氯化鈉侵蝕環(huán)境下固化疏浚土宏微觀力學(xué)特性試驗

史旦達(dá)　汪存石　劉文白　邵偉

摘要：

為研究固化疏浚土在氯化鈉侵蝕環(huán)境下的工程特性，以上海市南匯東灘某吹填場地的黏質(zhì)粉土為試驗土料，摻入自制固化劑制備固化疏浚土試塊，進行氯化鈉浸泡試驗，研究氯化鈉初始質(zhì)量濃度和浸泡齡期對試塊抗壓強度的影響。采用掃描電鏡拍攝試塊表面微觀結(jié)構(gòu)照片;采用Image-Pro?Plus?（IPP）圖像處理技術(shù)結(jié)合MATLAB分析程序得到與顆粒和孔隙相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù);基于分形理論，研究氯化鈉初始質(zhì)量濃度、分形維數(shù)和抗壓強度三者之間的宏微觀關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明：試塊的抗壓強度隨著氯化鈉初始質(zhì)量濃度和浸泡齡期的增長而增長;氯化鈉初始質(zhì)量濃度的增加會引起分形維數(shù)的變化，進一步影響試塊的宏觀抗壓強度，三者之間存在內(nèi)在的定量關(guān)聯(lián)。

關(guān)鍵詞：

固化疏浚土;?氯化鈉侵蝕;?抗壓強度;?微觀結(jié)構(gòu);?分形維數(shù)

中圖分類號：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：?2018-06-11

修回日期：?2018-09-26

基金項目：?國家自然科學(xué)基金（41772273，?51609135）;上海市科技創(chuàng)新行動計劃

地方院校能力建設(shè)項目（19040501800）

作者簡介：

史旦達(dá)（1979—），男，浙江舟山人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向為海洋巖土工程、海洋資源開發(fā)利用，

（E-mail）ddshi@shmtu.edu.cn

Macro-micro?mechanical?property?test?of?solidified?dredged

soil?under?sodium?chloride?erosion?environment

SHI?Danda1，?WANG?Cunshi2，?LIU?Wenbai1，?SHAO?Wei1

（1.College?of?Ocean?Science?and?Engineering，?Shanghai?Maritime?University，?Shanghai?201306，?China;

2.College?of?Environment，?Hohai?University，?Nanjing?210098，?China）

Abstract：

In?order?to?study?the?engineering?characteristics?of?solidified?dredged?soil?under?sodium?chloride?erosion?environment，?the?solidified?dredged?soil?specimen?was?prepared?by?adding?the?self-made?curing?agent?into?the?test?soil?（i.?e.?clay?silt?from?a?hydraulic?filling?site?in?Nanhui?East?Shoal，?Shanghai），?and?the?sodium?chloride?immersion?test?was?carried?out?to?study?the?effects?of?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration?and?the?immersion?age?on?the?compression?strength?of?the?specimen.?The?surface?microstructure?of?the?specimen?is?captured?using?the?scanning?electron?microscope，?and?the?microstructure?parameters?related?to?particles?and?pores?are?obtained?by?Image-Pro?Plus?（IPP）?image?processing?technique?and?MATLAB?analysis?program.?Based?on?the?fractal?theory，?the?macro?and?micro?correlation?among?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration，?the?fractal?dimension?and?the?compression?strength?is?studied.?The?results?show?that：?the?compression?strength?of?the?specimen?increases?with?the?increase?of?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration?and?the?immersion?age;?the?increase?of?the?sodium?chloride?initial?mass?concentration?causes?the?change?of?the?fractal?dimension?and?further?affects?the?macroscopic?compression?strength?of?the?specimen，?and?there?is?an?internal?quantitative?correlation?among?the?three.

Key?words：

solidified?dredged?soil;?sodium?chloride?erosion;?compression?strength;?microstructure;?fractal?dimension

0?引?言

圍海造陸是當(dāng)前疏浚土資源化利用的重要途徑，而天然疏浚土含水量高、壓縮性強、承載力低，需要經(jīng)過地基處理或者快速固化處理后才能滿足工程建設(shè)需求。來自海洋的疏浚土在固化成陸過程中會受到海水的侵蝕，這種侵蝕包括氯離子侵蝕、硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕以及堿-骨料反應(yīng)[1]。海水中最主要的組分為鹽類，其中氯鹽含量最高，約占35%[2]，因此開展氯鹽侵蝕環(huán)境下固化疏浚土的宏微觀力學(xué)特性研究對于保障吹填土場地上的工程建設(shè)安全具有重要實踐意義。

針對氯離子侵蝕環(huán)境下固化土的力學(xué)特性：柴壽喜等[3]采用室內(nèi)試驗研究了含鹽量與石灰固化鹽漬土力學(xué)特性之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)石灰固化鹽漬土的無側(cè)限抗壓強度和抗剪強度隨含鹽量的增加而降低，且固化土試樣浸水與不浸水情況下的無側(cè)限抗壓強度的差異越來越小;范禮彬等[4]研究了氯鹽含量對水泥固化土無側(cè)限抗壓強度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，隨著氯鹽含量的增加，水泥固化土的無側(cè)限抗壓強度和變形模量降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)化，但水泥固化土變形模量與無側(cè)限抗壓強度的比值與氯鹽含量的多少并無明顯關(guān)系;劉東峰[5]分析了氯化鈉和氯化鎂侵蝕環(huán)境下水泥固化土的無側(cè)限抗壓強度，結(jié)果表明，在浸泡過程中鈉離子、鎂離子、氯離子的活躍度依次減小，氯離子的侵蝕效果主要取決于CaCl2·6H2O晶體的生成量;ZHANG等[6]研究了氯化鈉含量對低塑性黏土干縮特性的影響，研究表明，氯化鈉含量對黏土的干縮特征曲線影響不大;SALDANHA等[7]分析了氯鹽含量

對粉煤灰-電石渣混合料抗壓強度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，氯化鈉含量的增加能顯著提高該混合料的抗壓強度。

除了以上宏觀特性分析外，研究者們還利用掃描電鏡（scanning?electron?microscope，?SEM）等設(shè)備從微觀層面分析固化疏浚土的微觀結(jié)構(gòu)特征。例如：張華杰等[8]基于SEM對氯化鈉浸泡后的水泥土試塊的微觀結(jié)構(gòu)進行了研究，發(fā)現(xiàn)氯離子侵蝕齡期對水泥土微觀結(jié)構(gòu)的變化具有重要影響，并通過回歸分析建立了抗剪強度-微觀結(jié)構(gòu)分析模型;查甫生等[9]研究了水泥固化鉛污染土在氯化鈉侵蝕環(huán)境下的力學(xué)特性及其微觀結(jié)構(gòu)，研究表明，氯化鈉的侵蝕時間越長，試樣的顆粒排列越趨于致密規(guī)則;史旦達(dá)等[10]采用SEM聯(lián)合Image-Pro?Plus（IPP）圖像處理技術(shù)，基于分形理論，探討了固化疏浚土試樣微觀結(jié)構(gòu)與宏觀強度、變形特性之間的定量關(guān)聯(lián)，也為本文的研究提供了先期條件。

綜上所述，目前關(guān)于氯離子侵蝕環(huán)境下固化土宏觀特性的試驗研究成果較多，而在微觀結(jié)構(gòu)分析方面積累的成果相對較少，特別是關(guān)于宏微觀關(guān)聯(lián)的定量研究更是十分缺乏。鑒于此，本文以上海市南匯東灘典型疏浚吹填土為試驗材料，采用自制固化劑制備固化疏浚土試樣，研究氯化鈉侵蝕環(huán)境下固化疏浚土的宏觀抗壓強度，重點分析氯化鈉初始質(zhì)量濃度和浸泡齡期對抗壓強度的影響及其規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用SEM并結(jié)合IPP圖像處理技術(shù)，提取與顆粒、孔隙和顆粒表面起伏相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)

分形維數(shù)（以下簡稱“分維數(shù)”），探討氯化鈉侵蝕下固化疏浚土微觀結(jié)構(gòu)與宏觀強度之間的宏微觀關(guān)聯(lián)。

1?試樣制備及試驗方案

1.1?試樣制備

試驗土料取自上海市南匯東灘某吹填場地，場地具體位置見圖1。

吹填土樣取自表層0～1?m土層范圍內(nèi)。按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T?50123—1999）[11]，采用比重瓶法、液塑限聯(lián)合測定法、固結(jié)快剪法、側(cè)限壓縮等試驗方法對土樣的主要物理力學(xué)指標(biāo)進行了測定，具體匯總于表1，土樣定名為“黏質(zhì)粉土”。

自制固化劑主要由膠結(jié)物和激發(fā)劑組成，由于疏浚土天然含水量較高，所以其中還摻加了少量石灰，用來改善砂漿的保水性。激發(fā)劑主要由木質(zhì)素組成，木質(zhì)素是由聚合的芳香醇構(gòu)成的一種復(fù)雜酚類聚合物，能減小雙電層厚度及絮凝作用，而且可以促進固化劑水化產(chǎn)物的膠凝和結(jié)晶，加快疏浚土樣的固化速度。

由文獻(xiàn)[12]可知，10%（質(zhì)量比）左右的水泥摻量可使固化疏浚土試塊表現(xiàn)出較強的抗侵蝕性。本文試驗中考慮到固化劑中除水泥外還含有其他膠結(jié)物，故而將固化劑摻量設(shè)計為8%（質(zhì)量比）。試塊制備時，將固化劑與天然疏浚土按所需質(zhì)量分別稱取后，倒入攪拌機機箱中，加入一定質(zhì)量的水，由攪拌機充分?jǐn)嚢韬?，得到固化劑與黏質(zhì)粉土的混合漿液?；旌蠞{液制備完成后，開始制作立方體固化疏浚土試塊，試塊尺寸為70.7?mm×70.7?mm×70.7?mm，共100件，靜置24?h后拆模。拆模后的試塊再逐批次放入水泥標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護箱進行養(yǎng)護，養(yǎng)護條件為溫度（20±2）?℃、相對濕度90%，養(yǎng)護時間為28?d。

氯化鈉采用天津市鼎盛鑫化工有限公司生產(chǎn)的氯化鈉分析純，其中NaCl含量不少于99.5%，pH為5.0～8.0。浸泡裝置為PVC塑料浸泡箱，尺寸為330?mm×250?mm×130?mm，每個浸泡箱中放置3個固化疏浚土試塊。浸泡時，氯化鈉溶液需沒過試塊頂部5?cm左右，試塊的浸泡狀態(tài)見圖2。

1.2?試驗方案

氯化鈉溶液初始質(zhì)量濃度分別取1.5、3.0、6.0?g/L，每種初始質(zhì)量濃度下設(shè)計的浸泡齡期又分別為7、14、28?d。為與氯化鈉浸泡試塊進行對比，還設(shè)計一組氯化鈉初始質(zhì)量濃度為0的清水浸泡試驗。浸泡開始后，每隔1?d測定一次氯離子質(zhì)量濃度，氯離子質(zhì)量濃度測定方法參照硝酸銀滴定法（GB?11896—1989）[13]進行。達(dá)到浸泡齡期后，取出試塊，采用電液式壓力試驗機對試塊進行無側(cè)限抗壓強度試驗，加載速率為1?kN/s。

參照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T?50123—1999）[11]，采用TST-55型滲透儀測定固化疏浚土的滲透系數(shù)，結(jié)果為10-7～10-5?cm/s;當(dāng)固化劑摻量為8%（質(zhì)量比）時，從試驗開始到14?d養(yǎng)護齡期內(nèi)，試塊的滲透系數(shù)下降明顯，14?d后試塊的滲透系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。因此，選取不同氯化鈉初始質(zhì)量濃度、浸泡齡期為14?d的試塊進行SEM測試。選取Tescan?Mira3型場發(fā)射SEM。SEM測試時，先將測試土樣經(jīng)烘干機干燥后切塊，切塊大小為18?mm×18?mm×18?mm，測試前暴露出試塊新鮮表面以獲取清晰的微觀結(jié)構(gòu)圖像照片。每個試樣表面選取3個測試點，每個測試點拍攝6張圖像，圖像放大倍數(shù)為8?000倍。

2?宏觀力學(xué)特性分析

2.1?抗壓強度變化規(guī)律

圖3給出了不同氯化鈉初始質(zhì)量濃度、不同浸泡齡期下固化疏浚土試塊的無側(cè)限抗壓強度（簡稱“抗壓強度”）變化規(guī)律。分析圖3可得幾點規(guī)律：（1）相同氯化鈉初始質(zhì)量濃度下，隨著浸泡齡期的增加抗壓強度明顯增加;對于4種氯化鈉初始質(zhì)量濃度0（清水）、1.5、3.0、6.0?g/L，相對于7?d浸泡齡期，當(dāng)浸泡齡期增加至28?d時，試塊抗壓強度分別提高13.23%、17.22%、16.95%、17.45%。（2）相同浸泡齡期下，試塊抗壓強度隨著氯化鈉初始質(zhì)量濃度的增加而增加，以浸泡齡期28?d為例，當(dāng)氯化鈉初始質(zhì)量濃度從0增至6.0?g/L時，試塊抗壓強度可提升17.17%。

圖4給出了經(jīng)氯化鈉浸泡后固化疏浚土試塊的表面照片。對試塊表面特征進行觀察可以發(fā)現(xiàn)，氯離子與固化疏浚土試塊中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，在試塊表面生成了氯化鈣結(jié)晶水合物（CaCl2·6H2O晶體），這種晶體會填充至疏浚土試塊的孔隙中，對試塊抗壓強度的提高起促進的作用。

2.2?氯離子質(zhì)量濃度監(jiān)測結(jié)果及分析

圖5給出了3種氯化鈉初始質(zhì)量濃度下溶液中氯離子質(zhì)量濃度隨時間變化的規(guī)律。分析圖5可知，無論何種初始質(zhì)量濃度，隨著浸泡齡期的增加，溶液中的氯離子質(zhì)量濃度均逐步降低，以氯化鈉初始質(zhì)量濃度6.0?g/L為例（圖5c），溶液中氯離子的初始質(zhì)量濃度為3.64?g/L，當(dāng)浸泡齡期分別達(dá)到7、14、28?d時，溶液中氯離子質(zhì)量濃度分別降為2.81、2.38、1.83?g/L，與初始值相比分別降低22.80%、34.62%、49.73%。此外，氯離子質(zhì)量濃度降低的幅度與氯化鈉初始質(zhì)量濃度也存在一定關(guān)聯(lián)，初始質(zhì)量濃度越高，降低的幅度越顯著。

溶液中氯離子質(zhì)量濃度的降低可理解為氯離子逐步遷移至固化疏浚土試塊中，并與試塊中的水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成了CaCl2·6H2O晶體。如前文分析可知，CaCl2·6H2O晶體有助于試塊抗壓強度的提高。因此，隨著浸泡齡期的增加，溶液中氯離子質(zhì)量濃度的降低（也即氯離子遷移至固化土試塊中）與試塊抗壓強度的提高之間的規(guī)律是相互吻合的。

3?微觀結(jié)構(gòu)分析

3.1?微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及宏微觀關(guān)聯(lián)

圖6給出了不同氯化鈉初始質(zhì)量濃度下浸泡14?d后固化疏浚土試樣表面的SEM圖像。采用IPP圖像處理技術(shù)和MATLAB分析程序?qū)EM圖像進行定量分析，計算得到試樣表面顆粒的數(shù)量、平均面積和平均粒徑以及孔隙的數(shù)量、平均面積和平均孔徑等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)果見表2。

分析圖6可知，氯化鈉侵蝕會影響固化疏浚土試塊表面顆粒和孔隙的形態(tài)及排列方式。當(dāng)用清水

浸泡時（圖6a），試塊表面的顆粒和孔隙都較為明顯，顆粒大小不一，相互堆疊且不成體系，孔隙尺寸中等。隨著氯化鈉初始質(zhì)量濃度的增加，顆粒平面排列更緊密，顆粒間結(jié)合程度更好，說明氯化鈉侵蝕后土體的結(jié)構(gòu)更為密實。

分析表2可知：隨著氯化鈉初始質(zhì)量濃度的增加，顆粒和孔隙的數(shù)量逐漸增加，但孔隙的平均面積和平均孔徑均逐漸減小，這表明經(jīng)氯化鈉溶液浸泡后，土體的微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，部分孔隙被生成的CaCl2·6H2O晶體填充并形成了新的顆粒;顆粒的平均面積和平均粒徑的增大可以解釋為在固化及侵蝕過程中，新生成的水化產(chǎn)物及晶體凝結(jié)在一起，形成密集的顆粒團;同時，伴隨晶體顆粒的生成，試塊中的孔隙被凝結(jié)的顆粒分散隔離開，微小孔隙的數(shù)量增多。

圖7給出了經(jīng)氯化鈉溶液浸泡后固化疏浚土試樣表面微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與氯化鈉初始質(zhì)量濃度之間的關(guān)系。由圖7可知：氯化鈉初始質(zhì)量濃度的提高與顆粒（孔隙）數(shù)量的增多以及顆粒平均面積、平均粒徑的增大呈現(xiàn)出良好的線性關(guān)系;氯化鈉初始質(zhì)量濃度的提高與孔隙平均面積和平均孔徑的減少也呈現(xiàn)出的良好線性關(guān)系。以上線性擬合的相關(guān)系數(shù)R2均大于0.9。

圖8給出了經(jīng)氯化鈉溶液浸泡后固化疏浚土試樣表面微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與抗壓強度之間的關(guān)系。由圖8可知：宏觀抗壓強度與試樣微觀結(jié)構(gòu)之間存在內(nèi)在關(guān)聯(lián)，抗壓強度的提高主要體現(xiàn)在顆粒數(shù)量的增長以及顆粒平均面積的增大，與之相對應(yīng)，孔隙的平均面積和平均孔徑逐漸減小;微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與宏觀抗壓強度之間呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性。

3.2?分形維數(shù)分析

土體的微觀結(jié)構(gòu)具有分形特征，運用分形理論分析土體微觀結(jié)構(gòu)變化具有重要意義[14]。土體微觀結(jié)構(gòu)的分維數(shù)主要包括：粒度分維數(shù)Dps、孔徑分維數(shù)Dbs、顆粒分布分維數(shù)Dpd、孔隙分布分維數(shù)Dbd和顆粒表面起伏分維數(shù)Dpr。

將圖6不同氯化鈉初始質(zhì)量濃度的試樣表面微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像導(dǎo)入IPP軟件，經(jīng)二值化處理后對圖像的高光和陰影部分進行測量及分析，利用自編MATLAB程序計算得到5個分維數(shù)的具體數(shù)值，見表3。