蒙脱石含量对黏土表面干缩裂隙影响试验研究

夏冬生，刘清秉，项　伟,，王菁莪，艾　密

(中国地质大学(武汉) a.工程学院；b.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，武汉　430074)



蒙脱石含量对黏土表面干缩裂隙影响试验研究

夏冬生a，刘清秉b，项伟a,b，王菁莪b，艾密b

(中国地质大学(武汉)a.工程学院；b.教育部长江三峡库区地质灾害研究中心，武汉430074)

蒙脱石作为膨胀土中主要的黏土矿物成分，对膨胀土胀缩性质及裂隙性具有重要的影响。为研究蒙脱石含量对裂隙发育的影响同时规避其他成分的影响，对13组不同蒙脱土含量的蒙脱土-石英砂饱和泥浆样进行了干燥试验，试验控制温度为40 ℃。在干燥过程中，对含水率和表面裂隙进行实时监控，并利用计算机软件对裂隙进行定量化分析，获取裂隙演化过程中的临界含水率及表面裂隙率δS。试验结果表明：干燥过程中，水分的散失表现出明显的3个阶段——常速率阶段、减速阶段以及残余阶段，且裂隙的发育主要在常速率阶段进行。试样的最终表面裂隙率δSF和起裂时的含水率wI受蒙脱土含量的影响明显，均表现为随着蒙脱土含量的增加而增加，终裂时的含水率wF并没有相同的趋势，但wI与wF之差Δw与蒙脱土含量正相关。

蒙脱土；干燥曲线；裂隙；临界含水率；定量化分析

1　研究背景

在自然条件下，黏性土表面随着含水率的降低易产生干缩裂隙。干缩裂隙的产生使土体各向异性更加明显、强度发生衰减，同时，干缩裂隙作为地表水的入渗通道，对黏性土的强度发生进一步破坏提供有利条件[1]，干缩裂隙还会加快土体风化速率及加深风化程度，加重表面水土流失，使生态环境发生破坏[2]。裂缝的宽度、深度、延伸长度以及裂缝网络的结构形态等参数在很大程度上决定土体的渗透性和水力学特性[3-4]。近年来，国内外对黏性土表面干缩裂隙开展了大量的研究，Terzaghi[5]最早注意土体裂隙发育对土体强度的影响，并认为裂隙是超固结黏性土的结构特性；Kleppe等[6]通过收缩试验发现，当体积收缩应变达到4%～5%时试样产生裂隙；唐朝生等[7]通过室内试验结合计算机处理技术，研究不同黏土厚度、干湿循环次数及不同土质成分对裂隙形态影响，并探讨了聚丙烯纤维对黏性土干缩裂缝的抑制作用和机理；吴珺华等[8]建立了以含水率变化计算变湿应力的理论模型并解释了裂隙产生的机理。裂隙的开展是较为复杂的过程，受多种因素的控制，以上研究多从力学角度、外界条件分析裂隙的影响因素及开展机理，对土质因素的研究尚不够具体，土体裂隙的开展与黏粒含量、矿物成分等土质因素密切相关，研究黏土矿物含量对土体收缩裂隙的影响有利于从本质上分析土体收缩机理。

为研究蒙脱石含量对土体表面收缩裂隙发育的影响，本文作者以室内试验为基础，对不同蒙脱土含量的蒙脱土—石英砂混合样进行干燥试验，对干燥过程中含水率及裂隙图像进行监测，利用计算机处理图片技术定量化分析和统计表面裂隙率及裂隙开展过程中的临界含水率。

2　试验方法

2.1试验材料及试样制备

试验中所用蒙脱土为Ca-蒙脱土和270目(粒径为0.053mm)石英砂，各试验材料的主要化学成分含量如表1所示，蒙脱土的阳离子交换量为93.8meq/100g。

表1　试验材料化学成分含量Table 1　Chemical composition of test materials

将蒙脱土粉末和石英砂在105 ℃烘干至恒重后，按蒙脱土质量百分比分别为0，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%，100%与石英砂粉末混合，利用直径为15cm的圆形玻璃皿制备饱和泥浆样13组，加水过程中不断搅拌并将试样密封保存24h以便试样润湿均匀。

2.2试验装置及方法

试验装置如图1所示，将制备好的试样置于自制发热箱内，发热箱温控范围为10～90 ℃，由温度控制仪控制，控制精度为0.1 ℃，本次试验温度控制为40 ℃。箱内放置精度为0.01g的电子天平，与连接的电子计算机对收缩过程中样品的质量进行自动采集。同时，利用工业高清摄像机对样品进行连续间隔拍照，获取土样表面形态变化。质量采集和图像采集使用相同的时间间隔，以便获得同步的质量和图像参数。试验过程中设置温湿度传感器，可实时监测发热箱内温湿度变化。

图1　试验装置Fig.1　Test apparatus

试验后，利用Photoshop和Matlab软件对图像进行处理，获得试样不同时刻的表面裂隙率δS，结合蒸发曲线获取裂隙开展过程中的临界含水率:起裂含水率wI和终裂含水率wF。

3　试验结果与分析

3.1试样水分蒸发过程

图2为干燥过程中部分试样含水率随时间变化的曲线，不同蒙脱土含量试样的干燥曲线变化趋势接近一致，即在干燥的初始阶段，含水率与时间为近直线关系，随着干燥的继续，干燥曲线发生弯曲并逐渐趋于水平。利用Origin8.6软件对干燥曲线进行求导分析，获得干燥过程中的蒸发速率-时间曲线。由曲线可知，各试样的干燥过程均表现明显的3个阶段：蒸发速率稳定的阶段Ⅰ、蒸发速率不断减小的阶段Ⅱ，以及蒸发速率接近0的残余阶段Ⅲ；试验结果与唐朝生等[9]的试验结果类似。如图2所示，大部分(超过80%)的水分蒸发发生在阶段Ⅰ，减速阶段Ⅱ经历时间相对较短，且蒙脱土含量为45%和55%试样的减速阶段时间明显高于蒙脱土含量为25%和35%的试样。各试样的最终含水率均在10%左右，但与试样的蒙脱土含量没有明显的相关性。

(a)含量25%

(b)含量35%

(c)含量45%

(d)含量55%图2　不同蒙脱土含量试样干燥曲线Fig.2　Drying curves of samples with different contentsof montmorillonite

土中水分的蒸发是个复杂的过程，受温度、相对湿度、孔隙水盐分浓度、土结构、土的孔径、土层厚度和吸力等诸多因素的影响，试样在干燥过程表现明显的阶段性可能是由于在常速率蒸发阶段，试样内部大部分自由水蒸发，随着自由水的不断减少，试样内部吸力不断增加，自由水蒸发受到阻碍，同时，试样上部水分散失后，水-气界面向试样内部发展，水分蒸发路径增加而导致蒸发速率不断降低。因此，蒙脱土含量越高，试样的持水能力更强，水分子逃逸到蒸发面需要的能量更高[10]，试样蒸发的减速阶段时间更长。

3.2试样裂隙演化过程及定量化分析

图3为40 ℃条件下蒙脱土含量为35%饱和泥浆样干燥过程的裂隙图像。如图3(a)所示，当含水率为61.3%时，试样表面开始出现明显的裂隙；随着含水率降低到57.9%(图3(b))，试样的主干裂隙生成，但并未完全展开；当含水率减小为38.1%时，样品的所有支裂隙也生成，并与主裂隙交叉形成裂隙网络，对比图3(c)和图3(d)，当含水率进一步降低，未见新裂隙生成，但裂隙宽度增加。根据蒸发过程中的裂隙图像及蒸发曲线对比发现，绝大部分的裂隙发育在常速率阶段(阶段Ⅰ)。

(a)w=61.3%　　　　　　　(b)w=57.9%

(c)w=38.1%　　　　　　　(d)w=22.3%图3　蒙脱土含量为35%样品干缩裂隙图像Fig.3　Images of desiccation cracks of the sample with35% montmorillonite content

利用Photoshop和Matlab软件对裂隙图像进行定量化分析，按式(1)计算试样的表面裂隙率δS。

(1)

式中:n为裂隙条数;Ai为第i条裂隙的面积;A为试样面积。

图4为不同蒙脱土含量样品的δS-t曲线。如图所示，在试样收缩的初始阶段，表面裂隙率δS随着时间的增加缓慢增长，随着时间的继续累积，新生裂隙不断产生以及裂隙宽度增加，试样的表面裂隙率快速增长并在随后的干燥过程中趋于稳定值。根据图4曲线可知，表面裂隙率的增长速率与蒙脱土的含量呈正相关，说明蒙脱土的含量增加可促进试样表面裂隙的发展。

图4　不同试样表面裂隙率随时间变化关系曲线Fig.4　Changes of surface crack ratio with time fordifferent samples

图5为试样干燥过程中最终表面裂隙率δSF与蒙脱土含量m的关系曲线。如图5所示，当蒙脱土含量达到20%时，试样表面开始产生明显的裂隙；在低蒙脱土含量段(如图5中低于35%)，试样的最终表面裂隙率随蒙脱土含量缓慢增长，但随着蒙脱土含量的继续增加，试样的最终表面裂隙率与蒙脱土的含量呈线性关系。蒙脱石矿物具有较强的亲水性，吸水时在颗粒表面形成的水化膜较厚，且晶层间距由于吸水扩展，故蒙脱土的含量越高，试样干燥时可收缩的空间更大，形成的裂隙更长更宽。

图5　最终表面裂隙率与蒙脱土含量的关系曲线Fig.5　Changes of final surface crack ratio withincreasing montmorillonite content

3.3试样开裂过程中的临界含水率

试样裂隙开始发育和裂隙停止发育时对应的含水率分别为起裂含水率wI和终裂含水率wF。图6为不同试样的wI和wF与其蒙脱土含量的对应关系，由图可知，试样的wI随着其蒙脱土含量的增加而增加，其变化趋势与图5中最终的表面裂隙率-蒙脱土含量曲线相似；终裂含水率wF并不表现相同的趋势，但起裂含水率与终裂含水率差值与蒙脱土的含量呈正相关关系，其中，各试样的终裂含水率多为10%～20%，起裂含水率分布范围较大，为43%～95.2%。张丹等[11]利用FBG技术对膨胀土干燥开裂过程进行研究发现，首条裂隙往往出现在最大收缩区的边缘，即拉应变和拉应变变化速率较大的区域。同时，蒙脱土含量越高，试样的干燥收缩变形速率越快，拉应变增长越快，因此，蒙脱土含量较高的试样能更快出现裂隙，起裂时含水率更高。

图6　干燥过程中临界含水率与蒙脱土含量关系曲线Fig.6　Changes of critical moisture content withmontmorillonite content during drying

4　结论及讨论

本文对不同蒙脱土含量与石英砂饱和泥浆样进行干燥试验，并对试样的水分蒸发过程、裂隙演化过程及演化过程中的表面裂隙率和临界含水率进行分析，得出如下结论：

(1)试样中水分蒸发过程表现明显的3个阶段——常速率阶段、减速阶段及零速率阶段，随着蒙脱土含量的增加，水分蒸发难度加大，试样蒸发过程中的减速阶段持续时间更长。

(2)蒙脱石矿物具有较强的亲水性，吸水时在颗粒表面形成的水化膜较厚，且晶层间距由于吸水扩展，故蒙脱土的含量越高，试样的干燥时可收缩的空间越大，形成的裂隙更长更宽。

(3)由于试样的起裂往往出现在最大收缩区的边缘，即拉应变和拉应变变化速率较大的区域。同时，蒙脱土含量越高，试样的干燥收缩变形速率越快，拉应变增长越快，因此蒙脱土含量较高的试样能更快出现裂隙，起裂时含水率越高。

自然环境中黏土干缩裂隙的形成和发展是极其复杂的过程。本文中由于蒙脱土含量的不同，试样内部结构特征也可能不同，这也可能是影响试验结果的重要因素，同时，试样在水分蒸发过程中表现的不同的阶段特征，是否和试样内部不同形态水分散失的过程有关？对此进行进一步的微观试验有助于从水分脱湿的微细观角度对试样收缩、缩裂过程进行解释。因此，对试样的干燥收缩过程的细微观研究将是以后研究的重点。

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(编辑：赵卫兵)

Impact of Montmorillonite Content on Desiccation Cracks on Clay Surface

XIA Dong-sheng1, LIU Qing-bing2, XIANG Wei1,2, WANG Jing-e2, AI Mi2

(1.FacultyofEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China；2.ThreeGorgesResearchCenterforGeo-hazardunderMinistryofEducation,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China)

Asamajorclaymineralinswellingsoil,montmorillonitehasimportantinfluenceonswelling-shrinkagepropertiesanddevelopingfissuresofswellingsoil.Desiccationtestswereconductedunder40 ℃oninitiallysaturatedmontmorillonite-silicasandmixtureslurrytoinvestigatetheeffectsofmontmorillonitecontentonshrinkageandcrackingcharacteristics.WaterlossandsurfacecrackevolutionweremonitoredduringthewholedryingperiodwhilethecriticalmoisturecontentandsurfacecrackratioδSwereobtainedwithcomputersoftware.Theresultsshowedthatduringdryingperiod,theprocessofwaterlossshowedthreeobviousphases:theevaporationphaseatconstantspeed,thedeclinephaseandtheresidualphase.Andcracksonthesurfaceofsamplesmostlydevelopedinthefirstphase.ThefinalsurfacecrackratioδSFandtheinitialmoisturecontentwIatwhichthecracksstartweresignificantlyinfluencedbythecontentofmontmorilloniteshowingtrendofincreasingwiththegrowthofthecontentofmontmorillonite.ButthefinalmoisturecontentwFatwhichthecracksendweredifferent,yet,thedifferenceΔwbetweenwIandwFispositivelyrelatedtothecontentofmontmorillonite.

montmorillonite;dryingcurve;crack;criticalmoisturecontent;quantitativeanalysis

2015-07-20;

2015-09-05

国家自然科学基金(41202199,41572286);湖北省自然科学基金(2015FB247);中国博士后科学基金(2013M542098)

夏冬生(1989-)，男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事岩土体工程力学性质方面的研究，(电话)15271862621(电子信箱)523953672@qq.com。

刘清秉(1984-)，男，安徽芜湖人，副教授，博士，从事岩土工程稳定性评价、地质灾害防治方面的教学与科研工作,(电话)13419681857(电子信箱)liuqingbing_1357@163.com。

10.11988/ckyyb.20150607

2016,33(09):83-86,92

TV443

A

1001-5485(2016)09-0083-04