软黏土微观结构形貌与定量分析影响因子优化

徐日庆，徐丽阳，段景川，徐新，付江山，吴晓斌



软黏土微观结构形貌与定量分析影响因子优化

徐日庆1，徐丽阳1，段景川2，徐新3，付江山3，吴晓斌3

(1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州，310058；2. 中国电建集团铁路建设有限公司，北京，100044；3. 中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁, 810007)

为了更好地了解浙江软土的微观结构，采用SEM电镜研究软黏土的微观形貌，并用统计学方法分析电镜的放大倍数和照片数对微观结构定量参数的影响。试验拍摄软黏土微观照片，对其进行的定性研究表明：试验所用的浙江软黏土是霜叶状、粒状和凝块状的土颗粒，通过多种接触形式排列成蜂窝和絮凝结构。定量研究表明：放大倍数在600~2 000倍之间时，孔隙面积率统计结果之间差异性不显著；以1 000倍放大的照片为例，给出了不同照片数对应的孔隙面积率的统计结果精度；最后分析了8张1 000倍放大的照片得到的其他微观结构定量参数。

微观结构；定性定量；电镜

黏性土的微观结构决定了土的物理、力学及其他性质，沈珠江[1]指出建立土的结构性模型是21世纪土力学的核心问题，黏土的宏观性质研究正在朝着微观结构方向发展。微观结构研究包括定性研究和定量研究两方面。扫描电子显微镜(简称SEM电镜)可以观察微米级的物质单元，在土的微观结构研究中发挥着日益重要的作用。在微观结构定性分析方面，目前比较公认的观点是：土的结构是指土粒本身的形状、大小特征，土粒在空间的排列形式、孔隙状况及粒间接触和联结特征的总和[2]。定量分析方面，施斌等[3−5]提出了定向角、定向角分布、平均形状系数和概率熵等定量参数；王清等[6−7]对土中孔隙进行了分形几何研究；高国瑞等[8−10]、LANGROUDI等[11−13]分别针对黄土、膨胀土的微观结构进行了定量分析。目前对于软黏土的定量研究还处在探索阶段，许多问题需要深入研究。比如在使用扫描电子显微镜定量研究软黏土微观结构时，放大倍数越大、照片数越多，试验结果就越能反映黏土的真实情况，然而所耗费的时间和成本也会增加。值得注意的是放大倍数和照片数增加到一定程度时对试验精度的提高意义不大，而且不同的试验对精度的要求不同，这就有必要研究这2个因子对定量参数的影响情况，以提高试验效率。本文作者以浙江软黏土为研究对象进行定性分析和定量研究，首先分析软黏土的微观结构形貌；以扫描电镜的放大倍数和照片数为影响因子，研究它们对定量参数(以孔隙面积率为例)的影响情况，并根据统计学分析给出了不同放大倍数和照片数对应的试验精度，便于试验时依据具体要求选用，具有很好的实用价值；最后给出了基于8张放大图像得到的微观结构定量参数统计结果。

1 试验

1.1 试验土样

试验土样选取了2种典型的浙江软黏土：杭州软黏土和奉化软黏土。杭州软黏土的物理指标如下：密度为2.701 g/cm3，含水率为40.86%(质量分数)，液限为44.0%(质量分数)，塑限为25.5%(质量分数)。奉化软黏土的物理指标如下：密度为2.750 g/cm3，含水率为47.91%，液限为45.1%，塑限为25.2%。

1.2 试验仪器

采用荷兰FEI公司生产的QUANTA FEG 650型场发射扫描电镜对软黏土试样进行微观结构图像采集，SEM电镜在图像采集时需解决以下问题：图像的成像模式、图像数量、放大倍数、加速电压、对比度、亮度的确定等，这些问题都会对定量研究产生影响。选择成像模式时，定性研究采用二次电子ETD探头观察形貌，定量研究采用背散射BSED探头拍摄照片。试验控制加速电压、对比度和亮度不变，以图像数量和放大倍数这两个影响因子为变量，研究测定孔隙面积率时，影响因子对定量参数的影响情况。

1.3 试验方法

对现场取来的软黏土，用细钢丝线切成尺寸(长×宽×高)约为2 cm×1.5 cm×1.5 mm的长条形土样，再将样品放到真空仪中，进行真空低温处理，并高速抽气将样品所含的水分抽干，以保持土样微观结构不变。然后取出样品在中部刻1圈深约2 mm的槽，再从刻槽的部位把土样分开，从中选择有代表性的新鲜断面，用洗耳球轻轻除去表面浮土，从而获得保持原始结构形态的土样表面。经过喷金处理后放入SEM电镜试验仓进行扫描，拍摄微观结构图像。拍照时选择有代表性的区域，拍摄的二次电子ETD图像可以进行定性分析，拍摄的背散射BSED图像可以采用Image Pro-Plus6.0软件进行图像处理做定量分析。

2 软黏土微观结构定性分析

胡瑞林等[14]通过对微观结构的研究将黏土的微观结构分为颗粒形貌、排列组合方式、孔隙性和颗粒间的接触关系。作者从这几个方面对试验软黏土的形貌特征进行分析。

2.1 软黏土颗粒形貌

图1所示为软黏土的颗粒形貌。试验软黏土颗粒形态有霜叶状、粒状和凝块状，其中霜叶状的是杭州软黏土，粒状和凝块状是奉化软黏土。图1(a)所示薄片形貌的土颗粒，边缘稍亮，像经霜冻的叶片，把这种形貌称为霜叶状。扁平霜叶状土颗粒长轴为16.6 μm，短轴为8.2 μm，面积为136.1 μm2。图1(b)所示土颗粒呈现粒状，长轴为12.9 μm，短轴为8.8 μm，面积为113.5 μm2。图1(c)所示土颗粒是由扁平体胶结而成的凝块状土颗粒，长轴为11.1 μm，短轴为8.2 μm，面积为91.0 μm2。扁平霜叶状颗粒和凝块状颗粒构成土骨架，粒状颗粒附着在土骨架上或者随机分布在空隙中。