微观定量分析方法在公路路基改良中的应用

2023-04-07李霞

中国公路 2023年3期

李霞

（张家口市公路施工管理处，河北张家口 075000）

研究土体微观结构对合理解释各种土力学现象具有重要意义。自然界中频繁的降雨和蒸发、地下水位的升降易引发干湿循环，其中降雨和地下水位的上升会导致水分向路基土渗入，导致压实的路基土体发生膨胀、孔隙增大。而水分的蒸发和地下水位的下降，使孔隙结构部分回弹，造成原本压实的路基土体压实度降低、土体变得松弛、土体性质发生变化。干湿循环后的土体渗透性、强度及变形特性与土颗粒的粒径大小、排列顺序、土颗粒间的接触方式及土体孔隙结构等因素密切相关[1]。因此，从微观角度分析经历干湿循环的路基土极为重要。随着实验室技术的不断提升，微观孔隙结构特征的定量分析逐渐成熟，利用光学仪器测量土体、结合图像处理的分析方法得到普遍应用。基于此，本文就经历干湿循环后的水泥改良路基土开展微观定量分析，研究其微观结构性质。

一、微观结构特征定量研究方法概述

目前广泛应用于实验室的微观结构定量研究方法有扫描电镜、压汞法、核磁共振技术等。

扫描电子显微镜是一种利用高能聚焦电子束扫描样品表面，从而获得样品信息的电子显微镜。具体操作步骤[2]：试样真空冷冻升华干燥处理，选择有代表性的位置做表面整平喷金，并在真空中开展电镜扫描，最终得到孔隙结构分布图像。

压汞法[1]是基于汞对土颗粒体不润湿、表面张力抵抗其进入孔隙、必须施加外部压力使汞进入孔隙的原理，通过测试不同外压作用下进入孔中汞的质量得出孔隙的等效体积。具体操作步骤：试样采用液氮冷冻1h，并干燥24h处理，土中的冰升华为气体后开展压汞实验，通过记录压汞仪的压力和体积变化，即可计算得到孔隙分布状况。

核磁共振技术[1]是基于核磁共振信号的谱峰面积正比于氢质子数的原理，用于含水率的定量测试。弛豫时间表征的信号衰减快慢能够反映孔隙水所处的环境，进而反演出多孔介质孔径大小及分布。具体操作步骤：将试样抽真空饱和，放入核磁共振仪即可得到孔隙分布状况。

二、光学显微镜微观定量分析方法在公路路基改良中的应用

除了上述微观结构定量研究方法，光学显微镜也可对细观尺度作简单的定量分析，相较于上述操作复杂、存在一定危险的研究方法，光学显微镜可依托大气环境下的光源，将试样直接放置在试样台观察其微表面形貌，结合图像处理工具，得到直观孔隙分布结果。

（一）试验测试

对某路段路基粉质黏土做水泥改良，掺量设计为4%、6%、8%。制件养护28天后分别开展3、9、15次干湿循环，试样内部结构采用光学显微镜放大320倍观察，拍摄图片后采用imageplus8.0处理图像，可分辨骨架与孔隙分布情况，具体示意图如图1所示，亮色部分为试样骨架，暗色部分为孔隙。

图1 图像处理后微观结构示意图

（二）结果分析

如图1所示，由于断面凹凸不平，图片存在模糊区域，为较低位置的区域不在焦距范围内导致。通过imageplus8.0处理图像后微观结构如图所示。

对比同种干湿循环次数条件下不同水泥掺量的微观结构图，随着水泥掺量增加、亮度加强，图片中断面颗粒感降低，平整度提升，说明随着水泥含量的增加，颗粒间连接更加密切，形成更加紧密的骨架结构，主要原因是水泥掺量增加促进了水泥水化反应，产生更多胶凝物质将土颗粒胶结。图2为经过imageplus8.0图像处理后的微观结构，更能直观看出，随着水泥掺量增加，图片中白色区域分布更加广泛，裂纹含量减少。

同一水泥掺量下，对比不同干湿循环次数作用后的微观结构，3次干湿循环后土颗粒相对松散，颗粒间存在微小裂隙。当干湿循环次数达到第9次后，颗粒间定向排列良好，骨架结构性增强。经历15次干湿循环后，土样中未出现明显裂缝，骨架以粒状为主，颗粒之间的连结减弱，形成松散的结构。由图2可知，3次干湿循环后，白色斑状区域呈零散分布，表征骨架结构的离散性。9次干湿循环后，原本白色斑状零散区域融合出现白色块状区域，表征颗粒间相互粘结形成紧密骨架。15次干湿循环后，白色区域再次呈现斑状分布，骨架密实性受到破坏。骨架结构变化是由于干湿循环次数增加，前期可为水泥水化作用补充水分，促进胶结物质的产生，使试样内部骨架逐渐密实，后期水泥水化完全后，干湿循环开始损害试样结构，土颗粒间黏结作用劣化，造成土样骨架疏松。

图2 干湿循环作用下不同水泥掺量试样处理后微观图像

图3 骨架面积与回弹模量对比图

（三）定量计算

骨架是试样的主要承载结构，可尝试利用试样骨架面积间接反映试样承受变形的能力。回弹模量是反映土体刚度的参数，根据图像处理结果计算骨架面积，对比试验所得回弹模量，其中折线图为回弹模量随干湿循环的变化规律，柱状图为骨架面积随干湿循环的变化规律。可以发现，二者均呈现先增加后降低的现象，骨架面积的变化趋势与回弹模量的趋势较为一致，说明试样的刚度与试样骨架面积成正相关性。可通过骨架面积反映土样承受变形的能力。