弱膨胀土在浸水膨胀过程中的微观结构变化特征

陈 宝，潘燕敏，路晓军，喻 达

（同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海 200092）

1 研究背景

因含有较多的黏粒及亲水性的蒙脱石、伊利石等矿物成分，膨胀土具有遇水膨胀，失水收缩的变形特性，常使膨胀土地基上建构筑物产生裂缝、发生倾斜或失稳现象，给国家带来了巨大的经济损失［1］，引起了工程界和学术界的广泛关注。国内外专家学者对膨胀土的工程特性开展了众多的研究，认为膨胀土的微观结构是影响其强度［2］、变形特性［3-4］、土水特征及渗透特性［5］的主要内在因素。我国典型膨胀土的微观结构单元可以分为片状颗粒、扁平状聚集体颗粒及粒状颗粒单元3种类型，微结构可以分为絮凝结构、定向排列结构、紊流结构、粒状堆积结构等类型［2，6］。膨胀土的微观结构除了与其矿物成分，形成条件有关外，还与其吸力（含水率）［7］以及所处的应力环境［8］等外部条件有关。

为了探究外部条件的改变对膨胀土微观结构的影响，已有大量的学者进行了研究。例如：Lin等［9］采用扫描电镜试验（Scanning Electron Microscope，简称SEM）和环境扫描电镜试验（Environmental Scanning Electron Microscope，简称ESEM）发现页岩风化膨胀土在干湿循环过程中或者在不同压力下固结稳定后，微观结构会发生变化。除了通过SEM试验或ESEM试验对土体微观结构的变化做出定性分析，也可以通过压汞试验（水银孔隙率定试验，Mercury Intrusion Porosimetry，简称 MIP）对孔径分布的变化做定量分析。陈宝等［10］采用MIP试验研究了不同压缩应力作用下，黏土产生体积变形后孔隙分布曲线的变化规律；Cui等［7］结合SEM和MIP试验方法研究了膨胀土在不同吸力下微观结构的变化规律。

上述研究表明，外部条件的变化会对土体微观孔结构产生非常大的影响，改变其孔隙分布特征和微观结构类型，进而影响其工程性质。但是目前对于膨胀土在不同外部条件作用下微观结构变化的研究并不多，而且集中在脱湿过程中。由于膨胀土具有遇水膨胀，而且强度迅速降低的特性，其吸水过程更容易导致工程事故的发生。因此对膨胀土在不同外部条件下膨胀后微观结构变化的研究变得不可或缺。

本文拟采用MIP试验和SEM试验来研究重塑膨胀土在不同荷载条件下膨胀稳定后微观结构的差异性。在微观试验的土样制备时主要控制初始含水率和膨胀约束条件2个变量。选取不同初始含水率是为了研究和对比土样分别从干燥状态和较湿润状态膨胀稳定后微观结构的差异性。对于膨胀约束条件的选取，主要考虑土体所处的膨胀状态。首先，在真实的膨胀环境中，土单元体的横向膨胀变形会受到相邻土体的限制，其所处的状态与侧限状态接近；其次，在竖向上，随着埋深的增大，土体遇水会从无荷载膨胀、一定荷载下膨胀逐渐过渡到膨胀力等于上覆压力下的恒体积膨胀状态。因此，本次试验拟用不同荷载下的一维膨胀试验来模拟土体的膨胀约束条件。待土样在不同膨胀约束条件下膨胀稳定后，再采用MIP试验和SEM试验相结合的方法，对其微观结构进行研究，探讨微观结构和孔隙分布情况的变化规律。

2 试验方案

试验用土取自南阳市内乡县某220 kV变电站拟选站址之一，地层由第四系上更新统冲洪积物组成。土样呈黄褐色，含黑色铁锰质结核，土体的基本物理参数和矿物组成分分别见表1和表2。结合自由膨胀率和亲水性矿物的含量，根据《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ 50112—2013），可判断试验用土为弱膨胀土。

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

表2 矿物组成成分Table 2 Mineral composition of test soil

2.1 土样制备

将自然风干后的膨胀土采用碎土机破碎并过2 mm筛，配置成初始含水率为15%和20%的湿土，并静置24 h，使土中水分扩散均匀。将配置好的湿土用静压法制成干密度为1.70 g／cm3环刀土样，每个含水率制4个相同的土样。将制作好的土样分别进行无荷载一维膨胀试验、50 kPa荷载下一维膨胀试验和恒体积膨胀试验，各土样的膨胀力、膨胀率与时间的关系如图1所示。当土样达到膨胀稳定状态后（如图中各曲线标记“×”的试验点）将土样取出，制备用于微观试验的土样。

图1 土样膨胀力、膨胀率与时间的关系Fig．1 Swelling force and swelling ratio against time

因为MIP试验和SEM试验需要采用干燥的土样，为了避免干燥过程中土样出现干缩现象，改变其内部孔隙分布情况，采用液氮冷冻真空干燥法［11］干燥土样。具体步骤为：用细钢丝锯切成多个1.5 cm×1.5 cm×2 cm左右的土块，将土块小心包裹在细铁丝网中，放入冷冻干燥机，倒入液氮对土样冷冻15 min，接着在-50℃下持续抽真空24 h，使土中冰升华。将干燥后的土样小心掰掉钢丝锯切出的光滑表面，掰成约1 cm×1 cm×1 cm的土块用于MIP试验；另外的土样掰开后用洗耳球吹去表面浮土，镀金后进行SEM试验。为了方便试验结果的展示，对不同的土样进行编号，如表3所示。

表3 土样状态及对应的编号Table 3 Status and corresponding serial number of soil samples

2.2 试验方法和设备

SEM试验采用日本日立公司生产的Hitachi SU1510型扫描电镜，其电子枪采用冷场发射电子源，放大倍率为5～300 000倍。选择视野中孔隙和土颗粒分布相对均匀的点，分别拍摄500，1 000，2 000，3 000倍下土样表面的微观图像，测试土样编号为 1#—8#。

MIP试验采用美国Mike公司生产的AutoPore IV 9500型全自动压汞法孔径分析仪，最大注汞压力为60 000 psi（约413.8 MPa），孔径量测范围为0.003～1 100μm，测试土样编号为9#—16#。

汞对土颗粒是非浸润性的，需要在外部压力的作用下才会进入土体孔隙中。随着外部压力的增大，汞逐渐进入土中更小的孔隙中，通过记录每级压力下土样的进汞量，可以推算出不同孔径的孔隙体积含量，得到不同膨胀约束条件下土中孔隙分布情况。孔径的大小根据Washburn公式［12］计算，即

式中：p为施加的压力（Pa）；σ为汞的表面张力，取值为0.485 N／m；θ为汞与土体间接触角，取值为140°；r为将土中孔隙假设为圆柱形后的等效半径（m）。

3 电镜扫描试验结果分析

由SEM试验得到的初始含水率为15%的土样电镜照片见图2。图中呈蜂窝状或棉絮状等特征的矿物是伊蒙混层，该矿物是蒙脱石向伊利石或者伊利石向蒙脱石过渡的矿物，具有遇水膨胀特性，从其分布情况来看，伊蒙混层含量与表2中所示结果相一致。

图2 初始含水率为15%的土样微观结构Fig．2 SEM micrographs of samples with 15%initial water content

此外，从图2中还可知，黏土颗粒的排布没有明显的定向性，整体较为杂乱。图2（a）和图2（b）中以片状颗粒和扁平状颗粒为主，其接触方式以边-面接触为主，面-面和边-边接触为辅，可判断该膨胀土的微结构类型为紊流结构；颗粒间接触较紧密，无明显的大孔隙。图2（c）和图2（d）土颗粒以粒状颗粒和扁平状颗粒为主，伊蒙混层羽翼状的边缘被水化，土颗粒边缘变光滑，粒间的联结也被削弱，形成更为松散的排列，导致土样的微结构以粒状颗粒堆叠为主。

从图2（c）和图2（d）可以看出土样膨胀后孔隙明显增多，10μm左右的孔隙增加较明显。对比图 2中的（b），（c），（d）可知，上覆荷载越小（2#土样恒体积膨胀稳定后上覆荷载为350 kPa、3#土样在50 kPa下膨胀、4#土样在无荷载条件下膨胀），土颗粒的膨胀越充分，粒间孔隙越大。这是因为荷载的存在限制了土体体积的膨胀，使得土颗粒排列变得紧密，进而压缩了颗粒间孔隙的体积。

图3给出了初始含水率为20%的土样在不同荷载条件下膨胀稳定后微观结构的扫描电镜照片。同样也可以看出荷载越小，膨胀稳定后颗粒间的孔隙越大，宏观上膨胀率越大。

图3 初始含水率为20%的土样微观结构Fig．3 SEM micrographs of samples with 20%initial water content

与初始含水率为15%的土样相比较，初始含水率为20%的土样在膨胀过程中，微结构类型和孔隙大小的变化不明显。因为在配土过程中，水的加入会使得土颗粒发生一定程度的膨胀，消耗一部分膨胀势能。初始含水率越大的土样，剩余的膨胀势能就越小，在浸水膨胀过程中，颗粒的体积膨胀变化就越小，推开其周边颗粒的力也变小，故而在膨胀过程中孔隙的变化没有初始含水率低的土体变化明显；在宏观上表现为膨胀率或者膨胀力的降低，如初始含水率为15%的土样膨胀力为325 kPa，而初始含水率为20%的土样膨胀力下降为115 kPa。

4 MIP试验结果分析

不同初始含水率土样的MIP试验结果如图4所示。为了便于分析试验结果，结合孔隙分布特点，将土样中的孔隙按等效孔径的大小分为4个等级：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可以认为是黏土中集聚体内孔隙和集聚体间孔隙的分界值。因土样的干密度较大（1.70 g／cm3），集聚体间的孔隙被压缩，体积含量减小，集聚体内的孔隙成为土样中孔隙的主要组成部分，占孔隙总体积的70%以上。

图4 不同初始含水率下的土样孔隙分布曲线Fig．4 Pore size distribution of soils with varied initial water content

整体来看，虽然在不同的膨胀约束条件下，土样内部孔隙的体积会有相应的变化，但是土样的孔隙分布均呈现出三峰曲线的形式，而且对应的峰值孔径大致没有改变。这是因为试验用土是弱膨胀土，而且其含有的石英等粗颗粒矿物成分比较多，约占总矿物含量的70%，以伊蒙混层为主的黏土颗粒的矿物成分仅占30%左右。可以认为土骨架主要由水稳定性比较好的粗粒土组成，在浸水膨胀过程中，土骨架能够整体保持不变［13］。所以，各不同条件下的土样膨胀稳定后的孔隙分布曲线只表现出了局部的变化，孔隙分布的整体并没有太大的改变。

分开来看，与初始土样相比，恒体积膨胀条件下土样的大孔隙和小孔隙体积含量均减小，微孔隙的体积含量增大，超微孔隙分布情况与初始状态土样大致相同。这说明在恒体积浸水膨胀过程中，因土样的体积不能发生变化，所以颗粒的膨胀会压缩颗粒间孔隙的体积，使得颗粒间孔隙的体积变小，土样中的总孔隙体积也有所减少。与初始样相比，在允许有竖向膨胀的条件下，土样膨胀稳定后，除微孔隙外，其余各孔隙的体积含量均增大，而且大孔隙的体积含量增大最为明显，这一点与扫描电镜照片所呈现的结果相一致。50 kPa荷载下膨胀的土样各孔隙体积含量的增量比无荷载膨胀条件下的孔隙体积含量的增量小，因为伊蒙混层水化后，颗粒体积增大，进而推开其旁边的颗粒，使得粒间孔隙变大，但是荷载的存在抑制了这一过程，使得颗粒排列得更为紧密，故而孔隙体积含量的增量小。

对比图4（a）和图 4（b），两者的孔隙分布规律总体相似，但是初始含水率为20%的土样各孔隙体积含量均小于初始含水率为15%的土样孔隙体积含量。可见在相同的干密度下，初始含水率越大的土样，孔隙体积含量越小。

首先对于初始土样：在配土的加水过程中，土颗粒在水的作用下，已经发生了部分膨胀，而且初始含水率越高，膨胀变形越多。又因为压样过程中控制土样的干密度相同，所以每个土样中土颗粒的数量大致相同，但是含水率越大，相当于每个土颗粒的体积越大。因为土样的总体积相同，所以土颗粒占的体积越大，孔隙的体积就越小。这一点也可以从两组曲线在微孔隙范围内的峰值来说明：初始含水率低的土样，微孔隙范围内的峰值含量对应的孔径在3μm附近，而初始含水率高的土样，孔径为3μm的孔隙含量明显减小，取而代之的是0.3μm的峰值孔径。这一峰值迁移的现象说明：初始含水率大的土，在制样过程中土颗粒会被压得更为紧密。

其次对于膨胀稳定后的土样：试验结果［14-15］表明，土样的膨胀率随着初始含水率的减小而呈线性或者指数形式增长，所以初始含水率低的土样，膨胀后体积越大，孔隙的含量也就越高。

最后对于恒体积膨胀的土样：初始含水率低的土样，膨胀力也就越大［16-17］，在浸水后，外界施加的限制土样体积膨胀的力也就越大，这使得土样中的土颗粒水化不充分，进而导致土颗粒体积膨胀量减小，对颗粒间的孔隙体积压缩量减小，所以初始含水率低的土样孔隙的体积含量大。

5 结 论

本文通过SEM和MIP试验对重塑膨胀土浸水膨胀稳定后的微观结构变化进行了分析，主要结论有：

（1）重塑南阳膨胀土为紊流结构，颗粒排列没有明显的方向性，接触形式主要为边-面形式，辅以面-面及边-面形式。在允许体积膨胀的条件下，伊蒙混层羽翼状的边缘被水化，土颗粒变光滑，粒间的联结也被削弱，形成以粒状颗粒和扁平状颗粒为主的颗粒堆叠结构。

（2）不同膨胀约束条件下的膨胀土内部孔隙按等效孔径的大小可以分为4个等级：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是黏土中集聚体内孔隙和集聚体间孔隙的分界值。

（3）土样在恒体积浸水膨胀过程中，微观结构的变化较小，孔隙的变化主要体现小孔隙被膨胀后的土颗粒压缩成微孔隙。在允许土体产生竖向体积膨胀的条件下，膨胀稳定后的土样大孔隙、小孔隙和超微孔隙的体积含量均增大。

（4）初始含水率越低，土样的孔隙分布变化和结构变化越为明显。因为制样过程中水的加入会使得土颗粒产生部分膨胀，在浸水膨胀过程中，颗粒的体积膨胀变化就越小，推开其周边颗粒的力也很小，从而导致微观结构的变化小。