FMLSS微观构造特征与强度相关性分析

章培培，顾欢达，陈冬青

（1.苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011；2．苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏苏州215134）



FMLSS微观构造特征与强度相关性分析

章培培1，顾欢达1，陈冬青2

（1.苏州科技学院土木工程学院，江苏苏州215011；2．苏州市恒正工程质量检测有限公司，江苏苏州215134）

摘要：通过对河道淤泥气泡混合土（FMLSS）微观构造特征的观测，考察了反映FMLSS微观构造特征的微孔分布参数的特性及其变化规律。结合不固结不排水三轴试验结果，进一步分析了微孔分布参数与FMLSS强度指标的相关性，从微观构造角度揭示了FMLSS的强度发挥及破坏机理。

关键词：气泡混合土；平均等效孔径；微观结构参数；强度参数

在我国南方地区，河流湖泊众多，长年淤积的结果，会有大量淤泥沉积下来。当河道中淤泥量达到一定程度后除了影响交通航运外，也不利于自然生态环境。为此，必须对江河湖泊进行定期清淤。根据恽文荣等[1]截止2015年的数据统计，我国仅珠江三角洲地区每年产生的河道淤泥就达到8 000万m3；江南地区河网密布，每年清淤产生的河道淤泥量数量同样不少。基于可持续发展理念，开发利用河道淤泥势在必行。目前的有效利用方式，有直接利用河道淤泥作为制砖材料[2]，或掺入水泥固化处理用作工程填料[3]，顾欢达等研究了河道淤泥轻质土的工程性质[4]。赵全胜等对淤泥中掺入水泥、粉煤灰、水以及气泡制成气泡混合土用于控制软土路堤桥头沉降进行了研究[5]。河道淤泥综合有效利用作为目前一个比较重要的课题，其他学者也就相关问题进行了较多的研究考察[6-7]。

对于河道淤泥气泡混合土（FMLSS）的研究，以往主要以常规试验方法从宏观角度对其物理力学性质进行研究。实际上，FMLSS属于一种具有多孔性微观构造特征的材料，其宏观物理力学性质必然与其微观构造特征存在密切联系。自从Terzaghi提出粘土微观结构概念开始，对于土的物理力学性质考察，尤其是强度发挥及破坏机理不再局限于宏观试验的研究，随着观测与分析技术的进步，目前对于土的微观结构分析已经进入量化分析的阶段[8]。常防震等介绍了粘土微观结构的观测技术、微观结构特征以及粘土变形的微观特性和机理[9]，P.Dudoignon研究了土体在剪切过程中微观特性变化[10]，周翠英[11]提出了利用孔隙率、孔隙平均面积、气孔数量等微观结构特征参数分析土体的剪切破裂面上微观结构参数与强度之间的关系。由于岩土的微观结构决定了其宏观特性[12]，FMLSS是在河道淤泥中掺入一定量的气泡群，使得FMLSS形成一种多孔性材料，其微孔的微观构造特征决定了FMLSS的物理力学性质。为掌握FMLSS的强度特性及破坏机理，基于FMLSS的微观构造特性进行微观构造及相应的相关性分析是十分有效的。

1　材料及试验方法

1.1试验原料及配合比设计

原料土取自苏州某河道的淤泥质土，首先用4.75 mm的网筛过筛，过滤掉淤泥中的杂质，再用搅拌机搅匀。通过室内试验得到原料土的基本物理指标，如表1所示，原料土的颗粒级配曲线见图1。由表1可知，塑性指数Ip为15.7，液性指数IL=1.67>0，孔隙比e=1.36；根据图1所示结果，该淤泥的颗粒分布以细粒土（孔径小于0.75 mm）为主，且不均匀系数Cu=5，曲率系数Cc=1.31，级配良好。根据《公路土工试验规程》（JTG E40-2007）和《公路沥青路面设计规范》（JTJ 50-2006）的规定，原料土属于含水量高、处于流塑状态的粉质粘土。

表1　原料土的物理性质指标

根据蔡明智等人对于气泡混合轻质土工程性质的分析[13-14]，对气泡混合土工程性质具有明显影响的因素主要有固化剂、轻质材料的含量和养护龄期等。由于气泡的体积难以测量，所以在控制气泡含量时称其质量，且在配合设计中所有掺入量以原料土中干土质量为标准。水泥含量指掺入到气泡混合土中水泥的质量与干土质量的比值；气泡含量指掺入的气泡质量与干土质量的比值。试验中，调整原料土的含水量为110%，标准养护条件下养护28 d后进行试验，具体配比设计如表2所示。

图1　淤泥的颗粒级配曲线

表2　配合比设计

1.2试样的制备

水采用自来水，固化剂采用32．5#普通硅酸盐水泥，发泡剂采用动物蛋白类复配型发泡剂。根据表2所示配合设计，分别按照水、水泥和气泡的顺序加入到原料土中进行搅拌至均匀后即可装入模具，模具尺寸为直径38 mm、高76 mm，每个试样至少制备3个平行样，然后置于养护室养护24 h后脱模，再将试样继续养护至试验龄期。

1.3强度试验

为了考察FMLSS的强度特性，对经28 d标准养护的试样进行三轴不固结不排水试验。试验仪采用SJ-1A三轴剪力仪，设定剪切速率为0．9 mm/min，试验数据由系统自动采集。

1.4数字图像分析方法

数字图像的提取采用α-6000型SONY相机拍摄，拍摄对象为试样的某一截面，在进行任何力学试验之前，分别取试样的1/3、2/3断面处进行拍摄，在进行力学试验后，由于破坏面与破坏面之间的摩擦使得孔隙结构残缺，因此在非破坏面处掰开的断面处进行拍摄，且所有断面均取较平整的区域进行拍摄，每个断面拍摄三张图像，且计算时取平均值。每次拍摄时相机的摄像模式及镜头与截面之间的距离保持一致，并同时做好标定，将实际的尺寸换算成数字图像中像素尺度后进行数字化处理。

粘性土的微观结构的定量研究采用数字图像处理手段。数字图像的量化分析过程是利用ImageJ数字图像分析软件对试样的截面图像进行初步处理，包括灰度图像的转化、图像的平滑和锐化处理、噪声和阴影的去除等；为了定量分析截面中气孔结构的构造特征，需将灰度处理后的图像进行二值化处理，选择合适的阈值生成二值化图像；然后选择设定的物理参数，包括微孔结构的大小、尺寸、面积等等，经过统计分析之后，即可对微孔结构进行定量分析。

2　微观结构与强度特性的相关性分析

2.1微孔分布参数定义及影响分析

图2～图4显示数字图像处理的结果，试样截面图像经二值化处理后显示不规则微孔图形和孔的轮廓线，以及微孔的分布情况。由于除了掺入的气泡形成微孔外，还有部分在成型过程中由于空气没有排出产生的气孔，而形成的狭长不规则气孔。但总体上气泡比较均匀分布于整个界面中。

利用ImageJ数字图像分析软件可以统计出在图像所示区域内微孔数量N、单个气孔面积A、气孔面积百分比含量M等反映FMLSS微孔构造特征的参数，对所有的气孔面积取平均值为气孔平均面积A。为方便对比分析，对每个不规则微孔按照圆形来进行简化处理，可根据单个面积换算成等效圆孔，其直径记为等效孔径d，所有的微孔的等效孔径取平均值为平均等效孔径，记为d。则d=（4A/π）0．5，其中，A表示单个气孔的面积。为考察微孔尺度的分布情况，定义等效孔径不均匀系数Cu、曲率系数Cc、大小气孔数量比S。则Cu=d60/d10；Cc=d230/（d10·d60）。式中，d10、d30、d60分别指小于某等效孔径的气孔数量的百分比含量分别为10%、30%、60%所对应的等效孔径的大小。S=N0．2/N0．05。N0．2、N0．05分别表示的是在图像区域中等效孔径大于0．2 mm和小于0．05 mm的气孔的数量。

图2　原始图像

图3　二值化处理后图像

图4　微孔分布情况

类比粒径成分分布曲线，可以建立微孔孔径分布曲线。以等效孔径大小为横坐标，以小于（或大于）某等效孔径微孔数量的累计百分比含量为纵坐标建立的等效孔径分布曲线。不均匀系数Cu表示的是整个图像中微孔尺寸分布的大小范围，反映微孔孔径分布均匀程度；曲率系数Cc反映微孔分布曲线的整体形态，即微孔孔径分布的连续性。Cu越大，等效孔径分布范围大，微孔分布越不均匀，曲线越平缓。而曲率系数Cc过大或过小，则表示孔径分布连续性较差。图5显示为水泥掺入量为25%时的孔径分布曲线，可以看出曲线连接比较平顺，且大部分等效孔径集中在0．02～0．2 mm之间，孔径分布比较均匀。从材料角度考察，有利于提高FMLSS材质的均匀性，从而有利于其强度发挥及减小变形。随着掺入气泡含量的增加，孔径分布曲线整体向左侧移动，即随着掺入气泡量的增加，大孔径数量趋于增大。

结合图6可知，由图5中的曲线越向左侧移动，S值越大，表示大孔径微孔数量趋于增多，而小孔径微孔数量趋于减少，且随着气泡掺入量增加，在单位土体范围内，大孔径微孔数量越多，相应地土骨架体积将会减小，从而削弱了土体结构，而不利于FMLSS的强度发挥，受载后变形增大；而随着水泥掺入量的增加，大孔径微孔数量减少，土骨架体积增大，土体结构更稳定，FMLSS强度更大。

由图7（a）和图（b）可以看出，随着气泡掺入量的增加，微孔数量呈增加趋势，且平均等效孔径也呈增大趋势，随着水泥掺入量的增加，微孔数量减少同时平均等效孔径减小。考察上述结果可以看出，保持水泥掺入量不变时，气泡含量越高的配比，试样中大气孔数量就越大，小气孔的数量越小，保持气泡掺入量一定时，水泥含量越高的配比，试样中大气孔的数量越少，小气孔的数量越多。分析上述现象，可以认为在水泥掺入量不变时，气泡掺入量越大，土体中气泡数量多，当多个小气泡相距较近时更容易联接形成更大孔径的气泡，而使得平均等效孔径增大；?而?水泥掺入量越大，气泡掺入量一定时，由于在养护期间?，水泥发生水硬凝等一系列反应，生成的??水?化物会在孔隙之间进行填充，平均等效孔径减小。气孔百分比含量、平孔径和气孔数量满足——平均等效孔径增大，气孔个数减少，但气孔百分比荷载作用下，土体更易发生破坏；而平均等效孔径越小，气孔越多，但气孔百分比含量却减小，使得土体微观构造趋于均匀，骨架体积增大，结构更稳定，有利于FMLSS的强度和刚度提高。2.2强度指标

图5　气孔分布曲线

图6　大小气孔数量比曲线

图7　微观结构参数的相关性

根据不固结不排水三轴试验结果，可以得到FMLSS强度包线，从而获得其强度指标c、φ值。图8所示的是水泥掺入量15%、气泡掺入量为0时的强度包络线图。由表3所列试验结果可以看出，水泥含量一定时，随着气泡掺入量的增大，FMLSS的粘聚力及内摩擦角均呈减小趋势，气泡掺入量每增加1%，粘聚力值减小20%～30%左右，内摩擦角值减小4%～7%左右，在水泥掺入量较低时，强度指标的变化更明显，以上结果说明掺入气泡含量的变化对FMLSS粘聚力的影响更加明显；当气泡含量一定，随着水泥掺入量的增加，粘聚力和内摩擦角也随着增加，水泥掺入量每增加10%，粘聚力增幅在0．8～2倍左右，内摩擦角增幅在30%～60%，而且在气泡掺入量较高时，粘聚力的增幅更加显著。由此可见，气泡掺入量越高、水泥掺入量越低，FMLSS的强度指标越小，而且主要对粘聚力具有显著影响。根据库伦强度理论，强度指标越小，FMLSS承受荷载及抵抗变形能力就越小。因此将FMLSS用于实际工程时，可通过调整气泡和水泥掺入量满足设计强度或变形要求。

2.3考虑加载影响的微孔分布参数变化

FMLSS受荷载作用后，内部微孔构造将发生改变。根据观察可以看出加载后FMLSS中的大孔径微孔数量减小，小孔径微孔数量增多，由此可认为是大孔径气孔在受荷载后遭到破坏，一个大气孔被挤压成两个或多个小气孔，整体的孔径分布更为均匀。微孔数量增大，气孔面积百分比、单个气孔的面积、平均等效孔径均呈减小趋势。

为定量分析加载前后微孔分布参数的变化，定义平均等效孔径的变化率R1和气孔百分比变化率R2：

图8　强度包线图

图9　微观结构参数的变化

表3　 UU试验强度指标试验结果

由以上的分析可知，微观结构参数的变化会引起强度特性的改变，图10则进一步分析了强度参数与微观结构参数的变化率之间的相关性。图10表示的是水泥含量保持在15%时，随着气泡掺入量以及加载条件的变化，强度参数与微观结构的变化规律。随着围压的增加，强度参数增大，土体结构中土颗粒表面之间的摩擦力更大，团粒之间的粘聚力更大，土体结构更稳定，所以在加载过程中，微观结构参数的变化率和就越小，土体更难破坏，FMLSS的抗变形能力就越强；相反，当强度参数越小，土颗粒之间的摩擦力和粘聚力就越小，微观结构参数的变化率就越大，FMLSS的抗变形能力就越低。

图10　 φ与R1和R2的关系

2.4微观构造特征与强度间的相关性分析

根据前述关于微观构造在不固结不排水三轴试验中的变化规律可知，微孔构造特征会直接影响土骨架结构的稳定性，从而影响FMLSS的强度发挥。图11中参数均指试验前FMLSS的特征参数，由显示结果可以看出，等效孔径越小、孔径分布越均匀而微孔数量越少的构造特征，微孔面积百分比含量就越小，孔与孔之间形成的土网络骨架越坚固，内摩擦角和黏聚力就越大，也就是土颗粒与土颗粒表面之间的摩擦越大，粘结力也越大，所以，气泡混合土的强度就越大；而等效孔径越大、孔径分布越不均匀且微孔数量越多的气孔结构，气孔面积百分比含量就越大，土颗粒之间的摩擦和黏聚力也越小，土骨架结构强度和刚度降低，土体结构容易发生变化，使得气泡混合土的强度降低。

根据图11（a）和11（b）所示结果分析，当水泥掺入量分别为15%、25%和35%时，平均等效孔径每增大0．01 mm，对应的内摩擦角分别减小1%～2%、4%～7%和3%～4%；而微孔面积百分比含量每增加2%时，对应的内摩擦角分别减小2%～4%、7%～15%和6%～12%。由此可见，与平均等效孔径的影响相比较，微孔面积百分比的变化对FMLSS内摩擦角的影响更加显著。

而图11（c）中，微孔数量对强度参数的影响恰恰与前两者相反，当气孔数量每增加500个，水泥掺量分别为15%、25%、35%时，内摩擦角的变化范围在2%～3%、5%～8%和3%～4%之间。气泡含量越高，影响越小。即微孔数量的增加，并不意味着微孔面积的增大，还得同时考虑平均等效孔径的影响，但是微孔数量增加的同时，微孔分布更加均匀，且以较小的细微孔为主，因此有利于土材料的均匀化，因此内摩擦角反而会增加。

图11　微观结构基本参数

相关的研究认为，岩土的微观结构对其宏观力学性质存在显著的控制作用。利用图像分析技术可以比较方便地得到FMLSS微孔分布特征参数，利用微孔分布特征参数与土的强度相关性分析，可以有效地揭示FMLSS强度发挥及荷载作用下的破坏机理。图12显示的是微孔分布综合特征与强度参数的相关性。根据孔径分布特征，孔径分布不均匀系数越小，气孔分布越均匀，材质的均匀性越好，内摩擦角越大；大小气孔数量比越大，微孔中大孔径微孔数量越多，内摩擦角越小，土骨架之间形成的间隙就越大，FMLSS在受到荷载后更加容易变形，但可以发现当达到一定值后的减小幅度趋缓。

图12　微观结构复合参数

3　结论

（1）利用图像处理技术获得FMLSS的微观结构特征，因此可对FMLSS的微观结构进行定量分析。通过分析微观结构与强度参数的相关性，揭示FMLSS的强度发挥特征及破坏机理。

（2）掺入气泡主要产生减小密度和改变河道淤泥气泡混合土的内部结构的作用，而掺入水泥不仅能够使得气孔结构的基本参数都减小，而且考虑到水化物的填充作用以及气孔间的土颗粒形成的团粒而引起的团粒效应，气泡混合土的土骨架强度和刚度提高，从而使得气泡混合土能够满足实际工程的需要。

（3）气泡混合土中的大气孔数量、气孔分布的均匀性都是影响强度参数的重要因素。在实际工程应用中，除了通过调整掺入材料的量来控制气泡混合土的密度、强度特性外，还应从原材料的性质考虑，比如发泡的质量，包括均匀性、含水率适中等问题，还有水泥的类型，加上施工工艺的优化等方面来提高气泡混合土中气孔结构的均匀性，从而制得更高质量的河道淤泥气泡混合土。

参考文献：

[1]恽文荣，崔健，陈玉荣.浅谈呵护疏浚淤泥资源化的研究现状与展望[J].江苏水利，2015（3）：15-17.

[2]曾瑞胜，庄建树，冯小琴，等.河道疏浚淤泥处理技术探讨[J].浙江水利科技，2002（3）：32-33.

[3]丁佩民，申刚.水泥处理的河道淤泥作为交通工程填料的工程性质试验研究[J].公路，2002（3）：82-86.

[4]顾欢达，顾熙.河道淤泥的轻质化处理及其工程性质[J].环境科学与技术，2010，33（9）：63-66.

[5]赵全胜，苏国柱，张春会.气泡混合轻质土控制软土路堤桥头沉降试验[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2010，29（2）：260-262.

[6]顾欢达，顾熙.河道淤泥的有效利用方式及其物性探讨[J].环境科学学报，2002，22（4）：454-458.

[7]赵全胜，梁小勇.气泡混合轻质土变形特性三轴试验研究[J].公路，2010（10）：174-176.

[8]魏家有，高书存，兰孝龙.土微观结构的研究综述[J].林业科技情报，2010，42（3）：120-123.

[9]常防震，陈宝，朱嵘.粘土微结构特征与变形机理研究进展[J].地下空间与工程学报，2009，5：1573-1579.

[10] DUDOIGNON P, PANTET A, CARRA L, VELDE B.Macromicrom measurement of particle arrangement in sheared kaokiniom atrices [J].Geotevhnique,2001, 24（6）：493-499.

[11]周翠英，牟春梅.软土破裂面的微观结构特征与强度的关系[J].岩土工程学报，2005，27（10）：1137-1141.

[12]管文.孔结构对泡沫混凝土性能影响的研究[J].墙材革新与建筑节能，2011（4）：23-26.

[13]蔡明智.气泡混合轻质土的特点及其应用[J].交通标准化，2010（15）：177-180.

[14]陈忠平，王树林．气泡混合轻质土及其应用综述[J]．中外公路，2003，23（5）：117-120．

通信联系人：顾欢达（1958-），男，江苏无锡人，教授，博士，从事软土地基处理原理与技术研究；E-mail：ghdgx@163.com。

（责任编辑：秦中悦）

Correlation analysis of microstructure characteristics and intensity of FMLSS

ZHANG Peipei1，GU Huanda1，CHEN Dongqing2
（1.Department of Civil Engineering，SUST，Suzhou 215011，China; 2.Suzhou Hengzheng Engineering Quality Test Co.,Ltd，Suzhou 215134，China）

Abstract：Through the observation of microstructure characteristics of the foamed mixture lightweight soil and sludge（FMLSS）in the river, the paper studied the features and the change rules of microporous distribution parameters which can show the microstructure of FMLSS.Based on the results of unconsolidated and undrained traxial test, the correlation of the microporous distribution parameters and the intensity indicators of FMLSS was further analyzed, which revealed the strength and failure mechanism from the perspective of the microstructure of FMLSS.

Key words：foamed mixture lightweight soil; he average equivalent aperture; microstructural parameter; intensity parameter

中图分类号：TU411

文献标识码：A

文章编号：1672-0679（2016）01-0048-06

[收稿日期]2015－09-25

[基金项目]国家自然科学基金项目（51378327）

[作者简介]章培培（1991-），女，江苏南通人，硕士研究生。