干湿循环作用下膨胀土孔隙结构的变化

写在前面

膨胀土，是一种具有高膨胀、多裂隙、超固结特性的特殊粘土，分布于中国、美国和加拿大等40多个国家。由于降雨和蒸发，这种土会经历干湿循环。由于膨胀土中含有蒙脱石、伊利石等亲水性矿物，在水的作用下，会发生体积膨胀或收缩。经过多次干湿循环后，会对低层建筑，尤其是砌体建筑的力学特性(压缩模量、膨胀变形和抗剪强度)产生影响。膨胀土已给全世界带来了超90亿美元的损失。

膨胀土是影响建筑安全的重要因素，也是造成严重事故灾害的主要危险源。当前许多学者对膨胀土的膨胀变形规律进行了研究：膨胀率、塑性指数和初始干密度是评价膨胀土膨胀能力的常用指标。研究人员认为，土壤的宏观变形是由孔隙结构的变化引起的，膨胀过程中较高的孔隙对建筑物造成更大的威胁。然而，对于膨胀土在膨胀过程中和多次干湿循环后的孔隙结构变化还需深入研究。

本文通过室内试验探讨了膨胀土的膨胀变形与孔隙结构变化的内在联系。利用核磁共振技术研究了扰动土样在0-4次干湿循环下的膨胀特性，分析了孔隙结构随含水量和循环次数的变化规律。可为揭示膨胀土的膨胀机理和建筑安全评价提供了有益指导。

本文所用膨胀土取自我国南宁市地下同一土层。根据相关分类标准，该土为弱膨胀土。

本研究采用扰动土。试验前，首先制备含水量为10.0%的湿土，并在密封袋中保存48小时以上。采用无磁性的聚四氟乙烯环刀，将直径和高度为40 mm的试件压实到其最佳击实含水率，总共制备7个试验样本。

膨胀测试在固结仪中进行的。①将三个试样连同环刀一同放入固结仪中，记录初始伸长计读数；②加入蒸馏水覆盖试样底部，让土样自由吸水膨胀；③记录伸长计读数变化直至膨胀趋于稳定；④将试样密封保存以进行核磁共振测试；⑤膨胀结束后，在40°C的温度下将饱和试样脱水至预定重量，视为一个干湿循环完成。

①核磁测孔机理：通过核磁共振T2分布曲线可以计算不同孔径大小的孔隙所占比例，计算含水量。当孔隙为球形时，T2分布与孔径R存在如下对应关系：

其中，ρ2为横向表面弛豫率；S/V为孔隙比表面积；Fs为孔隙几何形状因子；C为转换系数。

②饱和-抽吸法确定T2截止值：如Young–Laplace方程所示，增大吸力，大孔隙中的水首先排出，然后再排出微孔中的水。通过测定不同吸力下的T2曲线，可得到不同孔隙半径对应的T2值。当吸力增加到临界值时，大孔中的所有水都被排出，而微孔中的水仍然存在。

其中，△P为压力差；σ为液体表面张力；θ为接触角；R为孔径。

本文T2截止值(T2c)被定义为大孔与微孔之间的临界值，由于土样较为松散，连续性较差，离心困难，因而采用饱和-抽吸法获得T2截止值。该方法如下：测试经历临界吸力的饱和和非饱和试样的T2曲线；然后将这两条T2曲线转化为累积曲线，得到了总水累积分布(大孔和微孔)和吸附水累积分布(微孔)；两条累积曲线的交点就是大孔和微孔之间的T2截止值。高T2(T2>T2c)部分的水代表大孔，低T2(T2＜T2c)部分的水代表小孔。

③核磁测试：测试仪器采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的Micro12-150H-I核磁分析仪(图1)，选用60mm的线圈，有效测试区域为φ60mm×60mm。核磁测试流程如下：制备土样(φ40mm×40mm)；在无磁环刀中完成不同干湿循环；将所有试样饱和48h；对不同干湿循环次数的饱和土样进行核磁弛豫测试；数据收集与分析。

图1 试验样本与核磁设备

图2为0-4次干湿循环下的土样膨胀曲线，由于土样横向受环刀限制，仅发生垂直变形，垂直方向的膨胀即为土样的体积膨胀。体积膨胀在第1次循环后增加约20%，之后随着循环次数增加逐渐减小。在干燥过程，土样径向收缩大于轴向收缩，使得土样高度较初始增加。

图2 不同循环次数下的垂直变形曲线

不同循环次数下的膨胀曲线变化规律相似：先快速增长，然后增长放缓，最后趋于稳定。0次循环时土样需230min才能达到膨胀变形的90%，而1-4次循环的土样仅需100min。

考虑到不同时间段土样的膨胀特性不同，以3次循环为例，按照0-30min、30-90min和＞90min将曲线划分为3段，每段分别进行线性拟合，如图3。分段拟合的相关系数较高，三个阶段的梯度依次较小。

图3 土样3次循环后的膨胀曲线拟合

图4为土样在不同吸力下的含水量变化。随着吸力增加，含水量逐渐减小。根据吸力与孔径之间的对应公式，确定临界吸力为113.5MPa，对应孔径1.28nm。超过113.5MPa的吸力仍不能排出＜1.28nm的孔径内的吸附水，1.28nm也是区分大孔和微孔的临界值。

图4 不同吸力下的土样含水量

图5 基于T2截止值的双孔隙度结果

饱和及113.5MPa吸力下的T2曲线如图5所示。饱和曲线包含大孔和微孔中的水，而临界吸力下的曲线仅包含微孔中的水。确定T2截止值为1.84ms，确定方法见图5。由T2截止值计算可知，大孔占比47.1%，小孔占比52.9%。

通过临界孔径与T2截止值可得到转换系数，进而将T2分布曲线转换为孔径分布曲线：

本文7个含水量10-28%不等的样本T2分布曲线如图6所示，根据4.1提到的方法已将T2分布曲线转换为孔径分布曲线。

图6 不同含水量下的孔径分布

(a)不同含水量孔径分布曲线

(b)不同含水量孔隙积分面积

如图6(a)所示，所有的孔径分布曲线均为单峰形态。孔径分布不均匀；大部分孔隙分布在0.06-8.57nm之间且大孔数量(1.28-8.57nm)大于微孔(0.06-1.28nm)；峰逐渐向右扩展。

如图6(b)所示，含水量增加，大孔和微孔数量均增加：当含水量较低时，两者较为接近；当含水量较高时，大孔增加更为显著。

不同干湿循环次数下的孔径分布如图7所示。所有曲线均为单峰，曲线的峰值不变，但面积逐渐扩展。4次循环过程微孔面积略有波动(5.7%)，而大孔面积随循环次数增加了141%，说明大孔数量是影响土膨胀的主要因素。

图7 不同循环次数下的孔径分布

(a)不同循环次数孔径分布曲线

(b)不同循环次数孔隙积分面积

吸水膨胀是孔隙逐渐充满水的过程，也是从非饱和状态逐渐过渡到饱和状态的过程。

①初始膨胀阶段，饱和度较低，由于土-水接触角较小，少量的水进入并迅速扩散。这部分水主要吸附在粘土矿物晶体层间，使晶体层间空间扩展，所以膨胀率较高。

②随着饱和度增加，晶体层膨胀变形完成。由于毛细水的迁移形成水膜，同时双电层厚度增加，导致膨胀变形继续。

③第3阶段，双电层厚度不再增加，水分逐渐填满，膨胀趋于稳定。

在干燥阶段，由于水的表面张力加剧了孔隙的收缩，产生不可恢复的形变；随着残余形变的累积，膨胀变形逐渐减小。

图8为不同循环次数下的扫描电镜图片，经历1次循环后，土颗粒间接触紧密；4次循环后，出现明显的裂隙。由于裂隙表面颗粒强度的损失，阻碍侧向变形的力减小，随着循环次数的增加，试样发生断裂，削弱膨胀能力。

图8 土样扫描电镜图

(a)1次干湿循环后

(b)4次干湿循环后

如图6，当含水量19-22%时，孔体积大幅增加；当含水量为10-19%或22-28%时，孔体积小幅增加。水分进入后，晶体层和土颗粒膨胀，孔隙被水填满，膨胀速率较大；随着水分连续进入，水膜厚度达到最大值，膨胀趋于稳定。水膜厚度的增加会使土颗粒间距增大，是膨胀土膨胀变形的主要因素。

如图7所示，大孔受干湿循环影响较大而微孔对循环变化不敏感。土孔隙结构的变化主要有两个原因：一是土颗粒间位置和接触状态的改变；二是水溶性盐类胶结物的溶解。干湿循环过程中，土-水体系的物理化学作用加剧了胶结物的溶解，使孔隙平滑或膨胀。因此，土的孔隙结构会随土中储存的水而改变。经过多次干湿循环后，具有较高保水能力的微孔几乎不变，而大孔增加，增加了土样与水的接触面积。因此，经历干湿循环后，土样膨胀率明显增加。垂直裂隙的生成使土更容易侧向膨胀，导致垂直膨胀能力的降低。