疏浚淤泥固化土宏微觀孔隙結構特征及其對滲透性影響

姚 君， 孫 秀 麗＊， 劉 文 化， 沈 起

（江南大學 環境與土木工程學院，江蘇 無錫 214122）

0 引 言

宏細微觀孔隙結構是影響土體強度、變形、滲透等工程特性的重要內在因素，通過微觀試驗研究可以認識土的許多工程特性的本質［1］.疏浚淤泥固化土廣泛用于路基、基坑回填、人工島、堤壩加固工程等方面，其工程特性包括強度和變形均受到國內外學者的高度重視，在疏浚淤泥固化土的強度影響因素及微觀機理方面涌現了大量的研究成果［2－5］.疏浚淤泥及固化材料在固化過程中由于物理化學反應，固相的微觀組成和結構均發生變化，土體顆粒間的聯結強度增強，顆粒在空間上重新排列組合，宏細微觀孔隙尺寸、孔隙連通性及分布規律也會發生變化，總體上會降低其滲透性.孔令榮等［6］研究了上海軟黏土在固結壓力下微觀孔隙與滲透性的關系，采用水頭半徑影響模型表達了滲透系數與孔隙的定量關系.宏細微觀孔隙之間的相互轉化及分布規律是影響疏浚淤泥固化土滲透性的根本原因，但對其轉化規律及對滲透性的影響等方面的成果較少，還需要通過大量試驗進行深入研究.

國內外土體微觀孔隙結構通常借助于掃描電鏡法、壓汞法（mercury intrusion porosimetry，簡稱 MIP）和 CT 掃描等手段進行研究［7－9］，其中MIP是定量研究微觀孔隙結構最常用的一種方法.MIP測定孔徑的范圍較其他方法寬很多，一般可測量的孔徑范圍為4nm～200μm，可以反映大多數材料的孔隙結構狀況［10］.本文采用壓汞試驗研究不同初始密度及不同養護齡期下，疏浚淤泥固化土的孔隙尺寸、孔隙分布特征及孔隙間的轉化規律，結合孔隙度和滲透率試驗，研究宏細微觀孔隙結構特征對疏浚淤泥固化土滲透性的影響規律.

1 試驗材料及測試方法

1.1 試驗材料

疏浚淤泥為無錫市太湖疏浚淤泥，其含水率為68.9%，液塑限均較高，分別為62.4%和27.7%；通過X射線熒光分析儀得到淤泥主要化學成分如表1所示；采用激光粒度分布儀法和比重計法分別測定疏浚淤泥的粒徑分布，繪制顆粒級配曲線如圖1所示.主要固化材料為粉煤灰與礦粉，采用激光粒度分布儀測定粒徑分布，繪制顆粒級配曲線如圖2所示.粉煤灰為F級，偏深灰色，比表面積為800m2／kg；礦粉為S95級，呈灰白色，比表面積為400m2／kg，均由無錫市某廠家提供，其化學成分如表1所示.激發劑水玻璃是由上海某化工廠生產的化學試劑九水硅酸鈉，常溫下呈白色或灰白色粉末狀或塊狀固體，60℃加熱時呈無色半透明黏稠狀液體，化學式Na2SiO3·9H2O，相對分子質量284.20，模數1.0.

表1 疏浚淤泥、粉煤灰和礦粉的化學成分Tab.1 The chemical composition of dredged silt，fly ash and slag %

圖1 疏浚淤泥的顆粒級配曲線Fig.1 Grain size distribution curve of dredged silt

圖2 粉煤灰和礦粉的顆粒級配曲線Fig.2 Grain size distribution curve of fly ash and slag

本試驗所有試樣采用疏浚淤泥、礦粉、粉煤灰質量比為60∶35∶5，水玻璃含量為總質量的7%.在水平試驗臺上，采用擊實法制樣：將混合均勻的混合料與水攪拌均勻，靜置后放入塑料密封袋內24h，根據確定的試樣密度，稱取土樣質量，分為兩層分別擊實，一層擊實完畢將表面刮毛后再擊實下一層，制得直徑6.18cm、高4.00cm、體積120cm3的圓柱體試樣.本次試驗配制4個不同密度（1.2、1.3、1.4和1.5g／cm3）的試樣，在溫度（20±2）℃、濕度95%條件下分別養護3、7、28和90d.

1.2 測試方法

（1）壓汞試驗

壓汞法的基礎是經典的瓦什伯恩（Washburn）方程，汞對一般固體不潤濕，欲使汞進入孔需施加外壓，外壓越大，汞能進入的孔半徑越小.在壓汞過程中，隨著壓力的升高，汞被壓至試樣的孔隙中，所產生的電信號通過傳感器輸入計算機中進行數據處理，模擬出相關圖譜，從而通過式（1）計算出孔隙率.常用壓汞試樣尺寸很小，只有1cm3，為提高試樣的均勻性和代表性，本次試驗壓汞試樣為直徑2.5cm、高1.0cm 的圓柱體，在－50℃、真空條件下凍干后，進行壓汞試驗.

式中：Va為在一定壓力下注入汞的體積，Vb為汞注入后穩定狀態下的體積，Vc為測定中最大壓力下汞的體積.

（2）滲透率試驗

本試驗滲透率k采用皂膜流量計法，測量皂膜經過玻璃管內一段體積的起止時間，計算出流量，根據下式計算：

式中：Q0為氣體流量，mL／s；p1為巖心前壓，MPa；p2為大氣壓，MPa；p0為標準大氣壓；μ為測試氣體黏度，Pa·s；L為試樣高度，mm；A為試樣截面積，cm2；k為試樣滲透率，10－3μm2.

滲透率k與滲透系數K采用下式進行轉換：

式中：K為滲透系數，m／d或者cm／s；k為孔隙介質的滲透率，10－3μm2，它只與固體骨架的性質有關；μ為黏度，Pa·s；υ為運動黏度；γ為容重；g為重力加速度.

滲透率測試所用試樣均為直徑2.5cm、高2.7cm的圓柱體，在－50℃凍干后進行試驗，試樣如圖3所示.本試驗所用凍干機為壓蓋型冷凍干燥機，所取試樣完全可以凍干.真空冷凍干燥法利用液氮使試樣中的液態水變成非結晶態冰，不產生體積膨脹，然后在真空低溫條件下讓冰升華排出，獲得干燥樣品，對試樣孔隙變化幾乎無影響.

圖3 凍干后試樣Fig.3 Freeze dried sample

（3）孔隙度試驗

這里引入有效孔隙度這一概念來描述疏浚淤泥固化土的孔隙大小.有效孔隙度是指那些互相連通的，在一般壓力條件下，允許流體在其中流動的孔隙體積之和與試樣總體積的比值，以百分數表示.顯然，同一試樣有效孔隙度小于其總孔隙度，本文中試驗所測得的孔隙度均為有效孔隙度.

采用KX-07F型氣體孔隙度儀測定試樣孔隙度，試樣尺寸和滲透率試驗相同.根據波義耳定律，在恒定溫度下，樣品室體積一定，放入試樣的固相（顆粒）體積越小，則樣品室中氣體所占體積越大，與標準室連通后，平衡壓力越低；反之，當放入樣品室內的試樣固相體積越大，平衡壓力越高.繪制標準塊的體積（固相體積）與平衡壓力的標準曲線，測定待測試樣平衡壓力，根據標準曲線反求試樣固相體積.按下式計算試樣孔隙度：

式中：Vs為試樣固相體積，cm3；Vf為試樣表觀體積，cm3.

2 疏浚淤泥固化土微觀孔隙結構特征

2.1 疏浚淤泥固化土的有效孔隙度

孔隙水通過有效孔隙形成的通道在疏浚淤泥固化土中發生滲流，封閉的孔隙或不連通孔隙則無法發生滲流，采用有效孔隙度這一指標評價宏觀孔隙量對滲透的影響更加合理.圖4為不同初始密度試樣的有效孔隙度隨齡期的變化曲線.由圖4可以看出，不同初始密度試樣的有效孔隙度隨齡期的變化規律基本一致，均隨著養護齡期的增加，呈下降趨勢；初始密度為1.2、1.3、1.4和1.5g／cm3試樣初始有效孔隙度分別為60.1%、52.4%、49.6%和43.6%，養護至28d有效孔隙度降低較多，分別降低了2.9%、1.4%、5.0%和7.0%；養護時間大于28d，有效孔隙度基本保持不變.養護28d內疏浚淤泥固化土中物理化學反應進行得較快，水化反應生成新的物相填充了原有的孔隙，改變了原有的孔隙結構，降低了有效孔隙含量.初始密度越大有效孔隙度隨齡期的增加降低幅度越大，這是由于初始密度越大，初始孔隙少，水化反應生成相同數量的水化產物的情況下，孔隙減少的比例相對越大，并且相互連通的孔隙減少比例更大.疏浚淤泥固化土作為建筑填土、路基、堤壩工程等工程用土時，增加初始密度更有利于降低土體的孔隙度.

圖4 試樣有效孔隙度隨養護齡期的變化Fig.4 The variation of effective porosity of sample with curing age

2.2 疏浚淤泥固化土的孔隙分布特征

圖5 不同初始密度試樣孔隙分布曲線Fig.5 Pore size distribution curves of samples with different initial densities

圖6 不同養護齡期試樣孔隙分布曲線Fig.6 Pore size distribution curves of samples with different curing ages

有效孔隙度這一宏觀指標還不足以反映疏浚淤泥固化土的微觀孔隙特征，本文采用壓汞試驗測定疏浚淤泥固化土的孔隙分布特征，得到不同初始密度、不同養護齡期試樣的孔隙分布曲線，如圖5、6所示.由圖5、6可以看出，各工況試樣的孔隙半徑分布在0.01～100μm；隨著試樣初始密度和養護齡期的增加，孔隙分布曲線均向左移，試樣的孔隙分布發生了很大變化.初始密度較小和齡期較短時試樣中的孔隙以團粒間的孔隙為主；隨著初始密度和養護齡期的增加團粒間的孔隙逐漸減少，團粒和顆粒內孔隙逐漸增多，這是由于試樣中原有孔隙被水化產物填充，試樣變得密實，初始密度越大、養護齡期越長，大孔減小的比例越大，大小孔徑間的轉化隨初始密度和養護齡期的變化越明顯.初始密度較小的試樣，由于試樣比較松散，在較短養護齡期時（3d）水化產物生成量較少，在凍干的過程中試樣的結構容易擾動.另外，在壓汞試驗過程中，由于壓力的作用導致顆粒間或團粒間孔隙的坍塌、擴張和收縮，骨架孔隙分布測量的誤差相對較大.

圖7 不同初始密度試樣孔隙體積頻率分布曲線Fig.7 Frequency distribution curves of pore volume of samples with different initial densities

將孔隙累計分布曲線整理后得到疏浚淤泥孔隙體積頻率分布曲線，如圖7所示.由圖可以看出，不同初始密度試樣的孔隙體積頻率分布曲線均為典型的雙峰曲線，孔徑分布有兩個典型的區段：0.02～0.04μm和3～30μm，每個區段峰值稱為最可幾孔徑，也就是每個區段頻率最大的孔徑.目前，國內外對土體內部孔隙尺寸的分組沒有統一的分類標準，不同學者針對不同的土類進行了不同的孔隙分 組［9，11－12］.本文結合疏浚淤泥固化土的固化機理分組如下：固化過程中固化材料發生化學反應，反應產物之間相互連接或與原有土顆粒包裹形成較大的團粒，團粒間的孔隙稱為大孔和中孔；團粒內顆粒與水化產物間的孔隙稱為小孔；水化產物內或顆粒內孔隙稱為微孔；介于微孔和小孔間的孔隙為介孔.根據孔隙分布特征來看，試樣中孔隙半徑分布在0.01～100μm，孔隙的大小覆蓋微孔到大孔的范圍.為了明確各類孔隙對試樣滲透性的影響，探究不同類孔隙間的相互轉化對試樣滲透性的影響，將疏浚淤泥固化土的孔隙直徑進行如下分組：大孔組，r＞60μm；中孔組，6μm＜r≤60μm；小孔組，0.6μm＜r≤6 μm；介孔組，0.06μm＜r≤0.6μm；微孔組，r≤0.06μm.根據孔徑分組，孔隙體積頻率分布曲線的兩個最可幾孔徑分別為微孔組和中孔組，并且微孔組的最可幾孔徑隨著初始密度和養護齡期的增加逐漸增大，中孔組的最可幾孔徑隨著初始密度和養護齡期的增加逐漸減小.這是因為，隨著養護齡期的增長，礦粉與水玻璃等材料進行水化反應，生成的產物逐漸填充試樣中的孔隙，使得試樣越來越致密，造成中孔組逐漸減少、微孔組逐漸增多.

根據孔徑分組得到相同初始密度試樣的各組孔徑隨養護齡期增長的變化曲線，如圖8所示.不同初始密度試樣除了密度較小一組試樣（1.2g／cm3）以外，其余各組試樣的大孔所占比例均很小，中孔比例較大；隨著養護齡期的增長，大孔和中孔呈逐漸減少的趨勢，小孔、介孔和微孔呈逐漸增多的趨勢，密度為1.4和1.5g／cm3試樣的中孔減少幅度最大，微孔增大幅度最大.說明隨著養護齡期的增加，不但總有效孔隙度發生變化，而且不同孔徑組之間發生相互轉化，對于初始密度較大的兩組試樣（1.4和1.5g／cm3），更多的中孔組孔隙向微孔組轉化，孔隙分布趨于均勻化，這是由于隨著水化產物逐漸增多，土樣變得更加密實，團粒間的孔隙逐漸被團粒內和顆粒間的孔隙取代.

圖8 孔徑隨養護齡期的變化Fig.8 The variation of pore size with curing age

3 疏浚淤泥固化土宏微觀孔隙特征與滲透性的關系

3.1 疏浚淤泥固化土滲透性

圖9（a）是不同初始密度試樣滲透系數隨養護齡期的變化曲線，由圖可以看出不同初始密度試樣的滲透系數隨養護齡期的變化趨勢一致，均隨養護齡期的增長逐漸減小.注意到28d到90d這個階段試樣的滲透系數仍在降低，由有效孔隙度隨養護齡期的變化規律（圖4）可以看出，在28d到90d各試樣的有效孔隙度已不再發生變化，說明養護后期滲透系數的降低并不是由于有效孔隙度的減小引起的，而是由于孔隙結構和分布規律的改變造成的.圖9（b）是試樣滲透系數隨初始密度的變化曲線，由圖可以看出相同齡期條件下，滲透系數隨初始密度的增大逐漸減小，初始密度從1.2g／cm3增加到1.3g／cm3時，滲透系數降低速率較大，初始密度從1.3g／cm3增加到1.5g／cm3時滲透系數降低速率減緩.這是由于大孔和中孔相對小孔和微孔來講對滲透系數的影響更大.

圖9 滲透系數隨養護齡期和初始密度的變化Fig.9 The variation of permeability coefficient with curing age and initial density

3.2 疏浚淤泥固化土宏微觀孔隙結構參數與滲透系數的定量關系

由壓汞試驗、孔隙度和滲透率試驗可知，土體的滲透性和宏微觀孔隙特征具有密切的聯系，根據上述試驗結果及分析，提出采用有效孔隙度作為表征土體宏觀孔隙特征參數，采用孔徑和體積頻率值表征微觀孔隙特征參數，并根據Poiseuille等式（見式（5））結合達西定律得到不同孔隙半徑的毛細模型［13］，見式（6）.式中：γ為液體重度，水的重度取9.8kN／m3；i為水力梯度；r為毛細管半徑；μ為液體的黏度，Pa·s；n為有效孔隙度；f（dj）為某一孔徑孔隙體積的頻率值；dj為某一孔喉半徑.

土體滲透系數與宏觀有效孔隙度和微觀參數均成正比，毛細模型計算值與實測值比較如表2所示，當滲透系數數量級大于10－5時誤差較小，當滲透系數數量級在10－7～10－6時計算值與實測值之間存在誤差，計算值比實測值偏大約一到兩個數量級.采用毛細模型可以很好地反映疏浚淤泥固化土宏微觀孔隙特征對滲透性的影響，由于流體在微孔中滲流要考慮到非線性滲流的影響，在評價微孔對滲透性的影響時存在一定誤差.

表2 滲透系數的實測值和毛細模型計算值Tab.2 Permeability coefficient obtained from test and capillary model

4 結 論

（1）疏浚淤泥固化土養護齡期大于28d后，有效孔隙度不再發生變化，對滲透性的影響主要是由于孔徑的轉化及分布規律的變化造成的，50%以上的中孔轉化為小孔、介孔和微孔，初始密度越大，這種影響越明顯.

（2）本次試驗疏浚淤泥固化土孔喉半徑分布在0.01～100μm，孔隙體積頻率分布曲線為典型的雙峰曲線，峰值區域孔喉半徑范圍為微孔組0.02～0.04μm和中孔組3～30μm.微孔組的最可幾孔徑隨著初始密度和養護齡期的增加逐漸增大，中孔組的最可幾孔徑隨著初始密度和養護齡期的增加逐漸減小.

（3）提出采用有效孔隙度作為表征疏浚淤泥固化土宏觀孔隙特征參數，采用孔徑和體積頻率值作為表征微觀孔隙特征參數，采用毛細模型將宏微觀孔隙結構參數與滲透系數建立定量關系.

（4）初始密度較小的試樣，結構比較松散，在較短養護齡期時，水化產物生成量較少，在凍干過程中結構容易擾動，壓汞試驗過程中易發生顆粒間或團粒間孔隙的坍塌、擴張和收縮，骨架孔隙分布測量的誤差相對較大.

（5）采用毛細模型可以很好地反映疏浚淤泥固化土宏微觀孔隙特征對滲透性的影響，由于流體在微孔中滲流要考慮到非線性滲流的影響，在評價微孔對滲透性的影響時存在一定誤差，微孔結構對非線性滲流的影響還需要進一步研究.