侵蝕環境下水泥土微觀結構分析

魏 萊，陳 曉 昱

(1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖石力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071； 3.武漢市土地利用和城市空間規劃研究中心，湖北 武漢 430014)

水泥土作為一種人工混合材料，一般是以水泥作為固化劑，通過水泥和軟土之間的一系列物理化學反應而生成的具有整體性、水穩定性以及一定強度的多相化學加固體[1]，特別適合于處理高含水量、低承載力的土體。

近些年的工程實踐經驗已經表明，地質環境因素對巖土工程質量有著不可忽視的影響。在實際工程中水泥土加固體會接觸地下各種介質，受到復雜的外部環境侵蝕。特別是溶有各種侵蝕性離子的地下水環境，將直接影響水泥土的固化反應，并可能劣化加固體的長期物理力學性質。修建在這些此地區的水泥土地基處理工程，常出現沉降量過大、承載力不足等問題。因此，分析研究水泥土在高含鹽海相黏土中的強度及變形規律，對分析水泥土加固體的承載力和耐久性有著重要的意義。

現有的研究多數集中于水泥土的宏觀力學行為，而未能考慮其變形和破壞中的微觀結構因素。實際上，巖土體的宏觀工程性質在很大程度上受其微觀結構和物質組成的控制。在環境侵蝕條件下，巖土體的物理力學性質劣化可以視作其微觀結構變化的集中體現。因此，從水泥土加固體的微觀結構入手，分析和研究在高含鹽侵蝕環境下水泥土微觀結構變化規律，有助于進一步了解其宏觀變形、破壞機理，從而更深刻地認識環境侵蝕對水泥土物理力學性質的影響。

1 試驗設計

1.1 試件制作與侵蝕液配置

試樣制作中的原狀土采用砂土，其比重為2.64，含水率0.30%。水泥土固化劑采用等級42.5號的硅酸鹽水泥，配置摻入比為15%。材料配制完成后使用水泥膠砂攪拌機進行充分攪拌，并裝入圓柱型標準模具中。為保證裝填密實，裝模后在振動臺上進行振實。最后將試樣表面抹平，并鋪上保鮮膜減少水分散失。水泥土試件養護24 h后拆模。由于初期水泥土水化反應強烈，其反應速率高于侵蝕反應，試件強度將持續增長[6-7]。所以在本試驗中，試件拆模后先養護28 d，再放入侵蝕液中進行侵蝕，以減少水化反應強化作用對于環境侵蝕效果的抵消。

試驗中配置氯化鈉(NaCl)溶液模擬現場海水侵蝕環境，主要考慮Cl-對水泥土強度增長的影響[8]。分別配制1.5，3.0 g/L和6.0 g/L三種侵蝕濃度，同時使用清水浸泡作為對照組。將已養護28 d的水泥土試件做好標記后放置于不同濃度的侵蝕液中，分別浸泡7,14 d和28 d，以模擬水泥土樁受海水環境的侵蝕。

1.2 水泥土微觀結構觀測

將浸泡完成的水泥土試樣敲開，選取出若干內部樣品。由于水泥土材料導電性能較差，試驗中通過JFC-1600濺射儀在其表面噴涂金(Au)以增強導電性[9]，處理完成后固定在Quanta 200型掃描電子顯微鏡的樣品臺上進行觀測。觀測中注意選取合適的掃描位置，以代表試樣的整體情況。本次試驗中的觀測放大倍數選取400,1 000及3 000倍，以得到較為可靠清晰的水泥土微觀結構圖像(圖1)。

圖1 掃描電子顯微鏡及試樣濺射儀Fig.1 The scanning electron microscope and the sputtering apparatus

1.3 抗壓強度測試

水泥土試樣完成侵蝕浸泡后，使用600 kN液壓萬能試驗機對其進行單軸抗壓試驗，獲取無側限抗壓強度qu考察侵蝕后的強度性質。在試樣加載過程中使用應變控制加載速度，當出現試件的承載力大幅降低，變形明顯加大時，即認定為破壞，停止加載并記錄下試樣的荷載-變形曲線。

2 水泥土微觀結構分析

2.1 微觀結構定性分析

2.1.1 清水試驗組

水泥土試件在清水浸泡下微觀結構的變化，可以反映正常水化條件下的固化反應規律。圖2為清水中浸泡7,14 d和28 d的試樣，圖像放大倍數為3 000倍。

圖2(a)中在浸泡7 d時，水泥土試樣仍為單粒結構，粒間聯接較弱。而隨著浸泡時間的增加，試樣中的小顆粒逐漸團粒化，排列更加致密并聯接為整體。圖2(c)中28 d時水化產物進一步包裹土顆粒，絮狀水化硅酸鈣強化了聯接作用，構成了水泥土結構的骨架。

圖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 侵蝕溶液濃度1.5g/L

氯化鈉濃度1.5 g/L的侵蝕環境下，可以看到圖3(a)中水泥土在浸泡7 d時其微觀結構產生了一定的水化固結效果，孔隙被水化產物所充填。這表明在試驗初期，水泥土中水化過程仍較為強烈，超過侵蝕反應速率。再對比圖3(b)中侵蝕14 d后的試樣，其顆粒體積進一步增大，聯結也小幅增強。說明浸泡7 d后水化反應仍在進行，但侵蝕環境減弱了其反應速率。最后28 d時水泥土結構仍略有強化，但土顆粒表面的鈣礬石結晶(C-A-H)量減少。

由此認為低濃度氯化鈉溶液中，侵蝕作用早期水泥土中的水化反應仍在進行，孔隙充填聯結強化。而當侵蝕時間增加后，水化反應受Cl-的作用而減慢，但其速率總體上仍略大于侵蝕反應[10]。

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

2.1.3 侵蝕濃度3.0g/L

氯化鈉濃度3.0 g/L的侵蝕環境下，試驗初期水泥土中的水化反應同樣仍繼續進行。對比圖4(a)與4(b)中可以看到，試樣在14 d時其顆粒間的孔隙被進一步充填。而圖4(c)中試樣在浸泡28 d時，其微觀結構的進一步增強并不明顯，且顆粒上的鈣礬石晶體(C-A-H)也有所減少。

在中等濃度的侵蝕環境下，水泥土試樣早期的水化反應速率同樣是強于侵蝕反應的。但進入侵蝕試驗中后期(14 d)，Cl-的侵蝕作用逐漸顯現，使得試樣的水化反應減弱，最終停止。在聯結較弱位置水化反應還出現逆轉，孔隙充填物被分解。因此水泥土在中等侵蝕濃度下，其結構先固化增強后侵蝕減弱，水化反應拐點出現在試驗14～28 d之間。

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

2.1.4 侵蝕濃度6.0g/L

高濃度的氯化鈉侵蝕環境中，水泥土微觀結構從浸泡初期即開始減弱，侵蝕劣化作用超過固化加強效果(圖5)。對比3種浸泡時間的試樣，可以看到水泥土結構中顆聯接逐漸弱化，粒徑也逐漸減小，原本填充空隙的水化產物被分解。顆粒上的鈣礬石晶體(C-A-H)也隨浸泡時間增長而減少，說明在6.0 g/L的NaCl的高濃度侵蝕環境下，水泥土強度自浸泡初期開始即出現降低，水化反應受侵蝕作用抑制，在后期反應基本終止，宏觀抗壓強度表現為始終下降，且后期加速劣化。

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

2.2 微觀結構定量分析

由于圖像中顆粒與孔隙間的灰度值有一個明顯的跳變，可據此將顆粒或孔隙從背景中分割出來，進行進一步的分析與測量。下面通過圖像處理軟件Image-Pro Plus對侵蝕后電鏡圖像進行處理，定量分析水泥土微觀結構參數。

首先對SEM圖像進行預處理，濾除圖像中的高頻噪點信息，以方便下一步顆粒的分割。然后對其進行閾值(Threshold)分割，調整圖像整體閾值，利用邊界上灰度值的跳躍將顆粒從背景中分割出來，從而將灰度圖轉化為黑白二值圖像，即將圖像中的水泥土顆粒記為白色，孔隙記為黑色(見圖6)。此后再使用形態濾鏡中的分界命令(Watershed)對顆粒及孔隙進行分割，使其相接觸部分分離，方便測量與計數[11]。水泥土顆粒經圖像分割后，按其粒徑范圍進行分級，并標示為不同顏色(見圖6)。巖土體微觀結構的研究主體主要是顆粒和孔隙[12]，本文中選定的微觀結構參數為水泥土顆粒的面積及粒徑。其中對于不規則顆粒，Image-Pro Plus中的粒徑定義為過顆粒形心直徑的平均值[11]。

圖6 圖像形態學處理Fig.6 Cement-soil SEM image processing

2.2.1 水泥土顆粒面積占比

首先討論水泥土的顆粒面積占比RA，即顆粒的總面積占掃描截面的比例，在測量中認為顆粒面積與孔隙面積之和即為掃描截面總面積。由于水泥土水化反應中生成的水泥礦物能夠包裹土顆粒并填充孔隙，減小孔隙體積，所以顆粒面積比能在一定程度上反映水化反應的水平及宏觀強度性質。

圖7為水泥土顆粒的面積占比RA與侵蝕液濃度的關系曲線。圖中28 d曲線隨侵蝕濃度的提高而降低，顆粒面積占比由清水中60%以上降至約50%，說明在較長侵蝕時間下，高濃度條件下侵蝕速率更高。而7 d與14 d曲線都是先升高后降低，顆粒面積比的峰值分別出現在濃度為3.0和1.5 g/L,而后濃度提高后顆粒面積比下降。由顆粒面積比的變化規律推測，水泥土試樣浸泡在NaCl溶液中時，初期水化反應速率相較清水環境中得到提升，而后隨浸泡時間增加侵蝕作用效果開始顯現，水泥土結構開始劣化。不同侵蝕濃度下，水化速率提升期也不同，它隨濃度的提高而縮短。由圖8中的數據，在1.5 g/L時提升期約為14 d，3.0 g/L時約為7 d，6.0 g/L時則小于7 d。

2.2.2 水泥土顆粒粒徑分布

對圖像中顆粒進行分割后可測量出粒徑，并利用分級排序功能將顆粒分級，按粒徑大小分為5級：<2μm, 2～3μm,3～5μm,5～10μm及>10μm。表1為浸泡于清水及氯化鈉溶液中的水泥土試樣粒徑分級結果，顯示了各粒組所占百分比。可以發現，水泥土試樣的顆粒單元主要集中在2～10μm，其中3～5μm粒組所占比重最大，約占50%，而粒徑小于2μm和大于10μm的顆粒則較少。

圖7 顆粒面積比與NaCl濃度關系Fig.7 Grain area percentage with NaCl concentration

品種濃度/(g· L-1)侵蝕時間/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%氯化鈉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%

表中隨著試樣在清水中浸泡時間增長，水化反應的進行改變了粒徑分布，小于5 μm的顆粒數量減少。反應生成的水化產物聚集在土顆粒表面，使粒徑增大，同時顆粒間聯接也增強，水泥土強度提高。而在NaCl溶液的侵蝕下，水泥土的水化反應受到影響，顆粒的粒徑不再像清水中那樣隨浸泡時間增長而增大。結合上一節中對SEM圖像的定性描述，可以看出浸泡在NaCl溶液中的試樣初期水化反應迅速，顆粒得到加強，7 d時低濃度環境下的大粒徑比重甚至大于同時期清水中的試樣。而隨著浸泡時間的增加，侵蝕效果逐漸顯現，各濃度中的顆粒粒徑都有不同程度的減小。

2.2.3 水泥土顆粒平均粒徑

圖8為水泥土在不同侵蝕條件下的顆粒平均粒徑。圖中3種侵蝕時間的曲線在濃度0～1.5之間都較為平緩，說明低濃度的侵蝕環境對顆粒粒徑的影響不大。而隨著濃度的進一步升高，7 d與28 d曲線都有一個明顯的下降，此時NaCl的濃度升值3.0 g/L，侵蝕作用增強使得顆粒平均粒徑減小。

圖8 顆粒平均粒徑與NaCl濃度關系Fig.8 Average grain size with NaCl concentration

3 侵蝕機理分析

3.1 微觀結構參數與抗壓強度

巖土體的微觀結構對其宏觀物理力學性質有著較大影響?？梢詫y量的水泥土試件的微觀結構參數與其無側限抗壓強度進行對比分析，研究水泥土強度變化的內在機理。

如圖9為水泥土試樣無側限抗壓強度與顆粒面積比，兩者的相關方程為：

qu=2.0494exp(13.079RA)

(1)

式中,RA為水泥土顆粒的面積占比。水泥土試樣的抗壓強度qu隨試樣中顆粒面積占比RA的增大呈指數函數增長。由上一節中的微觀結構分析可得，水泥土水化反應中生成的水泥礦物能夠包裹土顆粒并填充孔隙，增大其顆粒面積占比RA，從而增強水泥土試樣的宏觀抗壓強度。

圖9 顆粒面積比與無側限抗壓強度Fig.9 Relation between grain area percentage and unconfined compressive strength

3.2 微觀結構參數與抗壓強度

由水泥土顆粒面積占比分析，在環境侵蝕作用下部分水化產物被分解，顆粒體積減小，聯接減弱，導致顆粒面積比降低，此侵蝕的過程即為損傷積累的過程。水泥土損傷積累后的顆粒面積比降低，斷面上顆粒承載面積減小，從而導致實際有效應力增長?？梢砸霌p傷變量D，其定義為：

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

(2)

式中,A0為斷面初始顆粒面積，A*為受侵蝕作用新產生的孔隙，A為侵蝕后顆粒的凈面積。所以當D=0時對應于無損傷狀態；D=1時對應于完全損傷狀態。在這里使用水泥土電鏡掃描斷面的顆粒面積比RA來表示損傷變量

D=(RA0-RA)/RA0

(3)

式中,RA0為斷面初始顆粒面積比，RA為受侵蝕后的顆粒面積比。由此利用微觀結構參數(顆粒面積比)表示損傷變量，可用于表征水泥土受侵蝕作用后的損傷程度。

4 結 論

本文通過掃描電子顯微鏡的觀測以及與無側限抗壓試驗的對比，分析了不同侵蝕條件下水泥土試樣的微觀結構及抗壓強度的變化規律。同時通過圖像處理方法計量了微觀結構參數，探討了其與宏觀強度之間的相關關系，并從損傷力學角度分析了侵蝕作用機理。主要結論如下。

(1) 通過掃描電鏡圖像發現，在低濃度NaCl侵蝕環境下(1.5 g/L)，水化反應速率仍大于侵蝕作用，水泥土隨浸泡時間增加而小幅增強。而在中高濃度(3.0,6.0 g/L)時，侵蝕作用顯現的時間更早也更明顯，水泥土聯接隨浸泡時間的增加而削弱。

(2) 通過微觀結構參數的定量分析發現，在清水侵泡下，水泥土顆粒粒徑隨浸泡時間增加而增長。而NaCl環境下，低濃度時侵蝕作用對粒徑影響不明顯，而濃度提高后顆粒受侵蝕影響粒徑減小。

(3) 水泥土的微觀結構參數與其宏觀強度有著密切相關關系，其無側限抗壓強度隨顆粒面積占比的增大而提高。由此引入基于顆粒面積占比的損傷參數，用來表征水泥土受侵蝕程度。