基于IPP分析的改良土微观特性研究

郑芝恒　高建伟

(1.唐山市交通运输局　唐山　063000;　2.西北电力设计院　西安　710075)

基于IPP分析的改良土微观特性研究

郑芝恒1高建伟2

(1.唐山市交通运输局唐山063000;2.西北电力设计院西安710075)

摘要某高速公路穿越泥岩地层，该地层泥岩风化程度高，直接作为路基填料填筑时，易产生路面鼓包、路基不均匀沉降、承载力不足等工程问题，严重威胁道路运输安全。为了消除泥岩风化路基土的不良特性，采用了石灰、粉煤灰、水泥对泥岩风化路基土进行室内改良试验研究。利用电子显微镜观察改良土微观结构，并应用IPP软件提取SEM中改良土体微观参数，研究分析泥岩改良土的微观改良机制，与改良土改良效果试验对比，分析3种改良剂改良效果。结果表明，石灰改良土的孔隙比降低，孔隙改良效果明显；粉煤灰改良土整体的孔隙比与素土基本持平；水泥改良土孔隙改良效果差，但是孔隙中生长了大量的钙矾石，使得水泥改良土的宏观强度性质有较大提高。

关键词改良土IPPSEM改良机制

某高速路所经泥岩地层物理风化程度高，产生大量崩解、脱落、解体的泥岩岩屑颗粒，矿物成分及含量并未发生显著改变，其中伊利石与蒙脱石等膨胀性矿物含量并未改变；相反，由于风化作用形成的黏土物质在水作用条件下更易发生积聚而产生膨胀性。因此，直接将风化剥离的岩屑或黏土聚集物用于路基填筑，会产生路面鼓包、路基不均匀沉降、承载力不足等工程问题。但由于路基填料缺乏、节省工程造价等原因，路基填筑一般采用就地取材。因而开展泥岩改良土的研究十分必要[1]。

现今诸多学者对土体微观研究用PhotoShop，Arcinfo，Matlab等软件对SEM图像做定量研究，但是此类软件存在自动化程度低、统计分析功能差、定量分析功能少等不足，对土壤SEM图像中的土壤颗粒、孔隙的参数提取及分析不便[2-4]。IPP(Image-Pro Plus)图像分析软件是由美国Media Cybernetics公司研究开发，具有强大的2D和3D图像处理、分析功能，是Image-Pro软件系列中功能最强大的成员之一。IPP丰富的测量和定制功能使得该软件广泛应用于医学、生物学、工业等领域的科学研究。因此,本文利用IPP提取改良土SEM图像中的微观参数,分析改良剂改良机理,对比改良效果。

1改良试验

1.1　试验土样及改良剂

试验土体选自某高速路段的泥岩风化物,经室内一系列土工试验得土体基本物理性质指标,见表1。

表1　泥岩风化物物理性质指标

试验中土体改良剂分别选用石灰、粉煤灰、水泥3种，经化学成分分析，3种改良剂指标见表2、表3、表4。

表2　石灰化学成分含量

表3　粉煤灰化学成分含量

表4　水泥化学性质指标

1.2　SEM测试样品制备

改良土制样前，先将改良剂风干，并将土样放入烘箱烘干一昼夜。制样时，水和改良剂按质量掺比、含水率比称取质量，见表5，快速搅拌均匀，闷样24 h，采用静压法制成体积为60 cm3的环刀样，利用液氮冷冻技术，对试样进行脱水处理，按电镜扫描样品要求制成扫描试样。其中，水泥改良土制样过程中，水泥作为改良剂应在静压成样前迅速与含水土体搅拌均匀，并迅速静压成环刀样。

表5　改良土掺比指标

2改良土SEM图像分析

图1所示为素土和3种改良土在电子显微镜下1 200倍的SEM图像，图像清晰地显示了各改良土的改良效果。图1a)素土图像中土颗粒呈片状，结构松散、孔隙大；图1b)石灰改良土中土颗粒呈片状，改良效果明显，土体变密实，孔隙大幅减小。石灰改良土的改良机理有离子交换作用、絮凝作用、碳化作用和胶结作用等，主要是石灰成分中的CaO，MgO与土颗粒之间发生反应，分解的Ca2+，Mg2+与Na+，K+离子的交换，或是与空气中的CO2反应使土颗粒碳化；图1c)粉煤灰改良土中土颗粒片状图像不明显，粉煤灰的胶球状胶结作用明显，这是因为粉煤灰中活性硅和活性铝的含量较高，易生成稳定的水化硅酸钙和水化铝酸钙，即微珠效应，能够改善拌和物的和易性，使土颗粒易于密实。粉煤灰的改良作用主要有离子交换作用、絮凝作用及硬凝反应等，提高土体强度；图1d)水泥改良土中土颗粒不再呈片状,胶结作用使得土颗粒呈团粒状，孔隙间钙矾石生长明显,这主要是由于水泥改良作用中的水化反应和胶结作用，使得碳酸盐和铝水化合物胶结、脱水、结晶,改变土体性质，土体孔隙中大量生长针状钙矾石,提高土体水稳定性和强度[5-9]。

a)素土SEM图像b)石灰改良土SEM图像c)粉煤灰改良土SEM图像d)水泥改良土SEM图像

图1素土与改良土1 200倍SEM图像

3测试样品SEM图像参数提取

利用IPP提取测试样品SEM图像参数时，需执行阈值处理，采用图像重合法及多人多次的目视分割法确定阈值。图2素土SEM图像中深色区域表示孔隙，使用右侧对话框中的拖动条改变阈值，对比原图像，直至得到最佳分割效果[10]。

图2　素土SEM图像阈值选取

对于孔隙密集区域，孔隙自动分割出现误差，可在自动分割的基础上采用人工分割法，对自动分割的孔隙进一步分割或融合，提高图像分割精度。

IPP图像处理软件对于孔隙的特征参数可自动提取，IPP提供了40多种几何、形态特征参数，包括孔隙面积、孔隙数、圆度、孔隙直径等，根据研究需求在对话框中选取，见图3。

图3　素土SEM图像统计类别

根据冯晓腊等对土体孔隙的分类[11]，结合IPP统计的孔隙直径对素土SEM图像中的孔隙进行分类，将孔隙分为大孔隙、中孔隙、微孔隙、超微孔隙4类，并进行了伪彩色标识，见图4。

图4　素土SEM图像孔隙分类和伪彩色标识

IPP对石灰改良土、粉煤灰改良土、水泥改良土SEM图像孔隙参数的提取同素土SEM图像孔隙参数的提取相同。素土及改良土的SEM图像孔隙参数提取见表6。根据IPP提取的孔隙面积和图像面积计算素土及改良土的孔隙比。

根据SEM图像及从中提取的参数和孔隙比分析，石灰改良土较素土密实，且其孔隙比较素土孔隙比降低了16%，孔隙改良效果较好；而粉煤灰改良土主要由于粉煤灰的微珠胶结作用使土体孔隙变小，总体的孔隙比与素土孔隙比基本持平；水泥改良土使得土颗粒团粒化，土体孔隙中大量生成针状钙矾石，虽然对于孔隙的改良效果差，但是结合其他试验表明水泥改良土的强度得到明显提高。

表6　SEM图像孔隙部分参数提取表

4结语

利用IPP(Image-Pro Plus)图像处理功能对泥岩改良土的微观结构进行处理、分析，提取了SEM图像中的孔隙面积、孔隙数、孔隙直径、圆度等特征参数，并根据孔隙直径将孔隙分为大孔隙、中孔隙、小孔隙、超微孔隙4类。同时，根据SEM图像中提取的参数计算了素土及改良土的孔隙比，分别分析了各改良土的改良机制与效果。

根据各改良土SEM图像中的孔隙比得出，石灰改良土的孔隙比较素土的降低了16%，孔隙改良效果明显；粉煤灰改良土从SEM图像分析，孔隙较素土的变小，但是整体的孔隙比与素土孔隙比基本持平；水泥改良土孔隙改良效果差，但是孔隙中生长了大量的钙矾石，使得水泥改良土的宏观强度性质有较大提高。

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The Microscopic Characteristic Analysis of Red Bed

Mudstone Modified Soil Based on IPP

ZhengZhiheng1，GaoJianwei2

(1.Tangshan City Transport Department, Tangshan 063000, China;

2.Northwest Electric Power Design Institute, Xi'an 710075, China)

Abstract：One highway through the purple mudstone stratum with great weathering degree of the mudstone, it is easy to generate engineering problems such as road surface bulge, uneven settlement, and insufficient bearing capacity when it is used as subgrade filling directly, which is a serious threat to road transportation safety. In order to eliminate the bad properties of weathering mudstone soil, lime, fly ash and cement are adopted for indoor experimental study of weathering mudstone soil improvement. Using electron microscope to observe the microstructure of modified soil, microscopic parameters in SEM by IPP software are extracted, the micro mechanism of modified soil is studied, and the modified results are contrasted by three kinds of modifiers. The results show that the void ratio of lime modified soil is obviously decreased and the modified result is good. Fly ash modified soil's void ratio is almost equal to that of Prime soil. The pores of cement modified soil are not modified greatly, but make the growth of a large number of ettringite crystal in pores, the macroscopic strength properties of cement modified soil is improved greatly by the reason.

Key words:modified soil; IPP; SEM; modified mechanism

收稿日期：2015-10-17

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.038