表面張力與接觸角對(duì)膨脹土干縮開裂影響的試驗(yàn)研究楊松1，吳珺華2，黃劍峰1(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院，云南昆明650201；2.南昌航空大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西南昌330063)摘要：用懸滴法對(duì)純水、酒精溶液和肥皂水（表面活性劑）3種液體的表面張力進(jìn)行測(cè)量，比較3種液體表面張力的大小；用躺滴法測(cè)量混有十八胺的兩種土樣的接觸角。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)不同表面張力和接觸角的膨脹土試樣進(jìn)行收縮開裂試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：孔隙水表面張力和接觸角對(duì)膨脹土的收縮開裂有重要影響。表面張力越小的試樣，其最終收縮開裂裂隙度越小，但在裂隙發(fā)展階段，脫濕時(shí)間相同時(shí)，孔隙水表面張力小的土樣其收縮開裂裂隙度有可能大于表面張力較大的土樣。增大土顆粒與孔隙水間的接觸角可以很好的抑制膨脹土的收縮開裂，接觸角越大，相同的脫濕時(shí)間下土體的收縮開裂裂隙度越小。減小孔隙水表面張力或增大接觸角都會(huì)使土體中的彎液面曲率半徑增大，從而減小土體中的基質(zhì)吸力。接觸角的增大還有可能使彎液面由凹變凸，基質(zhì)吸力會(huì)因此消失，從而很好的抑制膨脹土開裂。

引言

黏土干燥收縮后其表面會(huì)產(chǎn)生裂隙，這種現(xiàn)象在具有膨脹性的黏土中尤為突出。這些裂隙不僅會(huì)對(duì)邊坡穩(wěn)定性和土體的工程性質(zhì)產(chǎn)生影響，還會(huì)引起優(yōu)先流，增加地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)等。影響?zhàn)ね灵_裂的因素很多，許錫昌等對(duì)南陽(yáng)膨脹土開裂特征及影響因素進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)：環(huán)境溫度對(duì)膨脹土脫濕有一定影響，試樣初始含水率與收縮開裂裂隙度正相關(guān)，初始干密度與收縮開裂裂隙度負(fù)相關(guān)。唐朝生等研究了初始飽和的糊狀試樣和不同壓實(shí)狀態(tài)的壓實(shí)試樣的體積收縮變形特征，提出了壓實(shí)試樣收縮應(yīng)變與初始干密度和含水率之間的函數(shù)關(guān)系。

劉平等認(rèn)為土體干縮裂隙的形成和發(fā)展是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，除了溫度還受到包括黏粒含量、黏土礦物類型、土層厚度、水分蒸發(fā)速率、鹽分等因素的影響。很顯然，黏土干縮裂隙發(fā)展主要發(fā)生在非飽和狀態(tài)，非飽和土和飽和土的主要區(qū)別是土中存在吸力，因此可以從非飽和土力學(xué)的角度對(duì)黏土開裂進(jìn)行研究。李錦輝等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)裂隙土的土水特征曲線呈雙峰特征，并且提出了一種預(yù)測(cè)裂隙土土水特征曲線的方法。李培勇等的研究成果表明，非飽和膨脹土裂隙開展深度與地表基質(zhì)吸力有關(guān)。基質(zhì)吸力是由非飽和土中水–氣界面引起的，水–氣交界面也被認(rèn)為是非飽和土中的獨(dú)立第四相，描述界面張力和接觸角關(guān)系的Young方程奠定了毛細(xì)理論的基礎(chǔ)。

然而，土力學(xué)中計(jì)算和測(cè)試基質(zhì)吸力時(shí)卻習(xí)慣把水–氣界面張力設(shè)為常數(shù)同時(shí)認(rèn)為接觸角很小或趨近于0，實(shí)際上，自然界中的非飽和土可能由于各種因素而使孔隙水表面張力或接觸角發(fā)生明顯的變化，例如：利用表面活性劑對(duì)膨脹土進(jìn)行改性，少量的表面活性劑就會(huì)大幅降低水的表面張力，而表面活性劑還被廣泛用于治理斥水性土壤；土體受到酸堿污染時(shí)，酸堿溶液會(huì)改變土體的力學(xué)性能，而酸、堿或一些有機(jī)化合物加入到水中也會(huì)改變水的表面張力。當(dāng)土顆粒表面被有機(jī)物所覆蓋，森林火災(zāi)，PH值變化等，土體可能表現(xiàn)出斥水性，即：土顆粒與孔隙水間的接觸角變大，接觸角變化會(huì)對(duì)非飽和土中的基質(zhì)吸力產(chǎn)生重要影響。

本文通過在水中加入少量乙醇或肥皂粉（陰離子型表面活性劑）來(lái)改變水的表面張力，在烘干土中加入斥水劑（十八烷基伯胺）來(lái)改變土顆粒的表觀接觸角，展開表面張力與接觸角對(duì)膨脹土干縮開裂的影響研究，對(duì)比分析了不同表面張力和接觸角下膨脹土裂隙的發(fā)展演化過程，希望能為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)黏土開裂本質(zhì)提供一個(gè)新思路。

1試驗(yàn)材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土取自云南省境內(nèi)昆曲高速公路嚴(yán)家山段，為淺灰色弱膨脹土，其自由膨脹率為55.7%，液限為41%，塑限為20.3%。取回的土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾碎后過2 mm的篩備用。為研究氣–液界面張力對(duì)膨脹土干縮開裂的影響，采用3種不同表面張力的液體作為土中的液相，分別為：純水、體積百分?jǐn)?shù)為20%的酒精溶液和含量為2 g/L的肥皂水；通過在土體中混合斥水劑的方法配制不同接觸角的土樣，斥水劑十八烷基伯胺（C18H39N），簡(jiǎn)稱：十八胺，為堿性白色蠟狀粉末，純度為99%，配制兩種斥水土樣，十八胺含量分別為：0.2%和0.4%。各土樣的成分和編號(hào)如表1所示。

表1土樣組成與編號(hào)

1.2表面張力測(cè)量

試驗(yàn)為比較3種液體表面張力的大小，采用懸滴法對(duì)液體的表面張力進(jìn)行測(cè)量，懸滴法的基本原理是：處于毛細(xì)管端液體懸滴的形狀與液體的表面張力有關(guān)，在重力作用下，毛細(xì)管端形成的球形液滴的形變，隨著液滴有效密度的增加而增加并隨著液滴界面張力的增加而減小。通過Young–Laplace方程可以推導(dǎo)得到懸滴法計(jì)算表面張力的基本方程：

關(guān)系可以通過查表求得。

圖1懸滴的幾何形狀

圖2 Delta-8全自動(dòng)高通量表面張力測(cè)量?jī)x

試驗(yàn)在Delta-8全自動(dòng)高通量表面張力測(cè)量?jī)x上進(jìn)行（圖2），為保持液體表面張力測(cè)試的溫度和干縮開裂試驗(yàn)溫度一致，試驗(yàn)具體步驟如下：先把待測(cè)液體抽入微量進(jìn)樣器中（針尖直徑為0.7 mm），把進(jìn)樣器固定在儀器自動(dòng)注液儀上，自動(dòng)注樣3μL后液體在注樣器針尖產(chǎn)生懸滴，通過光學(xué)放大系統(tǒng)和圖像采集系統(tǒng)獲取懸滴的外形圖片（圖1（b）～（d）），由式（1）計(jì)算待測(cè)液體的表面張力。計(jì)算得到水、酒精溶液和肥皂水的表面張力分別為：6.8（10-2 N/m），4.0（10-2N/m），2.2（10-2 N/m）。因此可以得到結(jié)論：水的表面張力＞20%酒精溶液的表面張力＞2 g/L肥皂水的表面張力。