弱膨脹土在浸水膨脹過(guò)程中的微觀結(jié)構(gòu)變化特征

陳 寶，潘燕敏，路曉軍，喻 達(dá)

（同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

1 研究背景

因含有較多的黏粒及親水性的蒙脫石、伊利石等礦物成分，膨脹土具有遇水膨脹，失水收縮的變形特性，常使膨脹土地基上建構(gòu)筑物產(chǎn)生裂縫、發(fā)生傾斜或失穩(wěn)現(xiàn)象，給國(guó)家?guī)?lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失［1］，引起了工程界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)膨脹土的工程特性開(kāi)展了眾多的研究，認(rèn)為膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)是影響其強(qiáng)度［2］、變形特性［3-4］、土水特征及滲透特性［5］的主要內(nèi)在因素。我國(guó)典型膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)單元可以分為片狀顆粒、扁平狀聚集體顆粒及粒狀顆粒單元3種類型，微結(jié)構(gòu)可以分為絮凝結(jié)構(gòu)、定向排列結(jié)構(gòu)、紊流結(jié)構(gòu)、粒狀堆積結(jié)構(gòu)等類型［2，6］。膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)除了與其礦物成分，形成條件有關(guān)外，還與其吸力（含水率）［7］以及所處的應(yīng)力環(huán)境［8］等外部條件有關(guān)。

為了探究外部條件的改變對(duì)膨脹土微觀結(jié)構(gòu)的影響，已有大量的學(xué)者進(jìn)行了研究。例如：Lin等［9］采用掃描電鏡試驗(yàn)（Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱SEM）和環(huán)境掃描電鏡試驗(yàn)（Environmental Scanning Electron Microscope，簡(jiǎn)稱ESEM）發(fā)現(xiàn)頁(yè)巖風(fēng)化膨脹土在干濕循環(huán)過(guò)程中或者在不同壓力下固結(jié)穩(wěn)定后，微觀結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化。除了通過(guò)SEM試驗(yàn)或ESEM試驗(yàn)對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)的變化做出定性分析，也可以通過(guò)壓汞試驗(yàn)（水銀孔隙率定試驗(yàn)，Mercury Intrusion Porosimetry，簡(jiǎn)稱 MIP）對(duì)孔徑分布的變化做定量分析。陳寶等［10］采用MIP試驗(yàn)研究了不同壓縮應(yīng)力作用下，黏土產(chǎn)生體積變形后孔隙分布曲線的變化規(guī)律；Cui等［7］結(jié)合SEM和MIP試驗(yàn)方法研究了膨脹土在不同吸力下微觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。

上述研究表明，外部條件的變化會(huì)對(duì)土體微觀孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常大的影響，改變其孔隙分布特征和微觀結(jié)構(gòu)類型，進(jìn)而影響其工程性質(zhì)。但是目前對(duì)于膨脹土在不同外部條件作用下微觀結(jié)構(gòu)變化的研究并不多，而且集中在脫濕過(guò)程中。由于膨脹土具有遇水膨脹，而且強(qiáng)度迅速降低的特性，其吸水過(guò)程更容易導(dǎo)致工程事故的發(fā)生。因此對(duì)膨脹土在不同外部條件下膨脹后微觀結(jié)構(gòu)變化的研究變得不可或缺。

本文擬采用MIP試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)來(lái)研究重塑膨脹土在不同荷載條件下膨脹穩(wěn)定后微觀結(jié)構(gòu)的差異性。在微觀試驗(yàn)的土樣制備時(shí)主要控制初始含水率和膨脹約束條件2個(gè)變量。選取不同初始含水率是為了研究和對(duì)比土樣分別從干燥狀態(tài)和較濕潤(rùn)狀態(tài)膨脹穩(wěn)定后微觀結(jié)構(gòu)的差異性。對(duì)于膨脹約束條件的選取，主要考慮土體所處的膨脹狀態(tài)。首先，在真實(shí)的膨脹環(huán)境中，土單元體的橫向膨脹變形會(huì)受到相鄰?fù)馏w的限制，其所處的狀態(tài)與側(cè)限狀態(tài)接近；其次，在豎向上，隨著埋深的增大，土體遇水會(huì)從無(wú)荷載膨脹、一定荷載下膨脹逐漸過(guò)渡到膨脹力等于上覆壓力下的恒體積膨脹狀態(tài)。因此，本次試驗(yàn)擬用不同荷載下的一維膨脹試驗(yàn)來(lái)模擬土體的膨脹約束條件。待土樣在不同膨脹約束條件下膨脹穩(wěn)定后，再采用MIP試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，探討微觀結(jié)構(gòu)和孔隙分布情況的變化規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)用土取自南陽(yáng)市內(nèi)鄉(xiāng)縣某220 kV變電站擬選站址之一，地層由第四系上更新統(tǒng)沖洪積物組成。土樣呈黃褐色，含黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，土體的基本物理參數(shù)和礦物組成分分別見(jiàn)表1和表2。結(jié)合自由膨脹率和親水性礦物的含量，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ 50112—2013），可判斷試驗(yàn)用土為弱膨脹土。

表1 膨脹土的基本物理特性Table 1 Basic physical properties of test expansive soil

表2 礦物組成成分Table 2 Mineral composition of test soil

2.1 土樣制備

將自然風(fēng)干后的膨脹土采用碎土機(jī)破碎并過(guò)2 mm篩，配置成初始含水率為15%和20%的濕土，并靜置24 h，使土中水分?jǐn)U散均勻。將配置好的濕土用靜壓法制成干密度為1.70 g／cm3環(huán)刀土樣，每個(gè)含水率制4個(gè)相同的土樣。將制作好的土樣分別進(jìn)行無(wú)荷載一維膨脹試驗(yàn)、50 kPa荷載下一維膨脹試驗(yàn)和恒體積膨脹試驗(yàn)，各土樣的膨脹力、膨脹率與時(shí)間的關(guān)系如圖1所示。當(dāng)土樣達(dá)到膨脹穩(wěn)定狀態(tài)后（如圖中各曲線標(biāo)記“×”的試驗(yàn)點(diǎn)）將土樣取出，制備用于微觀試驗(yàn)的土樣。

圖1 土樣膨脹力、膨脹率與時(shí)間的關(guān)系Fig．1 Swelling force and swelling ratio against time

因?yàn)镸IP試驗(yàn)和SEM試驗(yàn)需要采用干燥的土樣，為了避免干燥過(guò)程中土樣出現(xiàn)干縮現(xiàn)象，改變其內(nèi)部孔隙分布情況，采用液氮冷凍真空干燥法［11］干燥土樣。具體步驟為：用細(xì)鋼絲鋸切成多個(gè)1.5 cm×1.5 cm×2 cm左右的土塊，將土塊小心包裹在細(xì)鐵絲網(wǎng)中，放入冷凍干燥機(jī)，倒入液氮對(duì)土樣冷凍15 min，接著在-50℃下持續(xù)抽真空24 h，使土中冰升華。將干燥后的土樣小心掰掉鋼絲鋸切出的光滑表面，掰成約1 cm×1 cm×1 cm的土塊用于MIP試驗(yàn)；另外的土樣掰開(kāi)后用洗耳球吹去表面浮土，鍍金后進(jìn)行SEM試驗(yàn)。為了方便試驗(yàn)結(jié)果的展示，對(duì)不同的土樣進(jìn)行編號(hào)，如表3所示。

表3 土樣狀態(tài)及對(duì)應(yīng)的編號(hào)Table 3 Status and corresponding serial number of soil samples

2.2 試驗(yàn)方法和設(shè)備

SEM試驗(yàn)采用日本日立公司生產(chǎn)的Hitachi SU1510型掃描電鏡，其電子槍采用冷場(chǎng)發(fā)射電子源，放大倍率為5～300 000倍。選擇視野中孔隙和土顆粒分布相對(duì)均勻的點(diǎn)，分別拍攝500，1 000，2 000，3 000倍下土樣表面的微觀圖像，測(cè)試土樣編號(hào)為 1#—8#。

MIP試驗(yàn)采用美國(guó)Mike公司生產(chǎn)的AutoPore IV 9500型全自動(dòng)壓汞法孔徑分析儀，最大注汞壓力為60 000 psi（約413.8 MPa），孔徑量測(cè)范圍為0.003～1 100μm，測(cè)試土樣編號(hào)為9#—16#。

汞對(duì)土顆粒是非浸潤(rùn)性的，需要在外部壓力的作用下才會(huì)進(jìn)入土體孔隙中。隨著外部壓力的增大，汞逐漸進(jìn)入土中更小的孔隙中，通過(guò)記錄每級(jí)壓力下土樣的進(jìn)汞量，可以推算出不同孔徑的孔隙體積含量，得到不同膨脹約束條件下土中孔隙分布情況?？讖降拇笮「鶕?jù)Washburn公式［12］計(jì)算，即

式中：p為施加的壓力（Pa）；σ為汞的表面張力，取值為0.485 N／m；θ為汞與土體間接觸角，取值為140°；r為將土中孔隙假設(shè)為圓柱形后的等效半徑（m）。

3 電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果分析

由SEM試驗(yàn)得到的初始含水率為15%的土樣電鏡照片見(jiàn)圖2。圖中呈蜂窩狀或棉絮狀等特征的礦物是伊蒙混層，該礦物是蒙脫石向伊利石或者伊利石向蒙脫石過(guò)渡的礦物，具有遇水膨脹特性，從其分布情況來(lái)看，伊蒙混層含量與表2中所示結(jié)果相一致。

圖2 初始含水率為15%的土樣微觀結(jié)構(gòu)Fig．2 SEM micrographs of samples with 15%initial water content

此外，從圖2中還可知，黏土顆粒的排布沒(méi)有明顯的定向性，整體較為雜亂。圖2（a）和圖2（b）中以片狀顆粒和扁平狀顆粒為主，其接觸方式以邊-面接觸為主，面-面和邊-邊接觸為輔，可判斷該膨脹土的微結(jié)構(gòu)類型為紊流結(jié)構(gòu)；顆粒間接觸較緊密，無(wú)明顯的大孔隙。圖2（c）和圖2（d）土顆粒以粒狀顆粒和扁平狀顆粒為主，伊蒙混層羽翼狀的邊緣被水化，土顆粒邊緣變光滑，粒間的聯(lián)結(jié)也被削弱，形成更為松散的排列，導(dǎo)致土樣的微結(jié)構(gòu)以粒狀顆粒堆疊為主。

從圖2（c）和圖2（d）可以看出土樣膨脹后孔隙明顯增多，10μm左右的孔隙增加較明顯。對(duì)比圖 2中的（b），（c），（d）可知，上覆荷載越?。?#土樣恒體積膨脹穩(wěn)定后上覆荷載為350 kPa、3#土樣在50 kPa下膨脹、4#土樣在無(wú)荷載條件下膨脹），土顆粒的膨脹越充分，粒間孔隙越大。這是因?yàn)楹奢d的存在限制了土體體積的膨脹，使得土顆粒排列變得緊密，進(jìn)而壓縮了顆粒間孔隙的體積。

圖3給出了初始含水率為20%的土樣在不同荷載條件下膨脹穩(wěn)定后微觀結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。同樣也可以看出荷載越小，膨脹穩(wěn)定后顆粒間的孔隙越大，宏觀上膨脹率越大。

圖3 初始含水率為20%的土樣微觀結(jié)構(gòu)Fig．3 SEM micrographs of samples with 20%initial water content

與初始含水率為15%的土樣相比較，初始含水率為20%的土樣在膨脹過(guò)程中，微結(jié)構(gòu)類型和孔隙大小的變化不明顯。因?yàn)樵谂渫吝^(guò)程中，水的加入會(huì)使得土顆粒發(fā)生一定程度的膨脹，消耗一部分膨脹勢(shì)能。初始含水率越大的土樣，剩余的膨脹勢(shì)能就越小，在浸水膨脹過(guò)程中，顆粒的體積膨脹變化就越小，推開(kāi)其周邊顆粒的力也變小，故而在膨脹過(guò)程中孔隙的變化沒(méi)有初始含水率低的土體變化明顯；在宏觀上表現(xiàn)為膨脹率或者膨脹力的降低，如初始含水率為15%的土樣膨脹力為325 kPa，而初始含水率為20%的土樣膨脹力下降為115 kPa。

4 MIP試驗(yàn)結(jié)果分析

不同初始含水率土樣的MIP試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。為了便于分析試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合孔隙分布特點(diǎn)，將土樣中的孔隙按等效孔徑的大小分為4個(gè)等級(jí)：超微孔隙（＜0.1μm）、微孔隙（0.1～5μm）、小孔隙（5～50 μm）和大孔隙（＞50μm），其中0.1μm可以認(rèn)為是黏土中集聚體內(nèi)孔隙和集聚體間孔隙的分界值。因土樣的干密度較大（1.70 g／cm3），集聚體間的孔隙被壓縮，體積含量減小，集聚體內(nèi)的孔隙成為土樣中孔隙的主要組成部分，占孔隙總體積的70%以上。

圖4 不同初始含水率下的土樣孔隙分布曲線Fig．4 Pore size distribution of soils with varied initial water content

整體來(lái)看，雖然在不同的膨脹約束條件下，土樣內(nèi)部孔隙的體積會(huì)有相應(yīng)的變化，但是土樣的孔隙分布均呈現(xiàn)出三峰曲線的形式，而且對(duì)應(yīng)的峰值孔徑大致沒(méi)有改變。這是因?yàn)樵囼?yàn)用土是弱膨脹土，而且其含有的石英等粗顆粒礦物成分比較多，約占總礦物含量的70%，以伊蒙混層為主的黏土顆粒的礦物成分僅占30%左右?？梢哉J(rèn)為土骨架主要由水穩(wěn)定性比較好的粗粒土組成，在浸水膨脹過(guò)程中，土骨架能夠整體保持不變［13］。所以，各不同條件下的土樣膨脹穩(wěn)定后的孔隙分布曲線只表現(xiàn)出了局部的變化，孔隙分布的整體并沒(méi)有太大的改變。

分開(kāi)來(lái)看，與初始土樣相比，恒體積膨脹條件下土樣的大孔隙和小孔隙體積含量均減小，微孔隙的體積含量增大，超微孔隙分布情況與初始狀態(tài)土樣大致相同。這說(shuō)明在恒體積浸水膨脹過(guò)程中，因土樣的體積不能發(fā)生變化，所以顆粒的膨脹會(huì)壓縮顆粒間孔隙的體積，使得顆粒間孔隙的體積變小，土樣中的總孔隙體積也有所減少。與初始樣相比，在允許有豎向膨脹的條件下，土樣膨脹穩(wěn)定后，除微孔隙外，其余各孔隙的體積含量均增大，而且大孔隙的體積含量增大最為明顯，這一點(diǎn)與掃描電鏡照片所呈現(xiàn)的結(jié)果相一致。50 kPa荷載下膨脹的土樣各孔隙體積含量的增量比無(wú)荷載膨脹條件下的孔隙體積含量的增量小，因?yàn)橐撩苫鞂铀?，顆粒體積增大，進(jìn)而推開(kāi)其旁邊的顆粒，使得粒間孔隙變大，但是荷載的存在抑制了這一過(guò)程，使得顆粒排列得更為緊密，故而孔隙體積含量的增量小。

對(duì)比圖4（a）和圖 4（b），兩者的孔隙分布規(guī)律總體相似，但是初始含水率為20%的土樣各孔隙體積含量均小于初始含水率為15%的土樣孔隙體積含量。可見(jiàn)在相同的干密度下，初始含水率越大的土樣，孔隙體積含量越小。

首先對(duì)于初始土樣：在配土的加水過(guò)程中，土顆粒在水的作用下，已經(jīng)發(fā)生了部分膨脹，而且初始含水率越高，膨脹變形越多。又因?yàn)閴簶舆^(guò)程中控制土樣的干密度相同，所以每個(gè)土樣中土顆粒的數(shù)量大致相同，但是含水率越大，相當(dāng)于每個(gè)土顆粒的體積越大。因?yàn)橥翗拥目傮w積相同，所以土顆粒占的體積越大，孔隙的體積就越小。這一點(diǎn)也可以從兩組曲線在微孔隙范圍內(nèi)的峰值來(lái)說(shuō)明：初始含水率低的土樣，微孔隙范圍內(nèi)的峰值含量對(duì)應(yīng)的孔徑在3μm附近，而初始含水率高的土樣，孔徑為3μm的孔隙含量明顯減小，取而代之的是0.3μm的峰值孔徑。這一峰值遷移的現(xiàn)象說(shuō)明：初始含水率大的土，在制樣過(guò)程中土顆粒會(huì)被壓得更為緊密。

其次對(duì)于膨脹穩(wěn)定后的土樣：試驗(yàn)結(jié)果［14-15］表明，土樣的膨脹率隨著初始含水率的減小而呈線性或者指數(shù)形式增長(zhǎng)，所以初始含水率低的土樣，膨脹后體積越大，孔隙的含量也就越高。

最后對(duì)于恒體積膨脹的土樣：初始含水率低的土樣，膨脹力也就越大［16-17］，在浸水后，外界施加的限制土樣體積膨脹的力也就越大，這使得土樣中的土顆粒水化不充分，進(jìn)而導(dǎo)致土顆粒體積膨脹量減小，對(duì)顆粒間的孔隙體積壓縮量減小，所以初始含水率低的土樣孔隙的體積含量大。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)SEM和MIP試驗(yàn)對(duì)重塑膨脹土浸水膨脹穩(wěn)定后的微觀結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了分析，主要結(jié)論有：

（1）重塑南陽(yáng)膨脹土為紊流結(jié)構(gòu)，顆粒排列沒(méi)有明顯的方向性，接觸形式主要為邊-面形式，輔以面-面及邊-面形式。在允許體積膨脹的條件下，伊蒙混層羽翼狀的邊緣被水化，土顆粒變光滑，粒間的聯(lián)結(jié)也被削弱，形成以粒狀顆粒和扁平狀顆粒為主的顆粒堆疊結(jié)構(gòu)。

（2）不同膨脹約束條件下的膨脹土內(nèi)部孔隙按等效孔徑的大小可以分為4個(gè)等級(jí)：超微孔隙（＜0.1 μm）、微孔隙（0.1～5μm）、小孔隙（5～50μm）和大孔隙（＞50μm），其中0.1μm是黏土中集聚體內(nèi)孔隙和集聚體間孔隙的分界值。

（3）土樣在恒體積浸水膨脹過(guò)程中，微觀結(jié)構(gòu)的變化較小，孔隙的變化主要體現(xiàn)小孔隙被膨脹后的土顆粒壓縮成微孔隙。在允許土體產(chǎn)生豎向體積膨脹的條件下，膨脹穩(wěn)定后的土樣大孔隙、小孔隙和超微孔隙的體積含量均增大。

（4）初始含水率越低，土樣的孔隙分布變化和結(jié)構(gòu)變化越為明顯。因?yàn)橹茦舆^(guò)程中水的加入會(huì)使得土顆粒產(chǎn)生部分膨脹，在浸水膨脹過(guò)程中，顆粒的體積膨脹變化就越小，推開(kāi)其周邊顆粒的力也很小，從而導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)的變化小。