河道淤泥氣泡混合土強度發(fā)揮及微觀機理分析

陳生健，顧歡達(dá)

（1.吳江區(qū)審圖中心，江蘇 蘇州 215200；2.蘇州科技大學(xué)，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

近年來，為清淤產(chǎn)生的河道淤泥尋求低成本、高效的綜合有效利用方式是目前在積極探索的課題。例如，處于江南水網(wǎng)地區(qū)的蘇州市，2017—2018 年對市區(qū)48 條河道實施清淤，產(chǎn)生的河道淤泥超過100 萬m3。利用河道淤泥自身的高含水率特征，制備具有流動特性的混合土用于填土工程或工程上某些特殊區(qū)域，顯示出良好的工程適用性。丁佩民等[1]研究了水泥固化處理后的河道淤泥用作工程填料的工程性質(zhì)，顧歡達(dá)等[2]研究了河道淤泥輕質(zhì)化處理及其工程性質(zhì)。趙全勝等[3]對淤泥中摻入水泥、粉煤灰、水以及氣泡制成的氣泡混合土用于控制橋頭軟土路基沉降的適用性進行了研究。蘇奇等[4]研究了氣泡混合土在浸水環(huán)境下物理力學(xué)性質(zhì)及變化規(guī)律。

隨著現(xiàn)代圖像及數(shù)值分析技術(shù)的進步，對于土中微孔結(jié)構(gòu)分布已可實現(xiàn)定量化數(shù)值分析。例如，常防震等[5]應(yīng)用微觀分析技術(shù)，分析了黏土變形的微觀特性和機理，Dudoignon P[6]研究了土體在剪切過程中微觀特征變化規(guī)律，周翠英等[7]提出利用孔隙率、孔隙平均面積、微孔數(shù)量等微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)分析土體剪切破裂面微觀結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與抗剪強度之間的相關(guān)關(guān)系，管文[8]利用微結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究了泡沫混凝土物性與微孔結(jié)構(gòu)特征之間的相關(guān)關(guān)系。

利用微觀分析技術(shù)對河道淤泥氣泡混合土內(nèi)部的微孔分布特征進行分析，不僅可以幫助了解氣孔分布特性對河道淤泥氣泡混合土強度發(fā)揮的影響及破壞機理，而且可以進一步作為改進混合土制備工藝、提高混合土質(zhì)量的理論依據(jù)。

1 原料及試驗方法

1.1 試驗原料及配合比設(shè)計

試驗中所用原料土取自蘇州市內(nèi)某河道的沉積淤泥，取回的原料土先用4.75 mm 網(wǎng)篩過篩去除淤泥中的雜質(zhì)。依據(jù)JTG E40—2007《公路土工試驗規(guī)程》，試驗得到原料土塑性指數(shù)Ip=15.7，液性指數(shù)IL=1.67，孔隙比e=1.66，顆粒級配曲線見圖1，其余指標(biāo)見表1。試驗結(jié)果顯示，原料土以細(xì)粒土為主，依據(jù)上述規(guī)程土的分類原則，原料土屬于高含水率、處于流塑狀態(tài)的粉質(zhì)黏土。

圖1 淤泥的顆粒級配曲線Fig.1 Grading curve of sludge

表1 原料土的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 The physics parameters of raw soil

根據(jù)蔡明智等[9]的研究結(jié)果，對氣泡混合土工程性質(zhì)具有明顯影響的因素主要有固化劑、發(fā)泡劑含量等。為此，設(shè)計表2 所示配比方案，主要考慮固化劑摻量及氣泡摻量的影響。固化劑使用P.O 32.5 普通硅酸鹽水泥，發(fā)泡劑為動物蛋白類復(fù)配發(fā)泡劑。先將原料土加水解泥攪拌均勻，然后加入按表2 稱量的固化劑和利用發(fā)泡裝置產(chǎn)生的泡沫，將其加入泥漿中繼續(xù)攪拌均勻形成料漿，制備完成的料漿分層裝入直徑3.8 cm、高度7.6 cm的圓柱形模具，置入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護室養(yǎng)護，24 h 后脫模，脫模后再繼續(xù)放入養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d。配比方案中原料土的調(diào)整含水率為110%，固化劑與泡沫均以與原料土干土質(zhì)量比設(shè)定的摻入比計算確定摻量。在表2 所示配比方案中，每個配合條件分別制作6 個試樣，其中3 個用于圖像分析，其余3 個用于強度試驗。

表2 配合比設(shè)計Table 2 Design of mix proportion

1.2 強度試驗

對經(jīng)28 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護的試樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗，試驗速率為1.0 mm/min，試驗過程中記錄荷載及變形量，獲得無側(cè)限條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線并根據(jù)曲線確定抗壓強度及相應(yīng)的應(yīng)變值。

1.3 數(shù)字圖像分析

為保持所攝圖像的準(zhǔn)確性及統(tǒng)一標(biāo)定尺度，攝像時在被攝物與鏡頭之間設(shè)定20 cm 的固定距離，同時將所設(shè)定的標(biāo)尺換算成數(shù)字圖像中像素尺度以便于對圖像中的微孔尺度進行數(shù)字化計算與分析。圖像的數(shù)字化分析利用ImageJ 數(shù)字圖像分析軟件對所攝圖像進行數(shù)字化處理，圖像處理與分析過程包括灰度轉(zhuǎn)化、圖像平滑和銳化處理、噪聲和陰影去除等；為定量分析圖像中的微孔構(gòu)造特征，需要將經(jīng)灰度處理后的圖像進行二值化處理，選擇合適的閾值生成二值化圖像。利用分析軟件對圖像進行分析計算后，可以獲得所攝圖像范圍內(nèi)包括微孔平面形狀、周長、面積等物理參數(shù)，對這些參數(shù)做進一步統(tǒng)計分析，即可完成所攝圖像范圍的微孔物理狀態(tài)的定量分析工作。

2 微觀特征分析

2.1 微孔分布特征分析

由于顯示的微孔在平面形態(tài)基本上呈不規(guī)則形，為便于分析比較，對圖中每個微孔均按面積等效原則轉(zhuǎn)換成圓形，其直徑定義為微孔等效直徑d，按式（1）進行換算：

式中：A 為單個微孔面積，mm2。

對圖像中每個微孔均按式（1）換算成面積等效的圓孔后，微孔等效孔徑從小至大均有分布，為進一步對氣泡混合土中微孔分布特征進行定量分析，將微孔按等效直徑分類統(tǒng)計，由于大部分微孔孔徑較小，微孔孔組按如下方法分組：d約0.01 mm 孔組、0.01 mm臆d約0.06 mm 間微孔按0.01 mm 級差分為5 個孔組、0.06 mm臆d約0.2 mm 間微孔按0.02 mm 級差分為7 個孔組、0.2 mm臆d臆1.0 mm 間微孔按0.2 mm 級差分為4 個孔組、d躍1.0 mm 孔組。對圖像范圍內(nèi)按上述孔組分類方法對每個孔組進行統(tǒng)計，可以獲得各孔組的微孔數(shù)量與每個微孔的面積，為便于分析，定義每個孔組的微孔總面積除以該孔組微孔數(shù)量為該孔組的平均等效孔徑。由于并不能確定每個圖像所設(shè)定的范圍完全一致，在分析不同孔組微孔數(shù)量或面積時均按相對于設(shè)定范圍內(nèi)微孔總數(shù)或微孔總面積的百分比進行比較分析。

圖2 為2豫氣泡摻入比條件下孔組微孔數(shù)量與面積百分比分布圖形（不同氣泡摻入比條件下孔組微孔數(shù)量與面積百分比分布趨勢基本一致）。根據(jù)孔組微孔數(shù)量分布可以看出，微孔數(shù)量分布百分比呈比較明顯的兩個峰值，即等效孔徑0.06~0.08 mm 與0.20~0.40 mm 兩個孔組的占比明顯大于其他孔組，且前者峰值明顯高于后者，即孔徑較小微孔數(shù)量上占比更大。其次，觀察不同孔組的微孔面積分布，單孔面積較大的0.20~0.40 mm 孔組面積占比較大，而單孔面積較小的0.06~0.08 mm孔組面積占比相對較小。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，等效孔徑更大的孔組雖然數(shù)量較少，但孔組面積占比較大，原因在于在氣泡混合土制備過程中，相距較近的氣泡由于攪拌撓動影響可能發(fā)生串泡而形成較大孔徑氣孔。但此類微孔在氣泡混合土中的分布與數(shù)量不確定性較強，在氣泡混合土中的微孔分布上并不具有代表性。

圖2 2%氣泡摻入比微孔孔組分布Fig.2 The micro pore group distribution with 2%foam mixing ratio

根據(jù)上述微孔分布特征分析，可以認(rèn)為河道淤泥氣泡混合土中從數(shù)量或面積上占優(yōu)勢的具有代表性的微孔為0.06~0.08 mm 與0.20~0.40 mm 兩個孔組，該兩個孔組在土中的分布會對混合土的性質(zhì)產(chǎn)生較大影響，在此將該兩個孔組作為特征孔組，并根據(jù)此特征孔組的變化規(guī)律進一步對河道淤泥氣泡混合土的微觀機理進行分析。為方便起見，分別將0.06~0.08 mm 孔組定義為孔組1、0.20~0.40 mm 孔組定義為孔組2。

2.2 相關(guān)因素對微孔分布的影響

對河道淤泥氣泡混合土工程性質(zhì)影響比較明顯的主要因素有氣泡摻量及固化劑摻量。

對于氣泡摻量對河道淤泥氣泡混合土微觀結(jié)構(gòu)的影響，從圖3 可以看出，隨著混合土中氣泡摻量的增加，孔組1 數(shù)量占比呈減少趨勢，而孔組2 數(shù)量占比呈增加趨勢，此結(jié)果說明隨氣泡摻量的增加，氣泡在土中形成的微孔主要以孔徑較大的孔組2 微孔形式出現(xiàn)，導(dǎo)致孔組2 微孔占比增大，孔徑較小的孔組1 微孔占比降低。

圖3 微孔孔組與氣泡摻量關(guān)系Fig.3 Pore group versus foam amount

圖4 為35豫水泥摻量條件下孔組微孔數(shù)量及面積百分比分布。與圖2 所示結(jié)果類似，在改變水泥摻量的情況下，河道淤泥氣泡混合土中微孔數(shù)量占比仍以孔組1 及孔組2 微孔呈比較明顯的峰值。結(jié)合圖5 所示結(jié)果可以看出，孔組1 微孔面積占比在水泥摻量增加的情況下變化不大，孔組2 微孔面積占比雖然在水泥摻量35%時離散性較大，但總體上呈減小趨勢。通常，在水泥摻量增加的情況下，固體顆粒間的水化生成物增加，對孔隙的填充作用使部分孔隙孔徑減小，其結(jié)果是使得孔組2 微孔數(shù)量及微孔總面積占比降低。

圖4 35%水泥摻量微孔孔組分布Fig.4 Micro pore group distribution with 35%cement content

圖5 微孔孔組與水泥摻量關(guān)系Fig.5 Pore group versus cement content

3 微孔分布與強度發(fā)揮的相關(guān)性

河道淤泥氣泡混合土作為工程填料，通常主要關(guān)注的是其強度及剛度特性，圖6（a）結(jié)果顯示，在一定水泥摻入比條件下，孔組1 微孔面積占比與無側(cè)限抗壓強度基本上呈正相關(guān)趨勢，而孔組2 微孔面積占比與無側(cè)限抗壓強度則明顯呈負(fù)相關(guān)趨勢。此結(jié)果說明，較大孔徑孔組2 微孔數(shù)量或面積占比越大，表示土中孔隙體積越大，尤其是分布在氣泡混合土內(nèi)部的大孔隙往往會成為土體內(nèi)的薄弱部位，對土骨架的削弱作用明顯，導(dǎo)致氣泡混合土強度降低。

圖6 微孔孔組與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系Fig.6 Pore group versus unconfined compressive strength

根據(jù)對試驗結(jié)果的分析可知，通過在土中摻入氣泡達(dá)到減小土體自身密度的同時，也會由于土中大量孔隙的存在而削弱土骨架使得土體強度降低。為此，如果要達(dá)到盡可能降低這種削弱效應(yīng)，在制備氣泡混合土的過程中，在盡可能減少大孔徑氣孔數(shù)量的同時，提高孔徑分布均勻程度及提高小孔徑氣孔數(shù)量或面積的占比。

圖6（b）表示為氣泡摻入比不變，在不同水泥摻入比條件下無側(cè)限抗壓強度與微孔分布特征參數(shù)間的相關(guān)關(guān)系。可以看出，改變水泥摻入比使氣泡混合土強度發(fā)生了變化，但等效孔徑較小的孔組1 微孔面積占比并沒有隨強度改變發(fā)生較明顯的變化，而等效孔徑較大的孔組2 微孔面積占比隨強度的增大呈減小趨勢。此結(jié)果說明，改變氣泡混合土中的水泥摻量，主要影響等效孔徑較大的微孔分布，在水泥摻量增大，產(chǎn)生水化物更多的情況下，水化物的填充效應(yīng)使原較大孔徑微孔尺度減小，從而使得原微孔分布特征發(fā)生改變，較大孔徑微孔數(shù)量及面積均會減少，由于原較大孔徑微孔改變?yōu)檩^小孔徑微孔，使得較小孔徑微孔面積占比變化不大。

由于河道淤泥氣泡混合土的強度與剛度密切相關(guān)，通常強度越大剛度也隨之增大。圖7 即顯示為河道淤泥氣泡混合土無側(cè)限抗壓強度qu與變形模量E50之間的關(guān)系，圖示關(guān)系顯示兩者基本呈線性關(guān)系，若按線性回歸方式進行處理，兩者之間基本符合式（2）關(guān)系：

圖7 變形模量與無側(cè)限抗壓強度關(guān)系Fig.7 Deformation modulus versus unconfined compressive strength

4 結(jié)語

結(jié)合微觀分析方法及力學(xué)試驗對河道淤泥氣泡混合土的強度發(fā)揮及其微觀機理進行了研究，得到的結(jié)論主要有以下幾個方面：

1）河道淤泥氣泡混合土中在數(shù)量及總面積上占優(yōu)勢的微孔主要為等效孔徑0.06~0.08 mm 與0.20~0.40 mm 兩個孔組，該兩個孔組在土中的分布將直接影響混合土的工程性質(zhì)。

2）增大氣泡混合土中氣泡摻量雖有利于混合土的輕量化，但也易于導(dǎo)致較大孔徑氣孔數(shù)量及面積占比增大，在削弱土骨架的同時也易于在土體內(nèi)部形成薄弱環(huán)節(jié)，使得氣泡混合土強度或抵抗變形能力降低。

3）混合土中水泥摻量增加，其水化生成物產(chǎn)生的填充效應(yīng)主要影響氣泡混合土中較大孔徑的分布特征，較大孔徑微孔數(shù)量及面積占比均會降低，在減小孔隙體積的同時提高了氣泡混合土內(nèi)部的膠結(jié)能力，氣泡混合土的強度得以提高。

4）在滿足氣泡混合土輕量化要求的前提下，若要提高混合土的強度與剛度等工程性能，則需要通過優(yōu)化發(fā)泡劑及改進混合土制備工藝，盡可能增加小孔徑氣泡數(shù)量，減小大孔徑氣泡的數(shù)量及尺度，盡可能使小孔徑氣泡均勻分布在混合土內(nèi)部以減小土體中較大尺度孔隙對土骨架的削弱效應(yīng)。