水泥石灰改良鹽漬土強度形成微觀機理研究

崔俊英 袁 露

(海門市公路管理站，江蘇南通 226100)

1 概述

濱海地區土壤為典型的氯鹽漬土，根據JTG F10-2006公路路基施工技術規范［1］，弱、中鹽漬土均不宜直接用于高等級公路路基工程。采用水泥石灰對鹽漬土進行改良，并將其應用于高等級公路的路基工程，對于充分利用臨海鹽漬土資源、降低工程造價具有實際意義。以往對水泥石灰改良鹽漬土強度發展特性的研究主要依靠化學分析或強度試驗，不能直觀地反映水泥石灰改良鹽漬土的強度形成機理［2］。為探尋水泥石灰改良鹽漬土微觀結構與宏觀力學性質之間的內在聯系，剖析改良鹽漬土的強度發展微觀作用機理，采用Matlab圖像處理系統對掃描電鏡圖像進行處理，將處理后的圖像通過IPP專業圖像分析軟件進行量化信息的提取［3，4］，獲取不同齡期改良鹽漬土的微觀結構特征參數及量化信息，研究了水泥石灰改良鹽漬土的微觀結構特性，分析了宏觀力學特性與微觀特征參數之間的關系。

2 研究的方案與方法

試驗鹽漬土樣取自江蘇臨海高等級公路，為低液限細粒式粘土，土的塑性指數在7～10之間，屬于劣質填料［5］。土樣的易溶鹽含量平均為0.43%，最高為0.624%，比值大于2，屬于弱氯鹽漬土。對鹽漬土采用P.O42.5級水泥和石灰改良，分別采用3%水泥+9%石灰、6%水泥+6%石灰。對鹽漬土、不同水泥+石灰劑量改良鹽漬土進行擊實試驗，獲得最大干密度、最佳含水量后進行CBR及無側限抗壓強度試驗［6］。采用掃描電子顯微鏡對改良鹽漬土的微觀結構進行采集，利用Matlab和IPP平面圖像辨別技術對掃描電鏡圖像進行微觀數據提取。為反映改良鹽漬土的微觀結構特征，文中提出了如下幾項參數:1)等效圓直徑:與顆粒(或孔隙)面積相等的等效圓的直徑，用以說明單個顆粒(或孔隙)的大小其中，A為顆粒(或孔隙)的實際面積。2)孔洞率:所測孔隙面積占總圖像面積的百分比，用以說明單位面積孔隙的多少。孔洞比:孔隙面積與顆粒面積的比。其中，e為土的孔洞率;n為土的孔洞比;S為土的橫截面積;Ae為橫截面中孔洞所占的面積;Sk為橫截面中土顆粒所占的面積。3)橢圓度:顆粒(或孔隙)的長軸和短軸之比，用于表示土體內顆粒或孔洞向橢球體發展的趨勢。其值越大，說明顆粒(或孔隙)越趨于長條形;反之，愈接近球體。橢圓度的取值采用一幅圖像中所有橢圓度的平均值。其中，L，B分別為顆粒的長軸和短軸的長度。

3 試驗數據與分析

3.1 改良鹽漬土的電鏡掃描照片

原狀土、3%水泥+9%石灰改良鹽漬土、6%水泥+6%石灰改良鹽漬土28 d標準養護后的500倍及4 000倍電鏡照片如圖1，圖2所示。

3.2 微觀參數與強度指標的關系

素土、3%水泥+9%石灰、6%水泥+6%石灰改良鹽漬土的微觀參數與水泥石灰改良鹽漬土的強度特性的關系如圖3～圖5所示。

分析圖3～圖5中的數據可知:

1)水泥石灰改良鹽漬土的抗壓、抗剪特性與改良鹽漬土內的顆粒特性具有較好的相關性，隨著單位體積內改良鹽漬土顆粒個數越少，顆粒更趨向于圓形及顆粒增大，改良鹽漬土的強度越高;

2)單位體積內改良鹽漬土的孔隙個數越少，橢圓度越高，孔隙越小，改良鹽漬土的強度和CBR值越高;

3)改良鹽漬土的孔隙橢圓度與其強度特性的關系表現出了與顆粒橢圓度相反的趨勢，即孔隙越圓，強度反而越低，所以不適宜采用孔隙的橢圓度。

3.3 浸水前后改良鹽漬土微觀參量的變化

為了分析水對改良鹽漬土微觀結構的影響，課題對浸水前后改良鹽漬土的微觀參量進行了提取，改良鹽漬土浸水前后顆粒參數與孔隙。

分析圖6，圖7中的數據，浸水前后改良鹽漬土微觀參量與強度之間的關系如下:

1)改良鹽漬土浸水后，顆粒特征表現為單位面積顆粒個數增多、等效圓直徑減小、橢圓度增大，這與前述分析中微觀參數與強度發展間的關系一致，浸水后強度降低，說明水分滲透進土體后，鹽漬土中易溶鹽溶解，土體松散，單位面積顆粒數量增多，土體顆粒變小;2)改良鹽漬土浸水后，內部孔隙特征表現為孔隙橢圓度減小、等效圓直徑增大、單位面積孔隙數量增多，同時浸水后土體內部孔洞率提高，這也與強度的變化關系一致，浸水后，改良鹽漬土的孔隙變多、變大，使土體的強度降低。

4 結語

文中利用Matlab和IPP技術對水泥石灰改良鹽漬土掃描電鏡圖像中的顆粒和孔隙參數進行了提取，并從微觀層面對改良鹽漬土強度發展機理進行了定量分析，所得結論如下:1)改良鹽漬土的顆粒橢圓度、顆粒個數、顆粒等效圓直徑、孔隙個數、孔隙等效圓直徑、孔洞率等幾個微觀指標與改良鹽漬土的強度指標具有較好的相關性，隨著顆粒橢圓度、顆粒個數、孔隙個數、孔隙等效圓直徑、孔洞率的降低及顆粒等效圓直徑的提高，改良鹽漬土的強度指標提高;2)隨著改良劑用量的提高，改良鹽漬土內顆粒橢圓度、顆粒個數、孔隙個數、孔隙等效圓直徑、孔洞率降低，而顆粒等效圓直徑提高;3)改良鹽漬土浸水后，易溶鹽溶解，土體中孔洞率、孔隙個數、孔隙等效圓直徑、顆粒個數、顆粒橢圓度提高，顆粒等效圓直徑降低，土體孔多、松散，改良鹽漬土強度降低。

［1］JTG E40-2007，公路土工試驗規程［S］.

［2］JTG D30-2004，公路路基設計規范［S］.

［3］JTJ 034-2000，公路路面基層施工技術規范［S］.

［4］DB 29-20-2000，巖土工程技術規范［S］.

［5］JTJ 057-94，公路工程無機結合料穩定材料試驗規程［S］.

［6］鐵道部第一勘察設計院.鹽漬土地區鐵路工程［M］.北京:中國鐵道出版社，1988.