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分形维数（以下简称“分维数”），探讨氯化钠侵蚀下固化疏浚土微观结构与宏观强度之间的宏微观关联。
1 试样制备及试验方案
1.1 试样制备
试验土料取自上海市南汇东滩某吹填场地，场地具体位置见图1。
吹填土样取自表层0～1 m土层范围内。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[11]，采用比重瓶法、液塑限联合测定法、固结快剪法、侧限压缩等试验方法对土样的主要物理力学指标进行了测定，具体汇总于表1，土样定名为“黏质粉土”。
自制固化剂主要由胶结物和激发剂组成，由于疏浚土天然含水量较高，所以其中还掺加了少量石灰，用来改善砂浆的保水性。激发剂主要由木质素组成，木质素是由聚合的芳香醇构成的一种复杂酚类聚合物，能减小双电层厚度及絮凝作用，而且可以促进固化剂水化产物的胶凝和结晶，加快疏浚土样的固化速度。
由文献[12]可知，10%（质量比）左右的水泥掺量可使固化疏浚土试块表现出较强的抗侵蚀性。本文试验中考虑到固化剂中除水泥外还含有其他胶结物，故而将固化剂掺量设计为8%（质量比）。试块制备时，将固化剂与天然疏浚土按所需质量分别称取后，倒入搅拌机机箱中，加入一定质量的水，由搅拌机充分搅拌后，得到固化剂与黏质粉土的混合浆液。混合浆液制备完成后，开始制作立方体固化疏浚土试块，试块尺寸为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm，共100件，静置24 h后拆模。拆模后的试块再逐批次放入水泥标准养护箱进行养护，养护条件为温度（20±2） ℃、相对湿度90%，养护时间为28 d。
氯化钠采用天津市鼎盛鑫化工有限公司生产的氯化钠分析纯，其中NaCl含量不少于99.5%，pH为5.0～8.0。浸泡装置为PVC塑料浸泡箱，尺寸为330 mm×250 mm×130 mm，每个浸泡箱中放置3个固化疏浚土试块。浸泡时，氯化钠溶液需没过试块顶部5 cm左右，试块的浸泡状态见图2。
1.2 试验方案
氯化钠溶液初始质量浓度分别取1.5、3.0、6.0 g/L，每种初始质量浓度下设计的浸泡龄期又分别为7、14、28 d。为与氯化钠浸泡试块进行对比，还设计一组氯化钠初始质量浓度为0的清水浸泡试验。浸泡开始后，每隔1 d测定一次氯离子质量浓度，氯离子质量浓度测定方法参照硝酸银滴定法（GB 11896—1989）[13]進行。达到浸泡龄期后，取出试块，采用电液式压力试验机对试块进行无侧限抗压强度试验，加载速率为1 kN/s。
参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999）[11]，采用TST-55型渗透仪测定固化疏浚土的渗透系数，结果为10-7～10-5 cm/s;当固化剂掺量为8%（质量比）时，从试验开始到14 d养护龄期内，试块的渗透系数下降明显，14 d后试块的渗透系数逐渐趋于稳定。因此，选取不同氯化钠初始质量浓度、浸泡龄期为14 d的试块进行SEM测试。选取Tescan Mira3型场发射SEM。SEM测试时，先将测试土样经烘干机干燥后切块，切块大小为18 mm×18 mm×18 mm，测试前暴露出试块新鲜表面以获取清晰的微观结构图像照片。每个试样表面选取3个测试点，每个测试点拍摄6张图像，图像放大倍数為8 000倍。
2 宏观力学特性分析
2.1 抗压强度变化规律
图3给出了不同氯化钠初始质量浓度、不同浸泡龄期下固化疏浚土试块的无侧限抗压强度（简称“抗压强度”）变化规律。分析图3可得几点规律：（1）相同氯化钠初始质量浓度下，随着浸泡龄期的增加抗压强度明显增加;对于4种氯化钠初始质量浓度0（清水）、1.5、3.0、6.0 g/L，相对于7 d浸泡龄期，当浸泡龄期增加至28 d时，试块抗压强度分别提高13.23%、17.22%、16.95%、17.45%。（2）相同浸泡龄期下，试块抗压强度随着氯化钠初始质量浓度的增加而增加，以浸泡龄期28 d为例，当氯化钠初始质量浓度从0增至6.0 g/L时，试块抗压强度可提升17.17%。
图4给出了经氯化钠浸泡后固化疏浚土试块的表面照片。对试块表面特征进行观察可以发现，氯离子与固化疏浚土试块中的水化产物氢氧化钙发生了化学反应，在试块表面生成了氯化钙结晶水合物（CaCl2·6H2O晶体），这种晶体会填充至疏浚土试块的孔隙中，对试块抗压强度的提高起促进的作用。
2.2 氯离子质量浓度监测结果及分析
图5给出了3种氯化钠初始质量浓度下溶液中氯离子质量浓度随时间变化的规律。分析图5可知，无论何种初始质量浓度，随着浸泡龄期的增加，溶液中的氯离子质量浓度均逐步降低，以氯化钠初始质量浓度6.0 g/L为例（图5c），溶液中氯离子的初始质量浓度为3.64 g/L，当浸泡龄期分别达到7、14、28 d时，溶液中氯离子质量浓度分别降为2.81、2.38、1.83 g/L，与初始值相比分别降低22.80%、34.62%、49.73%。此外，氯离子质量浓度降低的幅度与氯化钠初始质量浓度也存在一定关联，初始质量浓度越高，降低的幅度越显著。
溶液中氯离子质量浓度的降低可理解为氯离子逐步迁移至固化疏浚土试块中，并与试块中的水化产物氢氧化钙发生化学反应生成了CaCl2·6H2O晶体。如前文分析可知，CaCl2·6H2O晶体有助于试块抗压强度的提高。因此，随着浸泡龄期的增加，溶液中氯离子质量浓度的降低（也即氯离子迁移至固化土试块中）与试块抗压强度的提高之间的规律是相互吻合的。
3 微观结构分析
3.1 微观结构参数及宏微观关联
图6给出了不同氯化钠初始质量浓度下浸泡14 d后固化疏浚土试样表面的SEM图像。采用IPP图像处理技术和MATLAB分析程序对SEM图像进行定量分析，计算得到试样表面颗粒的数量、平均面积和平均粒径以及孔隙的数量、平均面积和平均孔径等微观结构参数，结果见表2。
分析图6可知，氯化钠侵蚀会影响固化疏浚土试块表面颗粒和孔隙的形态及排列方式。当用清水
浸泡时（图6a），试块表面的颗粒和孔隙都较为明显，颗粒大小不一，相互堆叠且不成体系，孔隙尺寸中等。随着氯化钠初始质量浓度的增加，颗粒平面排列更紧密，颗粒间结合程度更好，说明氯化钠侵蚀后土体的结构更为密实。
分析表2可知：随着氯化钠初始质量浓度的增加，颗粒和孔隙的数量逐渐增加，但孔隙的平均面积和平均孔径均逐渐减小，这表明经氯化钠溶液浸泡后，土体的微观结构发生了改变，部分孔隙被生成的CaCl2·6H2O晶体填充并形成了新的颗粒;颗粒的平均面积和平均粒径的增大可以解释为在固化及侵蚀过程中，新生成的水化产物及晶体凝结在一起，形成密集的颗粒团;同时，伴随晶体颗粒的生成，试块中的孔隙被凝结的颗粒分散隔离开，微小孔隙的数量增多。
图7给出了经氯化钠溶液浸泡后固化疏浚土试样表面微观结构参数与氯化钠初始质量浓度之间的关系。由图7可知：氯化钠初始质量浓度的提高与颗粒（孔隙）数量的增多以及颗粒平均面积、平均粒径的增大呈现出良好的线性关系;氯化钠初始质量浓度的提高与孔隙平均面积和平均孔径的减少也呈现出的良好线性关系。以上线性拟合的相关系数R2均大于0.9。
图8给出了经氯化钠溶液浸泡后固化疏浚土试样表面微观结构参数与抗压强度之间的关系。由图8可知：宏观抗压强度与试样微观结构之间存在内在关联，抗压强度的提高主要体现在颗粒数量的增长以及颗粒平均面积的增大，与之相对应，孔隙的平均面积和平均孔径逐渐减小;微观结构参数与宏观抗压强度之间呈现出较好的相关性。
3.2 分形维数分析
土体的微观结构具有分形特征，运用分形理论分析土体微观结构变化具有重要意义[14]。土体微观结构的分维数主要包括：粒度分维数Dps、孔径分维数Dbs、颗粒分布分维数Dpd、孔隙分布分维数Dbd和颗粒表面起伏分维数Dpr。
将图6不同氯化钠初始质量浓度的试样表面微观结构SEM图像导入IPP软件，经二值化处理后对图像的高光和阴影部分进行测量及分析，利用自编MATLAB程序计算得到5个分维数的具体数值，见表3。
由表3可得几点规律：（1）随着氯化钠初始质量浓度的增加，粒度分维数Dps和孔径分维数Dbs均逐渐增加，这是由于在浸泡过程中，随着氯化钠初始质量浓度的提高，试样表面微观结构逐渐改变，生成的CaCl2·6H2O晶体增加，并大量填充于原有孔隙中，使颗粒的均匀性变差，孔隙的均一程度也变差，因此导致了Dps和Dbs的增加。（2）随着氯化钠初始质量浓度的提高，颗粒分布分维数Dpd减小而孔隙分布分维数Dbd增大（Dbd越大表示孔隙的分布越分散），这是由于随着氯化钠初始质量浓度的提高，孔隙内新颗粒的凝结速度加快，伴随新颗粒的不断生成，土体中的颗粒分布相对集中而孔隙的分布趋于分散，因而导致Dpd的减小和Dbd的增加。（3）清水浸泡（也即0 g/L）环境下，试块颗粒表面起伏分维数Dpr最小，随着氯化钠初始质量浓度的增加，Dpr逐渐增加，颗粒表面起伏度增大，这是由于随着氯化钠初始质量浓度的增加，水化反应速度加快，颗粒表面形成了较大的集团粒，导致Dpr逐渐增加。
图9给出了试样微观结构分维数与氯化钠初始质量浓度之间的关系。由图9可知：氯化钠初始质量浓度的增加是引起试样微观结构分维数变化的重要因素;氯化钠初始质量浓度的增加与各分维数的变化（单调增大或者单调减小）之间呈现良好的线性关系，其中氯化钠初始质量浓度的变化对孔径分维数Dbs的影响最大，对颗粒分布分维数Dpd的影响最小。
压强度的变化在微观上与试样结构分维数的变化密切相关;颗粒分布分维数Dpd的减小和孔隙分布分维数Dbd的增加对试块抗压强度的提高最为有利;与图9氯化钠初始质量浓度与分维数变化规律类似，试块抗压强度的提高与各分维数的变化之间也呈现较好的线性关系。
4 结 论
本文采用室内试验手段研究了氯化钠侵蚀环境下固化疏浚土试块的宏微观力学特性，利用分形理论，探讨了氯化钠溶液初始质量浓度、试块抗压强度和微观结构分形维数（简称分维数）之间的内在关联，主要结论有：
（1）固化疏浚土试块的抗压强度随着氯化钠初始质量浓度和浸泡龄期的增加而增加，这是由于溶液中的氯离子迁移至试块内，与试块中的水化产物氢氧化钙发生化学反应，生成了CaCl2·6H2O晶体，该晶体填充至试块原有孔隙内，提高了试块的抗压强度。
（2）氯化钠侵蚀会影响固化疏浚土试块颗粒和孔隙的形态及排列方式：当用清水浸泡时，试块的颗粒和孔隙都较为明显，且相互堆叠不成体系;经氯化钠浸泡后，颗粒平面排列更紧密，粒间结合程度更好，试块土体骨架的结构也更为密实;随着氯化钠初始质量浓度的增加，颗粒和孔隙的数量逐渐增加，但孔隙的平均面积和平均孔径均逐渐减小。
（3）氯化钠初始质量浓度的增加会引起试块微观结构分维数的改变，进一步影响试块宏观抗压强度的变化：颗粒分布分维数Dpd的减小和孔隙分布分维数Dbd的增加对试块抗压强度的提高最为有利;从定量上看，氯化钠初始质量浓度的增加与各分维数的变化、各分维数的变化与试块抗压强度的提高两两之间均呈现出良好的线性关系。
参考文献：
[1]潘琳， 何鹏祥， 周琦. 混凝土在海洋环境中的腐蚀及其防护[J]. 工程设计与建设， 2005， 37（3）： 10-13.
[2]王军， 杜荣忠， 刘艳萍. 海工混凝土工程耐久性设计探讨[J]. 工程建设与设计， 2006（2）： 76-77.
[3]柴寿喜， 杨宝珠， 王晓燕， 等. 含盐量对石灰固化滨海盐渍土力学强度影响试验研究[J]. 岩土力学， 2008， 29（7）： 1769-1777.
[4]范礼彬， 章定文， 邓永锋， 等. 氯盐对水泥固化土应力应变特性的影响分析[J]. 工程地质学报， 2012， 20（4）： 621-626.
[5]刘东峰. 氯化钠、氯化镁侵蚀环境对水泥土力学性质的影响分析[J]. 科学技术与程， 2014， 26（14）： 131-135.
[6]ZHANG Yue， YE Weimin， CHEN Yonggui， et al. Impact of NaCl on drying shrinkage behavior of low-plasticity soil in earthen heritages[J]. Canadian Geotechnical Journal， 2017， 54（12）： 1762-1774. DOI： 10.1139/cgj-2016-0403.
[7]SALDANHA R B， MALLMANN J E C， CONSOLI N C. Salts accelerating strength increase of coal fly ash-carbide lime compacted blends[J]. Geotechnique Letters， 2016， 6（1）： 1-5. DOI： 10.1680/jgele.15.00111.
[8]张华杰， 韩尚宇， 蒋敏敏， 等. NaCl侵蚀环境下水泥土的宏微观特性分析[J]. 水利水运工程学报， 2012（2）： 49-54. DOI： 10.16198/j.cnki.1009-640x.2012.02.002.
[9]查甫生， 刘晶晶， 郝愛玲， 等. NaCl侵蚀环境下水泥固化铅污染土强度及微观特性试验研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2015， 34（s2）： 4325-4332. DOI： 10.13722/j.cnki.jrme.2014.0929.
[10]史旦达， 齐梦菊， 许冰沁， 等. 固化疏浚土宏-微观力学特性室内试验研究[J]. 长江科学院院报， 2018， 35（1）： 117-122， 127. DOI： 10.11988/ckyyb.20160916.
[11]中华人民共和国建设部. 土工试验方法标准： GB/T 50123—1999[S]. 北京： 中国计划出版社， 1999.
[12]宁宝宽， 金生吉， 陈四利. 侵蚀性离子对水泥土力学特性的影响[J]. 沈阳工业大学学报， 2006， 28（2）： 178-181.
[13]中华人民共和国生态环境部. 硝酸银滴定法： GB 11896—1989[S]. 北京： 中国标准出版社， 1990.
[14]刘熙媛， 窦远明， 闫澍旺. 基于分形理论的土体微观结构研究[J]. 建筑科学， 2005， 21（5）： 21-25.
（编辑 赵勉）