河道淤泥氣泡混合土微觀構造及力學性質相關性

摘要：基于河道淤泥氣泡混合土（FMLSS）的微觀構造特征，通過微觀構造觀察和分析，評價了FMLSS的強度特性和破壞機理。試驗結果表明，保持FMLSS含水量一定，隨著氣泡摻入量的增加，FMLSS的內部平均等效孔徑和氣孔面積百分比含量呈線性增大趨勢、而隨著水泥摻入量的增加呈減小趨勢；隨著氣泡摻入量的增加，FMLSS的氣孔大小分布的均勻性降低，氣孔平均等效孔徑增大。試驗結果還表明，FMLSS的強度發揮及破壞機理與FMLSS的氣孔分布的均勻性以及等效孔徑等微觀構造參數存在明顯的相關性。

關鍵詞：氣泡混合土；數字圖像技術；等效孔徑；微觀結構；無側限抗壓強度

中圖分類號：TU411 文獻標志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）06-0078-09

Abstract：Based on the characteristics of microstructure of foamed mixture lightweight soil using river sludge （FMLSS）， the strength properties and failure mechanism of FMLSS are studied. The results show that when water content of FMLSS is constant，with the increase of bubble incorporation internal average equivalent aperture， the percentage of porosity area of FMLSS present linear increasing trend， while all of them decrease with the increase of cement incorporation. With the increase of bubble incorporation，the size uniformity of pore in FMLSS reduces， while improve with the increase of cement incorporation. The strength of FMLSS has obvious correlations with the microscopic parameters of FMLSS such as the equivalent aperture and uniformity of pore distribution. The results provided basis for the study of the strength of FMLSS and the mechanism of the damage.

Key words：foamed mixture lightweight soil；digital image technology；equivalent aperture；microstructure；unconfined compressive strength

中國幅員廣大，尤其南方地區河湖眾多，每年河道淤泥產量大。對于河道淤泥的處理方式，從以前單一用于農作物肥料和廢棄堆積到現在的綜合有效利用，例如對其進行輕質化處理，再將其作為實際工程中的填筑材料，既能解決廢棄淤泥的存放問題，同時又提供了一種新型的建筑材料，既降低生產成本、提高經濟效益，對環境治理與保護也有很好的效果，可以有效促進河道淤泥的再生資源化利用。

河道淤泥具有含水量大、壓縮性高、強度低等特性，一般很難直接應用于工程實際中。顧歡達等[1]探討了河道淤泥再生資源化利用的可能性及方式，評價了處理后作為填土材料的可行性，并對河道淤泥進行了輕質化處理。通過對河道淤泥添加起泡劑、固化劑，調整配比和養護齡期等因素制備了比重在0.591～1.124 g/cm3之間、強度在300～800 kPa之間變化的氣泡混合輕質土[2]。或是加其他輕質材料可滿足強度要求的輕質土[3]。同時，Kikuchi等[4]針對氣泡混合土的滲透性進行了分析。

對河道淤泥進行氣泡混合化處理，可以達到有效利用河道淤泥，利用其密度小、強度高、具有流動性等特征，可以用于軟基處理、空洞填充及狹窄區域施工等比較特殊的工程領域，具有良好的適用性。經處理后的河道淤泥可用于海港和機場的建設[5]、橋梁路基過渡區的土壤中、路基的填充材料以及穩定土的墊層材料[6-7]。由于氣泡混合土具有輕質性，高流動性，強度可調節等特點，可減輕路基的自重，從而降低了地基附加應力和地基沉降量，也更易滿足所需的地基承載力條件，相對于未處理的河道淤泥而言，可不用再做地基處理，降低了工程成本，提高了社會效益。氣泡混合土還具有隔熱保溫、滲透性小、低蠕變、抗凍融與耐久性良好等特點。

將河道淤泥作為原料土進行輕質化處理制成氣泡混合土，主要是將河道淤泥、固化劑及氣泡根據設定的配合條件進行混合形成輕質土材料，在保持一定的強度與剛度條件下，通過混入氣泡形成一種輕質多孔性材料。根據材料構造特征，其強度發揮及在荷載條件下的變形特性必然與混入氣泡后在土體內部形成的微孔構造特征相關。對于輕質土的力學性質已有了一定的研究[8-9]，而巖石的微觀結構特征與其力學行為有著很大的相關性[10]，李紅英等[11]也從材料的微觀結構探究了其耐久性以及振動對早期強度的影響[12]，因此認為土體的微觀結構與力學性質同樣存在著一定的相關性。因此，要了解氣泡混合土的強度發揮及破壞機理，掌握土體內部微孔結構構造特性如微孔數量、孔徑尺寸、孔徑分布等參數與氣泡混合土強度發揮與變形的相關性十分重要[13-14]。

為了對土體內部的微孔構造特性進行定量化分析，在研究中采用數字圖像分析技術對土體內部的微孔構造特征進行數值化處理，結合物理及強度試驗對河道淤泥氣泡混合土的強度發揮與破壞機理進行分析，為河道淤泥氣泡混合土的工程應用建立一定的理論基礎。通過圖像處理統計分析得出土體的微觀結構參數，并與其工程力學性質相結合分析[15]。尤其是對氣泡混合土的特殊面比如薄弱面、破壞面[16]等的分析，其微觀結構的變化與強度和變形特性更明顯。Liu等[17]對土中砂粒SEM圖像進行了特征分析，姬鳳玲等[18]在對輕質混合土的微觀結構試驗過程中，解釋了輕質混合土的強度及變形機理。

1 試驗方法

1.1 試驗原料及配比設計

該試驗原料來自蘇州某河道清淤的淤泥質土，經室內實驗得出基本物理參數指標，可判斷該淤泥質土屬于流塑狀的粉質黏土，且顆粒級配良好。

為了研究河道淤泥氣泡混合土的微觀結構對力學性質的影響，且經過反復試驗，結合管文[19]研究孔結構對泡沫混凝土性能的影響，對微觀結構影響較大的兩個因素即是氣泡摻入量及水泥摻入量。因此，制備了如表1 的試驗配合設計。

由于摻入氣泡的體積大小難以測量，因此，所有組成材料的配比均以河道淤泥的干土質量為標準。水泥摻入量即表示摻入水泥的質量與試樣干土質量的比值；氣泡摻入量即表示為摻入氣泡的質量與試樣干土質量的比值。含水量指摻入水之后包含原料土中的水的質量與試樣干土質量的比值。

1.2 試樣制備

試樣的制備主要包括原料土、水泥、水及氣泡的摻入。制樣之前，原料土經4.75 mm方格網過篩，去除雜質。然后摻水解泥，再摻入水泥攪勻，試驗使用32.5#普通硅酸鹽水泥，最后根據設定的配合條件加入氣泡。氣泡生成使用動物蛋白類復配型發泡劑自制氣泡。攪拌均勻后制樣，制樣時采用直徑38 mm、高76 mm的模具，并將調配完成的氣泡混合土分3層裝入模具，且每個配比的試樣至少有3個平行樣。密封后放在標準養護條件下養護24 h后取出脫模，繼續養護至設定的試驗齡期。

1.3 試驗方法

1.3.1 密度試驗及強度試驗

式中：V是試樣平均體積，cm3；M為試樣平均質量，g；當滿足任何兩個試樣的密度差Δρ<1%，即可認為制成的試樣比較均勻，可用于后續試驗。

強度試驗主要是采用無側限抗壓強度儀，試驗中軸向應變速率約為1 mm/min。

1.3.2 數字圖像分析方法

數字圖像分析主要包括以下幾個方面內容：1） 利用數字攝像設備對土體界面進行圖像攝取并對圖像進行初步處理；2） 利用圖像分析軟件對圖像上顯示的微孔構造特征進行數字化處理并提取反映微孔構造特征的物理參數；3） 根據提取的物理參數進行定量化處理與分析。數字圖像攝取利用高分辨率α-6000型SONY相機拍攝，再利用ImageJ數字圖像軟件對數字圖像進行處理，提取反映微孔構造特征的參數并進行分析。為了便于對比分析，拍攝時將攝相機鏡頭固定在距拍攝界面50 cm位置，同時，用標尺標定一定單位尺度，再利用圖像分析軟件將標定的單位尺度換算為像素值并設為圖像單位尺度，進而可以對圖像中的微孔尺度進行數字化分析處理。根據白光紅等[20]對Image J的研究應用，利用圖像分析軟件能從圖像中提取研究對象的面積、尺寸以及輪廓。圖1及圖2為土體界面圖像及經二值化處理后的圖像，在此基礎上可進一步對土體內部的微孔特征進行數字化處理分析。如在設定的區域范圍內提取微孔總面積、不同尺度微孔百分比、單個微孔面積及微孔數量等參數。對氣泡混合土的氣孔結構進行粒度分析[21]。

2 數字圖像特征參數的定義

河道淤泥氣泡混合土的強度和變形特性與土體內部的微觀結構特征有密切的關系。實際上，氣泡混合土內部微觀構造決定了土體的宏觀力學與物理性質。氣泡混合土內部微孔構造特征受多種因素影響，如原料土性質、固化劑類型、配合條件、發泡劑類型及發泡倍率、試樣制作工藝等。在不同因素影響下成型后的氣泡混合土內部微孔構造特征會呈現不同的特征，從而影響其強度發揮及變形規律。為了揭示不同的微孔構造特征對氣泡混合土物理力學性質的影響，利用數字圖像分析技術可以比較明確地對氣泡混合土內部的微孔構造特征進行定量化處理分析，從而有助于進一步揭示河道淤泥氣泡混合土的強度發揮特性及破壞機理。

2.1 圖像數字化處理

經二值化處理后的圖像顯示的為不規則微孔圖形，為方便分析對比，對單個微孔按圓形進行簡化處理，將單個微孔面積換算為等效圓孔，其直徑記為等效孔徑。對所有微孔的等效孔徑取平均值記為平均孔徑。等效孔徑的換算公式為

為便于對土體內部微孔特征進行定量分析，將根據上式計算得到的等效孔徑按大小進行分類統計，從而確定不同尺度微孔的分布特征參數并據此定義土體內部的微孔分布特征。

2.2 數字圖像特征參數

根據統計得到的微孔等效孔徑分布數據，可以建立反映不同孔徑微孔的分布曲線，如圖3所示，以圖像中小于（或大于）某孔徑的微孔數量占該圖像中總微孔數量的累計百分比為縱坐標，微孔的等效孔徑為橫坐標，在單對數坐標上可以繪制出微孔等效孔徑分布曲線。由分布曲線的坡度（即陡峭程度）可判斷土體內部中微孔分布的均勻程度。若曲線較陡，表示孔徑分布比較均勻，反之，曲線平緩，則孔徑大小相差較大，微孔孔徑分布不均勻。

基于氣泡混合土的微觀構造特征，微孔孔徑分布均勻，則表明發泡后氣泡相對比較穩定，成型后的氣泡混合土材質相對比較均勻，在荷載條件下有利于強度發揮及抵抗變形；而微孔孔徑分布不均的情況下，在較大孔徑附近的土骨架容易受到削弱，在荷載作用下較易從這些薄弱部位發生破壞，從而使得土體強度降低、變形增大。因此，微孔孔徑分布特征與土體強度、變形等力學性質應存在明顯的相關關系。

式中：d60、d30及d10分別為小于某孔徑的微孔數量百分比含量60%、30%及10%對應的孔徑，分別稱為限制孔徑、中值孔徑和有效孔徑。不均勻系數Cu反映不同孔徑微孔的分布范圍，即微孔孔徑分布的均勻程度。Cu越大，表示微孔孔徑分布范圍越大，微孔孔徑分布不均勻。曲率系數Cc描述累計曲線分布的整體形態，反映了限制孔徑d60與有效孔徑d10之間各孔徑的分布情況。圖4顯示為兩種不同氣泡混合條件下的微孔孔徑分布曲線，根據測試數據計算不均勻系數后可以看出，Cu值較大的情況下分布曲線比較平緩，而Cu值較小時曲線比較陡峭，即代表土體內部孔徑分布比較均勻。由此可知，通過圖像特征參數Cu值可以定量地反映土體內氣孔孔徑分布的均勻程度。

式中：N0.2和N0.05分別表示圖像中等效孔徑大于0.2 mm的氣孔數量和小于0.05 mm的氣孔數量。顯然，大孔徑微孔數量越多，S值越大；S值越小，則表明土體內部主要以孔徑較小的微孔為主，相對土體的材質比較均勻，受荷載后的力學性質較好。

3 河道淤泥氣泡混合土微觀構造特征

3.1 等效孔徑特性

由圖5（a）可以看出，在一定的水泥含量下，隨著混入氣泡含量的增加土體內部平均等效孔徑基本呈線性增大。說明隨著氣泡混入量的增加，土體內不僅微孔數量增加，大孔徑微孔的比例也相應增大。當氣泡混入量從1%提高到2%，增大1倍的情況下，平均等效孔徑增大約10%程度。圖中Ac定義為水泥摻入比，Ae為氣泡混合比。

圖5（b）所示的是氣泡混入量保持在2%不變，改變含水量時微觀結構的變化規律。很明顯可以看出含水量越高，氣泡混合土中大微孔的數量越多，當含水量增加10%，在水泥產量為15%的情況下，平均等效孔徑增大20%左右，在水泥摻量為25%和35%時，平均等效孔徑增大12%左右。說明含水量越高，平均等效孔徑越大，且當水泥摻量較低時，平均等效孔徑的大小隨含水量的增加而增加的越快。

由于平均孔徑的增大意味著土骨架體積的縮小，在荷載作用下必然引起土體強度下降、變形增大，實際工程中在滿足土體密度及強度條件下，應盡量控制氣泡的混入量。另外，在氣泡混入量一定的情況下，水泥摻入量越大，微孔平均等效孔徑越小。水泥的混入在養護過程中要發生水化、結晶、硬凝反應，在固體顆粒表面生成的水化物對土體內部的微小孔隙存在一定的填充效應，因此，隨著水泥摻入量的增大，土骨架體積增大、強度及剛度提高的同時，微孔的數量及等效孔徑也會相應減小，從而有利于提高土體的強度與剛度，實際工程中可以利用此特性通過調整水泥摻入量調整氣泡混合土的密度及強度以滿足工程要求。

3.2 微孔孔徑分布特性

在原料土含水量為110%，水泥摻入量為25%，氣泡摻入量分別為0、1%、2%、3%的條件下，河道淤泥氣泡混合土微孔孔徑分布曲線如圖6所示。從等效孔徑分布曲線可以看出，在不同的氣泡混入量情況下，等效孔徑分布曲線的形態基本相同，大部分微孔孔徑集中在0.02～0.2 mm范圍內。隨著氣泡混合量的增大，分布曲線總體上向左側移動，說明隨著氣泡混合量的增大，大孔徑微孔數量增多，其趨勢與圖5顯示的結果是一致的，使得氣泡混合土在密度減小的同時，由數量較多的大尺度微孔引起的土體強度下降及變形增大將會更加明顯。

根據圖7顯示的結果可以看出，大小微孔數量比隨氣泡混入量和含水量的增加而增加，而且成非線性狀態。當氣泡混合量超過1%或者是含水量超過110%以后，大小微孔數量增大更加明顯。說明隨著氣泡混合量和含水量的增大，會促使大尺度微孔的數量明顯增加，如前所述，大尺度微孔數量的增加，會使得土骨架體積減小，并在土體內部形成相對薄弱的部位，使混合土的強度與剛度下降；隨著水泥摻入量的提高，不僅使土體內部平均等效孔徑減小，而且大小微孔數量比也會降低。因此，水泥摻入比的提高，不僅會提高土骨架的強度與剛度，同時也會使得土體內部微孔孔徑分布趨于均勻化。因此，實際工程中，通過適當提高作為固化材料的水泥摻入量，對于改善河道淤泥氣泡混合土的力學性質具有比較明顯的效果。

含水量與氣泡混入量對微孔分布的影響關系很類似，且氣泡混合土的力學性質及存在狀態受含水量的影響較大，在實際工程應用選擇較為合適的含水量尤為重要，在該研究中，取含水量較為適中的狀態，所以，在以下關于微孔分布特征的研究以調整氣泡混入量和水泥摻量為主要依據，保持含水量為110%，總結歸納其特性。

進一步根據前述所定義的反映微孔孔徑分布均勻性的特征參數對河道淤泥氣泡混合土的微觀構造特征進行分析，基于前述微孔孔徑分布曲線的均勻性分析，當土體內微孔孔徑分布能同時滿足Cu<5.0和Cc=1.1～1.4的條件時，可認為土體內微孔孔徑分布比較均勻，屬于有利于土體強度發揮及抵抗變形的比較理想微孔分布狀態。根據圖8和圖9所顯示的氣泡混合量與均勻性特征參數的關系，微孔分布均勻性與氣泡混合量及水泥摻入量相關，為了獲得比較理想均勻的微觀構造，可通過調整氣泡混合量及水泥摻入量使得河道淤泥氣泡混合土體內部微孔構造處于比較均勻的狀態。

例如，對于水泥含量為15%的河道淤泥氣泡混合土，為滿足Cu<5的條件，氣泡混合量應控制在約1.25%以下，而要滿足Cc<1.4的條件，則氣泡混合量不宜超過約0.75%，據此，可以推斷對于水泥摻入量為15%的河道淤泥氣泡混合土，為了獲得比較均勻的微孔構造狀態，氣泡混合量不宜超過0.75%；而對于水泥摻入量為25%的河道淤泥氣泡混合土，要滿足Cu<5的條件，則氣泡混合量不宜超過約2.25%，若要滿足Cc=1.1～1.4的條件，氣泡混合量應控制在0～2.5%范圍內，按同時滿足兩個條件考慮，對于水泥摻入量為25%的河道淤泥氣泡混合土，氣泡混合量控制在0～2.25%范圍內時，都可以獲得比較均勻的微觀構造狀態。在實際設計與施工過程中，還應考慮密度、強度等要求，在上述范圍內選擇合理的氣泡混合量。

4 微觀構造特征與強度的相關性分析

4.1 微孔孔徑特性與強度的相關性

根據前述微觀構造分析可知，微孔孔徑大小會影響土骨架結構強度進而影響氣泡混合土的強度，尤其是大孔徑微孔數量對氣泡混合土的強度產生直接影響，大孔徑微孔數量越多，對土骨架的削弱作用更加明顯，從而對氣泡混合土的強度影響越大。圖10所示的結果顯示，河道淤泥氣泡混合土的抗壓強度隨大小孔徑數量比的增大而減小，而且水泥摻入量越大，這種趨勢更加明顯。這是由于水泥摻入量高，土骨架強度也隨之提高，大孔徑微孔的存在對土骨架強度的削弱影響更加明顯。從圖中同樣可以發現，水泥摻入量減少，不僅使河道淤泥氣泡混合土的強度降低，大小孔徑數量比的變化范圍也增大，說明對于水泥摻入量比較少的氣泡混合土，強度降低不僅與土骨架強度降低有關，而且與大孔徑微孔數量增大有關。同時，圖10中曲線還表示隨著箭頭方向氣泡摻入量不斷增加，變化范圍在0～3%。由此可見，隨著氣泡摻入量的增加，大小氣孔數量比S逐漸增大，且氣泡混合土的強度呈緩慢衰減趨勢。

進一步考察強度試驗前后的大小孔徑數量比的變化情況（圖11），與強度試驗前的大小孔徑數量比相比，試驗后S值降低，說明土樣受到荷載作用后，大孔徑微孔首先受到破壞，相應的大孔徑微孔數量減小使得S值降低，該現象進一步說明在土樣受到壓縮后首先從大孔徑微孔開始破壞，大孔徑微孔數量是影響氣泡混合土強度的主要因素。而且隨著氣泡混合量的增大，試驗后大孔徑微孔減少的現象更加明顯，這是由于氣泡混合量大，產生的大孔徑微孔數量也相應增加，破壞后大孔徑微孔消失的數量也同樣增加。

強度試驗后除了大孔徑微孔數量減小外，圖12的結果顯示，壓縮試驗后微孔總面積比試驗前明顯減小。以上結果表明，在壓縮試驗過程中，氣泡混合土內部微孔構造在外荷載作用下，大孔徑微孔發生破壞，大孔徑微孔受擠迫后形成單個或多個小孔徑微孔，也可能直接消失，其余中小孔徑微孔也有受壓縮后孔徑縮小或消失的可能。最終導致壓縮試驗后孔徑尺度及微孔面積明顯減小，此結果說明對于氣泡混合土而言，土體內部存在的微孔特征及分布是影響氣泡混合土強度發揮的重要因素。

4.2 微孔分布特征與強度的相關性

除了微孔孔徑尺度對氣泡混合輕質土的強度產生影響外，土體內部的微孔孔徑分布特征即微孔孔徑分布的均勻性對氣泡混合輕質土的強度發揮產生明顯影響。根據前述，土體內部的微孔孔徑分布特征可以利用微孔孔徑分布曲線及對應的孔徑分布特征參數進行描述。為了說明土體內部微孔孔徑分布特征對氣泡混合土強度發揮的影響，圖13反映了不同微孔孔徑分布特征參數Cu值對河道淤泥氣泡混合土強度發揮的影響。根據試驗結果可以看出：1）隨著微孔孔徑分布不均勻系數Cu值的增大，即微孔孔徑分布均勻性下降，總體上河道淤泥氣泡混合土的強度呈下降趨勢；2）雖然水泥摻入量的提高可以增大河道淤泥氣泡混合土的強度，但隨著微孔孔徑不均勻程度的降低，與低水泥摻入量的氣泡混合土相比，強度下降更加明顯，說明微孔孔徑分布的均勻性對強度較高的土體影響更明顯。

以上結果表明，在實際工程中為了提高河道淤泥氣泡混合土的強度及剛度，應從發泡劑材料的穩泡性、發泡倍率等指標控制生成微泡的均勻性，從而有利于提高河道淤泥氣泡混合土的品質。

另一方面，可以從強度試驗前后土體內部微孔孔徑分布變化，進一步根據微孔孔徑分布特征變化考慮河道淤泥氣泡混合土的破壞機理。圖14反映了同一配比試樣強度試驗前后土體內部微孔孔徑分布的變化情況。根據圖示結果可以發現：1）強度試驗后微孔孔徑分布曲線整體向右側移動，說明壓縮試驗后土體內部的平均等效孔徑減小；2）對比強度試驗前后的不均勻系數Cu值，分別為4.46和3.42，壓縮試驗后土體內部微孔孔徑分布不均勻系數減小。

上述結果表明：在壓縮試驗過程中較大孔徑微孔受擠迫后先于較小孔徑微孔發生破裂或縮小分解為較小孔徑的微孔，使得壓縮試驗后整體平均等效孔徑減小、孔徑分布均勻性提高；結合前述微孔孔徑尺度對強度發揮的影響分析，對于河道淤泥氣泡混合土，土體內部較大孔徑微孔的孔徑尺度及數量、微孔孔徑分布的均勻性是影響河道淤泥氣泡混合土的重要因素，尤其是對于相對強度比較高的土體影響更加明顯。因此，通過選擇穩泡性較好、發泡倍率適當的發泡劑材料，以及通過采用合理的成型工藝，在成型過程中減小對土體的撓動，減小大孔徑微孔數量及提高微孔孔徑分布的均勻性，是提高河道淤泥氣泡混合土質量的重要因素。

5 結 論

1）利用數字圖像分析方法可以對河道淤泥氣泡混合土的微觀構造特征進行定性及定量分析，利用其微觀構造特征與力學性質的相關性，可有效揭示河道淤泥氣泡混合土的強度發揮特征及破壞機理。

2）隨著水泥摻入量的提高，由于團粒化效應及水化物的填充作用，不僅使得土體內部微孔孔徑減小、孔徑分布均勻化，同時提高土骨架的強度與剛度，從而使得河道淤泥氣泡混合土的強度與剛度明顯提高。

3）較大微孔孔徑尺度及數量、微孔孔徑分布的均勻性是影響河道淤泥氣泡混合土力學性質的重要因素，尤其是對于相對強度比較高的土體，影響更加明顯。實際工程中，除了根據對土體的密度、強度要求選擇合理的配合條件外，應盡可能從發泡劑性質指標選擇、氣泡混合土成型施工工藝、減小對土體撓動等多個方面采取合理措施，減小土體內部較大微孔孔徑尺度及數量、提高微孔孔徑分布均勻性以提高河道淤泥氣泡混合土的質量。

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（編輯 王秀玲）