水泥改良土微觀結構定量研究

張齊齊，王家鼎，劉博榕，曾佑江

(西北大學地質學系，大陸動力學國家重點實驗室，陜西西安 710069)

黃土孔隙發(fā)育，具有易滲透性、易濕陷性、易崩解性和水穩(wěn)定性差等特性，易造成地裂縫、建筑物的不均勻沉降等問題，當其作為填料時，需對其進行改良。加水泥改良時，不同水泥摻量對黃土物理力學性質的影響不同。大量研究表明土的微觀結構在很大程度上影響土的工程性質。高國瑞等［1］對黃土的微結構進行了分類，探討了黃土濕陷的微觀機理，從微觀和宏觀兩個角度研究了黃土的工程性質;胡瑞林等［2］通過建立土體結構形態(tài)模型，進一步研究了軟土的力學特性;蔣明鏡等［3］對剪切帶及周圍土體的微觀結構進行了研究，為土體逐漸破損理論提供了依據(jù);方祥位等［4］通過CT圖像技術研究了特殊土的受力、損傷過程中微結構的變化;王清等［5］定量評價了不同養(yǎng)護齡期水泥土的微觀結構特征;施斌［6］利用計算機圖像處理的基本原理，探索了黏性土微觀結構簡易的分析方法。綜合前人研究成果發(fā)現(xiàn)，對黃土微結構的研究一直是揭示黃土工程性質變化的一種方法，同時也發(fā)現(xiàn)前人對改良土微觀結構的研究較少，故本文利用圖像處理系統(tǒng)對不同水泥摻量的SEM掃描電鏡照片定量處理后，提取試樣的微觀結構定量參數(shù)，通過定量參數(shù)的分析，為改良土物理力學性質產(chǎn)生變化的原因提供定量化依據(jù)。

1 試樣的制備

表1 試驗黃土基本物理性質Table 1 Basic physical properties of loess

試驗嚴格按照《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)進行。改良土中水泥摻量分別為0%、2%、4%、6%，采用CSK-V1型多功能電動擊實儀進行重型擊實試驗，制作含水率為最優(yōu)含水率ωopt、壓實系數(shù)η=0.95的土樣，在標準條件下養(yǎng)護14 d后，對土樣處理后進行固結、直剪及掃描電鏡試驗。其中，掃描電鏡試驗的試樣取干燥土樣中間擾動最小的部分，切成1 mm×1 mm×2 mm的長方體，從中間掰開，將新鮮面作為觀察面，其表面鍍金處理后通過掃描電鏡得到SEM照片。

2 試樣的微觀結構分析

2．1 微觀結構的定性分析

本次試驗使用的儀器為捷克 FEI公司的 FEI Quanta 400 FEG型環(huán)境掃描電子顯微鏡系統(tǒng)。

土的微觀結構是指土顆粒的大小、形狀、相互排列，尤其是相互連結的情況。從圖1(a1)可看出，水泥摻量0%黃土中黏土物質連續(xù)、無定向分布，呈集聚狀，孔隙形狀不規(guī)則，微孔隙發(fā)育，結構較致密，結構類型可歸為基質狀結構。水泥的摻入可以改變土顆粒連結方式。從水泥摻量2%(圖1(b1))、水泥摻量4%(圖1(c1))的掃描電鏡照片上可看出，摻入水泥后，由于水泥水化反應的產(chǎn)物，使得土顆粒的膠結，團聚程度增大，大顆粒構成骨架，小顆粒不均勻的附在大顆粒表面，起連結作用，單元體接觸以凝聚性為主，其結構類型歸為骨架狀結構。從水泥摻量6%(圖1(d1))的掃描電鏡照片可看出，水泥摻量增大到6%時，土粒間的連結狀態(tài)發(fā)生了顯著的變化，孔隙間明顯出現(xiàn)了放射狀及纖維狀的水化硅酸鈣，分布在顆粒表面或四周，連結了顆粒，形成較大的結構單元體，為團粒狀結構。

圖1中(a2)、(b2)、(c2)、(d2)分別為(a1)、(b1)、(c1)、(d1)在閾值為 120、125、113、135 下的黑白照片，其中黑色部分代表孔隙，白色部分代表顆粒。

圖1 改良土SEM照片(×2000)Fig．1 SEM images of modified soil by zooming 2000 times

2．2 微觀結構的定量分析

將試樣放大 2000倍的掃描電鏡照片進行二值化處理，轉換成黑白照片，最佳閾值以最能夠反應照片中的孔隙、顆粒形態(tài)為標準。經(jīng)過二值化處理后的照片，可以提取到很多反應改良土孔隙及顆粒大小、排列特征、定向性、圓度等結構參數(shù)。本文根據(jù)研究目的，選用2個孔隙結構參數(shù)-平面孔隙率、定向頻率和兩個顆粒結構參數(shù)-等效直徑、分形維數(shù)作為微結構研究的定量化參數(shù)。

2．2．1 結構單元體大小及形態(tài)特征定量化評價

(1)等效直徑d為與土顆粒面積相等的等效圓的直徑，d=(4a/π)1/2，其中a為實際土顆粒面積。

(2)平面孔隙率為孔隙面積/(顆粒面積+孔隙面積)，平面孔隙率=b/(b+a)，b為孔隙面積。

表2為結構單元體粒度分析成果，表3為試樣平面孔隙率成果。從表2中可以看出，素土單元體的等效直徑d主要集中在＜2 μm的區(qū)間，加入水泥后單元體的等效直徑變大，主要集中在2～5 μm、5～10 μm這2個區(qū)間，其次分布在＞10 μm的粒徑區(qū)間。隨著水泥摻量的增加，減少的是＜2 μm、2～5 μm粒徑區(qū)間的結構單元體，隨之增大的是5～10 μm、＞10 μm粒徑區(qū)間的結構單元體，說明顆粒等效直徑有逐漸變大的趨勢。平面孔隙率反映的是試樣的緊密狀態(tài)。從表3中可看出，隨著水泥摻量的增加，顆粒面積增大，孔隙所占的面積逐漸減少，結構單元體趨于緊密。

表2 試樣微觀結構粒度分析成果Table 2 Results of microstructure granularmetric analysis of samples

表3 試樣平面孔隙率成果Table 3 Data and results of plane porosity of samples

這些變化產(chǎn)生的原因是土與水泥反應的生成物在顆粒間起到了膠結作用，并且生成的新生物質不斷地填充到大孔隙中，結構單元體的團聚性不斷增強，大顆粒增多，孔隙面積減小。這與直接從掃描電鏡照片上觀察到的一致。

2．2．2 孔隙定向性評價

孔隙的定向性評價采用定向頻率F(α)，根據(jù)測量對象的定向角(長軸與水平方向的夾角)，將180°等分成n個區(qū)位，由此求出第i個區(qū)位內孔隙的定向頻率。一般n=10，則

式中:ki——定向角落入第i區(qū)位內的測量對象個數(shù);

k——總測量對象個數(shù)。

圖2為不同水泥摻量試樣孔隙的定向頻率分布直方圖。從圖2中可看出，各試樣孔隙的定向頻率在大部分角度內都有分布，但90°左右的區(qū)位內分布概率更大，說明試樣在這一區(qū)間內有明顯的定向性。這主要是因為試樣采用重型擊實法制成，土顆粒及土孔隙在垂向沖擊力的作用下進行重新排列，導致結構單元體長軸與X軸的夾角在90°區(qū)間內較集中［9～10］。

圖2 試樣的定向頻率直方圖Fig．2 Histogram of orientation frequency of samples

2．2．3 顆粒形態(tài)的分形維數(shù)

顆粒形態(tài)的分維數(shù)計算采用面積-周長法［11］，其基本原理為:

式中:PE——圖像中任意一個代表土體顆粒的多邊形的等效周長;

A——與之對應的多邊形等效面積;

C——常數(shù);

D——與之對應的土體孔隙形態(tài)分維數(shù)［12］。

通過計算得到每一個土顆粒的等效面積和周長，將這些數(shù)據(jù)繪制在雙對數(shù)坐標系中，再將這些數(shù)據(jù)點擬合成一條直線，則通過擬合直線的斜率K即可獲得顆粒形態(tài)的分維數(shù):

圖3為不同水泥摻量試樣土顆粒等效周長與等效面積雙對數(shù)關系，表4為試樣放大2000倍Ln(PE)～Ln(A)線性關系及分維數(shù)。從表4中可看出，相關系數(shù)均大于0.962，說明線性關系式與數(shù)據(jù)擬合度高，可用來研究顆粒形態(tài)的分形特征。土顆粒的分維數(shù)在1～2之間，隨著水泥摻量的增加，顆粒的分維數(shù)減小。其原因是水泥與土中水水化作用后，析出的Ca2+與土顆粒表面的K+、Na+發(fā)生離子交換、吸附作用等一系列反應，土顆粒的水膜變薄，使得大量的土顆粒聚集成團，同時析出大量的Ca2+與土中的SiO2和Al2O3進行化學反應，生成不溶于水的穩(wěn)定纖維狀結晶礦物;水泥水化后生成的Ca(OH)2不僅具有強烈的吸附性，這使得土團粒結合更緊密，形成水泥與土顆粒的鏈條狀結構，土顆粒間的孔隙被填充，而且Ca(OH)2不斷地與空氣中的CO2和水中的H2CO3水解形成的CO2反應生成CaCO3，其使土顆粒膠結形成粗?；饔?。這些反應使得土顆粒的團聚性增大，許多細小顆粒膠接在一起，土顆粒邊緣趨于規(guī)整、圓潤，故顆粒形態(tài)分維數(shù)變小。

圖3 試樣土顆粒等效周長與等效面積的雙對數(shù)關系Fig．3 ln(PE)-ln(A)graph of samples

3 黃土改良效果分析

表5為改良土物理力學試驗測試結果。從表5中可知，水泥的加入影響了黃土的最優(yōu)含水量和最大干密度。水泥摻量增大，最優(yōu)含水量增大，而最大干密度減小。最優(yōu)含水量增大的原因是水泥水化反應后，大孔隙減少、小孔隙的增多致使毛細作用增強，持水能力增大。水泥摻量越大，被水泥吸收的水分就越多，毛細作用也越強，擊實時土體中的水分不易排出，所以最優(yōu)含水量隨著水泥摻量的增加而增大。土體與水泥發(fā)生化學反應，新生物質不斷地填充到大孔隙中，土顆粒聚集形成團粒，土粒間更多的呈現(xiàn)出面—面、面—邊接觸，而且小顆粒的增多使顆粒移動時的摩擦阻力增大，阻礙了土顆粒在擊實過程中相互靠近，也使得擊實時用于克服摩擦阻力的功增多，有效擊實功減小，所以最大干密度隨著水泥摻量的增加而減小。

表4 試樣放大2000倍ln(PE)-ln(A)線性關系及分維數(shù)Table 4 Linear relationship and fractal dimension of ln(PE)-ln(A)

表5 改良土物理力學試驗測試結果Table 5 Physical and mechanical test results of the modified soil

水泥的加入增大了黃土的黏聚力、內摩擦角。黏聚力主要由顆粒間的范德華力、庫侖力、膠結作用力等各種物理化學作用決定。水泥加入黃土后，不斷地生成結晶物質，在顆粒間產(chǎn)生膠結作用力，并且水泥顆粒細，顆粒間的范德華力與庫侖力大，使得顆粒進一步黏結，黏聚力增大。內摩擦力是由顆粒之間的咬合摩擦力和滑動摩擦力決定的。咬合摩擦力受土的密實度、圓度及顆粒本身的強度等的影響?；瑒幽Σ亮εc礦物組成、顆粒形狀、級配等有關。加入水泥后，由于水泥的水化反應，孔隙度降低，改良了黃土級配，顆粒變得更加密實，故內摩擦角增大。

4 結論

(1)改良土中水泥摻量影響試樣的微觀結構。素土的結構類型為基質狀結構，水泥摻量2%、水泥摻量4%改良土的結構類型為骨架狀結構，水泥摻量6%改良土的結構類型為團聚狀結構。水泥摻入后，土粒間的連結狀態(tài)發(fā)生顯著變化，孔隙減少，土體排列變得緊密，且在孔隙中出現(xiàn)了很多纖維狀晶體，水泥含量越多，這些變化越明顯。

(2)微觀結構單元體的定量分析表明，水泥摻量越大，等效直徑較大的土顆粒增多，而等效直徑較小的土顆粒相對減小;孔隙面積減小，顆粒面積增大，平面孔隙率減小;顆粒形態(tài)的分形維數(shù)減小;因為試樣采用重型擊實法制成，使得定向角在90°區(qū)間內較集中。

(3)水泥的加入影響了黃土的物理力學性質。水泥摻量增大，最優(yōu)含水量增大而最大干密度減小，同時水泥的摻入增大了黃土的黏聚力、內摩擦角。通過對試樣微觀結構特征的分析，可以作為改良土物理力學性質改變的原因。

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