河道淤泥氣泡混合土強度發揮及微觀機理分析

陳生健，顧歡達

（1.吳江區審圖中心，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州科技大學，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

近年來，為清淤產生的河道淤泥尋求低成本、高效的綜合有效利用方式是目前在積極探索的課題。例如，處于江南水網地區的蘇州市，2017—2018 年對市區48 條河道實施清淤，產生的河道淤泥超過100 萬m3。利用河道淤泥自身的高含水率特征，制備具有流動特性的混合土用于填土工程或工程上某些特殊區域，顯示出良好的工程適用性。丁佩民等[1]研究了水泥固化處理后的河道淤泥用作工程填料的工程性質，顧歡達等[2]研究了河道淤泥輕質化處理及其工程性質。趙全勝等[3]對淤泥中摻入水泥、粉煤灰、水以及氣泡制成的氣泡混合土用于控制橋頭軟土路基沉降的適用性進行了研究。蘇奇等[4]研究了氣泡混合土在浸水環境下物理力學性質及變化規律。

隨著現代圖像及數值分析技術的進步，對于土中微孔結構分布已可實現定量化數值分析。例如，常防震等[5]應用微觀分析技術，分析了黏土變形的微觀特性和機理，Dudoignon P[6]研究了土體在剪切過程中微觀特征變化規律，周翠英等[7]提出利用孔隙率、孔隙平均面積、微孔數量等微觀結構特征參數分析土體剪切破裂面微觀結構特征參數與抗剪強度之間的相關關系，管文[8]利用微結構分析技術研究了泡沫混凝土物性與微孔結構特征之間的相關關系。

利用微觀分析技術對河道淤泥氣泡混合土內部的微孔分布特征進行分析，不僅可以幫助了解氣孔分布特性對河道淤泥氣泡混合土強度發揮的影響及破壞機理，而且可以進一步作為改進混合土制備工藝、提高混合土質量的理論依據。

1 原料及試驗方法

1.1 試驗原料及配合比設計

試驗中所用原料土取自蘇州市內某河道的沉積淤泥，取回的原料土先用4.75 mm 網篩過篩去除淤泥中的雜質。依據JTG E40—2007《公路土工試驗規程》，試驗得到原料土塑性指數Ip=15.7，液性指數IL=1.67，孔隙比e=1.66，顆粒級配曲線見圖1，其余指標見表1。試驗結果顯示，原料土以細粒土為主，依據上述規程土的分類原則，原料土屬于高含水率、處于流塑狀態的粉質黏土。

圖1 淤泥的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of sludge

表1 原料土的物理性質指標Table 1 The physics parameters of raw soil

根據蔡明智等[9]的研究結果，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、發泡劑含量等。為此，設計表2 所示配比方案，主要考慮固化劑摻量及氣泡摻量的影響。固化劑使用P.O 32.5 普通硅酸鹽水泥，發泡劑為動物蛋白類復配發泡劑。先將原料土加水解泥攪拌均勻，然后加入按表2 稱量的固化劑和利用發泡裝置產生的泡沫，將其加入泥漿中繼續攪拌均勻形成料漿，制備完成的料漿分層裝入直徑3.8 cm、高度7.6 cm的圓柱形模具，置入標準養護室養護，24 h 后脫模，脫模后再繼續放入養護室養護至28 d。配比方案中原料土的調整含水率為110%，固化劑與泡沫均以與原料土干土質量比設定的摻入比計算確定摻量。在表2 所示配比方案中，每個配合條件分別制作6 個試樣，其中3 個用于圖像分析，其余3 個用于強度試驗。

表2 配合比設計Table 2 Design of mix proportion

1.2 強度試驗

對經28 d 標準養護的試樣進行無側限抗壓強度試驗，試驗速率為1.0 mm/min，試驗過程中記錄荷載及變形量，獲得無側限條件下的應力-應變曲線并根據曲線確定抗壓強度及相應的應變值。

1.3 數字圖像分析

為保持所攝圖像的準確性及統一標定尺度，攝像時在被攝物與鏡頭之間設定20 cm 的固定距離，同時將所設定的標尺換算成數字圖像中像素尺度以便于對圖像中的微孔尺度進行數字化計算與分析。圖像的數字化分析利用ImageJ 數字圖像分析軟件對所攝圖像進行數字化處理，圖像處理與分析過程包括灰度轉化、圖像平滑和銳化處理、噪聲和陰影去除等；為定量分析圖像中的微孔構造特征，需要將經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。利用分析軟件對圖像進行分析計算后，可以獲得所攝圖像范圍內包括微孔平面形狀、周長、面積等物理參數，對這些參數做進一步統計分析，即可完成所攝圖像范圍的微孔物理狀態的定量分析工作。

2 微觀特征分析

2.1 微孔分布特征分析

由于顯示的微孔在平面形態基本上呈不規則形，為便于分析比較，對圖中每個微孔均按面積等效原則轉換成圓形，其直徑定義為微孔等效直徑d，按式（1）進行換算：

式中：A 為單個微孔面積，mm2。

對圖像中每個微孔均按式（1）換算成面積等效的圓孔后，微孔等效孔徑從小至大均有分布，為進一步對氣泡混合土中微孔分布特征進行定量分析，將微孔按等效直徑分類統計，由于大部分微孔孔徑較小，微孔孔組按如下方法分組：d約0.01 mm 孔組、0.01 mm臆d約0.06 mm 間微孔按0.01 mm 級差分為5 個孔組、0.06 mm臆d約0.2 mm 間微孔按0.02 mm 級差分為7 個孔組、0.2 mm臆d臆1.0 mm 間微孔按0.2 mm 級差分為4 個孔組、d躍1.0 mm 孔組。對圖像范圍內按上述孔組分類方法對每個孔組進行統計，可以獲得各孔組的微孔數量與每個微孔的面積，為便于分析，定義每個孔組的微孔總面積除以該孔組微孔數量為該孔組的平均等效孔徑。由于并不能確定每個圖像所設定的范圍完全一致，在分析不同孔組微孔數量或面積時均按相對于設定范圍內微孔總數或微孔總面積的百分比進行比較分析。

圖2 為2豫氣泡摻入比條件下孔組微孔數量與面積百分比分布圖形（不同氣泡摻入比條件下孔組微孔數量與面積百分比分布趨勢基本一致）。根據孔組微孔數量分布可以看出，微孔數量分布百分比呈比較明顯的兩個峰值，即等效孔徑0.06~0.08 mm 與0.20~0.40 mm 兩個孔組的占比明顯大于其他孔組，且前者峰值明顯高于后者，即孔徑較小微孔數量上占比更大。其次，觀察不同孔組的微孔面積分布，單孔面積較大的0.20~0.40 mm 孔組面積占比較大，而單孔面積較小的0.06~0.08 mm孔組面積占比相對較小。從圖中還可以發現，等效孔徑更大的孔組雖然數量較少，但孔組面積占比較大，原因在于在氣泡混合土制備過程中，相距較近的氣泡由于攪拌撓動影響可能發生串泡而形成較大孔徑氣孔。但此類微孔在氣泡混合土中的分布與數量不確定性較強，在氣泡混合土中的微孔分布上并不具有代表性。

圖2 2%氣泡摻入比微孔孔組分布Fig.2 The micro pore group distribution with 2%foam mixing ratio

根據上述微孔分布特征分析，可以認為河道淤泥氣泡混合土中從數量或面積上占優勢的具有代表性的微孔為0.06~0.08 mm 與0.20~0.40 mm 兩個孔組，該兩個孔組在土中的分布會對混合土的性質產生較大影響，在此將該兩個孔組作為特征孔組，并根據此特征孔組的變化規律進一步對河道淤泥氣泡混合土的微觀機理進行分析。為方便起見，分別將0.06~0.08 mm 孔組定義為孔組1、0.20~0.40 mm 孔組定義為孔組2。

2.2 相關因素對微孔分布的影響

對河道淤泥氣泡混合土工程性質影響比較明顯的主要因素有氣泡摻量及固化劑摻量。

對于氣泡摻量對河道淤泥氣泡混合土微觀結構的影響，從圖3 可以看出，隨著混合土中氣泡摻量的增加，孔組1 數量占比呈減少趨勢，而孔組2 數量占比呈增加趨勢，此結果說明隨氣泡摻量的增加，氣泡在土中形成的微孔主要以孔徑較大的孔組2 微孔形式出現，導致孔組2 微孔占比增大，孔徑較小的孔組1 微孔占比降低。

圖3 微孔孔組與氣泡摻量關系Fig.3 Pore group versus foam amount

圖4 為35豫水泥摻量條件下孔組微孔數量及面積百分比分布。與圖2 所示結果類似，在改變水泥摻量的情況下，河道淤泥氣泡混合土中微孔數量占比仍以孔組1 及孔組2 微孔呈比較明顯的峰值。結合圖5 所示結果可以看出，孔組1 微孔面積占比在水泥摻量增加的情況下變化不大，孔組2 微孔面積占比雖然在水泥摻量35%時離散性較大，但總體上呈減小趨勢。通常，在水泥摻量增加的情況下，固體顆粒間的水化生成物增加，對孔隙的填充作用使部分孔隙孔徑減小，其結果是使得孔組2 微孔數量及微孔總面積占比降低。

圖4 35%水泥摻量微孔孔組分布Fig.4 Micro pore group distribution with 35%cement content

圖5 微孔孔組與水泥摻量關系Fig.5 Pore group versus cement content

3 微孔分布與強度發揮的相關性

河道淤泥氣泡混合土作為工程填料，通常主要關注的是其強度及剛度特性，圖6（a）結果顯示，在一定水泥摻入比條件下，孔組1 微孔面積占比與無側限抗壓強度基本上呈正相關趨勢，而孔組2 微孔面積占比與無側限抗壓強度則明顯呈負相關趨勢。此結果說明，較大孔徑孔組2 微孔數量或面積占比越大，表示土中孔隙體積越大，尤其是分布在氣泡混合土內部的大孔隙往往會成為土體內的薄弱部位，對土骨架的削弱作用明顯，導致氣泡混合土強度降低。

圖6 微孔孔組與無側限抗壓強度關系Fig.6 Pore group versus unconfined compressive strength

根據對試驗結果的分析可知，通過在土中摻入氣泡達到減小土體自身密度的同時，也會由于土中大量孔隙的存在而削弱土骨架使得土體強度降低。為此，如果要達到盡可能降低這種削弱效應，在制備氣泡混合土的過程中，在盡可能減少大孔徑氣孔數量的同時，提高孔徑分布均勻程度及提高小孔徑氣孔數量或面積的占比。

圖6（b）表示為氣泡摻入比不變，在不同水泥摻入比條件下無側限抗壓強度與微孔分布特征參數間的相關關系。可以看出，改變水泥摻入比使氣泡混合土強度發生了變化，但等效孔徑較小的孔組1 微孔面積占比并沒有隨強度改變發生較明顯的變化，而等效孔徑較大的孔組2 微孔面積占比隨強度的增大呈減小趨勢。此結果說明，改變氣泡混合土中的水泥摻量，主要影響等效孔徑較大的微孔分布，在水泥摻量增大，產生水化物更多的情況下，水化物的填充效應使原較大孔徑微孔尺度減小，從而使得原微孔分布特征發生改變，較大孔徑微孔數量及面積均會減少，由于原較大孔徑微孔改變為較小孔徑微孔，使得較小孔徑微孔面積占比變化不大。

由于河道淤泥氣泡混合土的強度與剛度密切相關，通常強度越大剛度也隨之增大。圖7 即顯示為河道淤泥氣泡混合土無側限抗壓強度qu與變形模量E50之間的關系，圖示關系顯示兩者基本呈線性關系，若按線性回歸方式進行處理，兩者之間基本符合式（2）關系：

圖7 變形模量與無側限抗壓強度關系Fig.7 Deformation modulus versus unconfined compressive strength

4 結語

結合微觀分析方法及力學試驗對河道淤泥氣泡混合土的強度發揮及其微觀機理進行了研究，得到的結論主要有以下幾個方面：

1）河道淤泥氣泡混合土中在數量及總面積上占優勢的微孔主要為等效孔徑0.06~0.08 mm 與0.20~0.40 mm 兩個孔組，該兩個孔組在土中的分布將直接影響混合土的工程性質。

2）增大氣泡混合土中氣泡摻量雖有利于混合土的輕量化，但也易于導致較大孔徑氣孔數量及面積占比增大，在削弱土骨架的同時也易于在土體內部形成薄弱環節，使得氣泡混合土強度或抵抗變形能力降低。

3）混合土中水泥摻量增加，其水化生成物產生的填充效應主要影響氣泡混合土中較大孔徑的分布特征，較大孔徑微孔數量及面積占比均會降低，在減小孔隙體積的同時提高了氣泡混合土內部的膠結能力，氣泡混合土的強度得以提高。

4）在滿足氣泡混合土輕量化要求的前提下，若要提高混合土的強度與剛度等工程性能，則需要通過優化發泡劑及改進混合土制備工藝，盡可能增加小孔徑氣泡數量，減小大孔徑氣泡的數量及尺度，盡可能使小孔徑氣泡均勻分布在混合土內部以減小土體中較大尺度孔隙對土骨架的削弱效應。