軟黏土微觀結構形貌與定量分析影響因子優化

徐日慶，徐麗陽，段景川，徐新，付江山，吳曉斌

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軟黏土微觀結構形貌與定量分析影響因子優化

徐日慶1，徐麗陽1，段景川2，徐新3，付江山3，吳曉斌3

(1. 浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州，310058；2. 中國電建集團鐵路建設有限公司，北京，100044；3. 中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧, 810007)

為了更好地了解浙江軟土的微觀結構，采用SEM電鏡研究軟黏土的微觀形貌，并用統計學方法分析電鏡的放大倍數和照片數對微觀結構定量參數的影響。試驗拍攝軟黏土微觀照片，對其進行的定性研究表明：試驗所用的浙江軟黏土是霜葉狀、粒狀和凝塊狀的土顆粒，通過多種接觸形式排列成蜂窩和絮凝結構。定量研究表明：放大倍數在600~2 000倍之間時，孔隙面積率統計結果之間差異性不顯著；以1 000倍放大的照片為例，給出了不同照片數對應的孔隙面積率的統計結果精度；最后分析了8張1 000倍放大的照片得到的其他微觀結構定量參數。

微觀結構；定性定量；電鏡

黏性土的微觀結構決定了土的物理、力學及其他性質，沈珠江[1]指出建立土的結構性模型是21世紀土力學的核心問題，黏土的宏觀性質研究正在朝著微觀結構方向發展。微觀結構研究包括定性研究和定量研究兩方面。掃描電子顯微鏡(簡稱SEM電鏡)可以觀察微米級的物質單元，在土的微觀結構研究中發揮著日益重要的作用。在微觀結構定性分析方面，目前比較公認的觀點是：土的結構是指土粒本身的形狀、大小特征，土粒在空間的排列形式、孔隙狀況及粒間接觸和聯結特征的總和[2]。定量分析方面，施斌等[3?5]提出了定向角、定向角分布、平均形狀系數和概率熵等定量參數；王清等[6?7]對土中孔隙進行了分形幾何研究；高國瑞等[8?10]、LANGROUDI等[11?13]分別針對黃土、膨脹土的微觀結構進行了定量分析。目前對于軟黏土的定量研究還處在探索階段，許多問題需要深入研究。比如在使用掃描電子顯微鏡定量研究軟黏土微觀結構時，放大倍數越大、照片數越多，試驗結果就越能反映黏土的真實情況，然而所耗費的時間和成本也會增加。值得注意的是放大倍數和照片數增加到一定程度時對試驗精度的提高意義不大，而且不同的試驗對精度的要求不同，這就有必要研究這2個因子對定量參數的影響情況，以提高試驗效率。本文作者以浙江軟黏土為研究對象進行定性分析和定量研究，首先分析軟黏土的微觀結構形貌；以掃描電鏡的放大倍數和照片數為影響因子，研究它們對定量參數(以孔隙面積率為例)的影響情況，并根據統計學分析給出了不同放大倍數和照片數對應的試驗精度，便于試驗時依據具體要求選用，具有很好的實用價值；最后給出了基于8張放大圖像得到的微觀結構定量參數統計結果。

1 試驗

1.1 試驗土樣

試驗土樣選取了2種典型的浙江軟黏土：杭州軟黏土和奉化軟黏土。杭州軟黏土的物理指標如下：密度為2.701 g/cm3，含水率為40.86%(質量分數)，液限為44.0%(質量分數)，塑限為25.5%(質量分數)。奉化軟黏土的物理指標如下：密度為2.750 g/cm3，含水率為47.91%，液限為45.1%，塑限為25.2%。

1.2 試驗儀器

采用荷蘭FEI公司生產的QUANTA FEG 650型場發射掃描電鏡對軟黏土試樣進行微觀結構圖像采集，SEM電鏡在圖像采集時需解決以下問題：圖像的成像模式、圖像數量、放大倍數、加速電壓、對比度、亮度的確定等，這些問題都會對定量研究產生影響。選擇成像模式時，定性研究采用二次電子ETD探頭觀察形貌，定量研究采用背散射BSED探頭拍攝照片。試驗控制加速電壓、對比度和亮度不變，以圖像數量和放大倍數這兩個影響因子為變量，研究測定孔隙面積率時，影響因子對定量參數的影響情況。

1.3 試驗方法

對現場取來的軟黏土，用細鋼絲線切成尺寸(長×寬×高)約為2 cm×1.5 cm×1.5 mm的長條形土樣，再將樣品放到真空儀中，進行真空低溫處理，并高速抽氣將樣品所含的水分抽干，以保持土樣微觀結構不變。然后取出樣品在中部刻1圈深約2 mm的槽，再從刻槽的部位把土樣分開，從中選擇有代表性的新鮮斷面，用洗耳球輕輕除去表面浮土，從而獲得保持原始結構形態的土樣表面。經過噴金處理后放入SEM電鏡試驗倉進行掃描，拍攝微觀結構圖像。拍照時選擇有代表性的區域，拍攝的二次電子ETD圖像可以進行定性分析，拍攝的背散射BSED圖像可以采用Image Pro-Plus6.0軟件進行圖像處理做定量分析。

2 軟黏土微觀結構定性分析

胡瑞林等[14]通過對微觀結構的研究將黏土的微觀結構分為顆粒形貌、排列組合方式、孔隙性和顆粒間的接觸關系。作者從這幾個方面對試驗軟黏土的形貌特征進行分析。

2.1 軟黏土顆粒形貌

圖1所示為軟黏土的顆粒形貌。試驗軟黏土顆粒形態有霜葉狀、粒狀和凝塊狀，其中霜葉狀的是杭州軟黏土，粒狀和凝塊狀是奉化軟黏土。圖1(a)所示薄片形貌的土顆粒，邊緣稍亮，像經霜凍的葉片，把這種形貌稱為霜葉狀。扁平霜葉狀土顆粒長軸為16.6 μm，短軸為8.2 μm，面積為136.1 μm2。圖1(b)所示土顆粒呈現粒狀，長軸為12.9 μm，短軸為8.8 μm，面積為113.5 μm2。圖1(c)所示土顆粒是由扁平體膠結而成的凝塊狀土顆粒，長軸為11.1 μm，短軸為8.2 μm，面積為91.0 μm2。扁平霜葉狀顆粒和凝塊狀顆粒構成土骨架，粒狀顆粒附著在土骨架上或者隨機分布在空隙中。