FMLSS微觀構造特征與強度相關性分析

章培培，顧歡達，陳冬青

（1.蘇州科技學院土木工程學院，江蘇蘇州215011；2．蘇州市恒正工程質量檢測有限公司，江蘇蘇州215134）

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FMLSS微觀構造特征與強度相關性分析

章培培1，顧歡達1，陳冬青2

（1.蘇州科技學院土木工程學院，江蘇蘇州215011；2．蘇州市恒正工程質量檢測有限公司，江蘇蘇州215134）

摘要：通過對河道淤泥氣泡混合土（FMLSS）微觀構造特征的觀測，考察了反映FMLSS微觀構造特征的微孔分布參數的特性及其變化規律。結合不固結不排水三軸試驗結果，進一步分析了微孔分布參數與FMLSS強度指標的相關性，從微觀構造角度揭示了FMLSS的強度發揮及破壞機理。

關鍵詞：氣泡混合土；平均等效孔徑；微觀結構參數；強度參數

在我國南方地區，河流湖泊眾多，長年淤積的結果，會有大量淤泥沉積下來。當河道中淤泥量達到一定程度后除了影響交通航運外，也不利于自然生態環境。為此，必須對江河湖泊進行定期清淤。根據惲文榮等[1]截止2015年的數據統計，我國僅珠江三角洲地區每年產生的河道淤泥就達到8 000萬m3；江南地區河網密布，每年清淤產生的河道淤泥量數量同樣不少。基于可持續發展理念，開發利用河道淤泥勢在必行。目前的有效利用方式，有直接利用河道淤泥作為制磚材料[2]，或摻入水泥固化處理用作工程填料[3]，顧歡達等研究了河道淤泥輕質土的工程性質[4]。趙全勝等對淤泥中摻入水泥、粉煤灰、水以及氣泡制成氣泡混合土用于控制軟土路堤橋頭沉降進行了研究[5]。河道淤泥綜合有效利用作為目前一個比較重要的課題，其他學者也就相關問題進行了較多的研究考察[6-7]。

對于河道淤泥氣泡混合土（FMLSS）的研究，以往主要以常規試驗方法從宏觀角度對其物理力學性質進行研究。實際上，FMLSS屬于一種具有多孔性微觀構造特征的材料，其宏觀物理力學性質必然與其微觀構造特征存在密切聯系。自從Terzaghi提出粘土微觀結構概念開始，對于土的物理力學性質考察，尤其是強度發揮及破壞機理不再局限于宏觀試驗的研究，隨著觀測與分析技術的進步，目前對于土的微觀結構分析已經進入量化分析的階段[8]。常防震等介紹了粘土微觀結構的觀測技術、微觀結構特征以及粘土變形的微觀特性和機理[9]，P.Dudoignon研究了土體在剪切過程中微觀特性變化[10]，周翠英[11]提出了利用孔隙率、孔隙平均面積、氣孔數量等微觀結構特征參數分析土體的剪切破裂面上微觀結構參數與強度之間的關系。由于巖土的微觀結構決定了其宏觀特性[12]，FMLSS是在河道淤泥中摻入一定量的氣泡群，使得FMLSS形成一種多孔性材料，其微孔的微觀構造特征決定了FMLSS的物理力學性質。為掌握FMLSS的強度特性及破壞機理，基于FMLSS的微觀構造特性進行微觀構造及相應的相關性分析是十分有效的。

1　材料及試驗方法

1.1試驗原料及配合比設計

原料土取自蘇州某河道的淤泥質土，首先用4.75 mm的網篩過篩，過濾掉淤泥中的雜質，再用攪拌機攪勻。通過室內試驗得到原料土的基本物理指標，如表1所示，原料土的顆粒級配曲線見圖1。由表1可知，塑性指數Ip為15.7，液性指數IL=1.67>0，孔隙比e=1.36；根據圖1所示結果，該淤泥的顆粒分布以細粒土（孔徑小于0.75 mm）為主，且不均勻系數Cu=5，曲率系數Cc=1.31，級配良好。根據《公路土工試驗規程》（JTG E40-2007）和《公路瀝青路面設計規范》（JTJ 50-2006）的規定，原料土屬于含水量高、處于流塑狀態的粉質粘土。

表1　原料土的物理性質指標

根據蔡明智等人對于氣泡混合輕質土工程性質的分析[13-14]，對氣泡混合土工程性質具有明顯影響的因素主要有固化劑、輕質材料的含量和養護齡期等。由于氣泡的體積難以測量，所以在控制氣泡含量時稱其質量，且在配合設計中所有摻入量以原料土中干土質量為標準。水泥含量指摻入到氣泡混合土中水泥的質量與干土質量的比值；氣泡含量指摻入的氣泡質量與干土質量的比值。試驗中，調整原料土的含水量為110%，標準養護條件下養護28 d后進行試驗，具體配比設計如表2所示。

圖1　淤泥的顆粒級配曲線

表2　配合比設計

1.2試樣的制備

水采用自來水，固化劑采用32．5#普通硅酸鹽水泥，發泡劑采用動物蛋白類復配型發泡劑。根據表2所示配合設計，分別按照水、水泥和氣泡的順序加入到原料土中進行攪拌至均勻后即可裝入模具，模具尺寸為直徑38 mm、高76 mm，每個試樣至少制備3個平行樣，然后置于養護室養護24 h后脫模，再將試樣繼續養護至試驗齡期。

1.3強度試驗

為了考察FMLSS的強度特性，對經28 d標準養護的試樣進行三軸不固結不排水試驗。試驗儀采用SJ-1A三軸剪力儀，設定剪切速率為0．9 mm/min，試驗數據由系統自動采集。

1.4數字圖像分析方法

數字圖像的提取采用α-6000型SONY相機拍攝，拍攝對象為試樣的某一截面，在進行任何力學試驗之前，分別取試樣的1/3、2/3斷面處進行拍攝，在進行力學試驗后，由于破壞面與破壞面之間的摩擦使得孔隙結構殘缺，因此在非破壞面處掰開的斷面處進行拍攝，且所有斷面均取較平整的區域進行拍攝，每個斷面拍攝三張圖像，且計算時取平均值。每次拍攝時相機的攝像模式及鏡頭與截面之間的距離保持一致，并同時做好標定，將實際的尺寸換算成數字圖像中像素尺度后進行數字化處理。

粘性土的微觀結構的定量研究采用數字圖像處理手段。數字圖像的量化分析過程是利用ImageJ數字圖像分析軟件對試樣的截面圖像進行初步處理，包括灰度圖像的轉化、圖像的平滑和銳化處理、噪聲和陰影的去除等；為了定量分析截面中氣孔結構的構造特征，需將灰度處理后的圖像進行二值化處理，選擇合適的閾值生成二值化圖像；然后選擇設定的物理參數，包括微孔結構的大小、尺寸、面積等等，經過統計分析之后，即可對微孔結構進行定量分析。

2　微觀結構與強度特性的相關性分析

2.1微孔分布參數定義及影響分析

圖2～圖4顯示數字圖像處理的結果，試樣截面圖像經二值化處理后顯示不規則微孔圖形和孔的輪廓線，以及微孔的分布情況。由于除了摻入的氣泡形成微孔外，還有部分在成型過程中由于空氣沒有排出產生的氣孔，而形成的狹長不規則氣孔。但總體上氣泡比較均勻分布于整個界面中。

利用ImageJ數字圖像分析軟件可以統計出在圖像所示區域內微孔數量N、單個氣孔面積A、氣孔面積百分比含量M等反映FMLSS微孔構造特征的參數，對所有的氣孔面積取平均值為氣孔平均面積A。為方便對比分析，對每個不規則微孔按照圓形來進行簡化處理，可根據單個面積換算成等效圓孔，其直徑記為等效孔徑d，所有的微孔的等效孔徑取平均值為平均等效孔徑，記為d。則d=（4A/π）0．5，其中，A表示單個氣孔的面積。為考察微孔尺度的分布情況，定義等效孔徑不均勻系數Cu、曲率系數Cc、大小氣孔數量比S。則Cu=d60/d10；Cc=d230/（d10·d60）。式中，d10、d30、d60分別指小于某等效孔徑的氣孔數量的百分比含量分別為10%、30%、60%所對應的等效孔徑的大小。S=N0．2/N0．05。N0．2、N0．05分別表示的是在圖像區域中等效孔徑大于0．2 mm和小于0．05 mm的氣孔的數量。

圖2　原始圖像

圖3　二值化處理后圖像

圖4　微孔分布情況

類比粒徑成分分布曲線，可以建立微孔孔徑分布曲線。以等效孔徑大小為橫坐標，以小于（或大于）某等效孔徑微孔數量的累計百分比含量為縱坐標建立的等效孔徑分布曲線。不均勻系數Cu表示的是整個圖像中微孔尺寸分布的大小范圍，反映微孔孔徑分布均勻程度；曲率系數Cc反映微孔分布曲線的整體形態，即微孔孔徑分布的連續性。Cu越大，等效孔徑分布范圍大，微孔分布越不均勻，曲線越平緩。而曲率系數Cc過大或過小，則表示孔徑分布連續性較差。圖5顯示為水泥摻入量為25%時的孔徑分布曲線，可以看出曲線連接比較平順，且大部分等效孔徑集中在0．02～0．2 mm之間，孔徑分布比較均勻。從材料角度考察，有利于提高FMLSS材質的均勻性，從而有利于其強度發揮及減小變形。隨著摻入氣泡含量的增加，孔徑分布曲線整體向左側移動，即隨著摻入氣泡量的增加，大孔徑數量趨于增大。

結合圖6可知，由圖5中的曲線越向左側移動，S值越大，表示大孔徑微孔數量趨于增多，而小孔徑微孔數量趨于減少，且隨著氣泡摻入量增加，在單位土體范圍內，大孔徑微孔數量越多，相應地土骨架體積將會減小，從而削弱了土體結構，而不利于FMLSS的強度發揮，受載后變形增大；而隨著水泥摻入量的增加，大孔徑微孔數量減少，土骨架體積增大，土體結構更穩定，FMLSS強度更大。

由圖7（a）和圖（b）可以看出，隨著氣泡摻入量的增加，微孔數量呈增加趨勢，且平均等效孔徑也呈增大趨勢，隨著水泥摻入量的增加，微孔數量減少同時平均等效孔徑減小。考察上述結果可以看出，保持水泥摻入量不變時，氣泡含量越高的配比，試樣中大氣孔數量就越大，小氣孔的數量越小，保持氣泡摻入量一定時，水泥含量越高的配比，試樣中大氣孔的數量越少，小氣孔的數量越多。分析上述現象，可以認為在水泥摻入量不變時，氣泡摻入量越大，土體中氣泡數量多，當多個小氣泡相距較近時更容易聯接形成更大孔徑的氣泡，而使得平均等效孔徑增大；?而?水泥摻入量越大，氣泡摻入量一定時，由于在養護期間?，水泥發生水硬凝等一系列反應，生成的??水?化物會在孔隙之間進行填充，平均等效孔徑減小。氣孔百分比含量、平孔徑和氣孔數量滿足——平均等效孔徑增大，氣孔個數減少，但氣孔百分比荷載作用下，土體更易發生破壞；而平均等效孔徑越小，氣孔越多，但氣孔百分比含量卻減小，使得土體微觀構造趨于均勻，骨架體積增大，結構更穩定，有利于FMLSS的強度和剛度提高。2.2強度指標

圖5　氣孔分布曲線

圖6　大小氣孔數量比曲線

圖7　微觀結構參數的相關性

根據不固結不排水三軸試驗結果，可以得到FMLSS強度包線，從而獲得其強度指標c、φ值。圖8所示的是水泥摻入量15%、氣泡摻入量為0時的強度包絡線圖。由表3所列試驗結果可以看出，水泥含量一定時，隨著氣泡摻入量的增大，FMLSS的粘聚力及內摩擦角均呈減小趨勢，氣泡摻入量每增加1%，粘聚力值減小20%～30%左右，內摩擦角值減小4%～7%左右，在水泥摻入量較低時，強度指標的變化更明顯，以上結果說明摻入氣泡含量的變化對FMLSS粘聚力的影響更加明顯；當氣泡含量一定，隨著水泥摻入量的增加，粘聚力和內摩擦角也隨著增加，水泥摻入量每增加10%，粘聚力增幅在0．8～2倍左右，內摩擦角增幅在30%～60%，而且在氣泡摻入量較高時，粘聚力的增幅更加顯著。由此可見，氣泡摻入量越高、水泥摻入量越低，FMLSS的強度指標越小，而且主要對粘聚力具有顯著影響。根據庫倫強度理論，強度指標越小，FMLSS承受荷載及抵抗變形能力就越小。因此將FMLSS用于實際工程時，可通過調整氣泡和水泥摻入量滿足設計強度或變形要求。

2.3考慮加載影響的微孔分布參數變化

FMLSS受荷載作用后，內部微孔構造將發生改變。根據觀察可以看出加載后FMLSS中的大孔徑微孔數量減小，小孔徑微孔數量增多，由此可認為是大孔徑氣孔在受荷載后遭到破壞，一個大氣孔被擠壓成兩個或多個小氣孔，整體的孔徑分布更為均勻。微孔數量增大，氣孔面積百分比、單個氣孔的面積、平均等效孔徑均呈減小趨勢。

為定量分析加載前后微孔分布參數的變化，定義平均等效孔徑的變化率R1和氣孔百分比變化率R2：

圖8　強度包線圖

圖9　微觀結構參數的變化

表3　 UU試驗強度指標試驗結果

由以上的分析可知，微觀結構參數的變化會引起強度特性的改變，圖10則進一步分析了強度參數與微觀結構參數的變化率之間的相關性。圖10表示的是水泥含量保持在15%時，隨著氣泡摻入量以及加載條件的變化，強度參數與微觀結構的變化規律。隨著圍壓的增加，強度參數增大，土體結構中土顆粒表面之間的摩擦力更大，團粒之間的粘聚力更大，土體結構更穩定，所以在加載過程中，微觀結構參數的變化率和就越小，土體更難破壞，FMLSS的抗變形能力就越強；相反，當強度參數越小，土顆粒之間的摩擦力和粘聚力就越小，微觀結構參數的變化率就越大，FMLSS的抗變形能力就越低。

圖10　 φ與R1和R2的關系

2.4微觀構造特征與強度間的相關性分析

根據前述關于微觀構造在不固結不排水三軸試驗中的變化規律可知，微孔構造特征會直接影響土骨架結構的穩定性，從而影響FMLSS的強度發揮。圖11中參數均指試驗前FMLSS的特征參數，由顯示結果可以看出，等效孔徑越小、孔徑分布越均勻而微孔數量越少的構造特征，微孔面積百分比含量就越小，孔與孔之間形成的土網絡骨架越堅固，內摩擦角和黏聚力就越大，也就是土顆粒與土顆粒表面之間的摩擦越大，粘結力也越大，所以，氣泡混合土的強度就越大；而等效孔徑越大、孔徑分布越不均勻且微孔數量越多的氣孔結構，氣孔面積百分比含量就越大，土顆粒之間的摩擦和黏聚力也越小，土骨架結構強度和剛度降低，土體結構容易發生變化，使得氣泡混合土的強度降低。

根據圖11（a）和11（b）所示結果分析，當水泥摻入量分別為15%、25%和35%時，平均等效孔徑每增大0．01 mm，對應的內摩擦角分別減小1%～2%、4%～7%和3%～4%；而微孔面積百分比含量每增加2%時，對應的內摩擦角分別減小2%～4%、7%～15%和6%～12%。由此可見，與平均等效孔徑的影響相比較，微孔面積百分比的變化對FMLSS內摩擦角的影響更加顯著。

而圖11（c）中，微孔數量對強度參數的影響恰恰與前兩者相反，當氣孔數量每增加500個，水泥摻量分別為15%、25%、35%時，內摩擦角的變化范圍在2%～3%、5%～8%和3%～4%之間。氣泡含量越高，影響越小。即微孔數量的增加，并不意味著微孔面積的增大，還得同時考慮平均等效孔徑的影響，但是微孔數量增加的同時，微孔分布更加均勻，且以較小的細微孔為主，因此有利于土材料的均勻化，因此內摩擦角反而會增加。

圖11　微觀結構基本參數

相關的研究認為，巖土的微觀結構對其宏觀力學性質存在顯著的控制作用。利用圖像分析技術可以比較方便地得到FMLSS微孔分布特征參數，利用微孔分布特征參數與土的強度相關性分析，可以有效地揭示FMLSS強度發揮及荷載作用下的破壞機理。圖12顯示的是微孔分布綜合特征與強度參數的相關性。根據孔徑分布特征，孔徑分布不均勻系數越小，氣孔分布越均勻，材質的均勻性越好，內摩擦角越大；大小氣孔數量比越大，微孔中大孔徑微孔數量越多，內摩擦角越小，土骨架之間形成的間隙就越大，FMLSS在受到荷載后更加容易變形，但可以發現當達到一定值后的減小幅度趨緩。

圖12　微觀結構復合參數

3　結論

（1）利用圖像處理技術獲得FMLSS的微觀結構特征，因此可對FMLSS的微觀結構進行定量分析。通過分析微觀結構與強度參數的相關性，揭示FMLSS的強度發揮特征及破壞機理。

（2）摻入氣泡主要產生減小密度和改變河道淤泥氣泡混合土的內部結構的作用，而摻入水泥不僅能夠使得氣孔結構的基本參數都減小，而且考慮到水化物的填充作用以及氣孔間的土顆粒形成的團粒而引起的團粒效應，氣泡混合土的土骨架強度和剛度提高，從而使得氣泡混合土能夠滿足實際工程的需要。

（3）氣泡混合土中的大氣孔數量、氣孔分布的均勻性都是影響強度參數的重要因素。在實際工程應用中，除了通過調整摻入材料的量來控制氣泡混合土的密度、強度特性外，還應從原材料的性質考慮，比如發泡的質量，包括均勻性、含水率適中等問題，還有水泥的類型，加上施工工藝的優化等方面來提高氣泡混合土中氣孔結構的均勻性，從而制得更高質量的河道淤泥氣泡混合土。

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通信聯系人：顧歡達（1958-），男，江蘇無錫人，教授，博士，從事軟土地基處理原理與技術研究；E-mail：ghdgx@163.com。

（責任編輯：秦中悅）

Correlation analysis of microstructure characteristics and intensity of FMLSS

ZHANG Peipei1，GU Huanda1，CHEN Dongqing2
（1.Department of Civil Engineering，SUST，Suzhou 215011，China; 2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co.,Ltd，Suzhou 215134，China）

Abstract：Through the observation of microstructure characteristics of the foamed mixture lightweight soil and sludge（FMLSS）in the river, the paper studied the features and the change rules of microporous distribution parameters which can show the microstructure of FMLSS.Based on the results of unconsolidated and undrained traxial test, the correlation of the microporous distribution parameters and the intensity indicators of FMLSS was further analyzed, which revealed the strength and failure mechanism from the perspective of the microstructure of FMLSS.

Key words：foamed mixture lightweight soil; he average equivalent aperture; microstructural parameter; intensity parameter

中圖分類號：TU411

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0679（2016）01-0048-06

[收稿日期]2015－09-25

[基金項目]國家自然科學基金項目（51378327）

[作者簡介]章培培（1991-），女，江蘇南通人，碩士研究生。