侵蚀环境下水泥土微观结构分析

魏 莱，陈 晓 昱

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩石力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071； 3.武汉市土地利用和城市空间规划研究中心，湖北 武汉 430014)

水泥土作为一种人工混合材料，一般是以水泥作为固化剂，通过水泥和软土之间的一系列物理化学反应而生成的具有整体性、水稳定性以及一定强度的多相化学加固体[1]，特别适合于处理高含水量、低承载力的土体。

近些年的工程实践经验已经表明，地质环境因素对岩土工程质量有着不可忽视的影响。在实际工程中水泥土加固体会接触地下各种介质，受到复杂的外部环境侵蚀。特别是溶有各种侵蚀性离子的地下水环境，将直接影响水泥土的固化反应，并可能劣化加固体的长期物理力学性质。修建在这些此地区的水泥土地基处理工程，常出现沉降量过大、承载力不足等问题。因此，分析研究水泥土在高含盐海相黏土中的强度及变形规律，对分析水泥土加固体的承载力和耐久性有着重要的意义。

现有的研究多数集中于水泥土的宏观力学行为，而未能考虑其变形和破坏中的微观结构因素。实际上，岩土体的宏观工程性质在很大程度上受其微观结构和物质组成的控制。在环境侵蚀条件下，岩土体的物理力学性质劣化可以视作其微观结构变化的集中体现。因此，从水泥土加固体的微观结构入手，分析和研究在高含盐侵蚀环境下水泥土微观结构变化规律，有助于进一步了解其宏观变形、破坏机理，从而更深刻地认识环境侵蚀对水泥土物理力学性质的影响。

1 试验设计

1.1 试件制作与侵蚀液配置

试样制作中的原状土采用砂土，其比重为2.64，含水率0.30%。水泥土固化剂采用等级42.5号的硅酸盐水泥，配置掺入比为15%。材料配制完成后使用水泥胶砂搅拌机进行充分搅拌，并装入圆柱型标准模具中。为保证装填密实，装模后在振动台上进行振实。最后将试样表面抹平，并铺上保鲜膜减少水分散失。水泥土试件养护24 h后拆模。由于初期水泥土水化反应强烈，其反应速率高于侵蚀反应，试件强度将持续增长[6-7]。所以在本试验中，试件拆模后先养护28 d，再放入侵蚀液中进行侵蚀，以减少水化反应强化作用对于环境侵蚀效果的抵消。

试验中配置氯化钠(NaCl)溶液模拟现场海水侵蚀环境，主要考虑Cl-对水泥土强度增长的影响[8]。分别配制1.5，3.0 g/L和6.0 g/L三种侵蚀浓度，同时使用清水浸泡作为对照组。将已养护28 d的水泥土试件做好标记后放置于不同浓度的侵蚀液中，分别浸泡7,14 d和28 d，以模拟水泥土桩受海水环境的侵蚀。

1.2 水泥土微观结构观测

将浸泡完成的水泥土试样敲开，选取出若干内部样品。由于水泥土材料导电性能较差，试验中通过JFC-1600溅射仪在其表面喷涂金(Au)以增强导电性[9]，处理完成后固定在Quanta 200型扫描电子显微镜的样品台上进行观测。观测中注意选取合适的扫描位置，以代表试样的整体情况。本次试验中的观测放大倍数选取400,1 000及3 000倍，以得到较为可靠清晰的水泥土微观结构图像(图1)。

图1 扫描电子显微镜及试样溅射仪Fig.1 The scanning electron microscope and the sputtering apparatus

1.3 抗压强度测试

水泥土试样完成侵蚀浸泡后，使用600 kN液压万能试验机对其进行单轴抗压试验，获取无侧限抗压强度qu考察侵蚀后的强度性质。在试样加载过程中使用应变控制加载速度，当出现试件的承载力大幅降低，变形明显加大时，即认定为破坏，停止加载并记录下试样的荷载-变形曲线。

2 水泥土微观结构分析

2.1 微观结构定性分析

2.1.1 清水试验组

水泥土试件在清水浸泡下微观结构的变化，可以反映正常水化条件下的固化反应规律。图2为清水中浸泡7,14 d和28 d的试样，图像放大倍数为3 000倍。

图2(a)中在浸泡7 d时，水泥土试样仍为单粒结构，粒间联接较弱。而随着浸泡时间的增加，试样中的小颗粒逐渐团粒化，排列更加致密并联接为整体。图2(c)中28 d时水化产物进一步包裹土颗粒，絮状水化硅酸钙强化了联接作用，构成了水泥土结构的骨架。

图2 浸泡7，14 d和28 d(清水，3000X)Fig.2 Samples dip in water for 7, 14, 28d

2.1.2 侵蚀溶液浓度1.5g/L

氯化钠浓度1.5 g/L的侵蚀环境下，可以看到图3(a)中水泥土在浸泡7 d时其微观结构产生了一定的水化固结效果，孔隙被水化产物所充填。这表明在试验初期，水泥土中水化过程仍较为强烈，超过侵蚀反应速率。再对比图3(b)中侵蚀14 d后的试样，其颗粒体积进一步增大，联结也小幅增强。说明浸泡7 d后水化反应仍在进行，但侵蚀环境减弱了其反应速率。最后28 d时水泥土结构仍略有强化，但土颗粒表面的钙矾石结晶(C-A-H)量减少。

由此认为低浓度氯化钠溶液中，侵蚀作用早期水泥土中的水化反应仍在进行，孔隙充填联结强化。而当侵蚀时间增加后，水化反应受Cl-的作用而减慢，但其速率总体上仍略大于侵蚀反应[10]。

图3 浸泡7,14 d和28 d(NaCl浓度1.5g/L，3000X)Fig.3 Samples dip in 1.5g/L NaCl for 7, 14,28 d

2.1.3 侵蚀浓度3.0g/L

氯化钠浓度3.0 g/L的侵蚀环境下，试验初期水泥土中的水化反应同样仍继续进行。对比图4(a)与4(b)中可以看到，试样在14 d时其颗粒间的孔隙被进一步充填。而图4(c)中试样在浸泡28 d时，其微观结构的进一步增强并不明显，且颗粒上的钙矾石晶体(C-A-H)也有所减少。

在中等浓度的侵蚀环境下，水泥土试样早期的水化反应速率同样是强于侵蚀反应的。但进入侵蚀试验中后期(14 d)，Cl-的侵蚀作用逐渐显现，使得试样的水化反应减弱，最终停止。在联结较弱位置水化反应还出现逆转，孔隙充填物被分解。因此水泥土在中等侵蚀浓度下，其结构先固化增强后侵蚀减弱，水化反应拐点出现在试验14～28 d之间。

图4 浸泡7,14 d和28 d(NaCl浓度3.0g/L，3000X)Fig.4 Samples dip in 3.0g/L NaCl for 7,14,28 d

2.1.4 侵蚀浓度6.0g/L

高浓度的氯化钠侵蚀环境中，水泥土微观结构从浸泡初期即开始减弱，侵蚀劣化作用超过固化加强效果(图5)。对比3种浸泡时间的试样，可以看到水泥土结构中颗联接逐渐弱化，粒径也逐渐减小，原本填充空隙的水化产物被分解。颗粒上的钙矾石晶体(C-A-H)也随浸泡时间增长而减少，说明在6.0 g/L的NaCl的高浓度侵蚀环境下，水泥土强度自浸泡初期开始即出现降低，水化反应受侵蚀作用抑制，在后期反应基本终止，宏观抗压强度表现为始终下降，且后期加速劣化。

图5 浸泡7,14 d和28 d(NaCl浓度6.0g/L，1000X)Fig.5 Samples dip in 6.0g/L NaCl for 7, 14,28 d

2.2 微观结构定量分析

由于图像中颗粒与孔隙间的灰度值有一个明显的跳变，可据此将颗粒或孔隙从背景中分割出来，进行进一步的分析与测量。下面通过图像处理软件Image-Pro Plus对侵蚀后电镜图像进行处理，定量分析水泥土微观结构参数。

首先对SEM图像进行预处理，滤除图像中的高频噪点信息，以方便下一步颗粒的分割。然后对其进行阈值(Threshold)分割，调整图像整体阈值，利用边界上灰度值的跳跃将颗粒从背景中分割出来，从而将灰度图转化为黑白二值图像，即将图像中的水泥土颗粒记为白色，孔隙记为黑色(见图6)。此后再使用形态滤镜中的分界命令(Watershed)对颗粒及孔隙进行分割，使其相接触部分分离，方便测量与计数[11]。水泥土颗粒经图像分割后，按其粒径范围进行分级，并标示为不同颜色(见图6)。岩土体微观结构的研究主体主要是颗粒和孔隙[12]，本文中选定的微观结构参数为水泥土颗粒的面积及粒径。其中对于不规则颗粒，Image-Pro Plus中的粒径定义为过颗粒形心直径的平均值[11]。

图6 图像形态学处理Fig.6 Cement-soil SEM image processing

2.2.1 水泥土颗粒面积占比

首先讨论水泥土的颗粒面积占比RA，即颗粒的总面积占扫描截面的比例，在测量中认为颗粒面积与孔隙面积之和即为扫描截面总面积。由于水泥土水化反应中生成的水泥矿物能够包裹土颗粒并填充孔隙，减小孔隙体积，所以颗粒面积比能在一定程度上反映水化反应的水平及宏观强度性质。

图7为水泥土颗粒的面积占比RA与侵蚀液浓度的关系曲线。图中28 d曲线随侵蚀浓度的提高而降低，颗粒面积占比由清水中60%以上降至约50%，说明在较长侵蚀时间下，高浓度条件下侵蚀速率更高。而7 d与14 d曲线都是先升高后降低，颗粒面积比的峰值分别出现在浓度为3.0和1.5 g/L,而后浓度提高后颗粒面积比下降。由颗粒面积比的变化规律推测，水泥土试样浸泡在NaCl溶液中时，初期水化反应速率相较清水环境中得到提升，而后随浸泡时间增加侵蚀作用效果开始显现，水泥土结构开始劣化。不同侵蚀浓度下，水化速率提升期也不同，它随浓度的提高而缩短。由图8中的数据，在1.5 g/L时提升期约为14 d，3.0 g/L时约为7 d，6.0 g/L时则小于7 d。

2.2.2 水泥土颗粒粒径分布

对图像中颗粒进行分割后可测量出粒径，并利用分级排序功能将颗粒分级，按粒径大小分为5级：<2μm, 2～3μm,3～5μm,5～10μm及>10μm。表1为浸泡于清水及氯化钠溶液中的水泥土试样粒径分级结果，显示了各粒组所占百分比。可以发现，水泥土试样的颗粒单元主要集中在2～10μm，其中3～5μm粒组所占比重最大，约占50%，而粒径小于2μm和大于10μm的颗粒则较少。

图7 颗粒面积比与NaCl浓度关系Fig.7 Grain area percentage with NaCl concentration

品种浓度/(g· L-1)侵蚀时间/d<2μm2～3μm3～5μm5～10μm>10μm清水7015.6%50.9%31.7%1.8%14020.1%46.8%30.9%2.2%28019.5%41.7%32.8%6.0%氯化钠1.57017.8%49.5%29.7%6.0%14018.3%49.2%29.4%3.1%28010.5%49.8%36.1%3.5%3.07030.8%46.6%19.9%2.6%14013.2%54.4%27.7%2.7%28027.7%44.1%26.3%1.9%6.07024.1%52.3%22.5%1.1%14017.1%48.4%31.3%3.2%28021.8%48.3%27.2%2.7%

表中随着试样在清水中浸泡时间增长，水化反应的进行改变了粒径分布，小于5 μm的颗粒数量减少。反应生成的水化产物聚集在土颗粒表面，使粒径增大，同时颗粒间联接也增强，水泥土强度提高。而在NaCl溶液的侵蚀下，水泥土的水化反应受到影响，颗粒的粒径不再像清水中那样随浸泡时间增长而增大。结合上一节中对SEM图像的定性描述，可以看出浸泡在NaCl溶液中的试样初期水化反应迅速，颗粒得到加强，7 d时低浓度环境下的大粒径比重甚至大于同时期清水中的试样。而随着浸泡时间的增加，侵蚀效果逐渐显现，各浓度中的颗粒粒径都有不同程度的减小。

2.2.3 水泥土颗粒平均粒径

图8为水泥土在不同侵蚀条件下的颗粒平均粒径。图中3种侵蚀时间的曲线在浓度0～1.5之间都较为平缓，说明低浓度的侵蚀环境对颗粒粒径的影响不大。而随着浓度的进一步升高，7 d与28 d曲线都有一个明显的下降，此时NaCl的浓度升值3.0 g/L，侵蚀作用增强使得颗粒平均粒径减小。

图8 颗粒平均粒径与NaCl浓度关系Fig.8 Average grain size with NaCl concentration

3 侵蚀机理分析

3.1 微观结构参数与抗压强度

岩土体的微观结构对其宏观物理力学性质有着较大影响。可以将测量的水泥土试件的微观结构参数与其无侧限抗压强度进行对比分析，研究水泥土强度变化的内在机理。

如图9为水泥土试样无侧限抗压强度与颗粒面积比，两者的相关方程为：

qu=2.0494exp(13.079RA)

(1)

式中,RA为水泥土颗粒的面积占比。水泥土试样的抗压强度qu随试样中颗粒面积占比RA的增大呈指数函数增长。由上一节中的微观结构分析可得，水泥土水化反应中生成的水泥矿物能够包裹土颗粒并填充孔隙，增大其颗粒面积占比RA，从而增强水泥土试样的宏观抗压强度。

图9 颗粒面积比与无侧限抗压强度Fig.9 Relation between grain area percentage and unconfined compressive strength

3.2 微观结构参数与抗压强度

由水泥土颗粒面积占比分析，在环境侵蚀作用下部分水化产物被分解，颗粒体积减小，联接减弱，导致颗粒面积比降低，此侵蚀的过程即为损伤积累的过程。水泥土损伤积累后的颗粒面积比降低，断面上颗粒承载面积减小，从而导致实际有效应力增长。可以引入损伤变量D，其定义为：

D=A*/A0=(A0-A)/A0

(2)

式中,A0为断面初始颗粒面积，A*为受侵蚀作用新产生的孔隙，A为侵蚀后颗粒的净面积。所以当D=0时对应于无损伤状态；D=1时对应于完全损伤状态。在这里使用水泥土电镜扫描断面的颗粒面积比RA来表示损伤变量

D=(RA0-RA)/RA0

(3)

式中,RA0为断面初始颗粒面积比，RA为受侵蚀后的颗粒面积比。由此利用微观结构参数(颗粒面积比)表示损伤变量，可用于表征水泥土受侵蚀作用后的损伤程度。

4 结 论

本文通过扫描电子显微镜的观测以及与无侧限抗压试验的对比，分析了不同侵蚀条件下水泥土试样的微观结构及抗压强度的变化规律。同时通过图像处理方法计量了微观结构参数，探讨了其与宏观强度之间的相关关系，并从损伤力学角度分析了侵蚀作用机理。主要结论如下。

(1) 通过扫描电镜图像发现，在低浓度NaCl侵蚀环境下(1.5 g/L)，水化反应速率仍大于侵蚀作用，水泥土随浸泡时间增加而小幅增强。而在中高浓度(3.0,6.0 g/L)时，侵蚀作用显现的时间更早也更明显，水泥土联接随浸泡时间的增加而削弱。

(2) 通过微观结构参数的定量分析发现，在清水侵泡下，水泥土颗粒粒径随浸泡时间增加而增长。而NaCl环境下，低浓度时侵蚀作用对粒径影响不明显，而浓度提高后颗粒受侵蚀影响粒径减小。

(3) 水泥土的微观结构参数与其宏观强度有着密切相关关系，其无侧限抗压强度随颗粒面积占比的增大而提高。由此引入基于颗粒面积占比的损伤参数，用来表征水泥土受侵蚀程度。