河道淤泥气泡混合土强度发挥及微观机理分析

陈生健，顾欢达

（1.吴江区审图中心，江苏 苏州 215200；2.苏州科技大学，江苏 苏州 215011）

0 引言

近年来，为清淤产生的河道淤泥寻求低成本、高效的综合有效利用方式是目前在积极探索的课题。例如，处于江南水网地区的苏州市，2017—2018 年对市区48 条河道实施清淤，产生的河道淤泥超过100 万m3。利用河道淤泥自身的高含水率特征，制备具有流动特性的混合土用于填土工程或工程上某些特殊区域，显示出良好的工程适用性。丁佩民等[1]研究了水泥固化处理后的河道淤泥用作工程填料的工程性质，顾欢达等[2]研究了河道淤泥轻质化处理及其工程性质。赵全胜等[3]对淤泥中掺入水泥、粉煤灰、水以及气泡制成的气泡混合土用于控制桥头软土路基沉降的适用性进行了研究。苏奇等[4]研究了气泡混合土在浸水环境下物理力学性质及变化规律。

随着现代图像及数值分析技术的进步，对于土中微孔结构分布已可实现定量化数值分析。例如，常防震等[5]应用微观分析技术，分析了黏土变形的微观特性和机理，Dudoignon P[6]研究了土体在剪切过程中微观特征变化规律，周翠英等[7]提出利用孔隙率、孔隙平均面积、微孔数量等微观结构特征参数分析土体剪切破裂面微观结构特征参数与抗剪强度之间的相关关系，管文[8]利用微结构分析技术研究了泡沫混凝土物性与微孔结构特征之间的相关关系。

利用微观分析技术对河道淤泥气泡混合土内部的微孔分布特征进行分析，不仅可以帮助了解气孔分布特性对河道淤泥气泡混合土强度发挥的影响及破坏机理，而且可以进一步作为改进混合土制备工艺、提高混合土质量的理论依据。

1 原料及试验方法

1.1 试验原料及配合比设计

试验中所用原料土取自苏州市内某河道的沉积淤泥，取回的原料土先用4.75 mm 网筛过筛去除淤泥中的杂质。依据JTG E40—2007《公路土工试验规程》，试验得到原料土塑性指数Ip=15.7，液性指数IL=1.67，孔隙比e=1.66，颗粒级配曲线见图1，其余指标见表1。试验结果显示，原料土以细粒土为主，依据上述规程土的分类原则，原料土属于高含水率、处于流塑状态的粉质黏土。

图1 淤泥的颗粒级配曲线Fig.1 Grading curve of sludge

表1 原料土的物理性质指标Table 1 The physics parameters of raw soil

根据蔡明智等[9]的研究结果，对气泡混合土工程性质具有明显影响的因素主要有固化剂、发泡剂含量等。为此，设计表2 所示配比方案，主要考虑固化剂掺量及气泡掺量的影响。固化剂使用P.O 32.5 普通硅酸盐水泥，发泡剂为动物蛋白类复配发泡剂。先将原料土加水解泥搅拌均匀，然后加入按表2 称量的固化剂和利用发泡装置产生的泡沫，将其加入泥浆中继续搅拌均匀形成料浆，制备完成的料浆分层装入直径3.8 cm、高度7.6 cm的圆柱形模具，置入标准养护室养护，24 h 后脱模，脱模后再继续放入养护室养护至28 d。配比方案中原料土的调整含水率为110%，固化剂与泡沫均以与原料土干土质量比设定的掺入比计算确定掺量。在表2 所示配比方案中，每个配合条件分别制作6 个试样，其中3 个用于图像分析，其余3 个用于强度试验。

表2 配合比设计Table 2 Design of mix proportion

1.2 强度试验

对经28 d 标准养护的试样进行无侧限抗压强度试验，试验速率为1.0 mm/min，试验过程中记录荷载及变形量，获得无侧限条件下的应力-应变曲线并根据曲线确定抗压强度及相应的应变值。

1.3 数字图像分析

为保持所摄图像的准确性及统一标定尺度，摄像时在被摄物与镜头之间设定20 cm 的固定距离，同时将所设定的标尺换算成数字图像中像素尺度以便于对图像中的微孔尺度进行数字化计算与分析。图像的数字化分析利用ImageJ 数字图像分析软件对所摄图像进行数字化处理，图像处理与分析过程包括灰度转化、图像平滑和锐化处理、噪声和阴影去除等；为定量分析图像中的微孔构造特征，需要将经灰度处理后的图像进行二值化处理，选择合适的阈值生成二值化图像。利用分析软件对图像进行分析计算后，可以获得所摄图像范围内包括微孔平面形状、周长、面积等物理参数，对这些参数做进一步统计分析，即可完成所摄图像范围的微孔物理状态的定量分析工作。

2 微观特征分析

2.1 微孔分布特征分析

由于显示的微孔在平面形态基本上呈不规则形，为便于分析比较，对图中每个微孔均按面积等效原则转换成圆形，其直径定义为微孔等效直径d，按式（1）进行换算：

式中：A 为单个微孔面积，mm2。

对图像中每个微孔均按式（1）换算成面积等效的圆孔后，微孔等效孔径从小至大均有分布，为进一步对气泡混合土中微孔分布特征进行定量分析，将微孔按等效直径分类统计，由于大部分微孔孔径较小，微孔孔组按如下方法分组：d约0.01 mm 孔组、0.01 mm臆d约0.06 mm 间微孔按0.01 mm 级差分为5 个孔组、0.06 mm臆d约0.2 mm 间微孔按0.02 mm 级差分为7 个孔组、0.2 mm臆d臆1.0 mm 间微孔按0.2 mm 级差分为4 个孔组、d跃1.0 mm 孔组。对图像范围内按上述孔组分类方法对每个孔组进行统计，可以获得各孔组的微孔数量与每个微孔的面积，为便于分析，定义每个孔组的微孔总面积除以该孔组微孔数量为该孔组的平均等效孔径。由于并不能确定每个图像所设定的范围完全一致，在分析不同孔组微孔数量或面积时均按相对于设定范围内微孔总数或微孔总面积的百分比进行比较分析。

图2 为2豫气泡掺入比条件下孔组微孔数量与面积百分比分布图形（不同气泡掺入比条件下孔组微孔数量与面积百分比分布趋势基本一致）。根据孔组微孔数量分布可以看出，微孔数量分布百分比呈比较明显的两个峰值，即等效孔径0.06~0.08 mm 与0.20~0.40 mm 两个孔组的占比明显大于其他孔组，且前者峰值明显高于后者，即孔径较小微孔数量上占比更大。其次，观察不同孔组的微孔面积分布，单孔面积较大的0.20~0.40 mm 孔组面积占比较大，而单孔面积较小的0.06~0.08 mm孔组面积占比相对较小。从图中还可以发现，等效孔径更大的孔组虽然数量较少，但孔组面积占比较大，原因在于在气泡混合土制备过程中，相距较近的气泡由于搅拌挠动影响可能发生串泡而形成较大孔径气孔。但此类微孔在气泡混合土中的分布与数量不确定性较强，在气泡混合土中的微孔分布上并不具有代表性。

图2 2%气泡掺入比微孔孔组分布Fig.2 The micro pore group distribution with 2%foam mixing ratio

根据上述微孔分布特征分析，可以认为河道淤泥气泡混合土中从数量或面积上占优势的具有代表性的微孔为0.06~0.08 mm 与0.20~0.40 mm 两个孔组，该两个孔组在土中的分布会对混合土的性质产生较大影响，在此将该两个孔组作为特征孔组，并根据此特征孔组的变化规律进一步对河道淤泥气泡混合土的微观机理进行分析。为方便起见，分别将0.06~0.08 mm 孔组定义为孔组1、0.20~0.40 mm 孔组定义为孔组2。

2.2 相关因素对微孔分布的影响

对河道淤泥气泡混合土工程性质影响比较明显的主要因素有气泡掺量及固化剂掺量。

对于气泡掺量对河道淤泥气泡混合土微观结构的影响，从图3 可以看出，随着混合土中气泡掺量的增加，孔组1 数量占比呈减少趋势，而孔组2 数量占比呈增加趋势，此结果说明随气泡掺量的增加，气泡在土中形成的微孔主要以孔径较大的孔组2 微孔形式出现，导致孔组2 微孔占比增大，孔径较小的孔组1 微孔占比降低。

图3 微孔孔组与气泡掺量关系Fig.3 Pore group versus foam amount

图4 为35豫水泥掺量条件下孔组微孔数量及面积百分比分布。与图2 所示结果类似，在改变水泥掺量的情况下，河道淤泥气泡混合土中微孔数量占比仍以孔组1 及孔组2 微孔呈比较明显的峰值。结合图5 所示结果可以看出，孔组1 微孔面积占比在水泥掺量增加的情况下变化不大，孔组2 微孔面积占比虽然在水泥掺量35%时离散性较大，但总体上呈减小趋势。通常，在水泥掺量增加的情况下，固体颗粒间的水化生成物增加，对孔隙的填充作用使部分孔隙孔径减小，其结果是使得孔组2 微孔数量及微孔总面积占比降低。

图4 35%水泥掺量微孔孔组分布Fig.4 Micro pore group distribution with 35%cement content

图5 微孔孔组与水泥掺量关系Fig.5 Pore group versus cement content

3 微孔分布与强度发挥的相关性

河道淤泥气泡混合土作为工程填料，通常主要关注的是其强度及刚度特性，图6（a）结果显示，在一定水泥掺入比条件下，孔组1 微孔面积占比与无侧限抗压强度基本上呈正相关趋势，而孔组2 微孔面积占比与无侧限抗压强度则明显呈负相关趋势。此结果说明，较大孔径孔组2 微孔数量或面积占比越大，表示土中孔隙体积越大，尤其是分布在气泡混合土内部的大孔隙往往会成为土体内的薄弱部位，对土骨架的削弱作用明显，导致气泡混合土强度降低。

图6 微孔孔组与无侧限抗压强度关系Fig.6 Pore group versus unconfined compressive strength

根据对试验结果的分析可知，通过在土中掺入气泡达到减小土体自身密度的同时，也会由于土中大量孔隙的存在而削弱土骨架使得土体强度降低。为此，如果要达到尽可能降低这种削弱效应，在制备气泡混合土的过程中，在尽可能减少大孔径气孔数量的同时，提高孔径分布均匀程度及提高小孔径气孔数量或面积的占比。

图6（b）表示为气泡掺入比不变，在不同水泥掺入比条件下无侧限抗压强度与微孔分布特征参数间的相关关系。可以看出，改变水泥掺入比使气泡混合土强度发生了变化，但等效孔径较小的孔组1 微孔面积占比并没有随强度改变发生较明显的变化，而等效孔径较大的孔组2 微孔面积占比随强度的增大呈减小趋势。此结果说明，改变气泡混合土中的水泥掺量，主要影响等效孔径较大的微孔分布，在水泥掺量增大，产生水化物更多的情况下，水化物的填充效应使原较大孔径微孔尺度减小，从而使得原微孔分布特征发生改变，较大孔径微孔数量及面积均会减少，由于原较大孔径微孔改变为较小孔径微孔，使得较小孔径微孔面积占比变化不大。

由于河道淤泥气泡混合土的强度与刚度密切相关，通常强度越大刚度也随之增大。图7 即显示为河道淤泥气泡混合土无侧限抗压强度qu与变形模量E50之间的关系，图示关系显示两者基本呈线性关系，若按线性回归方式进行处理，两者之间基本符合式（2）关系：

图7 变形模量与无侧限抗压强度关系Fig.7 Deformation modulus versus unconfined compressive strength

4 结语

结合微观分析方法及力学试验对河道淤泥气泡混合土的强度发挥及其微观机理进行了研究，得到的结论主要有以下几个方面：

1）河道淤泥气泡混合土中在数量及总面积上占优势的微孔主要为等效孔径0.06~0.08 mm 与0.20~0.40 mm 两个孔组，该两个孔组在土中的分布将直接影响混合土的工程性质。

2）增大气泡混合土中气泡掺量虽有利于混合土的轻量化，但也易于导致较大孔径气孔数量及面积占比增大，在削弱土骨架的同时也易于在土体内部形成薄弱环节，使得气泡混合土强度或抵抗变形能力降低。

3）混合土中水泥掺量增加，其水化生成物产生的填充效应主要影响气泡混合土中较大孔径的分布特征，较大孔径微孔数量及面积占比均会降低，在减小孔隙体积的同时提高了气泡混合土内部的胶结能力，气泡混合土的强度得以提高。

4）在满足气泡混合土轻量化要求的前提下，若要提高混合土的强度与刚度等工程性能，则需要通过优化发泡剂及改进混合土制备工艺，尽可能增加小孔径气泡数量，减小大孔径气泡的数量及尺度，尽可能使小孔径气泡均匀分布在混合土内部以减小土体中较大尺度孔隙对土骨架的削弱效应。