有机质浸染砂-水泥土微观结构的定量分析

刘冰洋,杜 娟,2,申彤彤,王在成,胡 俊,谢 朋

(1.海南大学 土木建筑工程学院，海南 海口570228;2.天津大学 建筑工程学院，天津300072;3.荣盛房地产发展股份有限公司，河北 廊坊065000)

从上个世纪中叶以来，采用水泥加固土体成为地基工程的一种常用手段[1-2].用此技术处理海南沿海地区的有机质浸染砂[3-5]时，由于有机质的存在会造成混凝土强度不足和复合地基失效等问题，因此研究有机质对水泥土加固效果的影响具有一定的实际工程意义.有机质的存在不仅对原状土体强度有负面作用，而且它还极大地阻碍了水泥土的固化[6]；在同等有机质含量的情况下，添加固化剂的水泥土，其加固效果较明显[7-8]；此外，通过研究还发现，有机质对C—S—H的生成还会起抑制作用，从而影响水泥的加固效果[9].

随着光电量测技术的发展，国内外学者开始对各类土体或水泥土进行微观定量分析的研究，例如，采用XRD、SEM和CT实验对原状土体的成分和含量进行定量分析[10-11]；利用图像处理软件对SEM图像进行处理.同时，通过研究还发现，可以将孔隙比、平均孔径、定向角分布以及各向异性作为粘性土的研究指标，此外，还可引入概率熵来对粘性土的击实过程进行机理分析[12-13]；在吹填超软土时，采用增压式真空预压加固的土体，其孔隙数量、扁平度K和形状系数更大，而土体的孔隙率和分形维数D更小，加固效果较好[14]；在软土蠕变前后，通过微观定量分析，可以了解到颗粒与孔隙形状的整体情况以及颗粒的定向性变化和孔隙的定向性变化，此外，通过三维孔隙率的计算也能够更加客观地看出土体在微观形态上的变化规律[15-16]；进一步的研究还得到，可以将水泥土的结构单元体、孔隙大小、形态和定向角分布作为微观定量指标，并以其来评价水泥土的微观结构[17]；在不同W/C比率情况下，对水泥土进行了真实的和虚拟的实验，得到水泥土的孔隙率与力学性能(刚度/强度)有一定的关系，同时选择合适的虚拟实验来进行评估，这为在微观上评估水泥土的力学性能提供了一种方法[18]；此外，国内学者们对水泥土还进行了宏观力学试验和微观结构的分析，进一步探讨了水泥土的作用机制，同时从微观角度研究了水泥土于宏观力学的破坏特征[19-21].

尽管对水泥土已有许多研究，但有关有机质固化土微观结构的定量研究却鲜有涉及，鉴此，本研究对有机质浸染砂-水泥土的微观结构进行了深入研究，同时，采用Image Pro-Plus软件对有机质浸染砂-水泥土和标准砂-水泥土的SEM图像进行了定量分析，旨在直观地揭示有机质对砂-水泥土加固效果的影响，以便为以后的实际工程提供一定的参考依据.

1 实验材料与方法

1.1 材 料试验中所采用的砂样、水泥、熟石灰、标准砂等材料，如下所示：

①试验采用的有机质浸染砂取自海南省文昌市某工程施工现场，其物理性质指标如下：有机质含量为5.32%，含水率为12.23%，密度为2.62，天然密度为1.617 g·cm-3，不均匀系数为2.07；颗粒级配如图1所示.

②水泥选用的是海南市场上常见的P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其化学成份如表1所示.

表1 水泥的化学成份表 %

③标准砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的中国ISO标准砂.

④试验所采用的外加剂为宝岛牌熟石灰，其为白色粉末状固体，主要成份是Ca(OH)2.

1.2 方 法本研究首先对有机质浸染砂进行EDS试验和XRD试验，籍此来分析原状砂土的元素组成和其主要的矿物成份，然后对不同养护龄期的标准砂-水泥-土和有机质浸染砂-水泥土进行微观结构的试验(SEM试验)，以此来分析两者的微观结构及其变化规律，试验方案如表2所示.

表2 试验方案

试验中，水泥土所采用的配合比[22]为：熟石灰掺入比为7.5%、水泥掺入比为20%、水灰比为0.45.

1.2.1 EDS实验和XRD实验EDS实验和XRD实验采用的是美国Agilent所生产的二维液相色谱-离子阱质谱联用仪(型号1100LC/MSD Trap)，该仪器可同时进行色谱分析和质谱分析，能够对水泥土的立体结构进行分析.本实验主要包括以下四个步骤：①气相色谱-质谱仪的开启与调谐；②在计算机上进行试验方案的设定输入；③采集数据；④在Data Analysis界面进行数据分析.

1.2.2 微观结构的实验本研究采用SEM实验的方式对水泥土进行微观结构的分析，主要研究土体微观结构单元体的排列方式、连接方式、几何形态以及微观结构参数(如孔隙直径、结构单元体直径、丰度及定向角等参数).

电镜扫描试验步骤如下所示：①从养护室中取出达到养护龄期的水泥土试样，然后选取试样中间部分的一个长方体作为试验试块；②按照试验规范对微观试验的试块进行喷金处理，使试块表面形成金属导电层；③最后采用JEM2100高分辨投射电子显微镜对喷金试块进行不同倍数下的电镜扫描.

2 微观结构的定量参数

(1)丰度C

(1)

式中：B和L分别代表结构单元体或者孔隙的短轴和长轴的长度，丰度C在(0,1)之间，C值越小，结构单元体或孔隙就越趋于长条形；C值越大，则结构单元体或孔隙就越趋于等轴形.

(2)定向角

(2)

式中：nn，n分别代表的是定向角落在[θi-1,θi]的结构单元体或孔隙数量和总的结构单元体或孔隙的数量.

3 实验结果及分析

3.1 EDS实验和XRD实验分析通过EDS实验得到有机质浸染砂的元素组成，结果如图2所示，由图2可知，有机质浸染砂中主要含有C、Si和O元素，并含有少量Al元素.利用XRD试验可得到有机质浸染砂的矿物成分，砂样中的主要成分是SiO2，其主要矿物组成为云母和石英，如图3所示.

3.2 水泥土微观结构的定性分析对于不同养护龄期的有机质浸染砂-水泥土(图4所示)和7 d标准砂-水泥土(图5所示)的微观结构，主要是从颗粒形态、孔隙特征和胶结程度等方面进行分析.

图4 有机质浸染砂-水泥土的SEM图片(3 000×)

由图4(a)可知，7 d的有机质浸染砂-水泥土的颗粒大部分是以粒状结晶体的形式存在，其排列方式是架空-镶嵌的方式，且颗粒之间的孔隙较大，大多呈现狭缝型，颗粒与颗粒之间的连接采用的是接触方式，此种结构的胶结程度较低，在较小的外力作用下其结构就容易被破坏；而14 d的有机质浸染砂-水泥土(图4(b))的结构单元体大多是以粒状-絮状的形式存在，其排列方式是架空-镶嵌的方式，颗粒间的孔隙较大，大多呈现圆孔型，孔隙填充处的结晶物仍不密实，这是因为水泥依然在进行水化反应.因此颗粒间的连接方式为接触-胶结方式，此种胶结方式仍不稳定；21 d的有机质浸染砂-水泥土(图4(c))的单元体是以粒状-凝块的形式存在，与14 d的有机质浸染砂-水泥土相类似，但是其连接方式采用的是镶嵌的形式，颗粒之间的孔隙在减少，并且孔隙之间的填充物较密实，结构的胶结程度较好，此种结构的力学性能较14 d的有机质浸染砂-水泥土好；28 d的有机质浸染砂-水泥土(图4(d))的单元体以凝块形式存在，其排列方式为镶嵌方式，单元体间的孔隙依然存在，但是有机质浸染砂-水泥土已经发展成为一个整体结构，其结构的胶结程度比21 d的有机质浸染砂-水泥土的胶结程度强.由图5可知，当标准砂-水泥土的养护时间为7 d时，其颗粒是以凝块的形式存在，排列方式是镶嵌的方式，颗粒间的孔隙大部分被结晶体充实，结构的胶结程度极好，从而反映出标准砂-水泥土的微观结构较稳定.

通过以上分析可知，无论养护龄期的长短，有机质浸染砂-水泥土的单元体分布都是无序的，这主要是因为添加剂的缘故，通过搅拌之后打乱了结构单元体的分布；7 d有机质浸染砂-水泥土的胶结程度会比14 d的较好，这主要因为14 d的有机质浸染砂-水泥土的单元体以絮状的形式存在；随着养护龄期的增加，有机质浸染砂-水泥土的颗粒间孔隙逐渐减少，其胶结程度亦大致趋于增强的状态.此外，通过对标准砂-水泥土和有机质浸染砂-水泥土的分析可知，对于养护龄期为7 d的标准砂-水泥土而言，其整体结构的稳定性要强于养护龄期为28 d的有机质浸染砂-水泥土的稳定性.通过SEM图像并不能直观地观察到颗粒粒径、孔隙粒径等参数，所以，接下来采用Image Pro-Plus软件来对图像进行处理，这样就可以定量地对水泥土的微观结构进行分析了.

3.3 对水泥土微观结构的定量分析通过用图像处理软件(Image Pro-Plus)对不同养护龄期的有机质浸染砂-水泥土和7 d的标准砂-水泥土的SEM图像进行处理，可以定量分析有机质浸染砂-水泥土和标准砂-水泥土的微观结构参数，其操作步骤如下.1、滤掉水泥土SEM图像中的高频噪点，如图6(a)所示；2、然后对滤掉高频噪点的图像进行阈值分割，同时利用图像边界与图像中心区域的不同灰度值，调整图像整体的灰度值，将图像中的颗粒从背景中分离出来，从而将SEM图像转化成黑白图像，并将图像中的颗粒标记成白色，而孔隙则标记成黑色，如图6(b)所示；3、最后使用软件中的分界命令对颗粒和孔隙进行分离，以方便计数和测量，同时采用软件Image Pro-Plus对颗粒进行分级，按粒径大小分为5级：<1 μm,1～2 μm,2～3 μm,3～4 μm以及>4 μm，并对不同粒径标识颜色，如图6(c)所示.

图6 图像形态处理图

3.3.1 粒度定量化分析通过软件Image Pro-Plus对有机质浸染砂-水泥土的结构单元体进行测量可得到粒径分布表，如表3所示，从表3可以直观地看到各粒径所占的百分比，并且在有机质浸染砂-水泥土的养护龄期为7 d、14 d和21 d时，粒径主要集中在0～2 μm，其中，小于1 μm的粒径所占的比例较大，而2～4 μm的颗粒所占的比例较少；当养护龄期为28 d时，1～2 μm的颗粒所占的比例最大，约占50%，而其他粒径所占的比例较少.随着养护龄期的增加，有机质浸染砂-水泥土结构单元体的凝块逐渐增多，且大于4 μm的大颗粒出现，土体的整体结构趋于稳定，这正好与上一节SEM图片的描述一致.对于标准砂-水泥土，结构单元体的粒径主要集中在0～2 μm，其中，1～2 μm的颗粒所占比例最大，约占50%，而其他粒径的占比较少.从表3中也可以看出，养护龄期为7 d的标准砂-水泥土与28 d的有机质浸染砂-水泥土相比较，前者的大颗粒占比较多，且整体结构较稳定.

表3 水泥土的颗粒粒径分布表

3.1.2 结构单元体丰度分析为了更好地反映结构单元体或孔隙在二维平面内所展示的形态特征，故在此用丰度C[18]来表示(如式(1)所示)，并通过计算得到水泥土结构单元体丰度的直方图，如图7所示.

从图7中可以得出，水泥土结构单元体的丰度值主要分布在0.5～0.9之间，少量出现在0.1～0.3区间，这表明结构单元体的颗粒大部分是等轴的或扁圆的，长方形的颗粒较少，大多数结构单元体的丰度值集中在0.7左右.对于有机质浸染砂-水泥土而言，随着养护龄期的增加，水泥的水化反应较好，但标准砂-水泥土的丰度值比28 d有机质浸染砂-水泥土的丰度值好，这也说明有机质的存在阻碍了水泥的水化反应，从而使有机质浸染砂-水泥土结构单元体的丰度值占比较少，而标准砂-水泥土中的水泥水化反应比较完全，颗粒间的胶结程度较高，因而其整体结构趋于稳定.

3.1.3 结构单元体的定向性分析为了研究水泥土结构单元体或孔隙的平面定向规律，故在此采用定向频率F(α)[18]来表示，如式(2)所示.通过计算可得到水泥土结构单元体的定向角分布图，如图8所示，从而可以判断出水泥土是否具有一定的定向性.

由图8可得到，有机质浸染砂-水泥土和标准砂-水泥土的结构单元体的定向频率区别较大，定向角在各个区间内都有不同的几率分布，都没有定向性，这主要是由于砂中添加了外加剂后经过搅拌导致的，同时，水泥的水化反应也导致了颗粒之间的胶结作用，因而所示结构单元体呈现了一种无序排列的状态.

3.1.4 孔隙直径的定量化分析根据表4可以得到：①有机质浸染砂-水泥土的孔隙直径在养护龄期为28 d之前，其在各个直径区间均有分布，特别是在小于1 μm和1～2 μm的两个区间分布较多，而在大于2 μm的范围分布较少，而到养护龄期为28 d时，大于2 μm的孔隙就没有存在，此现象表明，随着养护龄期的增加，水泥的水化反应较多，颗粒间的孔隙被水化产物填充了，因此大孔隙直径逐渐减少，此结论也正好与SEM图像上观察到的一致；.②标准砂-水泥土的孔隙直径主要分布在小于1 μm的区间，不存在大于1 μm的孔隙直径，水泥土中的小孔隙多，水泥土的结构较密实，同时水泥的水化反应较好，反应产物填充到孔隙中，也使颗粒间的胶结程度增强.由以上两点可以看出，有机质浸染砂-水泥土的养护龄期为28 d时，其水泥的水化反应程度比养护7 d时的标准砂-水泥土的水泥水化反应程度差，从而可以说明有机质浸染砂中由于有有机质的存在而阻碍了水泥的水化反应.

表4 水泥土孔隙直径的分布表

3.1.5 孔隙丰度的分析从图9中可以看出，有机质浸染砂-水泥土和标准砂-水泥土的孔隙丰度值主要集中在0.3，0.5，0.7和0.9左右，少数出现在0.1左右，这说明孔隙主要表现为不同大小的扁圆形，而呈现长条形的孔隙很少，这反映出水泥土结构单元体的分布是一种随机排列的球形体，同时也间接表明两种水泥土没有明显的定向性.

3.1.6 孔隙定向性的分析图10为不同养护龄期的有机质浸染砂-水泥土和养护龄期为7 d的标准砂-水泥土的孔隙定向角分布图.从图10中可以看到，水泥土孔隙的定向角在各个区间有不同概率的分布，同时定向频率也不同，从而可以说明两种水泥土都没有明显的定向性，这正好与孔隙丰度的结论相一致.

4 结 论

1)随着养护龄期的增加，有机质浸染砂-水泥土颗粒间的孔隙逐渐减小，胶结程度大致趋于增强的状态,而对于养护龄期为7 d的标准砂-水泥土，其整体结构的稳定性要强于28 d的有机质浸染砂-水泥土的稳定性.

2)标准砂-水泥土的养护龄期为7 d时，其大于3 μm的粒径占比要高于21 d或28 d的有机质浸染砂-水泥土大于3 μm的粒径占比，这表明有机质的存在阻碍了水泥的水化反应，从而造成了有机质浸染砂-水泥土的抗压强度较低.

3)有机质浸染砂-水泥土和标准砂-水泥土结构单元体的丰度值主要分布在0.5～0.9之间，这表明结构单元体大部分是等轴和扁圆的.由于有机质浸染砂-水泥土中含有有机质，因而阻碍了水泥的水化反应，从而使得有机质浸染砂-水泥土结构单元体中等轴和扁圆的占比较标准砂-水泥土的小.由有机质浸染砂和标准砂水泥土结构单元体和孔隙的定向角分布图可知，二者都没有明显的定向性.