氯化钠侵蚀环境下固化疏浚土宏微观力学特性试验

史旦达　汪存石　刘文白　邵伟

摘要：

為研究固化疏浚土在氯化钠侵蚀环境下的工程特性，以上海市南汇东滩某吹填场地的黏质粉土为试验土料，掺入自制固化剂制备固化疏浚土试块，进行氯化钠浸泡试验，研究氯化钠初始质量浓度和浸泡龄期对试块抗压强度的影响。采用扫描电镜拍摄试块表面微观结构照片;采用Image-Pro Plus （IPP）图像处理技术结合MATLAB分析程序得到与颗粒和孔隙相关的微观结构参数;基于分形理论，研究氯化钠初始质量浓度、分形维数和抗压强度三者之间的宏微观关联。结果表明：试块的抗压强度随着氯化钠初始质量浓度和浸泡龄期的增长而增长;氯化钠初始质量浓度的增加会引起分形维数的变化，进一步影响试块的宏观抗压强度，三者之间存在内在的定量关联。

关键词：

固化疏浚土; 氯化钠侵蚀; 抗压强度; 微观结构; 分形维数

中图分类号：TU411

文献标志码：A

收稿日期： 2018-06-11

修回日期： 2018-09-26

基金项目： 国家自然科学基金（41772273， 51609135）;上海市科技创新行动计划

地方院校能力建设项目（19040501800）

作者简介：

史旦达（1979—），男，浙江舟山人，教授，博导，博士，研究方向为海洋岩土工程、海洋资源开发利用，

（E-mail）ddshi@shmtu.edu.cn

Macro-micro mechanical property test of solidified dredged

soil under sodium chloride erosion environment

SHI Danda1， WANG Cunshi2， LIU Wenbai1， SHAO Wei1

（1.College of Ocean Science and Engineering， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

2.College of Environment， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract：

In order to study the engineering characteristics of solidified dredged soil under sodium chloride erosion environment， the solidified dredged soil specimen was prepared by adding the self-made curing agent into the test soil （i. e. clay silt from a hydraulic filling site in Nanhui East Shoal， Shanghai）， and the sodium chloride immersion test was carried out to study the effects of the sodium chloride initial mass concentration and the immersion age on the compression strength of the specimen. The surface microstructure of the specimen is captured using the scanning electron microscope， and the microstructure parameters related to particles and pores are obtained by Image-Pro Plus （IPP） image processing technique and MATLAB analysis program. Based on the fractal theory， the macro and micro correlation among the sodium chloride initial mass concentration， the fractal dimension and the compression strength is studied. The results show that： the compression strength of the specimen increases with the increase of the sodium chloride initial mass concentration and the immersion age; the increase of the sodium chloride initial mass concentration causes the change of the fractal dimension and further affects the macroscopic compression strength of the specimen， and there is an internal quantitative correlation among the three.

Key words：

solidified dredged soil; sodium chloride erosion; compression strength; microstructure; fractal dimension

0 引 言

围海造陆是当前疏浚土资源化利用的重要途径，而天然疏浚土含水量高、压缩性强、承载力低，需要经过地基处理或者快速固化处理后才能满足工程建设需求。来自海洋的疏浚土在固化成陆过程中会受到海水的侵蚀，这种侵蚀包括氯离子侵蚀、硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀以及碱-骨料反应[1]。海水中最主要的组分为盐类，其中氯盐含量最高，约占35%[2]，因此开展氯盐侵蚀环境下固化疏浚土的宏微观力学特性研究对于保障吹填土场地上的工程建设安全具有重要实践意义。

针对氯离子侵蚀环境下固化土的力学特性：柴寿喜等[3]采用室内试验研究了含盐量与石灰固化盐渍土力学特性之间的关系，发现石灰固化盐渍土的无侧限抗压强度和抗剪强度随含盐量的增加而降低，且固化土试样浸水与不浸水情况下的无侧限抗压强度的差异越来越小;范礼彬等[4]研究了氯盐含量对水泥固化土无侧限抗压强度的影响，研究发现，随着氯盐含量的增加，水泥固化土的无侧限抗压强度和变形模量降低，应力应变曲线由脆性破坏向塑性破坏转化，但水泥固化土变形模量与无侧限抗压强度的比值与氯盐含量的多少并无明显关系;刘东峰[5]分析了氯化钠和氯化镁侵蚀环境下水泥固化土的无侧限抗压强度，结果表明，在浸泡过程中钠离子、镁离子、氯离子的活跃度依次减小，氯离子的侵蚀效果主要取决于CaCl2·6H2O晶体的生成量;ZHANG等[6]研究了氯化钠含量对低塑性黏土干缩特性的影响，研究表明，氯化钠含量对黏土的干缩特征曲线影响不大;SALDANHA等[7]分析了氯盐含量

对粉煤灰-电石渣混合料抗压强度的影响，研究发现，氯化钠含量的增加能显著提高该混合料的抗压强度。

除了以上宏观特性分析外，研究者们还利用扫描电镜（scanning electron microscope， SEM）等设备从微观层面分析固化疏浚土的微观结构特征。例如：张华杰等[8]基于SEM对氯化钠浸泡后的水泥土试块的微观结构进行了研究，发现氯离子侵蚀龄期对水泥土微观结构的变化具有重要影响，并通过回归分析建立了抗剪强度-微观结构分析模型;查甫生等[9]研究了水泥固化铅污染土在氯化钠侵蚀环境下的力学特性及其微观结构，研究表明，氯化钠的侵蚀时间越长，试样的颗粒排列越趋于致密规则;史旦达等[10]采用SEM联合Image-Pro Plus（IPP）图像处理技术，基于分形理论，探讨了固化疏浚土试样微观结构与宏观强度、变形特性之间的定量关联，也为本文的研究提供了先期条件。

综上所述，目前关于氯离子侵蚀环境下固化土宏观特性的试验研究成果较多，而在微观结构分析方面积累的成果相对较少，特别是关于宏微观关联的定量研究更是十分缺乏。鉴于此，本文以上海市南汇东滩典型疏浚吹填土为试验材料，采用自制固化剂制备固化疏浚土试样，研究氯化钠侵蚀环境下固化疏浚土的宏观抗压强度，重点分析氯化钠初始质量浓度和浸泡龄期对抗压强度的影响及其规律。在此基础上，采用SEM并结合IPP图像处理技术，提取与颗粒、孔隙和颗粒表面起伏相关的微观结构

分形维数（以下简称“分维数”），探讨氯化钠侵蚀下固化疏浚土微观结构与宏观强度之间的宏微观关联。

1 试样制备及试验方案

1.1 试样制备

试验土料取自上海市南汇东滩某吹填场地，场地具体位置见图1。

吹填土样取自表层0～1 m土层范围内。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[11]，采用比重瓶法、液塑限联合测定法、固结快剪法、侧限压缩等试验方法对土样的主要物理力学指标进行了测定，具体汇总于表1，土样定名为“黏质粉土”。

自制固化剂主要由胶结物和激发剂组成，由于疏浚土天然含水量较高，所以其中还掺加了少量石灰，用来改善砂浆的保水性。激发剂主要由木质素组成，木质素是由聚合的芳香醇构成的一种复杂酚类聚合物，能减小双电层厚度及絮凝作用，而且可以促进固化剂水化产物的胶凝和结晶，加快疏浚土样的固化速度。

由文献[12]可知，10%（质量比）左右的水泥掺量可使固化疏浚土试块表现出较强的抗侵蚀性。本文试验中考虑到固化剂中除水泥外还含有其他胶结物，故而将固化剂掺量设计为8%（质量比）。试块制备时，将固化剂与天然疏浚土按所需质量分别称取后，倒入搅拌机机箱中，加入一定质量的水，由搅拌机充分搅拌后，得到固化剂与黏质粉土的混合浆液。混合浆液制备完成后，开始制作立方体固化疏浚土试块，试块尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，共100件，静置24 h后拆模。拆模后的试块再逐批次放入水泥标准养护箱进行养护，养护条件为温度（20±2） ℃、相对湿度90%，养护时间为28 d。

氯化钠采用天津市鼎盛鑫化工有限公司生产的氯化钠分析纯，其中NaCl含量不少于99.5%，pH为5.0～8.0。浸泡装置为PVC塑料浸泡箱，尺寸为330 mm×250 mm×130 mm，每个浸泡箱中放置3个固化疏浚土试块。浸泡时，氯化钠溶液需没过试块顶部5 cm左右，试块的浸泡状态见图2。

1.2 试验方案

氯化钠溶液初始质量浓度分别取1.5、3.0、6.0 g/L，每种初始质量浓度下设计的浸泡龄期又分别为7、14、28 d。为与氯化钠浸泡试块进行对比，还设计一组氯化钠初始质量浓度为0的清水浸泡试验。浸泡开始后，每隔1 d测定一次氯离子质量浓度，氯离子质量浓度测定方法参照硝酸银滴定法（GB 11896—1989）[13]進行。达到浸泡龄期后，取出试块，采用电液式压力试验机对试块进行无侧限抗压强度试验，加载速率为1 kN/s。

参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[11]，采用TST-55型渗透仪测定固化疏浚土的渗透系数，结果为10-7～10-5 cm/s;当固化剂掺量为8%（质量比）时，从试验开始到14 d养护龄期内，试块的渗透系数下降明显，14 d后试块的渗透系数逐渐趋于稳定。因此，选取不同氯化钠初始质量浓度、浸泡龄期为14 d的试块进行SEM测试。选取Tescan Mira3型场发射SEM。SEM测试时，先将测试土样经烘干机干燥后切块，切块大小为18 mm×18 mm×18 mm，测试前暴露出试块新鲜表面以获取清晰的微观结构图像照片。每个试样表面选取3个测试点，每个测试点拍摄6张图像，图像放大倍数為8 000倍。

2 宏观力学特性分析

2.1 抗压强度变化规律

图3给出了不同氯化钠初始质量浓度、不同浸泡龄期下固化疏浚土试块的无侧限抗压强度（简称“抗压强度”）变化规律。分析图3可得几点规律：（1）相同氯化钠初始质量浓度下，随着浸泡龄期的增加抗压强度明显增加;对于4种氯化钠初始质量浓度0（清水）、1.5、3.0、6.0 g/L，相对于7 d浸泡龄期，当浸泡龄期增加至28 d时，试块抗压强度分别提高13.23%、17.22%、16.95%、17.45%。（2）相同浸泡龄期下，试块抗压强度随着氯化钠初始质量浓度的增加而增加，以浸泡龄期28 d为例，当氯化钠初始质量浓度从0增至6.0 g/L时，试块抗压强度可提升17.17%。

图4给出了经氯化钠浸泡后固化疏浚土试块的表面照片。对试块表面特征进行观察可以发现，氯离子与固化疏浚土试块中的水化产物氢氧化钙发生了化学反应，在试块表面生成了氯化钙结晶水合物（CaCl2·6H2O晶体），这种晶体会填充至疏浚土试块的孔隙中，对试块抗压强度的提高起促进的作用。

2.2 氯离子质量浓度监测结果及分析

图5给出了3种氯化钠初始质量浓度下溶液中氯离子质量浓度随时间变化的规律。分析图5可知，无论何种初始质量浓度，随着浸泡龄期的增加，溶液中的氯离子质量浓度均逐步降低，以氯化钠初始质量浓度6.0 g/L为例（图5c），溶液中氯离子的初始质量浓度为3.64 g/L，当浸泡龄期分别达到7、14、28 d时，溶液中氯离子质量浓度分别降为2.81、2.38、1.83 g/L，与初始值相比分别降低22.80%、34.62%、49.73%。此外，氯离子质量浓度降低的幅度与氯化钠初始质量浓度也存在一定关联，初始质量浓度越高，降低的幅度越显著。

溶液中氯离子质量浓度的降低可理解为氯离子逐步迁移至固化疏浚土试块中，并与试块中的水化产物氢氧化钙发生化学反应生成了CaCl2·6H2O晶体。如前文分析可知，CaCl2·6H2O晶体有助于试块抗压强度的提高。因此，随着浸泡龄期的增加，溶液中氯离子质量浓度的降低（也即氯离子迁移至固化土试块中）与试块抗压强度的提高之间的规律是相互吻合的。

3 微观结构分析

3.1 微观结构参数及宏微观关联

图6给出了不同氯化钠初始质量浓度下浸泡14 d后固化疏浚土试样表面的SEM图像。采用IPP图像处理技术和MATLAB分析程序对SEM图像进行定量分析，计算得到试样表面颗粒的数量、平均面积和平均粒径以及孔隙的数量、平均面积和平均孔径等微观结构参数，结果见表2。

分析图6可知，氯化钠侵蚀会影响固化疏浚土试块表面颗粒和孔隙的形态及排列方式。当用清水

浸泡时（图6a），试块表面的颗粒和孔隙都较为明显，颗粒大小不一，相互堆叠且不成体系，孔隙尺寸中等。随着氯化钠初始质量浓度的增加，颗粒平面排列更紧密，颗粒间结合程度更好，说明氯化钠侵蚀后土体的结构更为密实。

分析表2可知：随着氯化钠初始质量浓度的增加，颗粒和孔隙的数量逐渐增加，但孔隙的平均面积和平均孔径均逐渐减小，这表明经氯化钠溶液浸泡后，土体的微观结构发生了改变，部分孔隙被生成的CaCl2·6H2O晶体填充并形成了新的颗粒;颗粒的平均面积和平均粒径的增大可以解释为在固化及侵蚀过程中，新生成的水化产物及晶体凝结在一起，形成密集的颗粒团;同时，伴随晶体颗粒的生成，试块中的孔隙被凝结的颗粒分散隔离开，微小孔隙的数量增多。

图7给出了经氯化钠溶液浸泡后固化疏浚土试样表面微观结构参数与氯化钠初始质量浓度之间的关系。由图7可知：氯化钠初始质量浓度的提高与颗粒（孔隙）数量的增多以及颗粒平均面积、平均粒径的增大呈现出良好的线性关系;氯化钠初始质量浓度的提高与孔隙平均面积和平均孔径的减少也呈现出的良好线性关系。以上线性拟合的相关系数R2均大于0.9。

图8给出了经氯化钠溶液浸泡后固化疏浚土试样表面微观结构参数与抗压强度之间的关系。由图8可知：宏观抗压强度与试样微观结构之间存在内在关联，抗压强度的提高主要体现在颗粒数量的增长以及颗粒平均面积的增大，与之相对应，孔隙的平均面积和平均孔径逐渐减小;微观结构参数与宏观抗压强度之间呈现出较好的相关性。

3.2 分形维数分析

土体的微观结构具有分形特征，运用分形理论分析土体微观结构变化具有重要意义[14]。土体微观结构的分维数主要包括：粒度分维数Dps、孔径分维数Dbs、颗粒分布分维数Dpd、孔隙分布分维数Dbd和颗粒表面起伏分维数Dpr。

将图6不同氯化钠初始质量浓度的试样表面微观结构SEM图像导入IPP软件，经二值化处理后对图像的高光和阴影部分进行测量及分析，利用自编MATLAB程序计算得到5个分维数的具体数值，见表3。