原状膨胀土脱湿微观结构变化试验研究

汪为巍，易　远，张传成，张正亚

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)



原状膨胀土脱湿微观结构变化试验研究

汪为巍，易远，张传成，张正亚

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

摘要：膨胀土普遍发育有微孔隙与微裂隙，形成其特殊的微结构，在膨胀土脱湿过程中其内部微观结构也会发生剧烈变化，大量的研究表明，膨胀土的裂隙发育、强度衰减、胀缩变形等工程特性在很大程度上取决于其微结构特征。针对这一情况，采用扫描电镜法和压汞法相结合的方法对膨胀土原状样经抽气饱和后土体内部孔隙变化及在恒温恒湿条件下脱湿后土体内部孔隙变化进行研究，结果表明:原状膨胀土样抽气饱和后膨胀土发生膨胀，内部孔隙变小，孔隙变化主要集中在大于1 μm和小于0.1 μm的区域，饱和后总孔隙体积减小，但饱和前后孔隙孔径分布曲线形态基本相似；原状膨胀土样恒温恒湿环境下脱湿后，微观结构变化剧烈，总孔隙体积急剧减小，但大孔隙所占相对比例急剧增加；膨胀土脱湿干燥时孔隙收缩，土中的大孔隙变为小孔隙，导致小孔隙和超微孔隙增多，土样中的总孔隙体积减小。

关键词：膨胀土；脱湿；微观结构；原状样

1引言

土的微观结构是指土在一定的地质环境和条件下，土粒和粒团的排列方式，微孔隙与微裂隙的大小、形状、数量及其空间分布与充填情况，接触与连接方式等所构成的微结构特征[1-4]。

膨胀土普遍发育有微孔隙与微裂隙，形成了其特殊的微结构，在膨胀土脱湿的过程中其内部的微观结构也会发生剧烈变化，大量的研究表明，膨胀土的裂隙发育、强度衰减、胀缩变形等工程特性在很大程度上取决于其微结构特征。微观结构一方面反映膨胀土的形成条件，另一方面也是决定膨胀土物理力学以及其他性质的重要因素[5-11]。

在膨胀土中普通存在着蒙脱石、伊利石、高岭石等粘土矿物成分，这些矿物的颗粒大多为鳞片状成扁平状，彼此相互集聚形成叠聚体，构成膨胀土中活动性的基本结构单元，所以研究膨胀土的微结构特征，即包括组成膨胀土骨架的基本单元——颗粒，以及颗粒与颗粒之间的相互排列方式，颗粒与颗粒之间彼此的联结性质，裂隙、孔隙及其充填等特征[12-13]。

本研究采用扫描电镜法和压汞法相结合的方法对膨胀土原状样脱湿前后微结构展开研究，两者为平行试样，主要研究原状样经抽气饱和及脱湿后土体内部孔隙变化。从微观角度去认识原状膨胀土吸湿-脱湿前后的微观结构变化，探讨这些变化对于膨胀土裂隙性的影响。

2土样基本物理性质

试验用土样取自南阳高速公路现场，土样呈黄褐色，含铁锰结核，可塑，粘性较强，裂隙面呈蜡状光泽，粒径小于0.075 mm的土颗粒占总质量的约97.3%，黏粒含量(粒径<0.005 mm)约为61.1%，基本物理性质见表1，根据《公路路基设计规范》(JTGD030-2004)表2该膨胀土属于中膨胀土。

表1试验用土样基本物性参数

天然含水率/%比重自由膨胀率/%收缩系数缩限/%天然重度/(kN·m-3)干密度/(g·cm-3)液限/%塑性指数体缩率/%标准吸湿含水率/%渗透系数/(cm·s-1)25.4-26.82.81610.3811.019.81.5755.429.220.36.7251.06E-6

表2膨胀土膨胀潜势等级判别标准

指标弱膨胀土中膨胀土强膨胀土塑性指数15—2828—40>40自由膨胀率/%40—6060—90>90标准吸湿含水率/%2.5—4.84.8—6.8>6.8

3压汞实验

3.1实验仪器

压汞实验采用图1所示的Poremaster33高压孔隙结构仪，该结构仪技术参数如表3所示。实验测试分析系统利用汞对材料不浸润的特性，采用人工加压的方式使汞进入材料内部孔隙，结合结构分析模型计算样品的孔径结构、孔隙度及真密度等参数。

图1　Poremaster33高压孔隙结构仪

表3Poremaster33技术参数

名称技术参数技术指标低压站压力范围0.23—50psi传感器精度±0.11%孔直径范围950—4.26μm高压站压力范围20—33,000psi传感器精度ä±0.05%孔直径范围10.66—0.0064μm

3.2实验原理

压汞仪法的理论依据是: 湿润液体(如汞)在没有外部压力的作用下并不进入孔隙介质的空隙中。1921 年，Washburn 假定介质孔隙为圆柱状的毛细管，并通过实验得出了孔隙等效半径r和外部压力P之间的关系:

P=2σcosθ/r.

式中:P为外部施加的压力，σ为注入液体的表面张力，θ为接触角。对汞来说，σ= 0.484 N/m，θ=141°。

压汞试验是对已制作出来的土样，用不同的压力向其孔隙中压入水银，然后得到不同压力和其所对应的进汞量，根据这两个数据来绘制关系曲线，然后通过上述公式计算出不同大小孔隙所占孔隙总体积的比例关系，从而得出累积压入汞体积随着孔径的变化曲线。通过采用 dV/d(logr)的方法来描述土中孔隙分布情况从而进一步对压汞试验数据进行分析。其中dV表示在给定的压力增量下汞体积变化值，d(logr)表示在这一压力增量施加前后汞所能进入的最小孔隙孔径的变化。为了解决孔径分布范围广难以在坐标上表示的问题，采用了对数坐标。

3.3样品制备

原状土样制备，用渗透环刀取样，随后进行抽气饱和，使用透水石来把饱和后的土样从环刀内轻轻推出，之后用钢丝锯(涂了凡士林)从土样中间部位切出10 mm×15 mm×10 mm 的毛坯，再用双面刀片，对毛坯四周进行环切，环切大概1.5 mm 左右，然后用手掰出一个断面，从而得到一块比较平整的天然结构面，再用刀片把这块毛坯切成5 mm×8 mm×4 mm 左右的土样，并小心放入到铝盒之中(在铝盒表面上贴上标签并编号，其中401、402为抽气饱和的原状样，403为未经抽气饱和的原状样)[14]，按表4方案进行处理。

表4原状样微观实验方案

原状土编号脱湿环境实验类型温度/0C湿度/%压汞电镜401冻干√√4024535√√403冻干√

涉及到以下几种脱湿方式。

(1)冻干法：将制好的压汞土样(制样方法与风干法相同)谨慎装入到内径为18 mm、高为180 mm的有机玻璃试管之中，并向试管中加入异戊烷，然后用液氮将其迅速冷却至-196 ℃(时间需要控制在大概3 min 左右)，使土样中的水变成冰，之后迅速把冷却后的土样放入到冷冻干燥机中，进行连续抽空24 h以上，使非晶态的冰升华排出[15]。采用冷冻真空升华干燥法制备土样反映土样天然结构形貌，从而将土样因失水而发生体积收缩的可能性降至最低[16-17]。而其他方式脱水会破坏土样原有结构，从而对破坏后和没破坏的结构进行对比。

(2)烘干法：在烘箱中放入已经制作好的压汞土样，温度设定为105 ℃ ，在此条件下进行连续12 h的烘干。

(3)恒温恒湿箱脱湿法：将制好的压汞土样放进恒温恒湿箱，设定好温湿度，脱湿到样品质量不再发生变化为止。

(4)风干法：将样品放置于阴凉、通风、干燥处，持续2个月时间，以保证土样在自然状态下完全风干。

无论是采用哪一种土样干燥方法，制备试样过程中都应注意尽量减小对土样的扰动。实验中采用相同含水率试样，并保证试样的完全干燥，从而保证各实验之间脱水率一致。冻干法由于温度降低的原因会产生明显的裂隙，这对压汞实验会产生一定的影响，但是压汞实验的实际情况无法把裂隙单独取出分析，故在此算作大孔隙处理。最后将以上制备好的土样送到微观实验室进行微观实验。

3.4原状样压汞试验结果与分析

图2中401、402为抽气饱和的原状样分别经由冻干和恒温恒湿箱脱湿、403为未经抽气饱和的原状样经由冻干后做压汞试验取得的曲线。

图2　不同孔隙孔径分布

从图2中可以看出原状土冻干后的孔径分布曲线为单峰曲线，脱湿以后的原状样曲线上单峰消失，曲线整体下沉；抽气饱和前后的原状样内部孔隙孔径的分布发生较大的变化，饱和前单峰出现在孔径6—30 μm的区域，峰值0.223 mL/g对就孔径18.9 μm，饱和后曲线上的单峰向左移动，出现在孔径2—20 μm的区域，同时峰值也略有降低，峰值0.201 mL/g对就孔径7.7 μm；三种土样中孔径0.1—1μm的孔隙基本相同；孔径小于0.1 μm的孔隙饱和后略高于未饱和土样，脱湿后明显增加减少。即在原状样抽气饱和主要影响的是孔径1 μm以上的孔隙，使这一部分的孔隙缩小；而恒温恒湿箱脱湿使得所有的孔隙都要减少，只是减少的程度不同，而孔径0.1—1 μm的孔隙变化不明显。

在图3孔隙累积曲线上可以看出饱和后的累计孔隙体积要小于饱和前的，其值分别为0.169 1 mL/g和0.186 0 mL/g，两者比例为90.91%；，脱湿样总的累计体积0.079 6 mL/g，明显小于冻干样，只有冻干样的42.80%和47.07%。脱湿样孔径的累积体积在大于10 μm时要大于冻干样，在小于10 μm时孔隙的累积体积明显小于冻干样。

图3　大于某孔径的孔隙累积体积

图4中，在大于10 μm区域，脱湿样孔隙累积体积与总孔隙的百分比要远大于冻干样，脱湿样在一开始就有一个较大的值，说明在脱湿条件下出现了较多的开展裂隙。

图4　大于某孔径的孔隙累积体积与总孔隙的百分比

总之，土样饱和前后总孔隙体积减小，浸水饱和后膨胀土发生膨胀，内部孔隙变小，孔隙变化主要集中在大于1 μm和小于0.1 μm的区域，但饱和前后孔隙孔径分布曲线形态基本相似；恒温恒湿环境下脱湿试样微观结构变化剧烈，总孔隙体积急剧减小，但脱湿样中大于10 μm孔隙的孔隙累积体积与总孔隙的百分比要远大于冻干样，即试样脱湿后总孔隙体积要减小，但大孔隙所占相对比例急剧增加。

4电镜试验

4.1实验仪器

如图5所示，电镜扫描设备为Qμanta 250扫描电子显微镜，本实验测试分析系统用聚焦电子束在试样表面逐点扫描成像。其中试样一般采用粉末或块状颗粒，并使用二次电子、背散射电子或吸收电子的成像信号。

图5　Qμanta 250扫描电子显微镜

Qμanta 250扫描电子显微镜可用于室内对矿物、岩石、金属、陶瓷、生物等样品以及各种固体材料进行观察和分析研究。其技术参数如表5所示。

表5Qμanta 250扫描电子显微镜技术参数

技术参数技术指标放大倍数6x-1,000,000x分辨率二次电子(SE)成像:高真空模式:30kV时3.0nm;3kV时8.0nm低真空模式:30kV时3.0nm;3kV时10.0nmESEMTM环境真空模式:30kV时3.0nm背散射电子(BSE)成像:30kV时4nm能谱仪20mm2大面积活区;在MnKα处的分辨率:保证优于127eV;分析元素范围:Be4-Pμ94

土体内部是一些片状粘土矿物颗粒，这些颗粒是由许多硅氧四面体以及铝氧八面体晶包所组成的，在各种连结力的作用下，按一定的组合方式组合成粘土矿物粒团，这种粒团也称为基本结构单元。由于粘土矿物粒团的颗粒细小，并且表面特征较为复杂，所以难以确定颗粒之间的界限。

4.2电镜扫描结果与分析

经过从低倍到高倍，不同视域区间的对比观察分析，选取较具代表性的视域作显微照相。特征区域的电镜照片列于图6中，放大倍数为 100、800、2 000、5 000倍。

图6　不同倍数电镜图片

从图6中可以看出，倍数100电镜图片中冻干样发育有很多裂隙，脱湿样中孔隙发生了明显的闭合；倍数800、2 000电镜图片中冻干样结构单元体微小，表现为颗粒聚集状，孔隙为集聚体之间的孔隙、碎屑颗粒之间以及粘土矿物粒团与碎屑颗粒之间形成的微小孔隙，脱湿样表现为片、层状，脱湿样中孔隙也比冻干样明显缩小；倍数5 000电镜图片中冻干样粘粒连接在一起，形态表现为单一片状，脱湿样粘粒发生脱离，能看到很多的短片状卷起，由于片状矿物的叠聚而形成的微小孔隙，脱湿样中微小孔隙明显比冻干样增多。

5结论

采用扫描电镜法和压汞法相结合的方法从定性和定量方面对膨胀土脱湿前后的微结构开展研究，对原状样经抽气饱和后土体内部孔隙变化及在恒温恒湿条件下脱湿后土体内部孔隙变化进行研究，主要得出以下结论:

(1)原状膨胀土样抽气饱和后膨胀土发生膨胀，内部孔隙变小，孔隙变化主要集中在大于1μm和小于0.1μm的区域，饱和后总孔隙体积减小，但饱和前后孔隙孔径分布曲线形态基本相似。

(2)原状膨胀土样恒温恒湿环境下脱湿后，微观结构变化剧烈，总孔隙体积急剧减小，但大孔隙所占相对比例急剧增加。

(3)膨胀土脱湿干燥时孔隙收缩，土中的大孔隙变为小孔隙，导致小孔隙和超微孔隙增多，土样中的总孔隙体积减小

(4)通过原状膨胀土样脱湿前后结果分析比较发现，脱湿后原状样内部孔隙结构发生剧烈变化，目前关于这种结果变化在脱湿过程中如何发生的研究较少，在后续的研究中要加强这一方面的研究。

笔者只是对土体脱湿前后微观结构进行了基础性的研究，主要还是以定性描述为主，在此基础上进行了一定的定量分析。目前大部分微观结构研究都处在定性描述层面，定量描述仍有很多难题需解决，本文对土体微观结构的研究具有一定的意义，而更深入的研究如通过微观结构研究建立膨胀土土体结构的本构模型等问题仍需进行不停的试验和探索。

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The study on the microstructure changes of undisturbed expansive soil after dehydration

WANGWei-wei，YIYuan，ZHANGChuan-cheng，ZHANGZheng-ya

(School of Civil Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023， China )

Abstract：Micro pores and micro fractures are common development of expansive soils, and their special microstructure is formed, the internal microstructure of the expansive soil will be changed dramatically in the process of soil moisture, a large number of studies show that: the engineering properties of expansive soil, such as crack development, strength attenuation and expansion and contraction deformation, largely depend on the microstructure of the soil. In view of this situation, SEM and MIP are used to study undisturbed expansive soil. The main conclusion is as follows: The undisturbed expansive soils are expanded, and the internal pores become smaller, the pore changes mainly concentrated in the area of more than1μm and less than 0.1μm. The total pore volume decreases, but the shape of the pore size distribution curve is similar to that of the saturated soil; Undisturbed expansive soils are dewetted under constant temperature and humidity environment, micro structural severe changed, the total pore volume decreased dramatically, but the relative ratio of large pore has increased dramatically; When the expansive soil dehydration, the pores is shrinking, and the large pores become smaller, which leads to the increase of small pores and micro pores, and the total pore volume decreases.

Key words：expansive-soil；dehydration；microstructure；undisturbed-example

中图分类号：TU 411.92

文献标识码：A

DOI:10.3969/j.issn.2095-7386.2016.01.016

文章编号：2095-7386(2016)01-0070-05

作者简介：汪为巍(1981-)，男，博士，讲师, E-mail：1464427693@qq.com.

收稿日期：2015-09-21.修回日期:2015-11-18.