水泥改良土微观结构定量研究

张齐齐，王家鼎，刘博榕，曾佑江

(西北大学地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069)

黄土孔隙发育，具有易渗透性、易湿陷性、易崩解性和水稳定性差等特性，易造成地裂缝、建筑物的不均匀沉降等问题，当其作为填料时，需对其进行改良。加水泥改良时，不同水泥掺量对黄土物理力学性质的影响不同。大量研究表明土的微观结构在很大程度上影响土的工程性质。高国瑞等［1］对黄土的微结构进行了分类，探讨了黄土湿陷的微观机理，从微观和宏观两个角度研究了黄土的工程性质;胡瑞林等［2］通过建立土体结构形态模型，进一步研究了软土的力学特性;蒋明镜等［3］对剪切带及周围土体的微观结构进行了研究，为土体逐渐破损理论提供了依据;方祥位等［4］通过CT图像技术研究了特殊土的受力、损伤过程中微结构的变化;王清等［5］定量评价了不同养护龄期水泥土的微观结构特征;施斌［6］利用计算机图像处理的基本原理，探索了黏性土微观结构简易的分析方法。综合前人研究成果发现，对黄土微结构的研究一直是揭示黄土工程性质变化的一种方法，同时也发现前人对改良土微观结构的研究较少，故本文利用图像处理系统对不同水泥掺量的SEM扫描电镜照片定量处理后，提取试样的微观结构定量参数，通过定量参数的分析，为改良土物理力学性质产生变化的原因提供定量化依据。

1 试样的制备

表1 试验黄土基本物理性质Table 1 Basic physical properties of loess

试验严格按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123-1999)进行。改良土中水泥掺量分别为0%、2%、4%、6%，采用CSK-V1型多功能电动击实仪进行重型击实试验，制作含水率为最优含水率ωopt、压实系数η=0.95的土样，在标准条件下养护14 d后，对土样处理后进行固结、直剪及扫描电镜试验。其中，扫描电镜试验的试样取干燥土样中间扰动最小的部分，切成1 mm×1 mm×2 mm的长方体，从中间掰开，将新鲜面作为观察面，其表面镀金处理后通过扫描电镜得到SEM照片。

2 试样的微观结构分析

2．1 微观结构的定性分析

本次试验使用的仪器为捷克 FEI公司的 FEI Quanta 400 FEG型环境扫描电子显微镜系统。

土的微观结构是指土颗粒的大小、形状、相互排列，尤其是相互连结的情况。从图1(a1)可看出，水泥掺量0%黄土中黏土物质连续、无定向分布，呈集聚状，孔隙形状不规则，微孔隙发育，结构较致密，结构类型可归为基质状结构。水泥的掺入可以改变土颗粒连结方式。从水泥掺量2%(图1(b1))、水泥掺量4%(图1(c1))的扫描电镜照片上可看出，掺入水泥后，由于水泥水化反应的产物，使得土颗粒的胶结，团聚程度增大，大颗粒构成骨架，小颗粒不均匀的附在大颗粒表面，起连结作用，单元体接触以凝聚性为主，其结构类型归为骨架状结构。从水泥掺量6%(图1(d1))的扫描电镜照片可看出，水泥掺量增大到6%时，土粒间的连结状态发生了显著的变化，孔隙间明显出现了放射状及纤维状的水化硅酸钙，分布在颗粒表面或四周，连结了颗粒，形成较大的结构单元体，为团粒状结构。

图1中(a2)、(b2)、(c2)、(d2)分别为(a1)、(b1)、(c1)、(d1)在阈值为 120、125、113、135 下的黑白照片，其中黑色部分代表孔隙，白色部分代表颗粒。

图1 改良土SEM照片(×2000)Fig．1 SEM images of modified soil by zooming 2000 times

2．2 微观结构的定量分析

将试样放大 2000倍的扫描电镜照片进行二值化处理，转换成黑白照片，最佳阈值以最能够反应照片中的孔隙、颗粒形态为标准。经过二值化处理后的照片，可以提取到很多反应改良土孔隙及颗粒大小、排列特征、定向性、圆度等结构参数。本文根据研究目的，选用2个孔隙结构参数-平面孔隙率、定向频率和两个颗粒结构参数-等效直径、分形维数作为微结构研究的定量化参数。

2．2．1 结构单元体大小及形态特征定量化评价

(1)等效直径d为与土颗粒面积相等的等效圆的直径，d=(4a/π)1/2，其中a为实际土颗粒面积。

(2)平面孔隙率为孔隙面积/(颗粒面积+孔隙面积)，平面孔隙率=b/(b+a)，b为孔隙面积。

表2为结构单元体粒度分析成果，表3为试样平面孔隙率成果。从表2中可以看出，素土单元体的等效直径d主要集中在＜2 μm的区间，加入水泥后单元体的等效直径变大，主要集中在2～5 μm、5～10 μm这2个区间，其次分布在＞10 μm的粒径区间。随着水泥掺量的增加，减少的是＜2 μm、2～5 μm粒径区间的结构单元体，随之增大的是5～10 μm、＞10 μm粒径区间的结构单元体，说明颗粒等效直径有逐渐变大的趋势。平面孔隙率反映的是试样的紧密状态。从表3中可看出，随着水泥掺量的增加，颗粒面积增大，孔隙所占的面积逐渐减少，结构单元体趋于紧密。

表2 试样微观结构粒度分析成果Table 2 Results of microstructure granularmetric analysis of samples

表3 试样平面孔隙率成果Table 3 Data and results of plane porosity of samples

这些变化产生的原因是土与水泥反应的生成物在颗粒间起到了胶结作用，并且生成的新生物质不断地填充到大孔隙中，结构单元体的团聚性不断增强，大颗粒增多，孔隙面积减小。这与直接从扫描电镜照片上观察到的一致。

2．2．2 孔隙定向性评价

孔隙的定向性评价采用定向频率F(α)，根据测量对象的定向角(长轴与水平方向的夹角)，将180°等分成n个区位，由此求出第i个区位内孔隙的定向频率。一般n=10，则

式中:ki——定向角落入第i区位内的测量对象个数;

k——总测量对象个数。

图2为不同水泥掺量试样孔隙的定向频率分布直方图。从图2中可看出，各试样孔隙的定向频率在大部分角度内都有分布，但90°左右的区位内分布概率更大，说明试样在这一区间内有明显的定向性。这主要是因为试样采用重型击实法制成，土颗粒及土孔隙在垂向冲击力的作用下进行重新排列，导致结构单元体长轴与X轴的夹角在90°区间内较集中［9～10］。

图2 试样的定向频率直方图Fig．2 Histogram of orientation frequency of samples

2．2．3 颗粒形态的分形维数

颗粒形态的分维数计算采用面积-周长法［11］，其基本原理为:

式中:PE——图像中任意一个代表土体颗粒的多边形的等效周长;

A——与之对应的多边形等效面积;

C——常数;

D——与之对应的土体孔隙形态分维数［12］。

通过计算得到每一个土颗粒的等效面积和周长，将这些数据绘制在双对数坐标系中，再将这些数据点拟合成一条直线，则通过拟合直线的斜率K即可获得颗粒形态的分维数:

图3为不同水泥掺量试样土颗粒等效周长与等效面积双对数关系，表4为试样放大2000倍Ln(PE)～Ln(A)线性关系及分维数。从表4中可看出，相关系数均大于0.962，说明线性关系式与数据拟合度高，可用来研究颗粒形态的分形特征。土颗粒的分维数在1～2之间，随着水泥掺量的增加，颗粒的分维数减小。其原因是水泥与土中水水化作用后，析出的Ca2+与土颗粒表面的K+、Na+发生离子交换、吸附作用等一系列反应，土颗粒的水膜变薄，使得大量的土颗粒聚集成团，同时析出大量的Ca2+与土中的SiO2和Al2O3进行化学反应，生成不溶于水的稳定纤维状结晶矿物;水泥水化后生成的Ca(OH)2不仅具有强烈的吸附性，这使得土团粒结合更紧密，形成水泥与土颗粒的链条状结构，土颗粒间的孔隙被填充，而且Ca(OH)2不断地与空气中的CO2和水中的H2CO3水解形成的CO2反应生成CaCO3，其使土颗粒胶结形成粗粒化作用。这些反应使得土颗粒的团聚性增大，许多细小颗粒胶接在一起，土颗粒边缘趋于规整、圆润，故颗粒形态分维数变小。

图3 试样土颗粒等效周长与等效面积的双对数关系Fig．3 ln(PE)-ln(A)graph of samples

3 黄土改良效果分析

表5为改良土物理力学试验测试结果。从表5中可知，水泥的加入影响了黄土的最优含水量和最大干密度。水泥掺量增大，最优含水量增大，而最大干密度减小。最优含水量增大的原因是水泥水化反应后，大孔隙减少、小孔隙的增多致使毛细作用增强，持水能力增大。水泥掺量越大，被水泥吸收的水分就越多，毛细作用也越强，击实时土体中的水分不易排出，所以最优含水量随着水泥掺量的增加而增大。土体与水泥发生化学反应，新生物质不断地填充到大孔隙中，土颗粒聚集形成团粒，土粒间更多的呈现出面—面、面—边接触，而且小颗粒的增多使颗粒移动时的摩擦阻力增大，阻碍了土颗粒在击实过程中相互靠近，也使得击实时用于克服摩擦阻力的功增多，有效击实功减小，所以最大干密度随着水泥掺量的增加而减小。

表4 试样放大2000倍ln(PE)-ln(A)线性关系及分维数Table 4 Linear relationship and fractal dimension of ln(PE)-ln(A)

表5 改良土物理力学试验测试结果Table 5 Physical and mechanical test results of the modified soil

水泥的加入增大了黄土的黏聚力、内摩擦角。黏聚力主要由颗粒间的范德华力、库仑力、胶结作用力等各种物理化学作用决定。水泥加入黄土后，不断地生成结晶物质，在颗粒间产生胶结作用力，并且水泥颗粒细，颗粒间的范德华力与库仑力大，使得颗粒进一步黏结，黏聚力增大。内摩擦力是由颗粒之间的咬合摩擦力和滑动摩擦力决定的。咬合摩擦力受土的密实度、圆度及颗粒本身的强度等的影响。滑动摩擦力与矿物组成、颗粒形状、级配等有关。加入水泥后，由于水泥的水化反应，孔隙度降低，改良了黄土级配，颗粒变得更加密实，故内摩擦角增大。

4 结论

(1)改良土中水泥掺量影响试样的微观结构。素土的结构类型为基质状结构，水泥掺量2%、水泥掺量4%改良土的结构类型为骨架状结构，水泥掺量6%改良土的结构类型为团聚状结构。水泥掺入后，土粒间的连结状态发生显著变化，孔隙减少，土体排列变得紧密，且在孔隙中出现了很多纤维状晶体，水泥含量越多，这些变化越明显。

(2)微观结构单元体的定量分析表明，水泥掺量越大，等效直径较大的土颗粒增多，而等效直径较小的土颗粒相对减小;孔隙面积减小，颗粒面积增大，平面孔隙率减小;颗粒形态的分形维数减小;因为试样采用重型击实法制成，使得定向角在90°区间内较集中。

(3)水泥的加入影响了黄土的物理力学性质。水泥掺量增大，最优含水量增大而最大干密度减小，同时水泥的掺入增大了黄土的黏聚力、内摩擦角。通过对试样微观结构特征的分析，可以作为改良土物理力学性质改变的原因。

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