李珊 李培勇

（大連交通大學(xué)）

通過改變土體成分從而改變土的抗剪強度以及液、塑限，達到所需要的承載力是工程中常用的手段。楊俊[1]等在土體中分別加入風(fēng)化砂、石灰、粉煤灰、水泥，進行室內(nèi)剪切試驗。四種材料都能在一定程度上增加土體的抗剪強度。許長輝[2]等人用貝殼改良膨脹土，研究了土的抗剪強度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等特性，其結(jié)果證明土體的抗剪強度，黏聚力和內(nèi)摩擦角等各指標都隨著摻入貝殼量的增加而出現(xiàn)峰值。趙小敏[3]等得出結(jié)論，隨著粉煤灰量的增加，會在一定程度上造成粘土的塑限、液限的減少，但到達某一最低值時就會呈增加的趨勢，而塑性指數(shù)隨之減小，也就是說粘土的塑性越小。王彥兵[4]等提出了利用一定濃度的硅酸鉀溶液對遺址土進行加固的微觀加固機制，并通過掃描電鏡試驗證了加固機制，并描述了剪切特性的變化規(guī)律。

本項研究是通過在土體試樣中噴灑硅酸鉀溶液，通過改變?nèi)芤簼舛鹊玫酵恋目辜魪姸群鸵?、塑限的變化，接著對噴有不同硅酸鉀溶液濃度的土體試樣進行掃描電鏡試驗，結(jié)合SEM 圖像研究改良土隨著硅酸鉀溶液濃度含量增加的微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，并根據(jù)SEM 圖像對其具體變化進行詳細分析，然后運用Image-Pro Plus軟件，計算SEM 圖像中孔隙數(shù)量、孔隙面積和孔隙豐度等具體數(shù)值，分別針對孔隙的分布特征和形狀變化特征進行詳細研究，解釋其內(nèi)在機理。

1 試驗簡介

本次試驗為測定改良土的抗剪程度、液限和塑限，通過土體直剪試驗測定改良土的抗剪強度，聯(lián)合測定法測定改良土的液限和塑限。

1.1 試驗用土

試驗選用的黏性土干密度為為1.7g/cm3，初始含水率為16%，過0.5mm篩，分離出大粒徑土粒，石塊，雜質(zhì)等備用，孔徑選用為0.5mm。用電子秤稱取篩好的土，環(huán)刀取樣，用噴壺噴灑設(shè)計濃度的硅酸鉀溶液20ml，試樣中硅酸鉀溶液采用噴灑法加入。

1.2 硅酸鉀溶液

試驗中所用的改良劑為硅酸鉀溶液，實驗室中為質(zhì)量含量40%的硅酸鉀溶液。通過計算，將溶液稀釋為質(zhì)量分數(shù)3%、5%、7%的溶液。

1.3 直剪試驗

為獲得試樣被破壞時所施加的剪應(yīng)力大小，每個試樣剪切前都先施加上不同大小的垂直壓力，在承受豎向應(yīng)力的同時加上水平力來對土樣進行剪切。然后再依據(jù)抗剪強度定律來獲得土的抗剪強度指標——內(nèi)摩擦角c和黏聚力φ。其中，量力環(huán)系數(shù)為1.794N/0.01mm。

當不噴灑硅酸鉀溶液時，其做出的抗剪強度包線如圖1 所 示。其 中 函 數(shù) 表 達 式 為τf=σtan 10.492° +7.986。可以得出該試驗條件下圖的黏聚力為7.986kPa，內(nèi)摩擦角為10.492°。

圖1 抗剪強度包線

采用相同的步驟分別畫出噴灑3%、5%、7%硅酸鉀溶液試樣的抗剪強度包線，并計算出黏聚力和摩擦角的數(shù)值。將試驗結(jié)果制成表格如表1。

表1 試驗結(jié)果

將表1 中的黏聚力、內(nèi)摩擦角及硅酸鉀溶液濃度關(guān)系繪制成折線圖如圖2、圖3 所示。黏聚力大小隨硅酸鉀溶液濃度的增加呈上升趨勢。大致分布在直線y=9.201 + 1.958x兩側(cè)。內(nèi)摩擦角大小隨硅酸鉀溶液濃度的增加而增加。大致分布在直線y= 8.654 + 0.939x兩側(cè)。

圖2 黏聚力與硅酸鉀濃度關(guān)系

圖3 內(nèi)摩擦角與硅酸鉀濃度關(guān)系

1.4 液塑限試驗

本次試驗所使用的設(shè)備是數(shù)顯式液塑限聯(lián)合測定儀，得到一組含水量ω和錐入深度h之間的關(guān)系。根據(jù)規(guī)范可得，土體的塑限為錐入深度h=2mm 時的含水率；土體的液限為錐入深度h=17mm 時的含水率[6]。在本次試驗中共設(shè)置4 組試驗。改變的因素是硅酸鉀濃度，分別為：未噴、3%、5%、7%，同時控制粒徑為0.075～0.25，時間為2h。

根據(jù)試驗結(jié)果，計算每組的液塑限值，如表2所示。

表2 液塑限計算結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果計算得出噴有不同硅酸鉀溶液濃度試樣的液塑限，并且繪制成圖。

如圖4、圖5 所示，隨著溶液濃度的上升，土體的的液限和塑限都會上升。綜上實驗結(jié)果表明，硅酸鉀溶液濃度對土體的抗剪程度及液塑限有很大影響。

圖4 硅酸鉀溶液對土體的液限影響

圖5 硅酸鉀溶液對土體塑限的影響

1.5 掃描電鏡試驗

1.5.1試驗簡介

將土樣碾碎成粉末后，用離子鍍膜機處理，將鍍膜后的土樣放入電子顯微鏡的樣品室中，在拍攝過程中要選擇有代表性的結(jié)構(gòu)單元體和孔隙。綜合考慮各項因素，為使清楚分析微觀結(jié)構(gòu)的類型、顆粒以及孔隙分布特點，本文將SEM圖像放大2000倍進行分析。

1.5.2微觀試樣圖像處理

將電鏡掃描試驗得到的SEM 圖像，通過IPP 圖像處理軟件的進行具體數(shù)值的定量分析和定性分析。為使微觀圖像更加便于觀察，將SEM 圖像的色彩、輪廓，濾波、銳化等條件進行重新設(shè)定。在詳細研究完土體微觀圖像表面特征后，對微觀圖像進行二值化處理，并對圖像中的孔隙和顆粒進行區(qū)分識別。

如圖6 所示，在二值化圖像中黑色區(qū)域為土粒，白色區(qū)域為孔隙，本文中對SEM 圖像進行閾值分割采用的是手動調(diào)節(jié)的方法，為了更準確的確定閾值，選擇多次設(shè)定比較，然后求取平均數(shù)定位最終閾值，最后得到土體結(jié)構(gòu)的二值化圖像，接著測量顆粒及孔隙的大小、數(shù)量、豐度等數(shù)據(jù)參數(shù)[8]。

圖6 噴有不同濃度硅酸鉀溶液土體的SEM原圖及二值化圖像

2 微觀結(jié)構(gòu)特性分析

對噴有不同濃度硅酸鉀溶液的改良土的微觀結(jié)構(gòu)進行分析時，主要從定性和定量兩個方面進行。

2.1 定性分析

將噴有硅酸鉀溶液濃度為0、3%、5%和7%的改良土試樣進行掃描電鏡試驗，噴有不同濃度硅酸鉀溶液的改良土的SEM圖像及二值化處理后圖像如圖6所示。

上述圖片可以看出，在未噴和噴有硅酸鉀溶液的土樣之間，噴有溶液的土樣顆粒表面，都有一種結(jié)晶體形成，并且隨著所噴灑的硅酸鉀溶液濃度的增加，晶體的厚度也在不斷增加。并且噴有5%與7%的溶液的土樣顆粒表面變化更加顯著。

2.2 定量分析

探討土體的微觀結(jié)構(gòu)時，其顆粒形狀和孔隙排列狀況是分析的主要對象。利用IPP 軟件求取不同硅酸鉀溶液含量土體的微觀結(jié)構(gòu)圖像中的孔隙特征參數(shù)，以此分析土體中硅酸鉀溶液濃度的增加對微觀結(jié)構(gòu)變化的影響。

2.2.1孔隙分布變化特征

參照雷祥義等定義的分類標準將微觀結(jié)構(gòu)中的孔隙大小進行分類。將直徑小于1 μm 的孔隙定義為微孔隙，直徑在1～4μm 范圍內(nèi)的孔隙定義為小孔隙，直徑在4～16μm范圍內(nèi)的孔隙則為中孔隙，大于16μm的孔隙定義為大孔隙[8]。將處理后的SEM 圖像通過IPP 軟件進行綜合定量分析，得到不同硅酸鉀溶液濃度含量的土體試樣的孔隙數(shù)量和孔隙面積數(shù)據(jù)，并畫出分布直方圖。

由圖7 所示，在噴有不同濃度硅酸鉀溶液的試樣中，隨著孔徑越大孔隙數(shù)量反而越??；由圖8 所示，孔隙面積反而隨著孔徑增大而增大，土體試樣微觀結(jié)構(gòu)中孔隙的面積構(gòu)成以大、中孔隙為主；隨著試樣噴有硅酸鉀溶液濃度的的增加，數(shù)據(jù)顯示，大、中孔隙面積都有明顯的減少，但微、小孔隙的面積變化不顯著，可以看出孔隙總面積隨著硅酸鉀溶液濃度的增加在逐漸減小。

圖7 孔隙數(shù)量

圖8 孔隙面積

2.2.2孔隙性態(tài)變化特征

孔隙的豐度C 能表示孔隙的形狀特點，豐度被設(shè)定為為孔隙短軸半徑B 與長軸半徑L 的比值。豐度C 在0～1 之間，值越小代表孔隙越趨向于長條形；值越大則孔隙越趨向于圓形。在各種大小的孔隙下除大孔隙外其余孔隙豐度變化較小，一般在0.3～0.51，其中，在噴灑不同濃度硅酸鉀溶液的土體試樣中微孔隙的豐度較大，均在0.402～0.442。隨著噴灑的硅酸鉀溶液濃度的增加，微、小孔隙豐度基本保持不變，中孔隙則略有下降，因為選擇的放大倍數(shù)較大，樣本中大孔隙的數(shù)量較少，所以本文認為本次所得大孔隙的豐度不具備代表性，豐度值如圖9所示。

圖9 豐度隨硅酸鉀溶液濃度變化曲線

3 內(nèi)在機理解釋

結(jié)合土粒的化學(xué)組成成分和溶液進行分析，硅酸鉀溶液在噴入土樣之后，與土樣中的氧元素和大氣中的氧氣發(fā)生氧化作用，形成了二氧化硅晶體覆蓋在了土顆粒表面，形成了一種玻璃質(zhì)的固體結(jié)晶，增加了顆粒的直徑，縮短了顆粒間的距離，這些結(jié)晶連接了分散的土顆，使集合體之間的空隙轉(zhuǎn)變成了集合體內(nèi)部的空隙，同時由于溶液中陰、陽離子和水對土體的影響，使土體的膠粒增加，硅酸鉀濃度越高，離子膠粒越多，土和離子接觸、結(jié)合的更多，加大了土體的膠結(jié)程度，顆粒間被少量膠結(jié)物填充，使大中孔隙面積和數(shù)量減小，從而土體顆粒之間的黏聚力和內(nèi)摩擦角增加；從而使土體的抗剪強度變大[9]。

改良土中硅元素氧化升價，形成二氧化硅并覆蓋在土體顆粒表面，形成玻璃質(zhì)。由于二氧化硅體對土顆粒的包裹，使土體無法大面積的接觸水、吸收水。硅酸鉀溶液對土體的液塑限的影響是一致的。隨著硅酸鉀濃度的增加，土體的液塑限都在增加，并且漲幅明顯；隨著溶液中膠體含量的增加，土顆粒之間由于電子結(jié)構(gòu)的吸附影響將硅酸大量吸附在土顆粒的表面，硅酸隨著時間的推移逐漸氧化為二氧化硅晶體，包裹在土體的表面，使土顆粒之間的凝聚力加強。[10]。

4 結(jié)論

本文通過噴灑不同濃度的硅酸鉀溶液對土體進行了改良，并不同濃度的試樣進行了液塑限試驗和電鏡掃描試驗試樣，并對土體試樣的微觀結(jié)構(gòu)進行了定量和定性分析，最終得到了以下結(jié)論：

⑴通過對兩組水平試驗的分析可以得出黏聚力大小隨硅酸鉀溶液濃度的增加而增加，內(nèi)摩擦角大小隨硅酸鉀溶液濃度的增加先減小后增加，總體為增加趨勢。

⑵硅酸鉀溶液對土體的液塑限的影響是一致的。隨著硅酸鉀濃度的增加，土體的液塑限都在增加，并且漲幅明顯。

⑶噴灑不同硅酸鉀溶液的土體試樣中，隨著孔徑的增加，孔隙數(shù)量大幅度減少，與之相法，孔隙面積在隨之增加；孔隙間填充了形成的二氧化硅晶體，導(dǎo)致中、大孔隙的數(shù)量有倆人明顯的減小，而微、小的數(shù)量變化不顯著，大、中孔隙面積均有不同程度的減少，而微、小孔隙面積則大小保持了相對穩(wěn)定。

⑷隨著噴灑硅酸鉀溶液濃度的增加，微、小和中孔隙形態(tài)基本保持不變，大孔隙的形態(tài)有所變化，中大孔隙產(chǎn)生變形，形狀逐漸圓滑。

⑸硅酸鉀溶液在噴入土樣之后，在顆粒表面形成二氧化硅晶體，使得顆粒的接觸面積及強度均有所加強，土體的結(jié)構(gòu)強度提高，表現(xiàn)出了硅酸鉀溶液對土體的加固作用。