凍融循環(huán)下納米黏土改性濱海水泥土的微觀結(jié)構(gòu)

嚴(yán)浩然, 王 偉, 王林霞, 周 浩, 李 娜*

(1.紹興文理學(xué)院土木工程學(xué)院，紹興 312000；2.紹興文理學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，紹興 312000)

中國沿海地區(qū)分布有廣泛的濱海軟土，由于天然濱海軟土的工程特性無法滿足實(shí)際工程要求，眾多學(xué)者研究改善濱海軟土的工程特性[1-3]。在濱海軟土地區(qū)中有部分土層為季節(jié)性凍土，即隨溫度的變化發(fā)生凍結(jié)和融化的土層。特殊的氣候條件下，這種凍融現(xiàn)象會(huì)循環(huán)發(fā)生。凍結(jié)過程中土壤中的水會(huì)凝固成冰體積膨脹，而在融化過程中體積收縮。濱海水泥土脆性較大且不具備良好的抗凍性，孔隙率不斷變化使土體結(jié)構(gòu)易遭到破壞。為了使季節(jié)性凍土能夠抵抗惡劣的凍融環(huán)境，許多學(xué)者對季節(jié)性凍土進(jìn)行改性研究。Liu等[4]研究發(fā)現(xiàn)秸稈纖維可以改善季節(jié)性凍土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，但秸稈纖維土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍會(huì)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加呈指數(shù)下降。

利用宏觀土力學(xué)方法建立的強(qiáng)度模型和土體變形規(guī)律，研究凍融循環(huán)環(huán)境對土體的影響有一定的缺陷。反復(fù)凍融對改性濱海水泥土的損害是一種逐步、動(dòng)態(tài)過程，宏觀上的凍脹現(xiàn)象會(huì)引起土體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的形態(tài)變化，進(jìn)而引起強(qiáng)度、壓縮性等工程特性的改變。寧俊等[5]研究了凍融循環(huán)對黃土微觀結(jié)構(gòu)的影響，通過對黃土微觀圖像定性分析，得出在凍融循環(huán)環(huán)境下黃土微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。Skvortsova等[6]研究了5次凍融循環(huán)過后對土壤微觀結(jié)構(gòu)的影響，利用SkyScan和Image-Pro軟件對試樣中心部位的圖像進(jìn)行分析。結(jié)果表明，凍融循環(huán)破壞了腐殖質(zhì)層、殘積層、沉積層等三組試樣的微觀結(jié)構(gòu)，試樣的可視孔隙總體積分別增長了1.3、2.2和3.4倍。因此，從微觀結(jié)構(gòu)定量化的角度研究在凍融循環(huán)下改性濱海水泥土強(qiáng)度增長機(jī)理和受載變形是必要的。

目前，中外眾多研究從宏微觀土力學(xué)的角度建立了宏觀和微觀之間的關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)以濱海水泥土為研究對象，對不同納米黏土摻量的濱海水泥土進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。利用Image Pro Plus軟件對電鏡掃描圖像進(jìn)行量化分析，得到納米濱海水泥土圖像的微觀結(jié)構(gòu)特性，并依據(jù)不同狀態(tài)的納米水泥土微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，建立微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)之間的關(guān)系，為凍融循環(huán)下納米黏土改性濱海水泥土的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案和圖像分析方法

1.1 試樣原材料

試驗(yàn)所用土來源于紹興市濱海新城江濱區(qū)域的濱海軟土，其基本物理性能指標(biāo)見表1。從表中可知試驗(yàn)所用的濱海軟土具有含水率高、孔隙比大等特點(diǎn)。水泥為P.O 32.5水泥，試驗(yàn)所用的納米黏土來自于湖北金細(xì)蒙脫石科技有限公司，其成分表如2所示。

表1 濱海軟土基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of coastal soft soil

表2 納米黏土成分Table 2 Nano-clay composition

1.2 試驗(yàn)儀器

微觀測試儀器采用日本電子生產(chǎn)的JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)。SEM測試需要嚴(yán)格控制試樣的濕度，試樣的濕度一是會(huì)影響電鏡倉內(nèi)的真空度，從而影響圖像的清晰度和精確性；二是土樣在高真空狀態(tài)下易發(fā)生失水變形，使試樣結(jié)構(gòu)失真。因此，在測試前須對試樣進(jìn)行脫水處理，微觀試樣如圖1所示。

圖1 微觀試樣Fig.1 Microscopic sample

1.3 試驗(yàn)方案

試樣共分為濱海水泥土和納米濱海水泥土兩組，濱海軟土質(zhì)量為ms。濱海水泥土(CS)的水泥摻量為20%(0.2ms)。納米濱海水泥土(CSN)是在水泥摻量為20%的濱海水泥土中，再摻入5%的納米黏土(0.05ms)。待測試樣的目標(biāo)含水率為80%，把原材料按照配比進(jìn)行攪拌。將拌和好的土樣放入φ 61.8 mm×20 mm的圓形環(huán)刀內(nèi)，CS和CSN試樣均進(jìn)行7 d的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)完成后，將試樣放入凍融箱中凍融循環(huán)0、1、5、7、9、11次。試樣在-20 ℃下凍結(jié)12 h，在20 ℃下融化12 h，共計(jì)24 h為一次凍融循環(huán)。

當(dāng)試樣完成凍融循環(huán)后，對其進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)測得各試樣的壓縮系數(shù)。同時(shí)制作微觀試樣，試樣采用風(fēng)干法對土樣脫水，該方法是將土樣直接暴露在空氣中自由蒸發(fā)。SEM是依靠二次電子的逸出成像，需要對試樣的表面進(jìn)行噴金處理。電子束射轟擊試樣表面時(shí)產(chǎn)生二次電子，掃描電子顯微鏡的探頭對試樣微觀圖像信息進(jìn)行采集。

濱海水泥土的試樣編號(hào)為CS-X，納米濱海水泥土的試樣編號(hào)為CSN-X，X均表示試樣在凍融箱中的凍融次數(shù)，試驗(yàn)方案表3所示。

1.4 圖像分析方法

試驗(yàn)利用Image pro plus軟件提取微觀圖像中的結(jié)構(gòu)量化信息。軟件具有圖像處理、對象捕獲和測量計(jì)數(shù)等功能，采集土體微觀結(jié)構(gòu)的孔隙總面積、孔隙數(shù)目、顆粒的大小和級(jí)配等信息，后期對所得到的信息進(jìn)行定量化分析。

表3 試驗(yàn)方案Table 3 Test schedule

Yin等[7]通過兩種不同倍數(shù)的圖像對比研究，發(fā)現(xiàn)在更高倍的圖像中可獲得更多的微觀信息。高倍圖像下的紋理特征與固相密度的相關(guān)系數(shù)高于低倍圖像的相關(guān)系數(shù)，因此，本測試采用5 000倍放大倍數(shù)來研究凍融循環(huán)下土體的微觀結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡采集的微觀圖像為1 280×960像素的矩形灰度圖，灰度等級(jí)256級(jí)。測量計(jì)數(shù)是以像素為單位進(jìn)行計(jì)量，在放大5 000倍的微觀圖像中試樣實(shí)際尺寸1 nm對應(yīng)50個(gè)像素的長度。

2 微觀結(jié)構(gòu)與圖像處理

2.1 微觀結(jié)構(gòu)特征分析

SEM攝像系統(tǒng)對待測面的反射成像信息進(jìn)行記錄，通過計(jì)算機(jī)數(shù)字處理將信息轉(zhuǎn)化成圖像。觀察圖像中土顆粒排列和孔隙的相互關(guān)系，對土體的微觀結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行定性分析。在分析時(shí)將試樣圖像劃分為小的單元體，土體的結(jié)構(gòu)單元體一般由顆粒、團(tuán)聚物、疊聚體和孔隙等構(gòu)成，單元體的尺寸一般小于50 μm。研究微觀結(jié)構(gòu)單元體包括單元體的特征、在平面上的分布情況以及節(jié)點(diǎn)處的連接和孔隙的分布特征等。

濱海水泥土的微觀圖像，如圖2所示。圖2(a)為凍融前的試樣圖像，土體結(jié)構(gòu)類型為骨架狀，顆粒組成的團(tuán)聚物以面-面的連接方式構(gòu)成單元體的骨架。團(tuán)聚物中顆粒的膠結(jié)比較緊密，但團(tuán)聚物之間存在較大的孔隙。凍融后的濱海水泥土微觀結(jié)構(gòu)圖像，如圖2(b)～圖(f)所示。濱海水泥土在凍融循環(huán)的作用下，孔隙增多并且促進(jìn)了孔隙的發(fā)育。單元體排序零亂，團(tuán)聚物的尺寸相差較大?？傮w微觀結(jié)構(gòu)為海綿狀結(jié)構(gòu)，單元體內(nèi)存在團(tuán)聚物、絮狀物和孔隙。由于土顆粒表面電荷的相互作用，土顆粒之間存在吸引力和排斥力。當(dāng)顆粒之間吸引力較大時(shí)，團(tuán)聚物之間會(huì)以面-邊的形式相互聯(lián)結(jié)，這種排列方式形成了絮狀物。當(dāng)顆粒之間為排斥力時(shí)，微觀結(jié)構(gòu)將是分散的。圖中可以看出隨著凍融次數(shù)的增加，絮狀物的數(shù)量逐漸減少最終消失。Chai等[8]認(rèn)為顆粒的微觀結(jié)構(gòu)排列將影響土體的各向異性程度，間接影響土體的固結(jié)系數(shù)、不排水抗剪強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等工程性質(zhì)。通過增強(qiáng)土顆粒之間絮凝的趨勢，可以改善土體的工程性質(zhì)。

圖2 濱海水泥土微觀圖像Fig.2 Microscopic image of coastal cement soil

納米濱海水泥土的微觀圖像，如圖3所示。圖3(a)為未凍融的試樣圖像，與圖2(a)的圖像對比可看出摻入納米黏土的濱海水泥土絮狀物數(shù)量增多。圖3(b)～圖3(f)為凍融后的納米濱海水泥土微觀圖像，從圖像可以看出凍融循環(huán)破壞了單元體的排列。顆粒之間孔隙變大，顆粒的尺寸變小。單元體內(nèi)存在大量的片狀物，局部的薄片表面零星的散落著碎屑?？紫兜臄?shù)目增多，導(dǎo)致孔隙的大小不均勻發(fā)育。土體微觀結(jié)構(gòu)為基質(zhì)狀結(jié)構(gòu)，塊狀體的結(jié)構(gòu)更為緊密，形貌也更大。單元體之間結(jié)構(gòu)緊密主要，以小孔隙為主。疊聚體基面之間以面-面的形式聯(lián)結(jié)。濱海水泥土在納米改性作用下形成面-面聯(lián)結(jié)，形成了具有較強(qiáng)定向性的集合體，這種集合體構(gòu)成了土體中較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

圖3 納米濱海水泥土微觀圖像Fig.3 Microscopic image of nano coastal cement soil

從微觀結(jié)構(gòu)特征角度分析，在未凍融循環(huán)的情況下，納米黏土改善濱海水泥土效果明顯。納米濱海水泥土的微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)，單元體內(nèi)孔隙數(shù)量增多，孔隙的面積變小。根據(jù)微觀結(jié)構(gòu)的特征分析，凍融循環(huán)后土體的微觀結(jié)構(gòu)都遭到了嚴(yán)重破壞，濱海水泥土的單元體聯(lián)結(jié)發(fā)生了改變，抑制了絮狀物的發(fā)育。摻入納米黏土后的水泥土微觀結(jié)構(gòu)形成了更為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

2.2 微觀圖像處理

掃描電子顯微鏡所得到的灰度圖像，灰度閾值為[0,255]。通過軟件對不同凍融次數(shù)的土體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維的計(jì)算重建，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值化圖像，如圖4所示。白色區(qū)域?yàn)橥馏w之間的孔隙，黑色區(qū)域?yàn)橥令w粒。界定顆粒邊界采用閾值分割法[9]，顆?；叶乳撝禐閇0,120]，部分采用[0,95]。

圖4 二值化處理圖像Fig.4 Binarization image

2.2.1 量化分析

根據(jù)土體微觀結(jié)構(gòu)定量分析系統(tǒng)的總結(jié)歸納，本研究對土體顆粒和孔隙的面積、數(shù)量、平均像素面積、不均勻系數(shù)和概率密度函數(shù)等五個(gè)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。土體微觀結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如下：

(1)孔隙像素面積記為SX，顆粒像素面積記為SL。

(2)孔隙率PX，顆粒面積比率PL。在微觀圖像上僅有顆粒和孔隙，顆粒和孔隙的像素總面積S=1 280×960?？紫堵蔖X為

PX=SX/S

(1)

同理，顆粒面積比率PL為

PL=SL/S

(2)

(3)孔隙數(shù)目比率NX，顆粒數(shù)目比率NL。土體顆粒和孔隙數(shù)量與顆粒孔隙總數(shù)量的比值。在統(tǒng)計(jì)圖像范圍內(nèi)顆粒和孔隙的個(gè)數(shù)時(shí)，為了略去圖像中的噪點(diǎn)，將10像素設(shè)置為顆粒和孔隙的最小單位。

(4)土體顆粒平均像素面積AL和孔隙平均像素面積AX。顆粒和孔隙的總面積與顆粒和孔隙的數(shù)量的比值，得到顆粒平均像素面積AL和孔隙平均像素面積AX，即

AX=SX/NX

(3)

AL=SL/NL

(4)

(5)土體顆粒不均勻系數(shù)CU。數(shù)量占60%的粒徑(d60)與數(shù)量占10%的粒徑(d10)的比值，計(jì)算公式為

CU=d60/d10

(5)

2.2.2 概率密度函數(shù)

在微觀測試中土體試樣被放大5 000倍，土體顆粒和孔隙的離散程度也被放大。重復(fù)多次測量可以提高數(shù)值統(tǒng)計(jì)的精度，但仍需要考慮數(shù)據(jù)本身的自相關(guān)程度。顆粒和孔隙的大小分布具有隨機(jī)性，均值無法充分說明顆粒和孔隙在微觀結(jié)構(gòu)中的分布狀態(tài)。因此，需要引入概率密度函數(shù)分析顆粒和孔隙的分布特征[10]。概率密度函數(shù)公式為

(6)

式(10)中：N0表示樣本的總量，即顆粒、孔隙的總數(shù)；ΔNi表示樣本值在xi和xi+Δx區(qū)間內(nèi)的樣本個(gè)數(shù)，即在某個(gè)區(qū)間內(nèi)顆粒、孔隙的數(shù)量；Δx表示為樣本區(qū)間xi的變化量。概率密度函數(shù)的物理意義為樣本值分布在xi附近某個(gè)區(qū)間內(nèi)的樣本個(gè)數(shù)占總數(shù)的百分?jǐn)?shù)，即顆粒、孔隙樣本分布的概率密度。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)

隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不斷變化。為了獲取納米濱海水泥土在凍融過程中微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，利用Image Pro Plus軟件對12組土樣的二值化圖像進(jìn)行處理分析，統(tǒng)計(jì)得出顆粒及孔隙的面積、數(shù)目平均像素、不均勻系數(shù)、概率密度函數(shù)等量化信息。

圖5所示為不同凍融循環(huán)次數(shù)下土體的顆粒和孔隙面積比率曲線，可以看出凍融環(huán)境促進(jìn)了孔隙的發(fā)育，到達(dá)峰值后緩慢下降。總體上看，在不同的凍融循環(huán)次數(shù)下，摻入納米黏土后土體的孔隙減小。濱海水泥土最初的微觀孔隙率為40%，摻入納米黏土后濱海水泥土的孔隙面積減小了14%。在凍融循環(huán)的初期，納米黏土的改善效果明顯，在0～5次凍融次數(shù)內(nèi)平均減少14.3%的孔隙。隨著凍融次數(shù)的不斷增加，納米黏土的改善效果下降，在7～11次凍融次數(shù)內(nèi)平均減少孔隙僅4.3%。

在凍融循環(huán)下，上述納米濱海水泥土孔隙變化規(guī)律的原因主要與兩個(gè)方面有關(guān)。

(1)濱海水泥土內(nèi)部的自由水凝固成冰，體積變大促使周邊的土體顆粒產(chǎn)生位移，導(dǎo)致在凍融循環(huán)初期孔隙面積比例增加。

(2)在凍融循環(huán)初期，土體內(nèi)部自由水為冰晶狀，水泥難以進(jìn)行水化反應(yīng)。隨著凍融次數(shù)的增加，水泥緩慢反應(yīng)，孔隙面積慢慢減小。

圖6所示為顆粒和孔隙數(shù)量的曲線圖，可以看出，摻入納米黏土后土體中顆粒和孔隙的數(shù)量增多，顆粒和孔隙分布較為分散。凍融循環(huán)后，納米濱海水泥土內(nèi)部的顆粒和孔隙數(shù)量迅速減少，說明納米濱海水泥土顆粒和孔隙的數(shù)目對凍融環(huán)境比較敏感。隨著凍融次數(shù)的增加，土體的顆粒和孔隙數(shù)目趨于穩(wěn)定，總體上納米濱海水泥土顆粒的數(shù)量大于濱海水泥土，濱海水泥土孔隙的數(shù)量要多于納米濱海水泥土孔隙的數(shù)量。在凍融循環(huán)下，納米濱海水泥土相較于濱海水泥土平均減少14%的孔隙，顆粒數(shù)量平均增長24%。平均像素與面積和數(shù)目為線性關(guān)系，變化規(guī)律與兩者的變化規(guī)律一致，如圖7所示。

圖5 面積比率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.5 Curve of area ratio changing with freeze-thaw cycles

圖8為顆粒和孔隙的不均勻系數(shù)曲線，不均勻系數(shù)是評價(jià)顆粒級(jí)配的重要參數(shù)。放大5 000倍的土體微觀結(jié)構(gòu)存在尺寸效應(yīng)，微觀試驗(yàn)所取得的顆粒不均勻系數(shù)CU<5。在宏觀試驗(yàn)中當(dāng)C<5時(shí)，可認(rèn)定土體的顆粒的級(jí)配不良。微觀測試取得的不均勻系數(shù)為2.0～3.6，微觀觀測離散性較大，測試區(qū)域中顆粒和孔隙的大小都較為接近。由于納米黏土材料自身顆粒細(xì)密均勻，因此，在濱海水泥土中摻入納米黏土后，兩者變化規(guī)律大致相同，故納米黏土對顆粒不均勻系數(shù)的改善效果不佳。

將顆粒和孔隙分為小、中、大、超大四個(gè)等級(jí)，像素面積(a)分布見表4。利用概率密度函數(shù)公式可得出顆粒、孔隙概率密度函數(shù)，圖9所示為濱海水泥土和納米濱海水泥土顆粒指標(biāo)的分布特征。從圖中可知，總體上微觀結(jié)構(gòu)中小顆粒的數(shù)量要遠(yuǎn)多于其他顆粒的數(shù)量。濱海水泥土的顆粒面積概率密度峰值為(2～4)×10-3，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，土顆粒的結(jié)構(gòu)遭到破壞，促進(jìn)了小顆粒的生成，小顆粒的分布增加。納米濱海水泥土的顆粒面積概率密度峰值在(1.5～2.5)×10-3，在經(jīng)過三次凍融循環(huán)后小顆粒的分布趨于穩(wěn)定。表明摻入納米黏土后，土顆粒結(jié)構(gòu)得到了增強(qiáng)，不易松散。

圖6 顆粒和孔隙數(shù)量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.6 Curve of particle and pore number changing with freeze-thaw cycles

圖7 平均像素隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.7 Curve of average pixel changing with freeze-thaw cycles

圖8 不均勻系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig.8 Curve of coefficient non-uniformity changing with freeze-thaw cycles

圖9 顆粒分布特征Fig.9 Particle distribution characteristics

表4 顆粒、孔隙面積分布Table 4 Distribution of particle and pore area

圖10所示為濱海水泥土和納米濱海水泥土孔隙指標(biāo)的分布特征圖。從濱海水泥土超大孔隙的概率密度分布情況來看，凍融循環(huán)次數(shù)增加概率密度增大，說明凍融循環(huán)促進(jìn)了超大孔隙的發(fā)育。納米濱海水泥土的孔隙概率密度峰值集中在(2.5～3.5)×10-3之間，土體中以小孔隙和中孔隙為主。隨著凍融次數(shù)的增加，超大孔隙的概率密度變小，表明納米黏土能夠有效抑制了超大孔隙的發(fā)育。

圖10 孔隙分布特征Fig.10 Pore distribution characteristics

綜上所述，納米黏土可改善濱海水泥土在凍融環(huán)境下的微觀結(jié)構(gòu)，納米黏土改性濱海水泥土的機(jī)理主要有以下三個(gè)方面。

(1)納米黏土顆粒細(xì)密，能夠充分填充濱海水泥土微觀結(jié)構(gòu)中的孔隙。

(2)納米黏土可以促進(jìn)水泥水化反應(yīng)，納米黏土顆粒使水泥中生成的水化硅酸鈣C—S—H和其他水化產(chǎn)物聚集。當(dāng)納米黏土均勻分布在土體中時(shí)，C—S—H的生成填充在顆粒間的孔隙中使土體更加致密。

(3)納米黏土顆?？膳c水泥水化副產(chǎn)物氫氧化鈣反應(yīng)，形成額外的水化硅酸鈣C—S—H。納米黏土具有良好的火山灰活性，在火山灰作用下可產(chǎn)生額外C—S—H凝膠且誘導(dǎo)水泥水化反應(yīng)使鈣離子釋放更快。土體微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律印證了納米黏土的改性機(jī)理。

3.2 壓縮系數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的回歸分析

3.2.1 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓縮系數(shù)的線性回歸

試驗(yàn)選取了具有代表性的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析宏觀試驗(yàn)土樣的壓縮性和微觀量化分析的關(guān)系。土體的物理力學(xué)性能是許多因素相互作用的結(jié)果，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)狀態(tài)和力學(xué)性質(zhì)。微觀結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的差異最終會(huì)影響土壤的宏觀特性，且不同微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響都不是完全獨(dú)立的。因此，可以通過逐步回歸分析的方法，綜合考慮各種微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)對壓縮系數(shù)的影響，將非重要影響的變量消除。

將凍融循環(huán)后的納米水泥土進(jìn)行固結(jié)壓縮試驗(yàn)，得出土體宏觀的壓縮系數(shù)[11]。各組試樣在初始狀態(tài)下各圖像采集的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓縮系數(shù)，如表5所示。

表5 壓縮系數(shù)統(tǒng)計(jì)與微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 5 Statistics of compressibility and microstructure parameters

微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)中顆粒平均像素與顆粒面積比率、顆粒數(shù)目比率存在線性關(guān)系，在逐步回歸計(jì)算中剔除，得到各微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓縮系數(shù)的回歸方程為

α1-2=0.386 0PL+0.113 3NL-0.126 4CU+

0.570 6

(7)

表6 微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓縮系數(shù)回歸系數(shù)Table 6 Microstructure parameters and regression coefficient of compressibility

將表6中的數(shù)據(jù)代入式(7)中得出擬合的壓縮系數(shù)曲線，將擬合的曲線與實(shí)際曲線對比，結(jié)果如圖11所示。

3.2.2 主要微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓縮系數(shù)關(guān)聯(lián)性分析

逐步回歸公式[式(7)]表明，本研究僅考慮土體的顆粒面積比率、顆粒數(shù)目比率、顆粒不均勻系數(shù)等參數(shù)與壓縮系數(shù)的相關(guān)性。顆粒面積比率、數(shù)目比率呈正相關(guān)，不均勻系數(shù)為負(fù)相關(guān)。從回歸系數(shù)可以看出顆粒的面積比率對土體壓縮性能影響最大，而在微觀層面上，顆粒的數(shù)量與不均勻系數(shù)對土體的影響較小。

圖11 壓縮系數(shù)對比Fig.11 Comparison of compressibility

4 結(jié)論

根據(jù)上述微觀試驗(yàn)結(jié)果分析與討論和壓縮系數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的回歸分析得出以下結(jié)論。

(1)從微觀結(jié)構(gòu)特征分析，納米黏土可以有效改善濱海水泥土的微觀結(jié)構(gòu)。在凍融循環(huán)后，納米濱海水泥土的微觀結(jié)構(gòu)會(huì)遭受破壞，導(dǎo)致改善效果降低。

(2)根據(jù)微觀測試結(jié)果，納米黏土在凍融循環(huán)初期對孔隙面積改善效果好，隨著凍融次數(shù)增加改善效果降低。在凍融循環(huán)0～5次內(nèi)孔隙面積平均減少14.3%，7～11次凍融循環(huán)內(nèi)平均減少4.3%的孔隙。納米濱海水泥土相比于濱海水泥土，顆粒數(shù)量增長24%，孔隙數(shù)量減少了14%。凍融前后兩者不均系數(shù)變化不明顯，在微觀層面上，納米黏土對土體不均勻系數(shù)的改善效果小。

(3)通過對比兩種土體顆粒、孔隙的概率密度函數(shù)，凍融循環(huán)會(huì)誘發(fā)濱海水泥土生成超大孔隙，納米黏土能夠有效抑制超大孔隙的發(fā)育。

(4)壓縮系數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的回歸分析，得到各微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與壓縮系數(shù)的回歸方程。由公式可知在微觀結(jié)構(gòu)中，土體壓縮性能對顆粒的面積比率比較敏感，顆粒的數(shù)量與不均勻系數(shù)對土體的壓縮系數(shù)影響較小。

根據(jù)上述研究表明，凍融循環(huán)會(huì)影響納米黏土的改性效果，在凍融循環(huán)初期納米黏土對孔隙面積改善效果好，且顆粒面積對壓縮系數(shù)影響較大。在凍融循化環(huán)境下，納米黏土短期內(nèi)能夠有效提升濱海水泥土的抗壓縮性能。