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        微觀定量分析方法在公路路基改良中的應(yīng)用

        2023-04-07 01:57:58李霞
        中國公路 2023年3期
        關(guān)鍵詞:微觀骨架孔隙

        李霞

        (張家口市公路施工管理處,河北 張家口 075000)

        研究土體微觀結(jié)構(gòu)對合理解釋各種土力學(xué)現(xiàn)象具有重要意義。自然界中頻繁的降雨和蒸發(fā)、地下水位的升降易引發(fā)干濕循環(huán),其中降雨和地下水位的上升會導(dǎo)致水分向路基土滲入,導(dǎo)致壓實的路基土體發(fā)生膨脹、孔隙增大。而水分的蒸發(fā)和地下水位的下降,使孔隙結(jié)構(gòu)部分回彈,造成原本壓實的路基土體壓實度降低、土體變得松弛、土體性質(zhì)發(fā)生變化。干濕循環(huán)后的土體滲透性、強(qiáng)度及變形特性與土顆粒的粒徑大小、排列順序、土顆粒間的接觸方式及土體孔隙結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)[1]。因此,從微觀角度分析經(jīng)歷干濕循環(huán)的路基土極為重要。隨著實驗室技術(shù)的不斷提升,微觀孔隙結(jié)構(gòu)特征的定量分析逐漸成熟,利用光學(xué)儀器測量土體、結(jié)合圖像處理的分析方法得到普遍應(yīng)用?;诖?,本文就經(jīng)歷干濕循環(huán)后的水泥改良路基土開展微觀定量分析,研究其微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)。

        一、微觀結(jié)構(gòu)特征定量研究方法概述

        目前廣泛應(yīng)用于實驗室的微觀結(jié)構(gòu)定量研究方法有掃描電鏡、壓汞法、核磁共振技術(shù)等。

        掃描電子顯微鏡是一種利用高能聚焦電子束掃描樣品表面,從而獲得樣品信息的電子顯微鏡。具體操作步驟[2]:試樣真空冷凍升華干燥處理,選擇有代表性的位置做表面整平噴金,并在真空中開展電鏡掃描,最終得到孔隙結(jié)構(gòu)分布圖像。

        壓汞法[1]是基于汞對土顆粒體不潤濕、表面張力抵抗其進(jìn)入孔隙、必須施加外部壓力使汞進(jìn)入孔隙的原理,通過測試不同外壓作用下進(jìn)入孔中汞的質(zhì)量得出孔隙的等效體積。具體操作步驟:試樣采用液氮冷凍1h,并干燥24h處理,土中的冰升華為氣體后開展壓汞實驗,通過記錄壓汞儀的壓力和體積變化,即可計算得到孔隙分布狀況。

        核磁共振技術(shù)[1]是基于核磁共振信號的譜峰面積正比于氫質(zhì)子數(shù)的原理,用于含水率的定量測試。弛豫時間表征的信號衰減快慢能夠反映孔隙水所處的環(huán)境,進(jìn)而反演出多孔介質(zhì)孔徑大小及分布。具體操作步驟:將試樣抽真空飽和,放入核磁共振儀即可得到孔隙分布狀況。

        二、光學(xué)顯微鏡微觀定量分析方法在公路路基改良中的應(yīng)用

        除了上述微觀結(jié)構(gòu)定量研究方法,光學(xué)顯微鏡也可對細(xì)觀尺度作簡單的定量分析,相較于上述操作復(fù)雜、存在一定危險的研究方法,光學(xué)顯微鏡可依托大氣環(huán)境下的光源,將試樣直接放置在試樣臺觀察其微表面形貌,結(jié)合圖像處理工具,得到直觀孔隙分布結(jié)果。

        (一)試驗測試

        對某路段路基粉質(zhì)黏土做水泥改良,摻量設(shè)計為4%、6%、8%。制件養(yǎng)護(hù)28天后分別開展3、9、15次干濕循環(huán),試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用光學(xué)顯微鏡放大320倍觀察,拍攝圖片后采用imageplus8.0處理圖像,可分辨骨架與孔隙分布情況,具體示意圖如圖1所示,亮色部分為試樣骨架,暗色部分為孔隙。

        圖1 圖像處理后微觀結(jié)構(gòu)示意圖

        (二)結(jié)果分析

        如圖1所示,由于斷面凹凸不平,圖片存在模糊區(qū)域,為較低位置的區(qū)域不在焦距范圍內(nèi)導(dǎo)致。通過imageplus8.0處理圖像后微觀結(jié)構(gòu)如圖所示。

        對比同種干濕循環(huán)次數(shù)條件下不同水泥摻量的微觀結(jié)構(gòu)圖,隨著水泥摻量增加、亮度加強(qiáng),圖片中斷面顆粒感降低,平整度提升,說明隨著水泥含量的增加,顆粒間連接更加密切,形成更加緊密的骨架結(jié)構(gòu),主要原因是水泥摻量增加促進(jìn)了水泥水化反應(yīng),產(chǎn)生更多膠凝物質(zhì)將土顆粒膠結(jié)。圖2為經(jīng)過imageplus8.0圖像處理后的微觀結(jié)構(gòu),更能直觀看出,隨著水泥摻量增加,圖片中白色區(qū)域分布更加廣泛,裂紋含量減少。

        同一水泥摻量下,對比不同干濕循環(huán)次數(shù)作用后的微觀結(jié)構(gòu),3次干濕循環(huán)后土顆粒相對松散,顆粒間存在微小裂隙。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到第9次后,顆粒間定向排列良好,骨架結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)。經(jīng)歷15次干濕循環(huán)后,土樣中未出現(xiàn)明顯裂縫,骨架以粒狀為主,顆粒之間的連結(jié)減弱,形成松散的結(jié)構(gòu)。由圖2可知,3次干濕循環(huán)后,白色斑狀區(qū)域呈零散分布,表征骨架結(jié)構(gòu)的離散性。9次干濕循環(huán)后,原本白色斑狀零散區(qū)域融合出現(xiàn)白色塊狀區(qū)域,表征顆粒間相互粘結(jié)形成緊密骨架。15次干濕循環(huán)后,白色區(qū)域再次呈現(xiàn)斑狀分布,骨架密實性受到破壞。骨架結(jié)構(gòu)變化是由于干濕循環(huán)次數(shù)增加,前期可為水泥水化作用補(bǔ)充水分,促進(jìn)膠結(jié)物質(zhì)的產(chǎn)生,使試樣內(nèi)部骨架逐漸密實,后期水泥水化完全后,干濕循環(huán)開始損害試樣結(jié)構(gòu),土顆粒間黏結(jié)作用劣化,造成土樣骨架疏松。

        圖2 干濕循環(huán)作用下不同水泥摻量試樣處理后微觀圖像

        圖3 骨架面積與回彈模量對比圖

        (三)定量計算

        骨架是試樣的主要承載結(jié)構(gòu),可嘗試?yán)迷嚇庸羌苊娣e間接反映試樣承受變形的能力。回彈模量是反映土體剛度的參數(shù),根據(jù)圖像處理結(jié)果計算骨架面積,對比試驗所得回彈模量,其中折線圖為回彈模量隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律,柱狀圖為骨架面積隨干濕循環(huán)的變化規(guī)律??梢园l(fā)現(xiàn),二者均呈現(xiàn)先增加后降低的現(xiàn)象,骨架面積的變化趨勢與回彈模量的趨勢較為一致,說明試樣的剛度與試樣骨架面積成正相關(guān)性??赏ㄟ^骨架面積反映土樣承受變形的能力。

        三、結(jié)語

        本文采用光學(xué)顯微鏡對經(jīng)歷干濕循環(huán)后的水泥改良路基土開展微觀研究,結(jié)合圖像分析方法,定量分析了土體孔隙結(jié)構(gòu)特征,結(jié)果表明可通過計算骨架面積反映土樣承受變形的能力。

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