基于河道淤泥氣泡混合土微觀構造特征的發泡劑適用性研究

李榮賀, 顧歡達

(蘇州科技大學 土木工程學院, 江蘇 蘇州 215011)

為了疏通河道，保證水利水運工程的正常運行和環境改善，需要對河道網定期或不定期疏浚，如何避免疏浚淤泥很可能造成二次污染及再利用，已成為各界關心的問題。

為保護環境及淤泥的資源化利用，國內外學者對此進行了可行性探索。包建平、顧歡達等[1-3]對淤泥的處理技術和工程性質進行探討。在國外，橫田圣哉等[4-6]學者對氣泡輕質土物理力學性質的研究起步較早；國內關于與氣泡輕質土的研究，原料土主要為沙土和黏土；淤泥混合輕質土，輕質材料以塑料泡沫顆粒居多。以淤泥作為原料土，氣泡作為輕質材料的相關研究較少。鄭少午、姬鳳玲等[7-13]對以EPS顆粒為輕質材料的輕質土進行研究，考察了其不同因素對其工程性質的影響及配方優化；何國杰，顧歡達等[14-16]考察了以氣泡為輕質材料的輕質土，考察了其物理力學特征及耐久性；事實上，土體宏觀性能的發揮與土體內部微孔微觀分布特征相關。TTOVEY等[17]對不同土體微觀構造技術進行了研究，主要包括定向及定量方面；申春妮等[18]從微觀角度對Q2黃土特殊的濕陷性進行解釋；顧歡達等[19-20]分別用壓汞試驗和圖像處理技術考察了不同配比條件對河道淤泥氣泡混合土微觀構造的影響，以及微觀構造與宏觀性能的相關性。發泡劑作為河道淤泥氣泡混合土主要發泡材料，其制備氣泡的性能直接對混合土性質產生影響，目前，市場上流通的發泡劑品種繁多，而不同發泡劑制備的氣泡性能各不相同，甚至差異很大，由其制備的FMLSS內部微孔結構特性的差異，以及對宏觀特征的影響值得探討。

1 材料與方法

為考察發泡劑的適用性，前發泡選用第2代表面活性劑類K12A、第4代復合類發泡劑F，后發泡選用雙氧水作為輕質材料，利用上述不同發泡劑類型制作FMLSS，通過比對試驗，考察其適用性。

FMLSS依照氣泡的制備方式，可以分為后生成式和前生成式兩種。后發泡法通常直接將發泡劑溶液，倒入混合土料漿中，通過機械攪拌作用將發泡劑溶液分散于料漿中，利用雙氧水在堿性環境下易分解為氧氣，同時雙氧水自身還會電離出氫氣，利用生成的氧氣和氫氣作為氣源，在料漿中產生氣泡，從而制備成輕質土；前發泡將由發泡裝置預制的氣泡加入攪拌均勻的混合土料漿中攪拌均勻制成氣泡混合土，為后述方便起見，將K12A制備的FMLSS記為K型，復配類發泡劑制備的FMLSS記為F型；后發泡型中，將雙氧水制備的FMLSS記為H型。

1.1 試驗原料及配比設計

以蘇州市某河道淤泥質土為原料土，其基本物理指標如表1所示。

表1 原料土的物理性質指標

試驗所用的前發泡型發泡劑包括K12A(陰離子表面活性劑)和復合類發泡劑(F型)，各前發泡型發泡劑的理想性能如表2所示；后發泡型發泡劑為濃度30%工業級雙氧水，堿性條件下具有很強的氧化性，產生氣體；試驗用水為自來水，水泥選用PO42.5的普通硅酸鹽水泥。以干土質量為試驗原料摻量控制指標。氣泡摻入比ωe為氣泡質量(后發泡為雙氧水質量，)與干土質量之比，水泥摻入比ωc為水泥質量與干土質量之比，原料土含水量ω指摻入水和原料土原有水的質量之和與干土質量之比。試驗配合方案如表3所示。

1.2 試樣制備及試驗方法

根據試驗設計配比，稱取原料土、水，達到設計含水量，利用攪拌機將土水混合均勻；加入水泥攪拌均勻，形成水泥土料漿，再加入預制的氣泡(前發泡型)或雙氧水(后發泡型)，通過攪拌直至氣泡或雙氧水完全融入到水泥土料漿中。將混合料裝入內徑3.91 cm，高7.8 cm的模具，漿體分3層裝入模具，每層沿模具4個方向各震動30下，保證密實，每個試樣至少制備3個平行樣，在標準養護室中養護24 h后進行脫模，用保鮮膜將土樣封閉，避免水分蒸發，在標準養護條件下，養護至試驗齡期。

表2 各前發泡型發泡劑的性能

表3 不同材料試驗方案

(1) 密度試驗。為測定其密度，對每個配比制成的3個試樣稱量其質量，測得密度ρ為：

ρ=M/V

(1)

式中：V——試樣體積(cm3)；M——試樣質量(g)，為減少試驗誤差，以試樣的密度偏差率為控制指標，當一組平行樣密度偏差率小于1%時，認為滿足制樣要求。

(2) 強度試驗。主要采用無側限抗壓強度儀，試驗中軸向應變速率約為1 mm/min。

FMLSS微觀構造特性分析試驗：將養護28 d的試樣選擇觀測斷面進行圖像攝取并分析，為了減少樣本誤差，每個試樣在2，4，6 cm這3個高度上各選3個觀測區域攝取圖像(圖1)，再通過圖像處理軟件Image J對圖像進行預處理及二值化處理，提取數據對觀測區域的微孔結構進行統計分析，最后計算平均值。

圖1 圖像處理及閾值分割

為了對FMLSS微觀構造特征進行定量分析，采用以下定義的微孔分布特征參數：

微孔面積百分比M:由Image J直接讀出，微孔總面積與整個斷面圖像的總面積之比。

(2)

(3)

(4)

式中：d——平均等效孔徑(mm)；A——微孔平均面積(mm2)；A1，A2，A3，…，An——單個微孔的面積(mm2)；S——大小微孔數量比；N0.1，N0.01——大于0.1 mm及小于0.01 mm的微孔數量。

2 試驗結果分析

2.1 微孔分布特征分析

為定量的考察不同FMLSS內部的微孔尺度及微孔分布的均勻性，引用大小微孔數量比S和平均等效孔徑d，平均等效孔徑d越大，表明土體內部氣孔尺度越大；大小微孔數量比S越大，表明土體中小氣孔中含有大氣孔數量越多，反映了土體內部氣孔分布的不均勻性。圖2為微孔分布特征參數隨與氣泡摻入比的關系。由圖2可知，隨著氣泡摻量增大，各微觀構造參數隨之增大。此結果表明，摻入氣泡越多土體內部孔結構尺度增大、大孔數量增多、孔徑分布趨于不均勻。進一步考察可知，不同類型發泡劑孔結構特征有所區別，H型發泡劑在氣泡混合土制備過程中消泡明顯，其微孔數量及平均孔徑均明顯少于其他類型發泡劑，說明H型發泡劑形成大氣孔數量較少，總體上相比較H型發泡劑輕質化效果較差。土中氣泡分布特征直接影響混合土密度，從圖3可以看出不同的發泡劑對FMLSS密度影響明顯，K型與F型密度小于H型，隨氣泡摻入量的增大FMLSS密度呈減小趨勢；水泥摻量對密度有一定的影響，隨水泥摻量的增大密度提高，與F型相比，在高氣泡摻量下，水泥摻量的增大對K型影響較為明顯，原因為水泥摻量的增大使料漿的黏性增大，在相同高氣泡摻入比條件下，穩定性差的K型自身易消泡，同時氣泡接觸的幾率增大，氣泡不均勻導致氣泡間的融合造成大尺度氣泡過多，氣泡穩定性降低，最終消泡過多將使成型后的FMLSS密度增大，摻入氣泡作為FMLSS輕量化要素，氣泡在料漿中的穩定性對FMLSS密度影響明顯。

圖2 微孔分布特征參數

圖3 3種類型FMLSS密度對比

為了說明不同類型發泡劑對FMLSS密度的影響機理，可以根據圖4所示的孔徑分布曲線闡明?？讖椒植记€根據Image J讀取土體中各微孔面積，通過換算得出小于某等效孔徑的微孔累積百分比，得出

孔徑分布曲線，曲線右移表明孔徑尺度越小；曲線越陡，孔徑分布越均勻。從圖4可以看出，H型曲線位于K型和F型曲線右側，根據圖像觀測，H型FMLSS土體內部以細小孔隙為主，其原因在于H型發泡劑制備過程中消泡較多，大部分孔隙為土粒間的毛細孔，而非由氣泡所形成的氣孔，因此其密度大于K型和F型，但同時H型FMLSS中孔徑超過0.2 mm大孔含量較K型和F型多，此結果說明H型FMLSS中孔徑分布均勻性較差。而K型和F型曲線位于左側，曲線較為平緩，說明平均孔徑較大。對比K，F型曲線可以發現，K型在F型的左邊，且曲線較為平緩，圖4所示，在氣泡摻量較小時，兩條曲線間距較小，隨氣泡摻量增大，K型曲線左移，且更為平緩。此結果表明，在兩者密度差異不大條件下，K型的平均孔徑增大，且分布更不均勻。同時，隨水泥摻量的增加，曲線右移，即平均孔徑減小。

圖4 FMLSS微孔孔徑分布曲線

對比K型與F型發泡劑，由圖2可以看出利用氣泡置換土體的效果兩者差異較?。蝗暨M一步考察，在同等氣泡摻量條件下，F型的平均等效孔徑d，大小微孔數量比S均較K型要小，則表明與K型相比，F型發泡劑成孔分布較為均勻。隨水泥含量增大土中微孔數量減小、輕質化效果減弱，但平均等效孔徑及孔徑分布相差不大，表明水泥摻量對混合土微觀構造參數的影響相對較小。

2.2 微孔分布特征與力學性質的相關性分析

在工程應用中，除了輕量化指標外，強度發揮是衡量FMLSS能否滿足工程要求的重要指標。在設計上為了適應低地基承載力條件或降低側向壓力的輕量化要求，往往需要在滿足強度發揮指標的前提下盡可能降低FMLSS的密度，因此，在同等強度條件下FMLSS密度越小越有利。FMLSS的強度發揮與變形性質往往與混合土中的孔結構分布特性密切相關。根據前述分析結果可知，水泥對FMLSS微觀構造差異性影響相對較小，以下重點考察水泥摻量為25%時，3種不同類型發泡劑形成的FMLSS強度發揮的差異性。

對不同氣泡摻量條件下FMLSS強度發揮與微孔結構特征參數的相關性進行分析(圖5)。由圖5可以看出，隨氣泡摻量的增大，土體內成孔尺度及孔徑分布產生了變化，隨著平均等效孔徑及大孔徑微孔數量的增大，FMLSS的抗壓強度呈降低趨勢。其中，H型發泡劑在后發泡過程中，除了消泡現象比較明顯導致氣泡數量明顯減少密度增大外，還較易在土體內部形成少量尺度超過0.5 mm較大的氣孔，結果在硬化后的土體內部形成了較大空腔，容易導致土體受載后內部應力分布不均勻。

因此，H型發泡劑制成的FMLSS其內部孔結構分布不均勻，成型后的氣泡混合土不僅密度大、輕質化效果差，而且強度發揮較差。對比前發泡型F型與K型的試驗結果可知，在氣泡摻量較小的情況下，雖然F型發泡劑成型后的混合土微孔分布均勻性較K型要好，但在氣泡摻量較少的情況下，土骨架體積占比較大，微孔結構分布的少量差異對土骨架強度發揮的影響并不明顯，顯示兩者的強度發揮在相同氣泡摻量條件下比較接近。隨著氣泡摻量的增大，混合土中土骨架占比逐漸減少，微孔結構分布性對氣泡混合土的影響逐漸增大。對比兩者的變化趨勢可以看出，K型發泡劑成型后的混合土微孔分布均勻性較差，隨著氣泡摻入量增大、微孔數量增多，對混合土強度發揮的削弱作用更為顯著，相比之下F型發泡劑成型后的混合土內部成孔分布比較均勻、氣孔尺度較小、大孔徑微孔數量較少，因此，不僅輕質化效果較好，隨氣泡摻量增大混合土強度下降趨勢也沒有其余兩種混合土顯著。因此，在輕質化效果及強度發揮方面，相比H型及K型，F型發泡劑在制備FMLSS時顯示更好的適用性。

圖5 氣泡條件下微孔參數與強度相關性

為定量考察不同密度等級下，不同種類FMLSS強度發揮受微觀構造差異性的影響，分別對強度及d，S隨密度的變化進行非線性擬合，強度方面，F型、K型、擬合優度為：0.993 02，0.975 35；d方面，F型、K型、擬合優度為：0.974 52，0.944；S方面，F型、K型、擬合優度為：0.941 66，0.975 35。由于H型離散性較大，圖中趨勢線僅作為參考。圖6顯示，H型輕質化效果較差，密度等級為1.43～1.51 g/cm3，H型離散性較大，d最大達到0.065 mm遠高于F型及H型，同等密度條件下內部過大孔徑微孔，導致其強度發揮明顯低于其它兩種發泡劑制成的FMLSS。而F型與K型相比，在氣泡摻量較小時，土中微孔數量較少的情況下，如密度在1.45～1.51 g/cm3范圍內，F型與K型d相差量0～0.003 mm，S相差量在0～0.104，兩者微觀構造差異性較小，對FMLSS強度發揮影響較??；隨著氣泡摻量增大，土中微孔分布均勻性對FMLSS強度發揮產生的影響趨于顯著，如在1.20～1.45 g/cm3，強度差異性呈現先增大后減小的趨勢，從趨勢線可以看出，隨密度的減小，F型d與S小于K型，且兩者差異性有增大的趨勢，在一定的強度儲備下，F型良好的微孔尺度及均勻性，更有利于強度的發揮，強度方面遠優于K型，但隨著密度的繼續減小，土骨架削弱嚴重，強度儲備降低，微觀構造的差異性影響相對減弱，上述結果更進一步說明，由于F型發泡劑制備的FMLSS具有較好的微孔分布均勻性，對于制備FMLSS顯示更好的輕質化效果及工程適用性。

圖7為不同類型FMLSS應力應變關系，整體上顯示，不同氣泡摻量，H型其破壞應變較小，維持在1%左右，強度達到峰值后，迅速降低，呈脆性破壞，彈性階段曲線斜率與前發泡型相比較小，整體變形特性較前發泡型差。前發泡型中，隨氣泡摻入比增大，K型和F型受影響較為明顯，FMLSS的彈性模量逐漸減小，破壞峰值強度逐漸降低，破壞形式由脆性破壞逐漸變成延性破壞。

圖8為不同密度條件下破壞應變與微孔結構特征參數的相關性。結果顯示，微孔構造分布的變化對同種FMLSS破壞應變的影響相對較小，但微孔小而分布比較均勻的F型，FMLSS的破壞應變相對較高，而H型由于過大微孔的存在，導致土體在較小應變條件下發生破裂，總體上屬于呈脆性破壞。

圖7 ωc=25%時FMLSS 應力應變關系變化

圖8 微孔參數與破壞應變相關性

為了進一步考察FMLSS在荷載作用下的變形特性，對E50隨密度的變化進行線性擬合，F型和K型擬合優度較高在0.9左右，H型由于離散性較大，擬合優度為0.45，僅作為參考。圖9為不同密度條件下變形模量E50與微孔結構特征參數的相關性。考察結果顯示，類似于強度發揮，同等密度條件下H型發泡劑制成的FMLSS由于微孔結構分布不均勻，土中含有的超過0.5 mm大孔徑微孔削弱了土體的剛度，顯示較小的剛度特性。對比F型及K型發泡劑制成的FMLSS，在密度范圍1.43～1.5 g/cm3以上時，

兩者d在0.048～0.056 mm，S在0.71～1.0相差較小，微觀構造差異性小，其抵抗變形能力較為接近，E50在60～65 MPa；但在低密度條件下，密度范圍在1.2～1.43 g/cm3范圍內，F型d在0.052～0.066 mm，K型d在0.056～0.073 mm、F型S在0.93～1.51，K型S在1.03～1.9，F型微孔尺度及分布均勻性明顯由于K型，圖中顯示出，兩者E50差異性增大，低密度條件下，F型抵抗變形的能力優于K型。在實際工程應用中具有承載力更高、變形更小的適應性。

圖9 微孔參數與E50相關性

3 結 論

(1) 微孔分布特征：不同類型FMLSS微觀構造差異性受氣泡摻量影響顯著，受水泥影響較小，H型消泡嚴重且內部存有過大尺度微孔，F型較K型微孔尺度小而分布均勻，且隨氣泡摻量的增大，三者差異增大，F型成孔優勢更明顯。

(2) 強度與微觀構造相關性：H型內部的過大微孔對土體強度削弱嚴重，F型與K型對比，低氣泡摻量下，微孔結構分布的少量差異對土骨架強度發揮的影響并不明顯，高氣泡摻量下，內部微孔尺度小而分布均勻的F型受力均勻，強度發揮優于K型。

(3) 變形特性與微觀構造相關性：H型內部過大微孔，導致土體應力集中顯著，在整個配比內表現出脆性破壞；成孔效果較好的F型較K型具有良好的土骨架結構，同等密度下剛度和破壞應變均優于K型，表現出物理分布越均勻，力學變形特征優越。