基于SEM方法分析干湿和冻融循环对黄土微观结构的影响

田 晖, 李 丽, 张 坤, 王 鹏

(1. 甘肃省公路交通建设集团有限公司, 甘肃 兰州 730030; 2. 甘肃省交通科学研究院有限公司, 甘肃 兰州 730030; 3. 甘肃省地矿局第三地质矿产勘查院, 甘肃 兰州 730050)

对于公路黄土边坡而言,由于季节交替和温度变化,边坡表层会剥落严重[1-4].边坡黄土经历着反复干湿循环作用,对黄土的物理力学性质和微宏观结构都有很大影响,严重时将导致边坡失稳,影响公路运营[5-7].冬季,冻融作用会作为一种强风化作用,不断改变土体的状态,影响土体的物理力学性质[8-13].

在黄土边坡剥落成因方面,王景明[3]按黄土高原重力侵蚀发展的过程及特点,将黄土重力侵蚀分为三类十亚类.刘东生等[4]认为黄土斜坡剥落破坏是由于温差及干湿交替,使坡面黄土风化为碎粒状,沿坡滚落所致.胡雄韬[14]认为,黄土边坡剥落和坡面的风化程度有关,黄土中的含盐量及边坡所处的位置影响剥落的程度.李亚兰[15]、方鹏[16]通过调查认为影响黄土边坡剥落的因素有内因、外因及人为因素.内因主要为黄土的成因、结构及构造、易溶盐含量、黏粒含量；外因主要为气温变化、冻融循环作用、降雨、阴阳坡影响；人为因素主要有边坡过陡、施工因素、排水设施不完善、边坡植被破坏及后期养护不及时等.陕西黄延高速公路有限责任公司等单位对黄土边坡剥落病害处治技术及剥落病害的成因与机理进行了研究.

一些学者对干湿和冻融循环作用后土体的微观结构开展了一些研究.2002年卢再华等[17]首先对膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化作了CT试验,分析了裂隙损伤变量随累计干缩体变的变化规律.唐朝生等[18]研究了SEM试验中阈值大小、分析区域大小、扫描点位置、放大倍率等因素对土体微观结构的影响,给出了合理的阈值和放大倍数推荐值.齐吉琳等[19]对冻融前后的土样分别进行电镜扫描定量分析和土力学试验,研究冻融作用对超固结土强度的影响,发现其强度参数发生了变化,冻融过程会改变土颗粒的排列和联结.叶为民等[20]研究了干湿循环作用对高压实膨润土微观结构的影响,表明特定温度下、高吸力(>5 MPa)范围内,干湿循环路径对无侧限、高压实膨润土集合体内孔隙与集合间孔隙的影响存在明显差异.张先伟等[21]基于SEM和MIP试验得到结构性黏土压缩过程中的微观孔隙变化规律,为获取土的变形机制和合理的本构关系提供了科学依据.张英等[22]对冻融循环后的粉质黏土进行SEM和MIP试验研究,通过数字图像处理技术对土样的微结构图像进行定量分析来揭示冻融循环对土体强度影响的微观机制.万勇等[23]系统开展了干湿循环作用下压实黏土力学特性及微观结构特征试验研究,从微观层次揭示了压实黏土在干湿循环作用下变形特性和强度衰减的内在本质.李楠等[24]进行不同冻融循环次数下土体的扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)及无侧限抗压强度试验,基于分形理论,分别计算土体颗粒、孔隙三维分形维数,并据此建立分形维数与力学强度的关系公式.以上都是单一的干湿或冻融循环作用下土的微观结构研究,缺乏二者共同作用下土的微观结构变化特征.研究表明,土体的干湿和冻融过程会改变土体颗粒间的结构联结、排列方式,从而改变土的力学性质,而力学性质的变化从某种程度上都可以从微观结构的定量改变中得到解释.对于长期反复干湿和冻融下黄土的微观结构缺乏相关的研究.本次研究以十天高速公路K700+200处Q3原状黄土为研究对象,对不同次数干湿和冻融循环后的土样进行了SEM试验,采用IPP图像处理软件进行量化处理,得到了干湿和冻融循环作用后孔隙相关参数的变化规律.研究边坡土体在季节性干湿和冻融循环条件下土体孔隙的变化,为进一步研究干湿和冻融循环作用对黄土结构中边坡表层剥落的影响提供一种新的思路.

1 试验方法

1.1 试样制备

将不同循环次数后的干湿和冻融试样在室内自然风干,其基本物理力学性质指标分别为天然含水率=18.2%,天然密度=1.49 g/cm3,天然孔隙比e=1.110 2,液限ωL=35.2%,塑限ωP=20.2%,比重Gs=2.68.其颗分曲线如图1所示[25].

选取代表部位按照试验要求进行土样制备[26].用镊子夹持住样品,将其边缘部位切削平整,保证试样上表面尽量平整且无人为扰动,制成高度不超过2 mm,长度不超过1 cm的块状试验样品,如图2a所示.根据试验要求将所制备的试样按一定顺序编号并用导电胶液固定在基座上,为增加表面导电导热性和信号激发效率,采用离子溅射镀膜机在每个试样表面均匀喷涂一层金属薄膜,如图2b所示.

1.2 试验仪器及方法

采用中科院兰州化学物理研究所的日立SU8020高分辨场发射扫描电镜(SEM),将喷好金属镀膜的试样连同基座一并放入扫描电镜样品区,通过调节试样位置,在观察区附近聚焦,选取具有代表性的点进行拍照.分别获得不同干湿和冻融循环次数后试样的扫描电镜图像.

2 图像采集与处理

2.1 图像采集

图3和图4分别给出了0、1、5、10、20次干湿和冻融循环后试样的扫描电镜图像.

由图4和图5可以看出：不同干湿循环次数后土体的颗粒分布变得紧密,棱角增多,大孔隙减少,小孔隙增多；不同冻融循环次数后土体的颗粒分布变化不是特别明显.考虑到样品的差异性影响较大,导致试验结果不明显.

2.2 图像处理与参数提取

对扫描得到的电镜图像进行数字化处理,采用数字图像处理IPP软件,提取土体孔隙相关参数,包括孔隙面积、孔隙直径、孔隙分维数.在进行扫描照片采集时,尽可能选取相同亮度和对比度的区域.在图像处理和数据提取时,对每个土样照片采用相同的处理方法,保证图片之间的人为差异最小.SEM照片的处理步骤依次为：图像转换、亮度对比度调整、图像形态学处理和二值化处理.通过对上述图像的数字化处理(图5),对各参数进行统计、计算,结果见表1和表2,从而定量分析不同循环次数后土样的微观孔隙结构变化规律.

表1 部分计算结果

表2 计算结果汇总

3 试验结果与分析

对土骨架和孔隙形态进行定量分析,获取不同干湿和冻融循环作用后面孔隙度(N)、平均孔径(D)、孔径分形维数(fractal dimension )的变化规律.

3.1 干湿和冻融循环后土体面孔隙度的变化

由于提取出的孔隙总面积是平面上的概念,因此得到的孔隙度是平面上的面孔隙度：

式中：Sh为孔隙所占总面积,μm2；Sl为整个图像的总面积,μm2.

由IPP软件计算可得孔隙总面积,而整个图像的总面积已知,按式(1)计算得到不同干湿和冻融循环次数与面孔隙度的关系曲线,如图6所示.从图6a可以看出,随着干湿循环次数的增加,面孔隙度在1次循环后减小,5次循环后明显增大,随后减小;整体呈减小趋势.

从图6b可以看出,随着冻融循环次数的增加,面孔隙度在1次循环后增大明显,随后减小;最终趋于稳定.

干湿循环过程中,烘干时,试样体积收缩,土中细粒含量减少,比表面积减少,孔隙变小,表现在干湿1次后面孔隙度明显减小；饱和时,结合水膜变厚增大了颗粒间的距离,使土体膨胀,孔隙相应变大；随着干湿反复作用,大孔隙减少,小孔隙增多,面孔隙度呈减小趋势,颗粒的定向性逐渐消失,颗粒排列趋于平衡.

冻结过程中,内部冰晶的生长和冷生结构的形成使得孔隙面积增加,土颗粒受到挤压并形成新的土骨架结构,表现为冻胀变形；融化时,土骨架发生部分回落坍塌,破坏了土颗粒之间的胶结,使土颗粒发生位移甚至破碎变形.融化收缩的孔隙体积不足以抵消冻结膨胀的孔隙体积,土中的孔隙和裂隙增大,面孔隙度在1次冻融循环后增大；之后,在冻融外力作用下,土骨架发生重组,孔隙体积减少,孔隙率降低；随着反复多次循环,面孔隙度基本处于缓慢增大趋势,颗粒的定向性逐渐消失,最后趋于动态平衡.

3.2 干湿和冻融循环后土体平均孔隙直径的变化

根据SEM图像处理结果中土孔隙的平均直径大小,将孔隙分为4类：微孔隙(D<5 μm)、小孔隙(5 μm≤D<10 μm)、中孔隙(10 μm≤D<20 μm)和大孔隙(D>20 μm).图7为不同干湿和冻融循环次数后平均孔隙直径累计百分比.

从图7a可以看出,干湿和冻融循环后各曲线较为集中.随着干湿循环次数的增加,土体的平均孔隙直径均减小,1次、5次干湿循环后孔隙直径减小最多,说明5次干湿循环对土体孔隙影响较大,之后孔隙直径逐渐增大,但不大于未进行干湿循环的孔隙直径.

从图7b可以看出,随着冻融循环次数的增加,土体的平均孔隙直径均增大,1次、5次冻融循环后孔隙直径增大最多,说明5次冻融循环对土体孔隙影响较大,但大孔隙所占百分比很小,说明冻融循环后,土体孔隙中大孔隙只是在孔径数值上增大较多,在数量上几乎不变.

3.3 干湿和冻融循环后土体孔径分维数的变化

SEM图象处理后得到的孔径分维数是平面上的分维数,表征孔隙轮廓线的复杂程度.每个孔隙都有一个分维数值,每个干湿及冻融循环次数下会得到许多个分维数值,选取平均值作为分析对象.图8为不同干湿和冻融循环次数与孔径分维数变化曲线.

从图8a可以看出,随着干湿循环次数的增加,孔径分维数逐渐增大,最终趋于稳定；土颗粒间的水分由于蒸发作用不断减少,导致大孔隙减小,小孔隙增多;由于蒸发作用,土颗粒间不断摩擦,使得孔隙轮廓变得更加复杂；经过20次干湿循环,孔径分维数趋于稳定,说明干湿循环在一定程度上改变了土体孔隙的结构,经过一定的微结构调整从而达到新的动态平衡阶段.

从图8b可以看出,随着冻融循环次数的增加,孔径分维数总体呈减小趋势.由于未冻融的土体颗粒之间接触密实,相互穿插,导致孔隙的轮廓线比较复杂,经过冻融循环后,孔隙中的水分在液-固-液之间不断地转化过程中,土体孔隙在变大的同时消磨了孔隙中部分不平整的内壁,孔隙轮廓变得比冻融前简单.

4 结论

通过对干湿和冻融循环后的土样进行扫描电镜试验分析,得到以下主要结论.

1) 随着干湿循环次数增加,面孔隙度总体呈减小趋势,说明干湿循环使孔隙处在收缩和膨胀的动态平衡中,但由于收缩量大于膨胀量,孔隙面积减少,颗粒排列趋于平衡；随着冻融循环次数的增加,面孔隙度先增大后减小,最后缓慢增大,说明冻融循环使孔隙始终在膨胀和收缩的动态平衡中,但膨胀量大于收缩量,最终孔隙呈缓慢增大的趋势.

2) 随着干湿循环次数增加,土体的平均孔隙直径先减小后增大,但均小于未干湿循环的孔隙直径；随着冻融循环次数增加,土体的平均孔隙直径均增大.

3) 随着干湿循环次数增加,孔径分维数逐渐增大,最终趋于稳定,孔隙轮廓变得复杂,说明反复干湿循环使土体孔隙的结构经过一定的调整达到动态平衡阶段；随着冻融循环次数增加,孔径分维数总体呈减小趋势,孔隙轮廓变得简单,说明反复冻融循环使土体孔隙的结构变得简单.