氯化鈉侵蝕環境下固化疏浚土宏微觀力學特性試驗

史旦達　汪存石　劉文白　邵偉

摘要：

為研究固化疏浚土在氯化鈉侵蝕環境下的工程特性，以上海市南匯東灘某吹填場地的黏質粉土為試驗土料，摻入自制固化劑制備固化疏浚土試塊，進行氯化鈉浸泡試驗，研究氯化鈉初始質量濃度和浸泡齡期對試塊抗壓強度的影響。采用掃描電鏡拍攝試塊表面微觀結構照片;采用Image-Pro?Plus?（IPP）圖像處理技術結合MATLAB分析程序得到與顆粒和孔隙相關的微觀結構參數;基于分形理論，研究氯化鈉初始質量濃度、分形維數和抗壓強度三者之間的宏微觀關聯。結果表明：試塊的抗壓強度隨著氯化鈉初始質量濃度和浸泡齡期的增長而增長;氯化鈉初始質量濃度的增加會引起分形維數的變化，進一步影響試塊的宏觀抗壓強度，三者之間存在內在的定量關聯。

關鍵詞：

固化疏浚土;?氯化鈉侵蝕;?抗壓強度;?微觀結構;?分形維數

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A

收稿日期：?2018-06-11

修回日期：?2018-09-26

基金項目：?國家自然科學基金（41772273，?51609135）;上海市科技創新行動計劃

地方院校能力建設項目（19040501800）

作者簡介：

史旦達（1979—），男，浙江舟山人，教授，博導，博士，研究方向為海洋巖土工程、海洋資源開發利用，

（E-mail）ddshi@shmtu.edu.cn

Macro-micro?mechanical?property?test?of?solidified?dredged

soil?under?sodium?chloride?erosion?environment

SHI?Danda1，?WANG?Cunshi2，?LIU?Wenbai1，?SHAO?Wei1

（1.College?of?Ocean?Science?and?Engineering，?Shanghai?Maritime?University，?Shanghai?201306，?China;

2.College?of?Environment，?Hohai?University，?Nanjing?210098，?China）

Abstract：

In?order?to?study?the?engineering?characteristics?of?solidified?dredged?soil?under?sodium?chloride?erosion?environment，?the?solidified?dredged?soil?specimen?was?prepared?by?adding?the?self-made?curing?agent?into?the?test?soil?（i.?e.?clay?silt?from?a?hydraulic?filling?site?in?Nanhui?East?Shoal，?Shanghai），?and?the?sodium?chloride?immersion?test?was?carried?out?to?study?the?effects?of?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration?and?the?immersion?age?on?the?compression?strength?of?the?specimen.?The?surface?microstructure?of?the?specimen?is?captured?using?the?scanning?electron?microscope，?and?the?microstructure?parameters?related?to?particles?and?pores?are?obtained?by?Image-Pro?Plus?（IPP）?image?processing?technique?and?MATLAB?analysis?program.?Based?on?the?fractal?theory，?the?macro?and?micro?correlation?among?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration，?the?fractal?dimension?and?the?compression?strength?is?studied.?The?results?show?that：?the?compression?strength?of?the?specimen?increases?with?the?increase?of?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration?and?the?immersion?age;?the?increase?of?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration?causes?the?change?of?the?fractal?dimension?and?further?affects?the?macroscopic?compression?strength?of?the?specimen，?and?there?is?an?internal?quantitative?correlation?among?the?three.

Key?words：

solidified?dredged?soil;?sodium?chloride?erosion;?compression?strength;?microstructure;?fractal?dimension

0?引?言

圍海造陸是當前疏浚土資源化利用的重要途徑，而天然疏浚土含水量高、壓縮性強、承載力低，需要經過地基處理或者快速固化處理后才能滿足工程建設需求。來自海洋的疏浚土在固化成陸過程中會受到海水的侵蝕，這種侵蝕包括氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕以及堿-骨料反應[1]。海水中最主要的組分為鹽類，其中氯鹽含量最高，約占35%[2]，因此開展氯鹽侵蝕環境下固化疏浚土的宏微觀力學特性研究對于保障吹填土場地上的工程建設安全具有重要實踐意義。

針對氯離子侵蝕環境下固化土的力學特性：柴壽喜等[3]采用室內試驗研究了含鹽量與石灰固化鹽漬土力學特性之間的關系，發現石灰固化鹽漬土的無側限抗壓強度和抗剪強度隨含鹽量的增加而降低，且固化土試樣浸水與不浸水情況下的無側限抗壓強度的差異越來越小;范禮彬等[4]研究了氯鹽含量對水泥固化土無側限抗壓強度的影響，研究發現，隨著氯鹽含量的增加，水泥固化土的無側限抗壓強度和變形模量降低，應力應變曲線由脆性破壞向塑性破壞轉化，但水泥固化土變形模量與無側限抗壓強度的比值與氯鹽含量的多少并無明顯關系;劉東峰[5]分析了氯化鈉和氯化鎂侵蝕環境下水泥固化土的無側限抗壓強度，結果表明，在浸泡過程中鈉離子、鎂離子、氯離子的活躍度依次減小，氯離子的侵蝕效果主要取決于CaCl2·6H2O晶體的生成量;ZHANG等[6]研究了氯化鈉含量對低塑性黏土干縮特性的影響，研究表明，氯化鈉含量對黏土的干縮特征曲線影響不大;SALDANHA等[7]分析了氯鹽含量

對粉煤灰-電石渣混合料抗壓強度的影響，研究發現，氯化鈉含量的增加能顯著提高該混合料的抗壓強度。

除了以上宏觀特性分析外，研究者們還利用掃描電鏡（scanning?electron?microscope，?SEM）等設備從微觀層面分析固化疏浚土的微觀結構特征。例如：張華杰等[8]基于SEM對氯化鈉浸泡后的水泥土試塊的微觀結構進行了研究，發現氯離子侵蝕齡期對水泥土微觀結構的變化具有重要影響，并通過回歸分析建立了抗剪強度-微觀結構分析模型;查甫生等[9]研究了水泥固化鉛污染土在氯化鈉侵蝕環境下的力學特性及其微觀結構，研究表明，氯化鈉的侵蝕時間越長，試樣的顆粒排列越趨于致密規則;史旦達等[10]采用SEM聯合Image-Pro?Plus（IPP）圖像處理技術，基于分形理論，探討了固化疏浚土試樣微觀結構與宏觀強度、變形特性之間的定量關聯，也為本文的研究提供了先期條件。

綜上所述，目前關于氯離子侵蝕環境下固化土宏觀特性的試驗研究成果較多，而在微觀結構分析方面積累的成果相對較少，特別是關于宏微觀關聯的定量研究更是十分缺乏。鑒于此，本文以上海市南匯東灘典型疏浚吹填土為試驗材料，采用自制固化劑制備固化疏浚土試樣，研究氯化鈉侵蝕環境下固化疏浚土的宏觀抗壓強度，重點分析氯化鈉初始質量濃度和浸泡齡期對抗壓強度的影響及其規律。在此基礎上，采用SEM并結合IPP圖像處理技術，提取與顆粒、孔隙和顆粒表面起伏相關的微觀結構

分形維數（以下簡稱“分維數”），探討氯化鈉侵蝕下固化疏浚土微觀結構與宏觀強度之間的宏微觀關聯。

1?試樣制備及試驗方案

1.1?試樣制備

試驗土料取自上海市南匯東灘某吹填場地，場地具體位置見圖1。

吹填土樣取自表層0～1?m土層范圍內。按照《土工試驗方法標準》（GB/T?50123—1999）[11]，采用比重瓶法、液塑限聯合測定法、固結快剪法、側限壓縮等試驗方法對土樣的主要物理力學指標進行了測定，具體匯總于表1，土樣定名為“黏質粉土”。

自制固化劑主要由膠結物和激發劑組成，由于疏浚土天然含水量較高，所以其中還摻加了少量石灰，用來改善砂漿的保水性。激發劑主要由木質素組成，木質素是由聚合的芳香醇構成的一種復雜酚類聚合物，能減小雙電層厚度及絮凝作用，而且可以促進固化劑水化產物的膠凝和結晶，加快疏浚土樣的固化速度。

由文獻[12]可知，10%（質量比）左右的水泥摻量可使固化疏浚土試塊表現出較強的抗侵蝕性。本文試驗中考慮到固化劑中除水泥外還含有其他膠結物，故而將固化劑摻量設計為8%（質量比）。試塊制備時，將固化劑與天然疏浚土按所需質量分別稱取后，倒入攪拌機機箱中，加入一定質量的水，由攪拌機充分攪拌后，得到固化劑與黏質粉土的混合漿液。混合漿液制備完成后，開始制作立方體固化疏浚土試塊，試塊尺寸為70.7?mm×70.7?mm×70.7?mm，共100件，靜置24?h后拆模。拆模后的試塊再逐批次放入水泥標準養護箱進行養護，養護條件為溫度（20±2）?℃、相對濕度90%，養護時間為28?d。

氯化鈉采用天津市鼎盛鑫化工有限公司生產的氯化鈉分析純，其中NaCl含量不少于99.5%，pH為5.0～8.0。浸泡裝置為PVC塑料浸泡箱，尺寸為330?mm×250?mm×130?mm，每個浸泡箱中放置3個固化疏浚土試塊。浸泡時，氯化鈉溶液需沒過試塊頂部5?cm左右，試塊的浸泡狀態見圖2。

1.2?試驗方案

氯化鈉溶液初始質量濃度分別取1.5、3.0、6.0?g/L，每種初始質量濃度下設計的浸泡齡期又分別為7、14、28?d。為與氯化鈉浸泡試塊進行對比，還設計一組氯化鈉初始質量濃度為0的清水浸泡試驗。浸泡開始后，每隔1?d測定一次氯離子質量濃度，氯離子質量濃度測定方法參照硝酸銀滴定法（GB?11896—1989）[13]進行。達到浸泡齡期后，取出試塊，采用電液式壓力試驗機對試塊進行無側限抗壓強度試驗，加載速率為1?kN/s。

參照《土工試驗方法標準》（GB/T?50123—1999）[11]，采用TST-55型滲透儀測定固化疏浚土的滲透系數，結果為10-7～10-5?cm/s;當固化劑摻量為8%（質量比）時，從試驗開始到14?d養護齡期內，試塊的滲透系數下降明顯，14?d后試塊的滲透系數逐漸趨于穩定。因此，選取不同氯化鈉初始質量濃度、浸泡齡期為14?d的試塊進行SEM測試。選取Tescan?Mira3型場發射SEM。SEM測試時，先將測試土樣經烘干機干燥后切塊，切塊大小為18?mm×18?mm×18?mm，測試前暴露出試塊新鮮表面以獲取清晰的微觀結構圖像照片。每個試樣表面選取3個測試點，每個測試點拍攝6張圖像，圖像放大倍數為8?000倍。

2?宏觀力學特性分析

2.1?抗壓強度變化規律

圖3給出了不同氯化鈉初始質量濃度、不同浸泡齡期下固化疏浚土試塊的無側限抗壓強度（簡稱“抗壓強度”）變化規律。分析圖3可得幾點規律：（1）相同氯化鈉初始質量濃度下，隨著浸泡齡期的增加抗壓強度明顯增加;對于4種氯化鈉初始質量濃度0（清水）、1.5、3.0、6.0?g/L，相對于7?d浸泡齡期，當浸泡齡期增加至28?d時，試塊抗壓強度分別提高13.23%、17.22%、16.95%、17.45%。（2）相同浸泡齡期下，試塊抗壓強度隨著氯化鈉初始質量濃度的增加而增加，以浸泡齡期28?d為例，當氯化鈉初始質量濃度從0增至6.0?g/L時，試塊抗壓強度可提升17.17%。

圖4給出了經氯化鈉浸泡后固化疏浚土試塊的表面照片。對試塊表面特征進行觀察可以發現，氯離子與固化疏浚土試塊中的水化產物氫氧化鈣發生了化學反應，在試塊表面生成了氯化鈣結晶水合物（CaCl2·6H2O晶體），這種晶體會填充至疏浚土試塊的孔隙中，對試塊抗壓強度的提高起促進的作用。

2.2?氯離子質量濃度監測結果及分析

圖5給出了3種氯化鈉初始質量濃度下溶液中氯離子質量濃度隨時間變化的規律。分析圖5可知，無論何種初始質量濃度，隨著浸泡齡期的增加，溶液中的氯離子質量濃度均逐步降低，以氯化鈉初始質量濃度6.0?g/L為例（圖5c），溶液中氯離子的初始質量濃度為3.64?g/L，當浸泡齡期分別達到7、14、28?d時，溶液中氯離子質量濃度分別降為2.81、2.38、1.83?g/L，與初始值相比分別降低22.80%、34.62%、49.73%。此外，氯離子質量濃度降低的幅度與氯化鈉初始質量濃度也存在一定關聯，初始質量濃度越高，降低的幅度越顯著。

溶液中氯離子質量濃度的降低可理解為氯離子逐步遷移至固化疏浚土試塊中，并與試塊中的水化產物氫氧化鈣發生化學反應生成了CaCl2·6H2O晶體。如前文分析可知，CaCl2·6H2O晶體有助于試塊抗壓強度的提高。因此，隨著浸泡齡期的增加，溶液中氯離子質量濃度的降低（也即氯離子遷移至固化土試塊中）與試塊抗壓強度的提高之間的規律是相互吻合的。

3?微觀結構分析

3.1?微觀結構參數及宏微觀關聯

圖6給出了不同氯化鈉初始質量濃度下浸泡14?d后固化疏浚土試樣表面的SEM圖像。采用IPP圖像處理技術和MATLAB分析程序對SEM圖像進行定量分析，計算得到試樣表面顆粒的數量、平均面積和平均粒徑以及孔隙的數量、平均面積和平均孔徑等微觀結構參數，結果見表2。

分析圖6可知，氯化鈉侵蝕會影響固化疏浚土試塊表面顆粒和孔隙的形態及排列方式。當用清水

浸泡時（圖6a），試塊表面的顆粒和孔隙都較為明顯，顆粒大小不一，相互堆疊且不成體系，孔隙尺寸中等。隨著氯化鈉初始質量濃度的增加，顆粒平面排列更緊密，顆粒間結合程度更好，說明氯化鈉侵蝕后土體的結構更為密實。

分析表2可知：隨著氯化鈉初始質量濃度的增加，顆粒和孔隙的數量逐漸增加，但孔隙的平均面積和平均孔徑均逐漸減小，這表明經氯化鈉溶液浸泡后，土體的微觀結構發生了改變，部分孔隙被生成的CaCl2·6H2O晶體填充并形成了新的顆粒;顆粒的平均面積和平均粒徑的增大可以解釋為在固化及侵蝕過程中，新生成的水化產物及晶體凝結在一起，形成密集的顆粒團;同時，伴隨晶體顆粒的生成，試塊中的孔隙被凝結的顆粒分散隔離開，微小孔隙的數量增多。

圖7給出了經氯化鈉溶液浸泡后固化疏浚土試樣表面微觀結構參數與氯化鈉初始質量濃度之間的關系。由圖7可知：氯化鈉初始質量濃度的提高與顆粒（孔隙）數量的增多以及顆粒平均面積、平均粒徑的增大呈現出良好的線性關系;氯化鈉初始質量濃度的提高與孔隙平均面積和平均孔徑的減少也呈現出的良好線性關系。以上線性擬合的相關系數R2均大于0.9。

圖8給出了經氯化鈉溶液浸泡后固化疏浚土試樣表面微觀結構參數與抗壓強度之間的關系。由圖8可知：宏觀抗壓強度與試樣微觀結構之間存在內在關聯，抗壓強度的提高主要體現在顆粒數量的增長以及顆粒平均面積的增大，與之相對應，孔隙的平均面積和平均孔徑逐漸減小;微觀結構參數與宏觀抗壓強度之間呈現出較好的相關性。

3.2?分形維數分析

土體的微觀結構具有分形特征，運用分形理論分析土體微觀結構變化具有重要意義[14]。土體微觀結構的分維數主要包括：粒度分維數Dps、孔徑分維數Dbs、顆粒分布分維數Dpd、孔隙分布分維數Dbd和顆粒表面起伏分維數Dpr。

將圖6不同氯化鈉初始質量濃度的試樣表面微觀結構SEM圖像導入IPP軟件，經二值化處理后對圖像的高光和陰影部分進行測量及分析，利用自編MATLAB程序計算得到5個分維數的具體數值，見表3。