表面张力与接触角对膨胀土干缩开裂影响的试验研究杨松1，吴珺华2，黄剑峰1(1.云南农业大学水利学院，云南昆明650201；2.南昌航空大学土木建筑学院，江西南昌330063)摘要：用悬滴法对纯水、酒精溶液和肥皂水（表面活性剂）3种液体的表面张力进行测量，比较3种液体表面张力的大小；用躺滴法测量混有十八胺的两种土样的接触角。在此基础上，针对不同表面张力和接触角的膨胀土试样进行收缩开裂试验。试验结果表明：孔隙水表面张力和接触角对膨胀土的收缩开裂有重要影响。表面张力越小的试样，其最终收缩开裂裂隙度越小，但在裂隙发展阶段，脱湿时间相同时，孔隙水表面张力小的土样其收缩开裂裂隙度有可能大于表面张力较大的土样。增大土颗粒与孔隙水间的接触角可以很好的抑制膨胀土的收缩开裂，接触角越大，相同的脱湿时间下土体的收缩开裂裂隙度越小。减小孔隙水表面张力或增大接触角都会使土体中的弯液面曲率半径增大，从而减小土体中的基质吸力。接触角的增大还有可能使弯液面由凹变凸，基质吸力会因此消失，从而很好的抑制膨胀土开裂。

引言

黏土干燥收缩后其表面会产生裂隙，这种现象在具有膨胀性的黏土中尤为突出。这些裂隙不仅会对边坡稳定性和土体的工程性质产生影响，还会引起优先流，增加地下水污染的风险等。影响黏土开裂的因素很多，许锡昌等对南阳膨胀土开裂特征及影响因素进行研究后发现：环境温度对膨胀土脱湿有一定影响，试样初始含水率与收缩开裂裂隙度正相关，初始干密度与收缩开裂裂隙度负相关。唐朝生等研究了初始饱和的糊状试样和不同压实状态的压实试样的体积收缩变形特征，提出了压实试样收缩应变与初始干密度和含水率之间的函数关系。

刘平等认为土体干缩裂隙的形成和发展是一个非常复杂的过程，除了温度还受到包括黏粒含量、黏土矿物类型、土层厚度、水分蒸发速率、盐分等因素的影响。很显然，黏土干缩裂隙发展主要发生在非饱和状态，非饱和土和饱和土的主要区别是土中存在吸力，因此可以从非饱和土力学的角度对黏土开裂进行研究。李锦辉等通过试验发现裂隙土的土水特征曲线呈双峰特征，并且提出了一种预测裂隙土土水特征曲线的方法。李培勇等的研究成果表明，非饱和膨胀土裂隙开展深度与地表基质吸力有关。基质吸力是由非饱和土中水–气界面引起的，水–气交界面也被认为是非饱和土中的独立第四相，描述界面张力和接触角关系的Young方程奠定了毛细理论的基础。

然而，土力学中计算和测试基质吸力时却习惯把水–气界面张力设为常数同时认为接触角很小或趋近于0，实际上，自然界中的非饱和土可能由于各种因素而使孔隙水表面张力或接触角发生明显的变化，例如：利用表面活性剂对膨胀土进行改性，少量的表面活性剂就会大幅降低水的表面张力，而表面活性剂还被广泛用于治理斥水性土壤；土体受到酸碱污染时，酸碱溶液会改变土体的力学性能，而酸、碱或一些有机化合物加入到水中也会改变水的表面张力。当土颗粒表面被有机物所覆盖，森林火灾，PH值变化等，土体可能表现出斥水性，即：土颗粒与孔隙水间的接触角变大，接触角变化会对非饱和土中的基质吸力产生重要影响。

本文通过在水中加入少量乙醇或肥皂粉（阴离子型表面活性剂）来改变水的表面张力，在烘干土中加入斥水剂（十八烷基伯胺）来改变土颗粒的表观接触角，展开表面张力与接触角对膨胀土干缩开裂的影响研究，对比分析了不同表面张力和接触角下膨胀土裂隙的发展演化过程，希望能为进一步认识黏土开裂本质提供一个新思路。

1试验材料与方法

1.1试验材料

试验用土取自云南省境内昆曲高速公路严家山段，为浅灰色弱膨胀土，其自由膨胀率为55.7%，液限为41%，塑限为20.3%。取回的土样经过风干、碾碎后过2 mm的筛备用。为研究气–液界面张力对膨胀土干缩开裂的影响，采用3种不同表面张力的液体作为土中的液相，分别为：纯水、体积百分数为20%的酒精溶液和含量为2 g/L的肥皂水；通过在土体中混合斥水剂的方法配制不同接触角的土样，斥水剂十八烷基伯胺（C18H39N），简称：十八胺，为碱性白色蜡状粉末，纯度为99%，配制两种斥水土样，十八胺含量分别为：0.2%和0.4%。各土样的成分和编号如表1所示。

表1土样组成与编号

1.2表面张力测量

试验为比较3种液体表面张力的大小，采用悬滴法对液体的表面张力进行测量，悬滴法的基本原理是：处于毛细管端液体悬滴的形状与液体的表面张力有关，在重力作用下，毛细管端形成的球形液滴的形变，随着液滴有效密度的增加而增加并随着液滴界面张力的增加而减小。通过Young–Laplace方程可以推导得到悬滴法计算表面张力的基本方程：

关系可以通过查表求得。

图1悬滴的几何形状

图2 Delta-8全自动高通量表面张力测量仪

试验在Delta-8全自动高通量表面张力测量仪上进行（图2），为保持液体表面张力测试的温度和干缩开裂试验温度一致，试验具体步骤如下：先把待测液体抽入微量进样器中（针尖直径为0.7 mm），把进样器固定在仪器自动注液仪上，自动注样3μL后液体在注样器针尖产生悬滴，通过光学放大系统和图像采集系统获取悬滴的外形图片（图1（b）～（d）），由式（1）计算待测液体的表面张力。计算得到水、酒精溶液和肥皂水的表面张力分别为：6.8（10-2 N/m），4.0（10-2N/m），2.2（10-2 N/m）。因此可以得到结论：水的表面张力＞20%酒精溶液的表面张力＞2 g/L肥皂水的表面张力。