水泥石灰改良盐渍土强度形成微观机理研究

崔俊英 袁 露

(海门市公路管理站，江苏南通 226100)

1 概述

滨海地区土壤为典型的氯盐渍土，根据JTG F10-2006公路路基施工技术规范［1］，弱、中盐渍土均不宜直接用于高等级公路路基工程。采用水泥石灰对盐渍土进行改良，并将其应用于高等级公路的路基工程，对于充分利用临海盐渍土资源、降低工程造价具有实际意义。以往对水泥石灰改良盐渍土强度发展特性的研究主要依靠化学分析或强度试验，不能直观地反映水泥石灰改良盐渍土的强度形成机理［2］。为探寻水泥石灰改良盐渍土微观结构与宏观力学性质之间的内在联系，剖析改良盐渍土的强度发展微观作用机理，采用Matlab图像处理系统对扫描电镜图像进行处理，将处理后的图像通过IPP专业图像分析软件进行量化信息的提取［3，4］，获取不同龄期改良盐渍土的微观结构特征参数及量化信息，研究了水泥石灰改良盐渍土的微观结构特性，分析了宏观力学特性与微观特征参数之间的关系。

2 研究的方案与方法

试验盐渍土样取自江苏临海高等级公路，为低液限细粒式粘土，土的塑性指数在7～10之间，属于劣质填料［5］。土样的易溶盐含量平均为0.43%，最高为0.624%，比值大于2，属于弱氯盐渍土。对盐渍土采用P.O42.5级水泥和石灰改良，分别采用3%水泥+9%石灰、6%水泥+6%石灰。对盐渍土、不同水泥+石灰剂量改良盐渍土进行击实试验，获得最大干密度、最佳含水量后进行CBR及无侧限抗压强度试验［6］。采用扫描电子显微镜对改良盐渍土的微观结构进行采集，利用Matlab和IPP平面图像辨别技术对扫描电镜图像进行微观数据提取。为反映改良盐渍土的微观结构特征，文中提出了如下几项参数:1)等效圆直径:与颗粒(或孔隙)面积相等的等效圆的直径，用以说明单个颗粒(或孔隙)的大小其中，A为颗粒(或孔隙)的实际面积。2)孔洞率:所测孔隙面积占总图像面积的百分比，用以说明单位面积孔隙的多少。孔洞比:孔隙面积与颗粒面积的比。其中，e为土的孔洞率;n为土的孔洞比;S为土的横截面积;Ae为横截面中孔洞所占的面积;Sk为横截面中土颗粒所占的面积。3)椭圆度:颗粒(或孔隙)的长轴和短轴之比，用于表示土体内颗粒或孔洞向椭球体发展的趋势。其值越大，说明颗粒(或孔隙)越趋于长条形;反之，愈接近球体。椭圆度的取值采用一幅图像中所有椭圆度的平均值。其中，L，B分别为颗粒的长轴和短轴的长度。

3 试验数据与分析

3.1 改良盐渍土的电镜扫描照片

原状土、3%水泥+9%石灰改良盐渍土、6%水泥+6%石灰改良盐渍土28 d标准养护后的500倍及4 000倍电镜照片如图1，图2所示。

3.2 微观参数与强度指标的关系

素土、3%水泥+9%石灰、6%水泥+6%石灰改良盐渍土的微观参数与水泥石灰改良盐渍土的强度特性的关系如图3～图5所示。

分析图3～图5中的数据可知:

1)水泥石灰改良盐渍土的抗压、抗剪特性与改良盐渍土内的颗粒特性具有较好的相关性，随着单位体积内改良盐渍土颗粒个数越少，颗粒更趋向于圆形及颗粒增大，改良盐渍土的强度越高;

2)单位体积内改良盐渍土的孔隙个数越少，椭圆度越高，孔隙越小，改良盐渍土的强度和CBR值越高;

3)改良盐渍土的孔隙椭圆度与其强度特性的关系表现出了与颗粒椭圆度相反的趋势，即孔隙越圆，强度反而越低，所以不适宜采用孔隙的椭圆度。

3.3 浸水前后改良盐渍土微观参量的变化

为了分析水对改良盐渍土微观结构的影响，课题对浸水前后改良盐渍土的微观参量进行了提取，改良盐渍土浸水前后颗粒参数与孔隙。

分析图6，图7中的数据，浸水前后改良盐渍土微观参量与强度之间的关系如下:

1)改良盐渍土浸水后，颗粒特征表现为单位面积颗粒个数增多、等效圆直径减小、椭圆度增大，这与前述分析中微观参数与强度发展间的关系一致，浸水后强度降低，说明水分渗透进土体后，盐渍土中易溶盐溶解，土体松散，单位面积颗粒数量增多，土体颗粒变小;2)改良盐渍土浸水后，内部孔隙特征表现为孔隙椭圆度减小、等效圆直径增大、单位面积孔隙数量增多，同时浸水后土体内部孔洞率提高，这也与强度的变化关系一致，浸水后，改良盐渍土的孔隙变多、变大，使土体的强度降低。

4 结语

文中利用Matlab和IPP技术对水泥石灰改良盐渍土扫描电镜图像中的颗粒和孔隙参数进行了提取，并从微观层面对改良盐渍土强度发展机理进行了定量分析，所得结论如下:1)改良盐渍土的颗粒椭圆度、颗粒个数、颗粒等效圆直径、孔隙个数、孔隙等效圆直径、孔洞率等几个微观指标与改良盐渍土的强度指标具有较好的相关性，随着颗粒椭圆度、颗粒个数、孔隙个数、孔隙等效圆直径、孔洞率的降低及颗粒等效圆直径的提高，改良盐渍土的强度指标提高;2)随着改良剂用量的提高，改良盐渍土内颗粒椭圆度、颗粒个数、孔隙个数、孔隙等效圆直径、孔洞率降低，而颗粒等效圆直径提高;3)改良盐渍土浸水后，易溶盐溶解，土体中孔洞率、孔隙个数、孔隙等效圆直径、颗粒个数、颗粒椭圆度提高，颗粒等效圆直径降低，土体孔多、松散，改良盐渍土强度降低。

［1］JTG E40-2007，公路土工试验规程［S］.

［2］JTG D30-2004，公路路基设计规范［S］.

［3］JTJ 034-2000，公路路面基层施工技术规范［S］.

［4］DB 29-20-2000，岩土工程技术规范［S］.

［5］JTJ 057-94，公路工程无机结合料稳定材料试验规程［S］.

［6］铁道部第一勘察设计院.盐渍土地区铁路工程［M］.北京:中国铁道出版社，1988.