劉冰洋,杜 娟,2,申彤彤,王在成,胡 俊,謝 朋
(1.海南大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,海南 海口570228;2.天津大學(xué) 建筑工程學(xué)院,天津300072;3.榮盛房地產(chǎn)發(fā)展股份有限公司,河北 廊坊065000)
從上個(gè)世紀(jì)中葉以來(lái),采用水泥加固土體成為地基工程的一種常用手段[1-2].用此技術(shù)處理海南沿海地區(qū)的有機(jī)質(zhì)浸染砂[3-5]時(shí),由于有機(jī)質(zhì)的存在會(huì)造成混凝土強(qiáng)度不足和復(fù)合地基失效等問(wèn)題,因此研究有機(jī)質(zhì)對(duì)水泥土加固效果的影響具有一定的實(shí)際工程意義.有機(jī)質(zhì)的存在不僅對(duì)原狀土體強(qiáng)度有負(fù)面作用,而且它還極大地阻礙了水泥土的固化[6];在同等有機(jī)質(zhì)含量的情況下,添加固化劑的水泥土,其加固效果較明顯[7-8];此外,通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn),有機(jī)質(zhì)對(duì)C—S—H的生成還會(huì)起抑制作用,從而影響水泥的加固效果[9].
隨著光電量測(cè)技術(shù)的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始對(duì)各類土體或水泥土進(jìn)行微觀定量分析的研究,例如,采用XRD、SEM和CT實(shí)驗(yàn)對(duì)原狀土體的成分和含量進(jìn)行定量分析[10-11];利用圖像處理軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行處理.同時(shí),通過(guò)研究還發(fā)現(xiàn),可以將孔隙比、平均孔徑、定向角分布以及各向異性作為粘性土的研究指標(biāo),此外,還可引入概率熵來(lái)對(duì)粘性土的擊實(shí)過(guò)程進(jìn)行機(jī)理分析[12-13];在吹填超軟土?xí)r,采用增壓式真空預(yù)壓加固的土體,其孔隙數(shù)量、扁平度K和形狀系數(shù)更大,而土體的孔隙率和分形維數(shù)D更小,加固效果較好[14];在軟土蠕變前后,通過(guò)微觀定量分析,可以了解到顆粒與孔隙形狀的整體情況以及顆粒的定向性變化和孔隙的定向性變化,此外,通過(guò)三維孔隙率的計(jì)算也能夠更加客觀地看出土體在微觀形態(tài)上的變化規(guī)律[15-16];進(jìn)一步的研究還得到,可以將水泥土的結(jié)構(gòu)單元體、孔隙大小、形態(tài)和定向角分布作為微觀定量指標(biāo),并以其來(lái)評(píng)價(jià)水泥土的微觀結(jié)構(gòu)[17];在不同W/C比率情況下,對(duì)水泥土進(jìn)行了真實(shí)的和虛擬的實(shí)驗(yàn),得到水泥土的孔隙率與力學(xué)性能(剛度/強(qiáng)度)有一定的關(guān)系,同時(shí)選擇合適的虛擬實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行評(píng)估,這為在微觀上評(píng)估水泥土的力學(xué)性能提供了一種方法[18];此外,國(guó)內(nèi)學(xué)者們對(duì)水泥土還進(jìn)行了宏觀力學(xué)試驗(yàn)和微觀結(jié)構(gòu)的分析,進(jìn)一步探討了水泥土的作用機(jī)制,同時(shí)從微觀角度研究了水泥土于宏觀力學(xué)的破壞特征[19-21].
盡管對(duì)水泥土已有許多研究,但有關(guān)有機(jī)質(zhì)固化土微觀結(jié)構(gòu)的定量研究卻鮮有涉及,鑒此,本研究對(duì)有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究,同時(shí),采用Image Pro-Plus軟件對(duì)有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土和標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的SEM圖像進(jìn)行了定量分析,旨在直觀地揭示有機(jī)質(zhì)對(duì)砂-水泥土加固效果的影響,以便為以后的實(shí)際工程提供一定的參考依據(jù).
1.1 材 料試驗(yàn)中所采用的砂樣、水泥、熟石灰、標(biāo)準(zhǔn)砂等材料,如下所示:
①試驗(yàn)采用的有機(jī)質(zhì)浸染砂取自海南省文昌市某工程施工現(xiàn)場(chǎng),其物理性質(zhì)指標(biāo)如下:有機(jī)質(zhì)含量為5.32%,含水率為12.23%,密度為2.62,天然密度為1.617 g·cm-3,不均勻系數(shù)為2.07;顆粒級(jí)配如圖1所示.
②水泥選用的是海南市場(chǎng)上常見(jiàn)的P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)成份如表1所示.
表1 水泥的化學(xué)成份表 %
③標(biāo)準(zhǔn)砂為廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)的中國(guó)ISO標(biāo)準(zhǔn)砂.
④試驗(yàn)所采用的外加劑為寶島牌熟石灰,其為白色粉末狀固體,主要成份是Ca(OH)2.
1.2 方 法本研究首先對(duì)有機(jī)質(zhì)浸染砂進(jìn)行EDS試驗(yàn)和XRD試驗(yàn),籍此來(lái)分析原狀砂土的元素組成和其主要的礦物成份,然后對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥-土和有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)(SEM試驗(yàn)),以此來(lái)分析兩者的微觀結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律,試驗(yàn)方案如表2所示.
表2 試驗(yàn)方案
試驗(yàn)中,水泥土所采用的配合比[22]為:熟石灰摻入比為7.5%、水泥摻入比為20%、水灰比為0.45.
1.2.1 EDS實(shí)驗(yàn)和XRD實(shí)驗(yàn)EDS實(shí)驗(yàn)和XRD實(shí)驗(yàn)采用的是美國(guó)Agilent所生產(chǎn)的二維液相色譜-離子阱質(zhì)譜聯(lián)用儀(型號(hào)1100LC/MSD Trap),該儀器可同時(shí)進(jìn)行色譜分析和質(zhì)譜分析,能夠?qū)λ嗤恋牧Ⅲw結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析.本實(shí)驗(yàn)主要包括以下四個(gè)步驟:①氣相色譜-質(zhì)譜儀的開(kāi)啟與調(diào)諧;②在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)方案的設(shè)定輸入;③采集數(shù)據(jù);④在Data Analysis界面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.
1.2.2 微觀結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)本研究采用SEM實(shí)驗(yàn)的方式對(duì)水泥土進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)的分析,主要研究土體微觀結(jié)構(gòu)單元體的排列方式、連接方式、幾何形態(tài)以及微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)(如孔隙直徑、結(jié)構(gòu)單元體直徑、豐度及定向角等參數(shù)).
電鏡掃描試驗(yàn)步驟如下所示:①?gòu)酿B(yǎng)護(hù)室中取出達(dá)到養(yǎng)護(hù)齡期的水泥土試樣,然后選取試樣中間部分的一個(gè)長(zhǎng)方體作為試驗(yàn)試塊;②按照試驗(yàn)規(guī)范對(duì)微觀試驗(yàn)的試塊進(jìn)行噴金處理,使試塊表面形成金屬導(dǎo)電層;③最后采用JEM2100高分辨投射電子顯微鏡對(duì)噴金試塊進(jìn)行不同倍數(shù)下的電鏡掃描.
(1)豐度C
(1)
式中:B和L分別代表結(jié)構(gòu)單元體或者孔隙的短軸和長(zhǎng)軸的長(zhǎng)度,豐度C在(0,1)之間,C值越小,結(jié)構(gòu)單元體或孔隙就越趨于長(zhǎng)條形;C值越大,則結(jié)構(gòu)單元體或孔隙就越趨于等軸形.
(2)定向角
(2)
式中:nn,n分別代表的是定向角落在[θi-1,θi]的結(jié)構(gòu)單元體或孔隙數(shù)量和總的結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的數(shù)量.
3.1 EDS實(shí)驗(yàn)和XRD實(shí)驗(yàn)分析通過(guò)EDS實(shí)驗(yàn)得到有機(jī)質(zhì)浸染砂的元素組成,結(jié)果如圖2所示,由圖2可知,有機(jī)質(zhì)浸染砂中主要含有C、Si和O元素,并含有少量Al元素.利用XRD試驗(yàn)可得到有機(jī)質(zhì)浸染砂的礦物成分,砂樣中的主要成分是SiO2,其主要礦物組成為云母和石英,如圖3所示.
3.2 水泥土微觀結(jié)構(gòu)的定性分析對(duì)于不同養(yǎng)護(hù)齡期的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土(圖4所示)和7 d標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土(圖5所示)的微觀結(jié)構(gòu),主要是從顆粒形態(tài)、孔隙特征和膠結(jié)程度等方面進(jìn)行分析.
圖4 有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的SEM圖片(3 000×)
由圖4(a)可知,7 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的顆粒大部分是以粒狀結(jié)晶體的形式存在,其排列方式是架空-鑲嵌的方式,且顆粒之間的孔隙較大,大多呈現(xiàn)狹縫型,顆粒與顆粒之間的連接采用的是接觸方式,此種結(jié)構(gòu)的膠結(jié)程度較低,在較小的外力作用下其結(jié)構(gòu)就容易被破壞;而14 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土(圖4(b))的結(jié)構(gòu)單元體大多是以粒狀-絮狀的形式存在,其排列方式是架空-鑲嵌的方式,顆粒間的孔隙較大,大多呈現(xiàn)圓孔型,孔隙填充處的結(jié)晶物仍不密實(shí),這是因?yàn)樗嘁廊辉谶M(jìn)行水化反應(yīng).因此顆粒間的連接方式為接觸-膠結(jié)方式,此種膠結(jié)方式仍不穩(wěn)定;21 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土(圖4(c))的單元體是以粒狀-凝塊的形式存在,與14 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土相類似,但是其連接方式采用的是鑲嵌的形式,顆粒之間的孔隙在減少,并且孔隙之間的填充物較密實(shí),結(jié)構(gòu)的膠結(jié)程度較好,此種結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能較14 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土好;28 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土(圖4(d))的單元體以凝塊形式存在,其排列方式為鑲嵌方式,單元體間的孔隙依然存在,但是有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)整體結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)的膠結(jié)程度比21 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的膠結(jié)程度強(qiáng).由圖5可知,當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為7 d時(shí),其顆粒是以凝塊的形式存在,排列方式是鑲嵌的方式,顆粒間的孔隙大部分被結(jié)晶體充實(shí),結(jié)構(gòu)的膠結(jié)程度極好,從而反映出標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的微觀結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定.
通過(guò)以上分析可知,無(wú)論養(yǎng)護(hù)齡期的長(zhǎng)短,有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的單元體分布都是無(wú)序的,這主要是因?yàn)樘砑觿┑木壒?,通過(guò)攪拌之后打亂了結(jié)構(gòu)單元體的分布;7 d有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的膠結(jié)程度會(huì)比14 d的較好,這主要因?yàn)?4 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的單元體以絮狀的形式存在;隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的顆粒間孔隙逐漸減少,其膠結(jié)程度亦大致趨于增強(qiáng)的狀態(tài).此外,通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土和有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的分析可知,對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土而言,其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要強(qiáng)于養(yǎng)護(hù)齡期為28 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的穩(wěn)定性.通過(guò)SEM圖像并不能直觀地觀察到顆粒粒徑、孔隙粒徑等參數(shù),所以,接下來(lái)采用Image Pro-Plus軟件來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行處理,這樣就可以定量地對(duì)水泥土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析了.
3.3 對(duì)水泥土微觀結(jié)構(gòu)的定量分析通過(guò)用圖像處理軟件(Image Pro-Plus)對(duì)不同養(yǎng)護(hù)齡期的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土和7 d的標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的SEM圖像進(jìn)行處理,可以定量分析有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土和標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),其操作步驟如下.1、濾掉水泥土SEM圖像中的高頻噪點(diǎn),如圖6(a)所示;2、然后對(duì)濾掉高頻噪點(diǎn)的圖像進(jìn)行閾值分割,同時(shí)利用圖像邊界與圖像中心區(qū)域的不同灰度值,調(diào)整圖像整體的灰度值,將圖像中的顆粒從背景中分離出來(lái),從而將SEM圖像轉(zhuǎn)化成黑白圖像,并將圖像中的顆粒標(biāo)記成白色,而孔隙則標(biāo)記成黑色,如圖6(b)所示;3、最后使用軟件中的分界命令對(duì)顆粒和孔隙進(jìn)行分離,以方便計(jì)數(shù)和測(cè)量,同時(shí)采用軟件Image Pro-Plus對(duì)顆粒進(jìn)行分級(jí),按粒徑大小分為5級(jí):<1 μm,1~2 μm,2~3 μm,3~4 μm以及>4 μm,并對(duì)不同粒徑標(biāo)識(shí)顏色,如圖6(c)所示.
圖6 圖像形態(tài)處理圖
3.3.1 粒度定量化分析通過(guò)軟件Image Pro-Plus對(duì)有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的結(jié)構(gòu)單元體進(jìn)行測(cè)量可得到粒徑分布表,如表3所示,從表3可以直觀地看到各粒徑所占的百分比,并且在有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的養(yǎng)護(hù)齡期為7 d、14 d和21 d時(shí),粒徑主要集中在0~2 μm,其中,小于1 μm的粒徑所占的比例較大,而2~4 μm的顆粒所占的比例較少;當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí),1~2 μm的顆粒所占的比例最大,約占50%,而其他粒徑所占的比例較少.隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土結(jié)構(gòu)單元體的凝塊逐漸增多,且大于4 μm的大顆粒出現(xiàn),土體的整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定,這正好與上一節(jié)SEM圖片的描述一致.對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土,結(jié)構(gòu)單元體的粒徑主要集中在0~2 μm,其中,1~2 μm的顆粒所占比例最大,約占50%,而其他粒徑的占比較少.從表3中也可以看出,養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土與28 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土相比較,前者的大顆粒占比較多,且整體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定.
表3 水泥土的顆粒粒徑分布表
3.1.2 結(jié)構(gòu)單元體豐度分析為了更好地反映結(jié)構(gòu)單元體或孔隙在二維平面內(nèi)所展示的形態(tài)特征,故在此用豐度C[18]來(lái)表示(如式(1)所示),并通過(guò)計(jì)算得到水泥土結(jié)構(gòu)單元體豐度的直方圖,如圖7所示.
從圖7中可以得出,水泥土結(jié)構(gòu)單元體的豐度值主要分布在0.5~0.9之間,少量出現(xiàn)在0.1~0.3區(qū)間,這表明結(jié)構(gòu)單元體的顆粒大部分是等軸的或扁圓的,長(zhǎng)方形的顆粒較少,大多數(shù)結(jié)構(gòu)單元體的豐度值集中在0.7左右.對(duì)于有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土而言,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥的水化反應(yīng)較好,但標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的豐度值比28 d有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的豐度值好,這也說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的存在阻礙了水泥的水化反應(yīng),從而使有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土結(jié)構(gòu)單元體的豐度值占比較少,而標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土中的水泥水化反應(yīng)比較完全,顆粒間的膠結(jié)程度較高,因而其整體結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定.
3.1.3 結(jié)構(gòu)單元體的定向性分析為了研究水泥土結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的平面定向規(guī)律,故在此采用定向頻率F(α)[18]來(lái)表示,如式(2)所示.通過(guò)計(jì)算可得到水泥土結(jié)構(gòu)單元體的定向角分布圖,如圖8所示,從而可以判斷出水泥土是否具有一定的定向性.
由圖8可得到,有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土和標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的結(jié)構(gòu)單元體的定向頻率區(qū)別較大,定向角在各個(gè)區(qū)間內(nèi)都有不同的幾率分布,都沒(méi)有定向性,這主要是由于砂中添加了外加劑后經(jīng)過(guò)攪拌導(dǎo)致的,同時(shí),水泥的水化反應(yīng)也導(dǎo)致了顆粒之間的膠結(jié)作用,因而所示結(jié)構(gòu)單元體呈現(xiàn)了一種無(wú)序排列的狀態(tài).
3.1.4 孔隙直徑的定量化分析根據(jù)表4可以得到:①有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的孔隙直徑在養(yǎng)護(hù)齡期為28 d之前,其在各個(gè)直徑區(qū)間均有分布,特別是在小于1 μm和1~2 μm的兩個(gè)區(qū)間分布較多,而在大于2 μm的范圍分布較少,而到養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí),大于2 μm的孔隙就沒(méi)有存在,此現(xiàn)象表明,隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,水泥的水化反應(yīng)較多,顆粒間的孔隙被水化產(chǎn)物填充了,因此大孔隙直徑逐漸減少,此結(jié)論也正好與SEM圖像上觀察到的一致;.②標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的孔隙直徑主要分布在小于1 μm的區(qū)間,不存在大于1 μm的孔隙直徑,水泥土中的小孔隙多,水泥土的結(jié)構(gòu)較密實(shí),同時(shí)水泥的水化反應(yīng)較好,反應(yīng)產(chǎn)物填充到孔隙中,也使顆粒間的膠結(jié)程度增強(qiáng).由以上兩點(diǎn)可以看出,有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的養(yǎng)護(hù)齡期為28 d時(shí),其水泥的水化反應(yīng)程度比養(yǎng)護(hù)7 d時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的水泥水化反應(yīng)程度差,從而可以說(shuō)明有機(jī)質(zhì)浸染砂中由于有有機(jī)質(zhì)的存在而阻礙了水泥的水化反應(yīng).
表4 水泥土孔隙直徑的分布表
3.1.5 孔隙豐度的分析從圖9中可以看出,有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土和標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的孔隙豐度值主要集中在0.3,0.5,0.7和0.9左右,少數(shù)出現(xiàn)在0.1左右,這說(shuō)明孔隙主要表現(xiàn)為不同大小的扁圓形,而呈現(xiàn)長(zhǎng)條形的孔隙很少,這反映出水泥土結(jié)構(gòu)單元體的分布是一種隨機(jī)排列的球形體,同時(shí)也間接表明兩種水泥土沒(méi)有明顯的定向性.
3.1.6 孔隙定向性的分析圖10為不同養(yǎng)護(hù)齡期的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土和養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的孔隙定向角分布圖.從圖10中可以看到,水泥土孔隙的定向角在各個(gè)區(qū)間有不同概率的分布,同時(shí)定向頻率也不同,從而可以說(shuō)明兩種水泥土都沒(méi)有明顯的定向性,這正好與孔隙豐度的結(jié)論相一致.
1)隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加,有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土顆粒間的孔隙逐漸減小,膠結(jié)程度大致趨于增強(qiáng)的狀態(tài),而對(duì)于養(yǎng)護(hù)齡期為7 d的標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土,其整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要強(qiáng)于28 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的穩(wěn)定性.
2)標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的養(yǎng)護(hù)齡期為7 d時(shí),其大于3 μm的粒徑占比要高于21 d或28 d的有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土大于3 μm的粒徑占比,這表明有機(jī)質(zhì)的存在阻礙了水泥的水化反應(yīng),從而造成了有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土的抗壓強(qiáng)度較低.
3)有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土和標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土結(jié)構(gòu)單元體的豐度值主要分布在0.5~0.9之間,這表明結(jié)構(gòu)單元體大部分是等軸和扁圓的.由于有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土中含有有機(jī)質(zhì),因而阻礙了水泥的水化反應(yīng),從而使得有機(jī)質(zhì)浸染砂-水泥土結(jié)構(gòu)單元體中等軸和扁圓的占比較標(biāo)準(zhǔn)砂-水泥土的小.由有機(jī)質(zhì)浸染砂和標(biāo)準(zhǔn)砂水泥土結(jié)構(gòu)單元體和孔隙的定向角分布圖可知,二者都沒(méi)有明顯的定向性.