化規(guī)律.唐朝生等[18]研究了SEM試驗(yàn)中閾值大小、分析區(qū)域大小、掃描點(diǎn)位置、放大倍率等因素對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)的影響,給出了合理的閾值和放大倍數(shù)推薦值.齊吉琳等[19]對(duì)凍融前后的土樣分別進(jìn)行電鏡掃描定量分析和土力學(xué)試驗(yàn),研究?jī)鋈谧饔脤?duì)超固結(jié)土強(qiáng)度的影響,發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生了變化,凍融過(guò)程會(huì)改變土顆粒的排列和聯(lián)結(jié).葉為民等[20]研究了干濕循環(huán)作用對(duì)高壓實(shí)膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)的影響,表明特定溫度下、高吸力(>5 MPa)范圍內(nèi),干濕循環(huán)路徑對(duì)無(wú)側(cè)限、高壓實(shí)膨潤(rùn)土集合體內(nèi)孔隙與集合間孔隙的影響存在明顯差異.張先偉等[21]基于SEM和MIP試驗(yàn)得到結(jié)構(gòu)性黏土壓縮過(guò)程中的微觀孔隙變化規(guī)律,為獲取土的變形機(jī)制和合理的本構(gòu)關(guān)系提供了科學(xué)依據(jù).張英等[22]對(duì)凍融循環(huán)后的粉質(zhì)黏土進(jìn)行SEM和MIP試驗(yàn)研究,通過(guò)數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)土樣的微結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行定量分析來(lái)揭示凍融循環(huán)對(duì)土體強(qiáng)度影響的微觀機(jī)制.萬(wàn)勇等[23]系統(tǒng)開(kāi)展了干濕循環(huán)作用下壓實(shí)黏土力學(xué)特性及微觀結(jié)構(gòu)特征試驗(yàn)研究,從微觀層次揭示了壓實(shí)黏土在干濕循環(huán)作用下變形特性和強(qiáng)度衰減的內(nèi)在本質(zhì).李楠等[24]進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)下土體的掃描電鏡(SEM)、壓汞(MIP)及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),基于分形理論,分別計(jì)算土體顆粒、孔隙三維分形維數(shù),并據(jù)此建立分形維數(shù)與力學(xué)強(qiáng)度的關(guān)系公式.以上都是單一的干濕或凍融循環(huán)作用下土的微觀結(jié)構(gòu)研究,缺乏二者共同作用下土的微觀結(jié)構(gòu)變化特征.研究表明,土體的干濕和凍融過(guò)程會(huì)改變土體顆粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)、排列方式,從而改變土的力學(xué)性質(zhì),而力學(xué)性質(zhì)的變化從某種程度上都可以從微觀結(jié)構(gòu)的定量改變中得到解釋.對(duì)于長(zhǎng)期反復(fù)干濕和凍融下黃土的微觀結(jié)構(gòu)缺乏相關(guān)的研究.本次研究以十天高速公路K700+200處Q3原狀黃土為研究對(duì)象,對(duì)不同次數(shù)干濕和凍融循環(huán)后的土樣進(jìn)行了SEM試驗(yàn),采用IPP圖像處理軟件進(jìn)行量化處理,得到了干濕和凍融循環(huán)作用后孔隙相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律.研究邊坡土體在季節(jié)性干濕和凍融循環(huán)條件下土體孔隙的變化,為進(jìn)一步研究干濕和凍融循環(huán)作用對(duì)黃土結(jié)構(gòu)中邊坡表層剝落的影響提供一種新的思路.

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

將不同循環(huán)次數(shù)后的干濕和凍融試樣在室內(nèi)自然風(fēng)干,其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分別為天然含水率=18.2%,天然密度=1.49 g/cm3,天然孔隙比e=1.110 2,液限ωL=35.2%,塑限ωP=20.2%,比重Gs=2.68.其顆分曲線如圖1所示[25].

選取代表部位按照試驗(yàn)要求進(jìn)行土樣制備[26].用鑷子夾持住樣品,將其邊緣部位切削平整,保證試樣上表面盡量平整且無(wú)人為擾動(dòng),制成高度不超過(guò)2 mm,長(zhǎng)度不超過(guò)1 cm的塊狀試驗(yàn)樣品,如圖2a所示.根據(jù)試驗(yàn)要求將所制備的試樣按一定順序編號(hào)并用導(dǎo)電膠液固定在基座上,為增加表面導(dǎo)電導(dǎo)熱性和信號(hào)激發(fā)效率,采用離子濺射鍍膜機(jī)在每個(gè)試樣表面均勻噴涂一層金屬薄膜,如圖2b所示.

1.2 試驗(yàn)儀器及方法

采用中科院蘭州化學(xué)物理研究所的日立SU8020高分辨場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM),將噴好金屬鍍膜的試樣連同基座一并放入掃描電鏡樣品區(qū),通過(guò)調(diào)節(jié)試樣位置,在觀察區(qū)附近聚焦,選取具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行拍照.分別獲得不同干濕和凍融循環(huán)次數(shù)后試樣的掃描電鏡圖像.

2 圖像采集與處理

2.1 圖像采集

圖3和圖4分別給出了0、1、5、10、20次干濕和凍融循環(huán)后試樣的掃描電鏡圖像.

由圖4和圖5可以看出：不同干濕循環(huán)次數(shù)后土體的顆粒分布變得緊密,棱角增多,大孔隙減少,小孔隙增多；不同凍融循環(huán)次數(shù)后土體的顆粒分布變化不是特別明顯.考慮到樣品的差異性影響較大,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不明顯.

2.2 圖像處理與參數(shù)提取

對(duì)掃描得到的電鏡圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,采用數(shù)字圖像處理IPP軟件,提取土體孔隙相關(guān)參數(shù),包括孔隙面積、孔隙直徑、孔隙分維數(shù).在進(jìn)行掃描照片采集時(shí),盡可能選取相同亮度和對(duì)比度的區(qū)域.在圖像處理和數(shù)據(jù)提取時(shí),對(duì)每個(gè)土樣照片采用相同的處理方法,保證圖片之間的人為差異最小.SEM照片的處理步驟依次為：圖像轉(zhuǎn)換、亮度對(duì)比度調(diào)整、圖像形態(tài)學(xué)處理和二值化處理.通過(guò)對(duì)上述圖像的數(shù)字化處理(圖5),對(duì)各參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算,結(jié)果見(jiàn)表1和表2,從而定量分析不同循環(huán)次數(shù)后土樣的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律.

表1 部分計(jì)算結(jié)果

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)土骨架和孔隙形態(tài)進(jìn)行定量分析,獲取不同干濕和凍融循環(huán)作用后面孔隙度(N)、平均孔徑(D)、孔徑分形維數(shù)(fractal dimension )的變化規(guī)律.

3.1 干濕和凍融循環(huán)后土體面孔隙度的變化

由于提取出的孔隙總面積是平面上的概念,因此得到的孔隙度是平面上的面孔隙度：

式中：Sh為孔隙所占總面積,μm2；Sl為整個(gè)圖像的總面積,μm2.

由IPP軟件計(jì)算可得孔隙總面積,而整個(gè)圖像的總面積已知,按式(1)計(jì)算得到不同干濕和凍融循環(huán)次數(shù)與面孔隙度的關(guān)系曲線,如圖6所示.從圖6a可以看出,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,面孔隙度在1次循環(huán)后減小,5次循環(huán)后明顯增大,隨后減小;整體呈減小趨勢(shì).

從圖6b可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,面孔隙度在1次循環(huán)后增大明顯,隨后減小;最終趨于穩(wěn)定.

干濕循環(huán)過(guò)程中,烘干時(shí),試樣體積收縮,土中細(xì)粒含量減少,比表面積減少,孔隙變小,表現(xiàn)在干濕1次后面孔隙度明顯減小；飽和時(shí),結(jié)合水膜變厚增大了顆粒間的距離,使土體膨脹,孔隙相應(yīng)變大；隨著干濕反復(fù)作用,大孔隙減少,小孔隙增多,面孔隙度呈減小趨勢(shì),顆粒的定向性逐漸消失,顆粒排列趨于平衡.

凍結(jié)過(guò)程中,內(nèi)部冰晶的生長(zhǎng)和冷生結(jié)構(gòu)的形成使得孔隙面積增加,土顆粒受到擠壓并形成新的土骨架結(jié)構(gòu),表現(xiàn)為凍脹變形；融化時(shí),土骨架發(fā)生部分回落坍塌,破壞了土顆粒之間的膠結(jié),使土顆粒發(fā)生位移甚至破碎變形.融化收縮的孔隙體積不足以抵消凍結(jié)膨脹的孔隙體積,土中的孔隙和裂隙增大,面孔隙度在1次凍融循環(huán)后增大；之后,在凍融外力作用下,土骨架發(fā)生重組,孔隙體積減少,孔隙率降低；隨著反復(fù)多次循環(huán),面孔隙度基本處于緩慢增大趨勢(shì),顆粒的定向性逐漸消失,最后趨于動(dòng)態(tài)平衡.

3.2 干濕和凍融循環(huán)后土體平均孔隙直徑的變化

根據(jù)SEM圖像處理結(jié)果中土孔隙的平均直徑大小,將孔隙分為4類(lèi)：微孔隙(D<5 μm)、小孔隙(5 μm≤D<10 μm)、中孔隙(10 μm≤D<20 μm)和大孔隙(D>20 μm).圖7為不同干濕和凍融循環(huán)次數(shù)后平均孔隙直徑累計(jì)百分比.

從圖7a可以看出,干濕和凍融循環(huán)后各曲線較為集中.隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,土體的平均孔隙直徑均減小,1次、5次干濕循環(huán)后孔隙直徑減小最多,說(shuō)明5次干濕循環(huán)對(duì)土體孔隙影響較大,之后孔隙直徑逐漸增大,但不大于未進(jìn)行干濕循環(huán)的孔隙直徑.

從圖7b可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,土體的平均孔隙直徑均增大,1次、5次凍融循環(huán)后孔隙直徑增大最多,說(shuō)明5次凍融循環(huán)對(duì)土體孔隙影響較大,但大孔隙所占百分比很小,說(shuō)明凍融循環(huán)后,土體孔隙中大孔隙只是在孔徑數(shù)值上增大較多,在數(shù)量上幾乎不變.

3.3 干濕和凍融循環(huán)后土體孔徑分維數(shù)的變化

SEM圖象處理后得到的孔徑分維數(shù)是平面上的分維數(shù),表征孔隙輪廓線的復(fù)雜程度.每個(gè)孔隙都有一個(gè)分維數(shù)值,每個(gè)干濕及凍融循環(huán)次數(shù)下會(huì)得到許多個(gè)分維數(shù)值,選取平均值作為分析對(duì)象.圖8為不同干濕和凍融循環(huán)次數(shù)與孔徑分維數(shù)變化曲線.

從圖8a可以看出,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,孔徑分維數(shù)逐漸增大,最終趨于穩(wěn)定；土顆粒間的水分由于蒸發(fā)作用不斷減少,導(dǎo)致大孔隙減小,小孔隙增多;由于蒸發(fā)作用,土顆粒間不斷摩擦,使得孔隙輪廓變得更加復(fù)雜；經(jīng)過(guò)20次干濕循環(huán),孔徑分維數(shù)趨于穩(wěn)定,說(shuō)明干濕循環(huán)在一定程度上改變了土體孔隙的結(jié)構(gòu),經(jīng)過(guò)一定的微結(jié)構(gòu)調(diào)整從而達(dá)到新的動(dòng)態(tài)平衡階段.

從圖8b可以看出,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,孔徑分維數(shù)總體呈減小趨勢(shì).由于未凍融的土體顆粒之間接觸密實(shí),相互穿插,導(dǎo)致孔隙的輪廓線比較復(fù)雜,經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)后,孔隙中的水分在液-固-液之間不斷地轉(zhuǎn)化過(guò)程中,土體孔隙在變大的同時(shí)消磨了孔隙中部分不平整的內(nèi)壁,孔隙輪廓變得比凍融前簡(jiǎn)單.

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)干濕和凍融循環(huán)后的土樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)分析,得到以下主要結(jié)論.

1) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,面孔隙度總體呈減小趨勢(shì),說(shuō)明干濕循環(huán)使孔隙處在收縮和膨脹的動(dòng)態(tài)平衡中,但由于收縮量大于膨脹量,孔隙面積減少,顆粒排列趨于平衡；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,面孔隙度先增大后減小,最后緩慢增大,說(shuō)明凍融循環(huán)使孔隙始終在膨脹和收縮的動(dòng)態(tài)平衡中,但膨脹量大于收縮量,最終孔隙呈緩慢增大的趨勢(shì).

2) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,土體的平均孔隙直徑先減小后增大,但均小于未干濕循環(huán)的孔隙直徑；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,土體的平均孔隙直徑均增大.

3) 隨著干濕循環(huán)次數(shù)增加,孔徑分維數(shù)逐漸增大,最終趨于穩(wěn)定,孔隙輪廓變得復(fù)雜,說(shuō)明反復(fù)干濕循環(huán)使土體孔隙的結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)一定的調(diào)整達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡階段；隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加,孔徑分維數(shù)總體呈減小趨勢(shì),孔隙輪廓變得簡(jiǎn)單,說(shuō)明反復(fù)凍融循環(huán)使土體孔隙的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單.