有機質浸染砂-水泥土微觀結構的定量分析

劉冰洋,杜 娟,2,申彤彤,王在成,胡 俊,謝 朋

(1.海南大學 土木建筑工程學院，海南 ?？?70228;2.天津大學 建筑工程學院，天津300072;3.榮盛房地產發(fā)展股份有限公司，河北 廊坊065000)

從上個世紀中葉以來，采用水泥加固土體成為地基工程的一種常用手段[1-2].用此技術處理海南沿海地區(qū)的有機質浸染砂[3-5]時，由于有機質的存在會造成混凝土強度不足和復合地基失效等問題，因此研究有機質對水泥土加固效果的影響具有一定的實際工程意義.有機質的存在不僅對原狀土體強度有負面作用，而且它還極大地阻礙了水泥土的固化[6]；在同等有機質含量的情況下，添加固化劑的水泥土，其加固效果較明顯[7-8]；此外，通過研究還發(fā)現，有機質對C—S—H的生成還會起抑制作用，從而影響水泥的加固效果[9].

隨著光電量測技術的發(fā)展，國內外學者開始對各類土體或水泥土進行微觀定量分析的研究，例如，采用XRD、SEM和CT實驗對原狀土體的成分和含量進行定量分析[10-11]；利用圖像處理軟件對SEM圖像進行處理.同時，通過研究還發(fā)現，可以將孔隙比、平均孔徑、定向角分布以及各向異性作為粘性土的研究指標，此外，還可引入概率熵來對粘性土的擊實過程進行機理分析[12-13]；在吹填超軟土時，采用增壓式真空預壓加固的土體，其孔隙數量、扁平度K和形狀系數更大，而土體的孔隙率和分形維數D更小，加固效果較好[14]；在軟土蠕變前后，通過微觀定量分析，可以了解到顆粒與孔隙形狀的整體情況以及顆粒的定向性變化和孔隙的定向性變化，此外，通過三維孔隙率的計算也能夠更加客觀地看出土體在微觀形態(tài)上的變化規(guī)律[15-16]；進一步的研究還得到，可以將水泥土的結構單元體、孔隙大小、形態(tài)和定向角分布作為微觀定量指標，并以其來評價水泥土的微觀結構[17]；在不同W/C比率情況下，對水泥土進行了真實的和虛擬的實驗，得到水泥土的孔隙率與力學性能(剛度/強度)有一定的關系，同時選擇合適的虛擬實驗來進行評估，這為在微觀上評估水泥土的力學性能提供了一種方法[18]；此外，國內學者們對水泥土還進行了宏觀力學試驗和微觀結構的分析，進一步探討了水泥土的作用機制，同時從微觀角度研究了水泥土于宏觀力學的破壞特征[19-21].

盡管對水泥土已有許多研究，但有關有機質固化土微觀結構的定量研究卻鮮有涉及，鑒此，本研究對有機質浸染砂-水泥土的微觀結構進行了深入研究，同時，采用Image Pro-Plus軟件對有機質浸染砂-水泥土和標準砂-水泥土的SEM圖像進行了定量分析，旨在直觀地揭示有機質對砂-水泥土加固效果的影響，以便為以后的實際工程提供一定的參考依據.

1 實驗材料與方法

1.1 材 料試驗中所采用的砂樣、水泥、熟石灰、標準砂等材料，如下所示：

①試驗采用的有機質浸染砂取自海南省文昌市某工程施工現場，其物理性質指標如下：有機質含量為5.32%，含水率為12.23%，密度為2.62，天然密度為1.617 g·cm-3，不均勻系數為2.07；顆粒級配如圖1所示.

②水泥選用的是海南市場上常見的P·O42.5級普通硅酸鹽水泥，其化學成份如表1所示.

表1 水泥的化學成份表 %

③標準砂為廈門艾思歐標準砂有限公司生產的中國ISO標準砂.

④試驗所采用的外加劑為寶島牌熟石灰，其為白色粉末狀固體，主要成份是Ca(OH)2.

1.2 方 法本研究首先對有機質浸染砂進行EDS試驗和XRD試驗，籍此來分析原狀砂土的元素組成和其主要的礦物成份，然后對不同養(yǎng)護齡期的標準砂-水泥-土和有機質浸染砂-水泥土進行微觀結構的試驗(SEM試驗)，以此來分析兩者的微觀結構及其變化規(guī)律，試驗方案如表2所示.

表2 試驗方案

試驗中，水泥土所采用的配合比[22]為：熟石灰摻入比為7.5%、水泥摻入比為20%、水灰比為0.45.

1.2.1 EDS實驗和XRD實驗EDS實驗和XRD實驗采用的是美國Agilent所生產的二維液相色譜-離子阱質譜聯用儀(型號1100LC/MSD Trap)，該儀器可同時進行色譜分析和質譜分析，能夠對水泥土的立體結構進行分析.本實驗主要包括以下四個步驟：①氣相色譜-質譜儀的開啟與調諧；②在計算機上進行試驗方案的設定輸入；③采集數據；④在Data Analysis界面進行數據分析.

1.2.2 微觀結構的實驗本研究采用SEM實驗的方式對水泥土進行微觀結構的分析，主要研究土體微觀結構單元體的排列方式、連接方式、幾何形態(tài)以及微觀結構參數(如孔隙直徑、結構單元體直徑、豐度及定向角等參數).

電鏡掃描試驗步驟如下所示：①從養(yǎng)護室中取出達到養(yǎng)護齡期的水泥土試樣，然后選取試樣中間部分的一個長方體作為試驗試塊；②按照試驗規(guī)范對微觀試驗的試塊進行噴金處理，使試塊表面形成金屬導電層；③最后采用JEM2100高分辨投射電子顯微鏡對噴金試塊進行不同倍數下的電鏡掃描.

2 微觀結構的定量參數

(1)豐度C

(1)

式中：B和L分別代表結構單元體或者孔隙的短軸和長軸的長度，豐度C在(0,1)之間，C值越小，結構單元體或孔隙就越趨于長條形；C值越大，則結構單元體或孔隙就越趨于等軸形.

(2)定向角

(2)

式中：nn，n分別代表的是定向角落在[θi-1,θi]的結構單元體或孔隙數量和總的結構單元體或孔隙的數量.

3 實驗結果及分析

3.1 EDS實驗和XRD實驗分析通過EDS實驗得到有機質浸染砂的元素組成，結果如圖2所示，由圖2可知，有機質浸染砂中主要含有C、Si和O元素，并含有少量Al元素.利用XRD試驗可得到有機質浸染砂的礦物成分，砂樣中的主要成分是SiO2，其主要礦物組成為云母和石英，如圖3所示.

3.2 水泥土微觀結構的定性分析對于不同養(yǎng)護齡期的有機質浸染砂-水泥土(圖4所示)和7 d標準砂-水泥土(圖5所示)的微觀結構，主要是從顆粒形態(tài)、孔隙特征和膠結程度等方面進行分析.

圖4 有機質浸染砂-水泥土的SEM圖片(3 000×)

由圖4(a)可知，7 d的有機質浸染砂-水泥土的顆粒大部分是以粒狀結晶體的形式存在，其排列方式是架空-鑲嵌的方式，且顆粒之間的孔隙較大，大多呈現狹縫型，顆粒與顆粒之間的連接采用的是接觸方式，此種結構的膠結程度較低，在較小的外力作用下其結構就容易被破壞；而14 d的有機質浸染砂-水泥土(圖4(b))的結構單元體大多是以粒狀-絮狀的形式存在，其排列方式是架空-鑲嵌的方式，顆粒間的孔隙較大，大多呈現圓孔型，孔隙填充處的結晶物仍不密實，這是因為水泥依然在進行水化反應.因此顆粒間的連接方式為接觸-膠結方式，此種膠結方式仍不穩(wěn)定；21 d的有機質浸染砂-水泥土(圖4(c))的單元體是以粒狀-凝塊的形式存在，與14 d的有機質浸染砂-水泥土相類似，但是其連接方式采用的是鑲嵌的形式，顆粒之間的孔隙在減少，并且孔隙之間的填充物較密實，結構的膠結程度較好，此種結構的力學性能較14 d的有機質浸染砂-水泥土好；28 d的有機質浸染砂-水泥土(圖4(d))的單元體以凝塊形式存在，其排列方式為鑲嵌方式，單元體間的孔隙依然存在，但是有機質浸染砂-水泥土已經發(fā)展成為一個整體結構，其結構的膠結程度比21 d的有機質浸染砂-水泥土的膠結程度強.由圖5可知，當標準砂-水泥土的養(yǎng)護時間為7 d時，其顆粒是以凝塊的形式存在，排列方式是鑲嵌的方式，顆粒間的孔隙大部分被結晶體充實，結構的膠結程度極好，從而反映出標準砂-水泥土的微觀結構較穩(wěn)定.

通過以上分析可知，無論養(yǎng)護齡期的長短，有機質浸染砂-水泥土的單元體分布都是無序的，這主要是因為添加劑的緣故，通過攪拌之后打亂了結構單元體的分布；7 d有機質浸染砂-水泥土的膠結程度會比14 d的較好，這主要因為14 d的有機質浸染砂-水泥土的單元體以絮狀的形式存在；隨著養(yǎng)護齡期的增加，有機質浸染砂-水泥土的顆粒間孔隙逐漸減少，其膠結程度亦大致趨于增強的狀態(tài).此外，通過對標準砂-水泥土和有機質浸染砂-水泥土的分析可知，對于養(yǎng)護齡期為7 d的標準砂-水泥土而言，其整體結構的穩(wěn)定性要強于養(yǎng)護齡期為28 d的有機質浸染砂-水泥土的穩(wěn)定性.通過SEM圖像并不能直觀地觀察到顆粒粒徑、孔隙粒徑等參數，所以，接下來采用Image Pro-Plus軟件來對圖像進行處理，這樣就可以定量地對水泥土的微觀結構進行分析了.

3.3 對水泥土微觀結構的定量分析通過用圖像處理軟件(Image Pro-Plus)對不同養(yǎng)護齡期的有機質浸染砂-水泥土和7 d的標準砂-水泥土的SEM圖像進行處理，可以定量分析有機質浸染砂-水泥土和標準砂-水泥土的微觀結構參數，其操作步驟如下.1、濾掉水泥土SEM圖像中的高頻噪點，如圖6(a)所示；2、然后對濾掉高頻噪點的圖像進行閾值分割，同時利用圖像邊界與圖像中心區(qū)域的不同灰度值，調整圖像整體的灰度值，將圖像中的顆粒從背景中分離出來，從而將SEM圖像轉化成黑白圖像，并將圖像中的顆粒標記成白色，而孔隙則標記成黑色，如圖6(b)所示；3、最后使用軟件中的分界命令對顆粒和孔隙進行分離，以方便計數和測量，同時采用軟件Image Pro-Plus對顆粒進行分級，按粒徑大小分為5級：<1 μm,1～2 μm,2～3 μm,3～4 μm以及>4 μm，并對不同粒徑標識顏色，如圖6(c)所示.

圖6 圖像形態(tài)處理圖

3.3.1 粒度定量化分析通過軟件Image Pro-Plus對有機質浸染砂-水泥土的結構單元體進行測量可得到粒徑分布表，如表3所示，從表3可以直觀地看到各粒徑所占的百分比，并且在有機質浸染砂-水泥土的養(yǎng)護齡期為7 d、14 d和21 d時，粒徑主要集中在0～2 μm，其中，小于1 μm的粒徑所占的比例較大，而2～4 μm的顆粒所占的比例較少；當養(yǎng)護齡期為28 d時，1～2 μm的顆粒所占的比例最大，約占50%，而其他粒徑所占的比例較少.隨著養(yǎng)護齡期的增加，有機質浸染砂-水泥土結構單元體的凝塊逐漸增多，且大于4 μm的大顆粒出現，土體的整體結構趨于穩(wěn)定，這正好與上一節(jié)SEM圖片的描述一致.對于標準砂-水泥土，結構單元體的粒徑主要集中在0～2 μm，其中，1～2 μm的顆粒所占比例最大，約占50%，而其他粒徑的占比較少.從表3中也可以看出，養(yǎng)護齡期為7 d的標準砂-水泥土與28 d的有機質浸染砂-水泥土相比較，前者的大顆粒占比較多，且整體結構較穩(wěn)定.

表3 水泥土的顆粒粒徑分布表

3.1.2 結構單元體豐度分析為了更好地反映結構單元體或孔隙在二維平面內所展示的形態(tài)特征，故在此用豐度C[18]來表示(如式(1)所示)，并通過計算得到水泥土結構單元體豐度的直方圖，如圖7所示.

從圖7中可以得出，水泥土結構單元體的豐度值主要分布在0.5～0.9之間，少量出現在0.1～0.3區(qū)間，這表明結構單元體的顆粒大部分是等軸的或扁圓的，長方形的顆粒較少，大多數結構單元體的豐度值集中在0.7左右.對于有機質浸染砂-水泥土而言，隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥的水化反應較好，但標準砂-水泥土的豐度值比28 d有機質浸染砂-水泥土的豐度值好，這也說明有機質的存在阻礙了水泥的水化反應，從而使有機質浸染砂-水泥土結構單元體的豐度值占比較少，而標準砂-水泥土中的水泥水化反應比較完全，顆粒間的膠結程度較高，因而其整體結構趨于穩(wěn)定.

3.1.3 結構單元體的定向性分析為了研究水泥土結構單元體或孔隙的平面定向規(guī)律，故在此采用定向頻率F(α)[18]來表示，如式(2)所示.通過計算可得到水泥土結構單元體的定向角分布圖，如圖8所示，從而可以判斷出水泥土是否具有一定的定向性.

由圖8可得到，有機質浸染砂-水泥土和標準砂-水泥土的結構單元體的定向頻率區(qū)別較大，定向角在各個區(qū)間內都有不同的幾率分布，都沒有定向性，這主要是由于砂中添加了外加劑后經過攪拌導致的，同時，水泥的水化反應也導致了顆粒之間的膠結作用，因而所示結構單元體呈現了一種無序排列的狀態(tài).

3.1.4 孔隙直徑的定量化分析根據表4可以得到：①有機質浸染砂-水泥土的孔隙直徑在養(yǎng)護齡期為28 d之前，其在各個直徑區(qū)間均有分布，特別是在小于1 μm和1～2 μm的兩個區(qū)間分布較多，而在大于2 μm的范圍分布較少，而到養(yǎng)護齡期為28 d時，大于2 μm的孔隙就沒有存在，此現象表明，隨著養(yǎng)護齡期的增加，水泥的水化反應較多，顆粒間的孔隙被水化產物填充了，因此大孔隙直徑逐漸減少，此結論也正好與SEM圖像上觀察到的一致；.②標準砂-水泥土的孔隙直徑主要分布在小于1 μm的區(qū)間，不存在大于1 μm的孔隙直徑，水泥土中的小孔隙多，水泥土的結構較密實，同時水泥的水化反應較好，反應產物填充到孔隙中，也使顆粒間的膠結程度增強.由以上兩點可以看出，有機質浸染砂-水泥土的養(yǎng)護齡期為28 d時，其水泥的水化反應程度比養(yǎng)護7 d時的標準砂-水泥土的水泥水化反應程度差，從而可以說明有機質浸染砂中由于有有機質的存在而阻礙了水泥的水化反應.

表4 水泥土孔隙直徑的分布表

3.1.5 孔隙豐度的分析從圖9中可以看出，有機質浸染砂-水泥土和標準砂-水泥土的孔隙豐度值主要集中在0.3，0.5，0.7和0.9左右，少數出現在0.1左右，這說明孔隙主要表現為不同大小的扁圓形，而呈現長條形的孔隙很少，這反映出水泥土結構單元體的分布是一種隨機排列的球形體，同時也間接表明兩種水泥土沒有明顯的定向性.

3.1.6 孔隙定向性的分析圖10為不同養(yǎng)護齡期的有機質浸染砂-水泥土和養(yǎng)護齡期為7 d的標準砂-水泥土的孔隙定向角分布圖.從圖10中可以看到，水泥土孔隙的定向角在各個區(qū)間有不同概率的分布，同時定向頻率也不同，從而可以說明兩種水泥土都沒有明顯的定向性，這正好與孔隙豐度的結論相一致.

4 結 論

1)隨著養(yǎng)護齡期的增加，有機質浸染砂-水泥土顆粒間的孔隙逐漸減小，膠結程度大致趨于增強的狀態(tài),而對于養(yǎng)護齡期為7 d的標準砂-水泥土，其整體結構的穩(wěn)定性要強于28 d的有機質浸染砂-水泥土的穩(wěn)定性.

2)標準砂-水泥土的養(yǎng)護齡期為7 d時，其大于3 μm的粒徑占比要高于21 d或28 d的有機質浸染砂-水泥土大于3 μm的粒徑占比，這表明有機質的存在阻礙了水泥的水化反應，從而造成了有機質浸染砂-水泥土的抗壓強度較低.

3)有機質浸染砂-水泥土和標準砂-水泥土結構單元體的豐度值主要分布在0.5～0.9之間，這表明結構單元體大部分是等軸和扁圓的.由于有機質浸染砂-水泥土中含有有機質，因而阻礙了水泥的水化反應，從而使得有機質浸染砂-水泥土結構單元體中等軸和扁圓的占比較標準砂-水泥土的小.由有機質浸染砂和標準砂水泥土結構單元體和孔隙的定向角分布圖可知，二者都沒有明顯的定向性.