水泥土微观结构特征的定量评价_王清

1前言
土微观结构是十分复杂的，以往多采用定性方 法进行研究。随着计算机技术的广泛应用，为复杂 多变的微观世界开创了一条解决土体微观结构的新 途径。因此，本文在现代科技测试技术的基础上， 应用计算机研究土微观结构这一难题。
在进行土微观结构的研究之前，要明确一些基 本的概念及研究方法，从矿物颗粒及其集合体之间 的排列状况、胶结类型及孔隙特征入手，来了解土
1-8
0
0
0
22.2 66.7 11.1
1-28
0
0
9.1 27.3 63.6 0
2-1
0
9.1
9.1
0 81.8 0
2-8
0
0
0
52.9 47.1 0
2-28
0
0
0
37.5 50 12.5
3-1
0
0
14.3 21.4 64.3 0
3-8
0
0
8.3 50 33.3 8.3
3-28
0
0
0
30
70
0
4.2 结构单元体定向性评价 定向性评价指标主要采用定向频率 F (α ) 来评
程是十分复杂的，而且，在微观结构研究过程中样 品的质量（结构的原状性）是至关重要的。目前， 采用的制样方法较多，最理想的方法还是冻干法， 因此，本次研究采用冻干技术进行原状软土的结构 制样工作，如图 1 示。 3.2 原状样品的微观结构特征
图 2 为浙江软土样品微观结构图，由分析可 见，其结构单元体的排列定向性十分差，结构单元 体均匀分布于土中，排列紧密程度较差，分布曲线 较平滑，这是典型絮凝状结构的特征，土体中大孔
基金项目：国家自然科学基金（No.49972089）。 作者简介：王清，女，1957 年生，教授，博士生导师，主要从事土体稳定性研究。
增刊
王 清等：水泥土微观结构特征的定量评价
13
2 研究方法
采用各种干燥的方法将样品干燥后，制成适合 于电子扫描显微镜观察的样品，通过电镜获得图像
资料，主要对土的结构单元体或孔隙的大小、形状、 分布以及定向性进行定量的研究。
中图分类号： TU 411.92
文献标识码： A
Quantitative evaluation of microstructure features of soil contained some cement
WANG Qing1，CHEN Hui-e1，CAI Ke-yi2
（1. College of Construction Engineering, Jilin University , Changchun 130026, China； 2. Highway Management Station of Jiangning district, Nanjing 211100, China）
对水泥土进行了不同养护期的结构单元体丰度 的测试，测试结果如图 4 所示。分析结果表明，试 样结构单元体丰度值主要集中在 0.3，0.5 和 0.7 左 右出现，少量在 0.9 左右出现，这说明颗粒呈现一 定程度的扁圆和等轴，细长的颗粒少，可见除了一 部分粘土矿物以外，水泥胶结的现象十分明显。大
4.4 孔隙直径的分析与评价 从表 2 中数据可以看出，试样的孔隙直径在
表 2 土样微观结构孔隙直径分析成果表
Table 2 Sampling granular analysis of diameter
（μm）
样品
孔隙直径
编号
<1
1～2
2～5
>5
1-1
72.9
20
7.1
0
1-8
84.4
12.5
3.1
0
1-28
72.2
22.2
5.6
0
2-1
81.4
10.5
7
1.1
2-8
96.2
隙发育，蜂窝状结构发育，主要是伊利石、长石和 石英构成的骨架，粘土矿物呈边－面、边－边连结。 3.3 软土水泥固化后结构单元体及孔隙特征评价
在外界环境条件改变情况下，给软土加添干水 泥，进行不同时期的养护。水泥固化后的软土（以 下简称水泥土）所表现出来的各种工程地质特性， 都是其内在成分和微观结构改变所致，故微观结构 对土的性质的变化起着决定性的作用，本次试验选 取了软土加水泥后经过 1，7，28 d 固化后的水泥土， 采用现代先进的扫描电子显微镜 SEM 以及 WD－5 计算机图象处理技术对水泥土的微观结构进行了定 量化分析。
F (α ) = nα n
（2）
式中 nα，n 分别为定向角落入[θi−1 ，θi ]的测量对 象数量和总的测量对象数量。频率 F (α ) 可用直方 图表示，直观地反映在各定向角区间内结构单元体
和孔隙的出现的频率，从而可以了解试样结构单元 体和孔隙的平面定向性规律。
3 试验准备
3.1 样品的制备 用电镜观察粘性土，尤其是软土样品的制备过
本次研究主要讨论结构单元体和孔隙的定向性
和丰度指标。丰度是指土中结构单元体或孔隙在测 量窗口内短轴和长轴之比，用 C 来表示。它的大小 反映了研究对象在二维平面内所展示的形状特征，
可由式（1）来计算。丰度 C 是在（0，1）之间，C 值越小，所反映结构单元体越趋向于长条形；C 值 越大，则结构单元体越趋向于等轴形。
多数结构单元体的丰度集中在 0.5 左右。
表 1 土样微观结构粒度分析成果表
Table 1 Sampling gຫໍສະໝຸດ Baiduanular analysis
of microstructure
（μm）
样品 编号
结构单元有效直径 <1 1～2 2～5 5～10 10～20 >20
1-1
0
7.1
7.1 42.9 42.9 0
Abstract: The quantitative analysis method of soil microstructures by means of image processing technique is introduced. A quantitative evaluation index of microstructure factors such as scale, shape, directionality, plump etc. of pore and structure unit is discussed. According to the microstructure image processing of soils those are added some cement and solidified, a quantitative analysis method for microstructure features of soil contained some cement is demonstrated. It is showed that after the soil was added some cement and solidified, then at any maintained period, clay particles can’t be found and it is changed into aggregated structure, the scale of aggregated structure is generally bigger than 20 μm, only few of the aggregated structure scaled between 2～5μm, the silt particles content is almost the same as before, the middle sand particles content with some pseudo sandy is increased clearly. According to the plump value of aggregated structure showed that the shapes of structures are generally oblate or near circles, the evidence of cement cementation is obviously. Key words: soil contained some cement；microstructure；quantitative analysis
的微观结构，即了解结构单元体的基本概念。 结构单元体主要是由单粒（原生矿物的碎屑）
和集粒（细小矿物颗粒、个别有较大的原生矿物碎 屑被一些胶结物胶结而成的矿物集合体）组成。在 研究地基土的强度及变形中，结构单元体被看成为 一个整体，由于成因的类型不同，通常在变形过程 中和变形后是不稳定的整体，具体表现在其大小、 位置和形状都不断地在发生着变化，如集粒被压密、 位移等。因此，结构单元体的大小、形状、排列组 合方式及其结构联结状况就是土的微观结构。
第 24 卷增刊 2003 年 10 月
文章编号：1000－7598－(2003) 增―0012―05
岩土力学 Rock and Soil Mechanics
Vol.24 增 1 Oct. 2003
水泥土微观结构特征的定量评价
王 清 １ ，陈慧娥 １ ，蔡可易 ２
（1. 吉林大学 建设工程学院， 吉林 长春 130026；２． 南京市江宁区公路管理站， 江苏 南京 ２１１１００）
价水泥土的结构在不同的养护期是否具有一定的定 向性，测试结果见图 3。不同土样的养护时期定向 频率分布图表明，各样品结构单元体定向频率基本 上区别不大。总的来看，无论养护期为多少天，定 向角在各个区间内均有几乎相同几率的分布，大都 在 80～100 的这样一个角度内分布，没有定向性； 添加了添加剂后经过搅拌机的转动打乱了颗粒（结 构单元体）的原有的沉积方向，颗粒之间由于添加 剂的胶结作用，所以呈现一种无序排列。 4.3 结构单元体丰度的评价
3.8
0
0
2-28
87.1
11.3
1.6
0
3-1
80.8
12.2
7
0
3-8
70.7
22.4
6.9
0
3-28
86.4
4.5
9.1
0
增刊
王 清等：水泥土微观结构特征的定量评价
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作用，另外，有部分添加剂充填于孔隙之中，联结 了颗（团）粒，因而大孔隙少，结构紧密。这与直 接从电镜照片上观察到的现象一致。 4.5 孔隙定向性评价
摘 要： 介绍了利用图像处理技术对土体进行微观结构定量分析方法，讨论了表征结构单元体和孔隙大小、形态及定向性
等结构要素的定量评价指标。通过对加入水泥固化后软土的微观结构图像分析，论证了水泥土的微观结构特征定量分析方
法，得出了以此来分析评价土体微观结构特征的方法。
关 键 词： 水泥土；微观结构；定量分析
图 5 为定向频率不同样品在不同养护期土样孔 隙的定向频率分布图。图中表明，各试样孔隙定向 频率有所不同，各试样孔隙的定向角在各个区间都 有不同几率的分布，没有明显的定向性。
4 研究成果
4.1 结构单元体大小定量化评价 表 1 是试样微观结构粒度定量分析成果。结构
单元体等效直径主要集中在 10～20μm 和 5～ 10μm 这二个区间内，其次分布在 2～5μm。大于
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岩土力学
2003 年
20μm 区间，只有当养护期到 7 或 28 d 时，才出现， 而 2～5μm 粒径区间只有在 1 或 7 d 时，有小比例 分布，而在小于 1 的粒径区间几乎没有结构单元体 的分布。随着养护期的增加，土体中结构单元体的 团聚性在不断的增大，且主要在大于 20 μm 的粒 径区间中出现，随之减少的是 2～5μm 的粒径区间 的结构单元体，土体表现出较高的“假粉、砂性”， 这说明水泥的胶结作用最好，大颗（团）粒多。但 不同样品在不同的养护期表现出的团聚性是不尽相 同的，如表 1。
1～2μm，小于 1μm 二个区间比较集中，5～ 10μm 孔隙相对较少，大于 5μm 的孔隙几乎没有， 主要表现在中孔隙多，土体结构相对较密实，并且 水泥胶结的作用较强，使原本细小的颗粒变成较大 的结构单元体，因而其孔隙也较大，同时，水泥也 起到了一定的稳定作用，使土体的结构比较致密， 这是因为加了添加剂，在颗（团）粒之间起了胶结
C= B L
（1）
式中 B，L 分别为汤匙对象的短轴和长轴的长度。 定向性分析的评价指标主要采用定向频率
F (α ) ，是根据测量对象定向角（长轴与水平线的夹 角）的分布θ1 ，θ 2 ，θ3 ，…， θ n ，用一定的定向 角密度Ä θ ，将 180 分成若干份，计算定向角落入 各区间的几率。定义 Ä θ = 10 ，分成 18 个定向角 区间，用 F (α ) 来代表各定向角区间的结构单元体 或孔隙的频率，计算公式为