基于河道淤泥气泡混合土微观构造特征的发泡剂适用性研究

李荣贺, 顾欢达

(苏州科技大学 土木工程学院, 江苏 苏州 215011)

为了疏通河道，保证水利水运工程的正常运行和环境改善，需要对河道网定期或不定期疏浚，如何避免疏浚淤泥很可能造成二次污染及再利用，已成为各界关心的问题。

为保护环境及淤泥的资源化利用，国内外学者对此进行了可行性探索。包建平、顾欢达等[1-3]对淤泥的处理技术和工程性质进行探讨。在国外，横田圣哉等[4-6]学者对气泡轻质土物理力学性质的研究起步较早；国内关于与气泡轻质土的研究，原料土主要为沙土和黏土；淤泥混合轻质土，轻质材料以塑料泡沫颗粒居多。以淤泥作为原料土，气泡作为轻质材料的相关研究较少。郑少午、姬凤玲等[7-13]对以EPS颗粒为轻质材料的轻质土进行研究，考察了其不同因素对其工程性质的影响及配方优化；何国杰，顾欢达等[14-16]考察了以气泡为轻质材料的轻质土，考察了其物理力学特征及耐久性；事实上，土体宏观性能的发挥与土体内部微孔微观分布特征相关。TTOVEY等[17]对不同土体微观构造技术进行了研究，主要包括定向及定量方面；申春妮等[18]从微观角度对Q2黄土特殊的湿陷性进行解释；顾欢达等[19-20]分别用压汞试验和图像处理技术考察了不同配比条件对河道淤泥气泡混合土微观构造的影响，以及微观构造与宏观性能的相关性。发泡剂作为河道淤泥气泡混合土主要发泡材料，其制备气泡的性能直接对混合土性质产生影响，目前，市场上流通的发泡剂品种繁多，而不同发泡剂制备的气泡性能各不相同，甚至差异很大，由其制备的FMLSS内部微孔结构特性的差异，以及对宏观特征的影响值得探讨。

1 材料与方法

为考察发泡剂的适用性，前发泡选用第2代表面活性剂类K12A、第4代复合类发泡剂F，后发泡选用双氧水作为轻质材料，利用上述不同发泡剂类型制作FMLSS，通过比对试验，考察其适用性。

FMLSS依照气泡的制备方式，可以分为后生成式和前生成式两种。后发泡法通常直接将发泡剂溶液，倒入混合土料浆中，通过机械搅拌作用将发泡剂溶液分散于料浆中，利用双氧水在碱性环境下易分解为氧气，同时双氧水自身还会电离出氢气，利用生成的氧气和氢气作为气源，在料浆中产生气泡，从而制备成轻质土；前发泡将由发泡装置预制的气泡加入搅拌均匀的混合土料浆中搅拌均匀制成气泡混合土，为后述方便起见，将K12A制备的FMLSS记为K型，复配类发泡剂制备的FMLSS记为F型；后发泡型中，将双氧水制备的FMLSS记为H型。

1.1 试验原料及配比设计

以苏州市某河道淤泥质土为原料土，其基本物理指标如表1所示。

表1 原料土的物理性质指标

试验所用的前发泡型发泡剂包括K12A(阴离子表面活性剂)和复合类发泡剂(F型)，各前发泡型发泡剂的理想性能如表2所示；后发泡型发泡剂为浓度30%工业级双氧水，碱性条件下具有很强的氧化性，产生气体；试验用水为自来水，水泥选用PO42.5的普通硅酸盐水泥。以干土质量为试验原料掺量控制指标。气泡掺入比ωe为气泡质量(后发泡为双氧水质量，)与干土质量之比，水泥掺入比ωc为水泥质量与干土质量之比，原料土含水量ω指掺入水和原料土原有水的质量之和与干土质量之比。试验配合方案如表3所示。

1.2 试样制备及试验方法

根据试验设计配比，称取原料土、水，达到设计含水量，利用搅拌机将土水混合均匀；加入水泥搅拌均匀，形成水泥土料浆，再加入预制的气泡(前发泡型)或双氧水(后发泡型)，通过搅拌直至气泡或双氧水完全融入到水泥土料浆中。将混合料装入内径3.91 cm，高7.8 cm的模具，浆体分3层装入模具，每层沿模具4个方向各震动30下，保证密实，每个试样至少制备3个平行样，在标准养护室中养护24 h后进行脱模，用保鲜膜将土样封闭，避免水分蒸发，在标准养护条件下，养护至试验龄期。

表2 各前发泡型发泡剂的性能

表3 不同材料试验方案

(1) 密度试验。为测定其密度，对每个配比制成的3个试样称量其质量，测得密度ρ为：

ρ=M/V

(1)

式中：V——试样体积(cm3)；M——试样质量(g)，为减少试验误差，以试样的密度偏差率为控制指标，当一组平行样密度偏差率小于1%时，认为满足制样要求。

(2) 强度试验。主要采用无侧限抗压强度仪，试验中轴向应变速率约为1 mm/min。

FMLSS微观构造特性分析试验：将养护28 d的试样选择观测断面进行图像摄取并分析，为了减少样本误差，每个试样在2，4，6 cm这3个高度上各选3个观测区域摄取图像(图1)，再通过图像处理软件Image J对图像进行预处理及二值化处理，提取数据对观测区域的微孔结构进行统计分析，最后计算平均值。

图1 图像处理及阈值分割

为了对FMLSS微观构造特征进行定量分析，采用以下定义的微孔分布特征参数：

微孔面积百分比M:由Image J直接读出，微孔总面积与整个断面图像的总面积之比。

(2)

(3)

(4)

式中：d——平均等效孔径(mm)；A——微孔平均面积(mm2)；A1，A2，A3，…，An——单个微孔的面积(mm2)；S——大小微孔数量比；N0.1，N0.01——大于0.1 mm及小于0.01 mm的微孔数量。

2 试验结果分析

2.1 微孔分布特征分析

为定量的考察不同FMLSS内部的微孔尺度及微孔分布的均匀性，引用大小微孔数量比S和平均等效孔径d，平均等效孔径d越大，表明土体内部气孔尺度越大；大小微孔数量比S越大，表明土体中小气孔中含有大气孔数量越多，反映了土体内部气孔分布的不均匀性。图2为微孔分布特征参数随与气泡掺入比的关系。由图2可知，随着气泡掺量增大，各微观构造参数随之增大。此结果表明，掺入气泡越多土体内部孔结构尺度增大、大孔数量增多、孔径分布趋于不均匀。进一步考察可知，不同类型发泡剂孔结构特征有所区别，H型发泡剂在气泡混合土制备过程中消泡明显，其微孔数量及平均孔径均明显少于其他类型发泡剂，说明H型发泡剂形成大气孔数量较少，总体上相比较H型发泡剂轻质化效果较差。土中气泡分布特征直接影响混合土密度，从图3可以看出不同的发泡剂对FMLSS密度影响明显，K型与F型密度小于H型，随气泡掺入量的增大FMLSS密度呈减小趋势；水泥掺量对密度有一定的影响，随水泥掺量的增大密度提高，与F型相比，在高气泡掺量下，水泥掺量的增大对K型影响较为明显，原因为水泥掺量的增大使料浆的黏性增大，在相同高气泡掺入比条件下，稳定性差的K型自身易消泡，同时气泡接触的几率增大，气泡不均匀导致气泡间的融合造成大尺度气泡过多，气泡稳定性降低，最终消泡过多将使成型后的FMLSS密度增大，掺入气泡作为FMLSS轻量化要素，气泡在料浆中的稳定性对FMLSS密度影响明显。

图2 微孔分布特征参数

图3 3种类型FMLSS密度对比

为了说明不同类型发泡剂对FMLSS密度的影响机理，可以根据图4所示的孔径分布曲线阐明。孔径分布曲线根据Image J读取土体中各微孔面积，通过换算得出小于某等效孔径的微孔累积百分比，得出

孔径分布曲线，曲线右移表明孔径尺度越小；曲线越陡，孔径分布越均匀。从图4可以看出，H型曲线位于K型和F型曲线右侧，根据图像观测，H型FMLSS土体内部以细小孔隙为主，其原因在于H型发泡剂制备过程中消泡较多，大部分孔隙为土粒间的毛细孔，而非由气泡所形成的气孔，因此其密度大于K型和F型，但同时H型FMLSS中孔径超过0.2 mm大孔含量较K型和F型多，此结果说明H型FMLSS中孔径分布均匀性较差。而K型和F型曲线位于左侧，曲线较为平缓，说明平均孔径较大。对比K，F型曲线可以发现，K型在F型的左边，且曲线较为平缓，图4所示，在气泡掺量较小时，两条曲线间距较小，随气泡掺量增大，K型曲线左移，且更为平缓。此结果表明，在两者密度差异不大条件下，K型的平均孔径增大，且分布更不均匀。同时，随水泥掺量的增加，曲线右移，即平均孔径减小。

图4 FMLSS微孔孔径分布曲线

对比K型与F型发泡剂，由图2可以看出利用气泡置换土体的效果两者差异较小；若进一步考察，在同等气泡掺量条件下，F型的平均等效孔径d，大小微孔数量比S均较K型要小，则表明与K型相比，F型发泡剂成孔分布较为均匀。随水泥含量增大土中微孔数量减小、轻质化效果减弱，但平均等效孔径及孔径分布相差不大，表明水泥掺量对混合土微观构造参数的影响相对较小。

2.2 微孔分布特征与力学性质的相关性分析

在工程应用中，除了轻量化指标外，强度发挥是衡量FMLSS能否满足工程要求的重要指标。在设计上为了适应低地基承载力条件或降低侧向压力的轻量化要求，往往需要在满足强度发挥指标的前提下尽可能降低FMLSS的密度，因此，在同等强度条件下FMLSS密度越小越有利。FMLSS的强度发挥与变形性质往往与混合土中的孔结构分布特性密切相关。根据前述分析结果可知，水泥对FMLSS微观构造差异性影响相对较小，以下重点考察水泥掺量为25%时，3种不同类型发泡剂形成的FMLSS强度发挥的差异性。

对不同气泡掺量条件下FMLSS强度发挥与微孔结构特征参数的相关性进行分析(图5)。由图5可以看出，随气泡掺量的增大，土体内成孔尺度及孔径分布产生了变化，随着平均等效孔径及大孔径微孔数量的增大，FMLSS的抗压强度呈降低趋势。其中，H型发泡剂在后发泡过程中，除了消泡现象比较明显导致气泡数量明显减少密度增大外，还较易在土体内部形成少量尺度超过0.5 mm较大的气孔，结果在硬化后的土体内部形成了较大空腔，容易导致土体受载后内部应力分布不均匀。

因此，H型发泡剂制成的FMLSS其内部孔结构分布不均匀，成型后的气泡混合土不仅密度大、轻质化效果差，而且强度发挥较差。对比前发泡型F型与K型的试验结果可知，在气泡掺量较小的情况下，虽然F型发泡剂成型后的混合土微孔分布均匀性较K型要好，但在气泡掺量较少的情况下，土骨架体积占比较大，微孔结构分布的少量差异对土骨架强度发挥的影响并不明显，显示两者的强度发挥在相同气泡掺量条件下比较接近。随着气泡掺量的增大，混合土中土骨架占比逐渐减少，微孔结构分布性对气泡混合土的影响逐渐增大。对比两者的变化趋势可以看出，K型发泡剂成型后的混合土微孔分布均匀性较差，随着气泡掺入量增大、微孔数量增多，对混合土强度发挥的削弱作用更为显著，相比之下F型发泡剂成型后的混合土内部成孔分布比较均匀、气孔尺度较小、大孔径微孔数量较少，因此，不仅轻质化效果较好，随气泡掺量增大混合土强度下降趋势也没有其余两种混合土显著。因此，在轻质化效果及强度发挥方面，相比H型及K型，F型发泡剂在制备FMLSS时显示更好的适用性。

图5 气泡条件下微孔参数与强度相关性

为定量考察不同密度等级下，不同种类FMLSS强度发挥受微观构造差异性的影响，分别对强度及d，S随密度的变化进行非线性拟合，强度方面，F型、K型、拟合优度为：0.993 02，0.975 35；d方面，F型、K型、拟合优度为：0.974 52，0.944；S方面，F型、K型、拟合优度为：0.941 66，0.975 35。由于H型离散性较大，图中趋势线仅作为参考。图6显示，H型轻质化效果较差，密度等级为1.43～1.51 g/cm3，H型离散性较大，d最大达到0.065 mm远高于F型及H型，同等密度条件下内部过大孔径微孔，导致其强度发挥明显低于其它两种发泡剂制成的FMLSS。而F型与K型相比，在气泡掺量较小时，土中微孔数量较少的情况下，如密度在1.45～1.51 g/cm3范围内，F型与K型d相差量0～0.003 mm，S相差量在0～0.104，两者微观构造差异性较小，对FMLSS强度发挥影响较小；随着气泡掺量增大，土中微孔分布均匀性对FMLSS强度发挥产生的影响趋于显著，如在1.20～1.45 g/cm3，强度差异性呈现先增大后减小的趋势，从趋势线可以看出，随密度的减小，F型d与S小于K型，且两者差异性有增大的趋势，在一定的强度储备下，F型良好的微孔尺度及均匀性，更有利于强度的发挥，强度方面远优于K型，但随着密度的继续减小，土骨架削弱严重，强度储备降低，微观构造的差异性影响相对减弱，上述结果更进一步说明，由于F型发泡剂制备的FMLSS具有较好的微孔分布均匀性，对于制备FMLSS显示更好的轻质化效果及工程适用性。

图7为不同类型FMLSS应力应变关系，整体上显示，不同气泡掺量，H型其破坏应变较小，维持在1%左右，强度达到峰值后，迅速降低，呈脆性破坏，弹性阶段曲线斜率与前发泡型相比较小，整体变形特性较前发泡型差。前发泡型中，随气泡掺入比增大，K型和F型受影响较为明显，FMLSS的弹性模量逐渐减小，破坏峰值强度逐渐降低，破坏形式由脆性破坏逐渐变成延性破坏。

图8为不同密度条件下破坏应变与微孔结构特征参数的相关性。结果显示，微孔构造分布的变化对同种FMLSS破坏应变的影响相对较小，但微孔小而分布比较均匀的F型，FMLSS的破坏应变相对较高，而H型由于过大微孔的存在，导致土体在较小应变条件下发生破裂，总体上属于呈脆性破坏。

图7 ωc=25%时FMLSS 应力应变关系变化

图8 微孔参数与破坏应变相关性

为了进一步考察FMLSS在荷载作用下的变形特性，对E50随密度的变化进行线性拟合，F型和K型拟合优度较高在0.9左右，H型由于离散性较大，拟合优度为0.45，仅作为参考。图9为不同密度条件下变形模量E50与微孔结构特征参数的相关性。考察结果显示，类似于强度发挥，同等密度条件下H型发泡剂制成的FMLSS由于微孔结构分布不均匀，土中含有的超过0.5 mm大孔径微孔削弱了土体的刚度，显示较小的刚度特性。对比F型及K型发泡剂制成的FMLSS，在密度范围1.43～1.5 g/cm3以上时，

两者d在0.048～0.056 mm，S在0.71～1.0相差较小，微观构造差异性小，其抵抗变形能力较为接近，E50在60～65 MPa；但在低密度条件下，密度范围在1.2～1.43 g/cm3范围内，F型d在0.052～0.066 mm，K型d在0.056～0.073 mm、F型S在0.93～1.51，K型S在1.03～1.9，F型微孔尺度及分布均匀性明显由于K型，图中显示出，两者E50差异性增大，低密度条件下，F型抵抗变形的能力优于K型。在实际工程应用中具有承载力更高、变形更小的适应性。

图9 微孔参数与E50相关性

3 结 论

(1) 微孔分布特征：不同类型FMLSS微观构造差异性受气泡掺量影响显著，受水泥影响较小，H型消泡严重且内部存有过大尺度微孔，F型较K型微孔尺度小而分布均匀，且随气泡掺量的增大，三者差异增大，F型成孔优势更明显。

(2) 强度与微观构造相关性：H型内部的过大微孔对土体强度削弱严重，F型与K型对比，低气泡掺量下，微孔结构分布的少量差异对土骨架强度发挥的影响并不明显，高气泡掺量下，内部微孔尺度小而分布均匀的F型受力均匀，强度发挥优于K型。

(3) 变形特性与微观构造相关性：H型内部过大微孔，导致土体应力集中显著，在整个配比内表现出脆性破坏；成孔效果较好的F型较K型具有良好的土骨架结构，同等密度下刚度和破坏应变均优于K型，表现出物理分布越均匀，力学变形特征优越。