改良花崗巖殘積土進(jìn)失水能力及接觸角試驗研究

湯連生 ，劉其鑫 ，孫銀磊 ，許瀚升

（1.中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院, 廣東 珠海 519082；2.廣東省地球動力作用與地質(zhì)災(zāi)害重點實驗室, 廣東 珠海 519082；3.南方海洋科學(xué)與工程廣東省實驗室（珠海）, 廣東 珠海 519082）

花崗巖殘積土是一種區(qū)域特殊性紅土，在我國華南區(qū)域分布普遍[1-2]。天然狀態(tài)下花崗巖殘積土的性質(zhì)較穩(wěn)定，但經(jīng)過人為或工程擾動后，其在水的作用下極易發(fā)生軟化崩解[3-4]。在華南濕熱多雨的氣候下，作為工程用土的花崗巖殘積土在浸水后容易發(fā)生滑坡、地面沉降、崩崗、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害[5-7]。因此，防止雨水入滲，維持土體內(nèi)部含水率不變對于保持花崗巖殘積土性質(zhì)穩(wěn)定十分重要。

針對花崗巖殘積土遇水軟化崩解的不良特性，通常采用土壤固化劑對其進(jìn)行改良加固。常用的土壤固化劑有石灰[8]、粉煤灰[9]以及水泥[10-11]等，固化劑的加入除了使土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生改變外，還會對土顆粒表面性質(zhì)產(chǎn)生影響[12-13]?，F(xiàn)有的改良土研究都著重于土體宏觀力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)的變化，忽視了固化劑對土顆粒表面性質(zhì)的影響。表面性質(zhì)與土體的進(jìn)水能力有一定的相關(guān)性[14]，它的改變會影響土的親水、斥水等性質(zhì)[15]。斥水性土的表面難以被水分濕潤，能夠有效阻止水分入滲，降低土體的滲透性能[16-17]。對于遇水軟化崩解的花崗巖殘積土來說，土體具有較強的斥水性能夠一定程度上維持土體內(nèi)部含水率的穩(wěn)定，保證土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分不發(fā)生較大變化，并且有利于邊坡和路基的安全防護(hù)。非飽和土力學(xué)領(lǐng)域中常用于研究的土體都具有親水性，即土顆粒表面能夠被水濕潤；因此，巖土材料的理論知識往往局限于親水性土。已有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[18-19]，親水性土與斥水性土的力學(xué)行為具有明顯差異，并且土的表面性質(zhì)對固-液-氣三相接觸角（contact angle，CA）的影響巨大[20]，不同CA的土體其土顆粒間吸力的差異也將直接影響土體的強度特性和變形特征[21-22]。因此，有必要定性及定量地對改良花崗巖殘積土的進(jìn)失水能力及CA變化規(guī)律進(jìn)行分析研究。

本文從改良花崗巖殘積土維持內(nèi)部含水率穩(wěn)定性能力的角度出發(fā)，開展水滴入滲試驗、進(jìn)水試驗、失水試驗，研究改良花崗巖殘積土的進(jìn)失水能力，并通過測量土顆粒表觀CA的變化從宏觀上解釋固化劑對花崗巖殘積土表面性質(zhì)的影響，結(jié)合掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）和X射線衍射（Xray Diffration，XRD）試驗從微觀角度揭示固化劑對花崗巖殘積土進(jìn)失水能力的影響機(jī)理及進(jìn)失水能力與表面性質(zhì)的相關(guān)性。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用土樣為花崗巖殘積土，取自中山大學(xué)珠海校區(qū)附近，取樣點如圖1（a）所示，取樣深度均為1.0 m；采集的土樣見圖1（b），通過目視觀察，土樣顏色以紅褐色為主，含有白褐色斑點，土質(zhì)不均勻。將土樣風(fēng)干碾碎后篩分得到土樣的粒度成分（圖1）。將重塑土進(jìn)行室內(nèi)土工實驗，其基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。試驗所用的改良固化劑為高嶺土、石灰、水泥。高嶺土規(guī)格為1 250目的煅燒高嶺土，二氧化硅和氧化鋁的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為53%、46%，白度94%。石灰規(guī)格為250目的生石灰，氧化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99%。水泥為普通硅酸鹽水泥，標(biāo)號P.O42.5。

圖1 土樣采集及顆粒級配Fig.1 Soil sampling and grain size distribution

表1 花崗巖殘積土基本物性指標(biāo)Table 1 Basic properties of granite residual soil

1.2 試驗方法

1.2.1 水滴入滲試驗

滴水穿透時間法是一種用來表征斥水性的方法。在土體表面滴一定體積的水滴，水滴完全滲入土樣的時間（water drop renetration time，WDPT）越長，土樣斥水度越高。斥水性強弱的分級見表2。

表2 土的斥水性分級Table 2 Water repellency grade of soils

將原狀風(fēng)干土樣碾碎后經(jīng)過2 mm篩獲得土顆粒并將其密封保存；根據(jù)設(shè)計的土樣含水率（w）和固化劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，稱量所需要的蒸餾水和固化劑質(zhì)量，并與烘干的土顆粒充分混合并攪拌均勻（5 min），制成干密度為1.70 g/cm3的圓餅狀壓實土樣（高2 cm、直徑6.16 cm），并放置在恒溫恒濕的養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)48 h，試樣分類及編號見表3。采用標(biāo)準(zhǔn)滴定管，對土樣表面進(jìn)行滴定（每滴水滴的體積為0.05 mL），滴定時滴管距離土樣表面5 mm，以減少水滴下落時重力作用對結(jié)果的影響，水滴從滴到土體表面至完全下滲所需要的時間為WDPT。每種土樣設(shè)計10組平行試驗，記錄WDPT，取所測結(jié)果均值為最終結(jié)果。

表3 試樣分類及編號Table 3 Sample classification and numbering

1.2.2 CA測量試驗

本文利用躺滴法測量土顆粒CA。將配置好并攪拌均勻的土樣養(yǎng)護(hù)48 h后用長4 cm的雙面膠貼于載玻片表面，并用200 g砝碼覆蓋載土玻片，靜置2 min后除去載玻片上多余土顆粒，使載玻片上土顆粒平整均勻。儀器采用中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院的CA測定儀（型號為OCA15EC）。儀器主要由攝像機(jī)、光學(xué)放大系統(tǒng)、自動注液儀、加樣器、載物臺、光源組成（圖2）。試驗時，載物臺放置樣品，自動注液器可以將指定體積的液體通過加樣器加載到試樣表面，光源和光學(xué)放大系統(tǒng)對液體圖像進(jìn)行增強，同時攝像機(jī)進(jìn)行拍攝記錄。進(jìn)行CA測試之前，先調(diào)試儀器，使加樣器位于屏幕中央，讓載物臺、鏡頭和攝像機(jī)保持同一水平，且焦距適中。將吸入蒸餾水的加樣器固定后，把載玻片置于載物臺上，調(diào)節(jié)加樣器位置，使液滴與載玻片上土顆粒表面保持近于接觸的位置。然后調(diào)置參數(shù)，記錄水滴在土樣上下落的整個過程，并保存記錄圖像。從記錄圖像中選取水滴與土樣初始接觸時的合適圖片進(jìn)行CA計算。

圖2 CA測定儀Fig.2 Contact angle measuring devices

1.2.3 進(jìn)水試驗

將養(yǎng)護(hù)后的22%含水率試樣（干密度為1.70 g/cm3）干燥至10%含水率，將干燥試樣置于多孔網(wǎng)上，在24 °C室溫條件下向試樣表面滴入1 mL蒸餾水，待水滴完全進(jìn)入土體后記錄WDPT并用精度為0.01 g的天平稱量試樣的質(zhì)量，利用質(zhì)量體積公式換算其含水率，并重復(fù)以上操作。試驗進(jìn)行1 h后，于105 °C下烘干試樣，稱量烘干后的質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)量隨時間的變化關(guān)系得到含水率變化曲線。試樣在不同時間的含水率為：

所以，《基本護(hù)理技術(shù)》在培養(yǎng)職業(yè)能力和職業(yè)素養(yǎng)方面起到主要支撐作用；是護(hù)士職業(yè)資格考證的重要組成部分，是護(hù)理專業(yè)的核心課程。

式中：wi——i時刻試樣的含水率/%；

mi——i時刻試樣的質(zhì)量/g；

md——烘干后試樣的質(zhì)量/g。

1.2.4 失水試驗

將養(yǎng)護(hù)后的22%含水率試樣（干密度為1.70 g/cm3）進(jìn)行抽真空飽和，將飽和試樣（高2 cm、直徑6.16 cm）置于多孔網(wǎng)上，在24 °C室溫條件下相隔5 h用精度為0.01 g的天平測量其質(zhì)量，用質(zhì)量體積公式換算試樣含水率，待試樣質(zhì)量不變時，于105 °C下烘干試樣，稱量烘干后的質(zhì)量。根據(jù)質(zhì)量隨時間的變化關(guān)系得到含水率變化曲線。不同時間試樣的含水率計算公式與式（1）相同。

1.2.5 SEM試驗

采集養(yǎng)護(hù)后的土樣制備SEM微觀土樣，并對其剖面進(jìn)行觀察分析，采用液氮冷凍真空升華干燥處理土樣，然后利用涂了凡士林的鋼絲鋸制作剪切面處的毛坯樣，并用鋼刀將樣品加工為邊長約1 cm的立方體，將其放在液氮瓶中迅速冷凍并轉(zhuǎn)移至-45 °C的真空冷凍干燥儀中干燥24 h[23]。借助SEM（型號為Quanta 650）觀察土樣的微觀結(jié)構(gòu)，利用Liu等[24]開發(fā)的PCAS軟件對SEM圖像進(jìn)行定量測試分析，包括孔隙、顆粒等形態(tài)特性。

1.2.6 XRD試驗

采集每次CA測試后的土樣進(jìn)行礦物成分分析（成分分析土樣與掃描電鏡土樣在空間位置上必須接近），將土樣研磨成粉末狀并過0.25 mm篩，制成1.0～2.0 mm的平整試片，放入105 °C烘箱內(nèi)烘6 h，冷卻后放入室內(nèi)靜置10 d，讓土樣充分與空氣中的水汽平衡。利用中山大學(xué)測試中心的XRD儀（型號為Empyrean）進(jìn)行測量，試驗的起始角度為10°，終止角度為80°，步寬為0.02°，采樣時間0.05 s，默認(rèn)管壓30 kV、管流20 mA。

2 試驗結(jié)果

2.1 水滴入滲形態(tài)變化

花崗巖殘積土表面水滴的形態(tài)隨固化劑摻量的增大有明顯的改變（圖3），含水率越大，其變化越明顯。選取含水率為22%的試樣進(jìn)行形態(tài)變化分析，水滴接觸素土表面后迅速向四周擴(kuò)散，形成厚度較薄的散開狀水膜，水膜在素土表面存留時間較短，該結(jié)果表明素土進(jìn)水能力較強，親水性較好。

圖3 含水率22%時花崗巖殘積土表面的水滴形態(tài)Fig.3 Water droplets on the surface of granite residual soil with water content of 22%

摻入固化劑后，改良花崗巖殘積土的斥水性均有所增強。高嶺土改良土樣表面水滴形態(tài)與素土相似，隨著高嶺土摻量的增加，改良土樣表面水膜的擴(kuò)散面積略微增大，水膜厚度變薄，表明高嶺土對花崗巖殘積土的進(jìn)水能力影響較小，改良土樣斥水性改善小，呈輕微斥水性。

石灰和水泥改良土樣表面水滴形態(tài)變化規(guī)律相似，固化劑摻量越大，水滴形態(tài)變化越明顯。1%固化劑改良土樣表現(xiàn)出輕微斥水性，水滴接觸土體表面后擴(kuò)散面積小，水膜厚度相較素土增厚；一段時間后，水膜面積變小直至完全消失進(jìn)入土體。當(dāng)固化劑摻量增大到2%、3%時，土體表現(xiàn)出強斥水性，水滴接觸土體表面后迅速穩(wěn)定不再發(fā)生擴(kuò)散，呈不完整球狀，球體高度（h）＜球體半徑（r），能夠長時間在土體表面保持穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)固化劑摻量達(dá)到4%、5%時，水滴呈更飽滿的半球狀（h≈r），并且穩(wěn)定時間更長。石灰和水泥改良后的花崗巖殘積土進(jìn)水能力變?nèi)?，斥水性明顯增強。

2.2 水滴入滲時間變化

改良花崗巖殘積土的WDPT隨含水率的增加而增大，其中水泥和石灰改良土樣的WDPT隨固化劑摻量的變化趨勢受含水率影響較大，而高嶺土改良土樣的WDPT隨固化劑摻量的變化趨勢受含水率的影響較?。▓D4）。隨著固化劑摻量的增加，高嶺土改良土樣的WDPT減小，而石灰和水泥改良土樣的WDPT增大。對比土的斥水性分級（表2）可知，高嶺土改良土樣呈輕微斥水性。1%、2%石灰改良土樣呈輕微斥水性，而3%、4%、5%石灰改良土樣可達(dá)到強斥水性。與此同時，水泥改良土樣斥水性變化與含水率有直接關(guān)系，低含水率情況下，水泥改良土樣呈輕微斥水性，當(dāng)含水率達(dá)到20%時，2%、3%、4%、5%水泥改良的土樣呈強斥水性；當(dāng)含水率達(dá)到22%時，4%、5%水泥改良土樣可達(dá)到嚴(yán)重斥水性。由此可見，高嶺土對花崗巖殘積土斥水性改變較小，而石灰和水泥對花崗巖殘積土的斥水性改變非常大。

圖4 WDPT隨固化劑摻量的變化Fig.4 Variation of WDPT with the content of curing agent

在同一含水率下橫向比較不同固化劑對花崗巖殘積土的斥水性影響效果。當(dāng)含水率為16%時，試樣的WDPT總體偏小，石灰改良土樣的WDPT最大，且與水泥改良土樣相近。當(dāng)含水率為18%時，石灰改良土樣的WDPT遠(yuǎn)大于水泥和高嶺土改良土樣。當(dāng)含水率為20%時，水泥改良土樣的WDPT與石灰改良土樣相近，但隨著固化劑摻量的增加會超過石灰改良土。而當(dāng)含水率達(dá)到22%時，水泥改良土樣的WDPT達(dá)到本次試驗的最大值，且遠(yuǎn)大于石灰和高嶺土改良土。含水率的增加使固化劑與水反應(yīng)更完全，因此石灰和水泥改良土在含水率增大后WDPT都有明顯增加。高嶺土改良土樣的WDPT最小，高嶺土的摻入對花崗巖殘積土的斥水性影響不大。

2.3 CA變化情況

通過躺滴法測量改良土體的CA，其表面液滴輪廓如圖5所示。高嶺土改良的花崗巖殘積土表面液滴輪廓與素土相似。當(dāng)石灰與水泥的摻量為1%時，水膜高度較小，但能夠明顯與素土區(qū)分開來。當(dāng)石灰和水泥的摻量達(dá)到2%、3%時，其水膜高度大幅度增加，與土體接觸面積減小。當(dāng)石灰和水泥摻量達(dá)到4%、5%時，水滴呈半球狀（h≈r），其變化規(guī)律與水滴入滲試驗中的水滴形態(tài)變化一致。

圖5 含水率22%時不同固化劑改良土樣表面的液滴輪廓Fig.5 Profile showing droplets on soil surface improved by different curing agents at water content of 22%

躺滴法測量的試驗結(jié)果如圖6所示，不同固化劑改良土樣在不同含水率下的CA有明顯差異。從總體趨勢上看，3種固化劑的摻入都使得液滴與改良土樣表面的CA增大，并且CA的大小隨著固化劑摻量的加大和含水率的增大而變大。通過比較，3種固化劑的摻量為1%時，其對土體表面CA的變化影響不大，而隨著固化劑摻量的增大，石灰和水泥改良土樣表面液滴的CA變化十分明顯。2%固化劑摻量時，液滴與石灰改良土體表面的CA變化最大。固化劑摻量超過3%時，石灰和水泥改良土樣表面液滴的CA變化小，4%固化劑摻量時，石灰與水泥改良土樣表面液滴的CA接近90°。CA測量試驗所得到的CA變化總體趨勢與水滴入滲法的結(jié)果基本對應(yīng)。但值得注意的是，在水滴入滲試驗中，高嶺土改良土體的WDPT是隨著固化劑摻量的增加而減小的，而通過CA測量試驗，CA是隨著固化劑摻量而增大的。由此可見，水滴入滲法和CA測量法在一定程度上都能夠反映土壤的斥水性，但這兩種方法是不同的土壤斥水性評價方法，分別表示斥水持久性和斥水的強度。同時CA除了能夠反映土壤的斥水性特征外，在非飽和土力學(xué)中，CA對于土中吸力也有著重要的影響。

圖6 CA隨固化劑摻量的變化Fig.6 Changes of CA with the content of curing agent

2.4 進(jìn)水試驗結(jié)果

為了比較不同改良土體的進(jìn)水能力，對不同固化劑改良后的干燥試樣進(jìn)行了進(jìn)水試驗，試驗結(jié)果如圖7所示。根據(jù)曲線斜率k，可將進(jìn)水過程大致劃分為劇烈變化區(qū)和線性變化區(qū)。隨進(jìn)水試驗的進(jìn)行，土樣含水率變化速率減小，進(jìn)水能力減弱。含水率變化越小說明固化劑對維持土體內(nèi)部的干燥能力越強，進(jìn)水能力越弱。當(dāng)固化劑摻量為1%時，高嶺土和石灰改良土樣的含水率變化大于素土，水泥改良土樣的含水率變化不大。2%固化劑摻量時，石灰和水泥改良土樣的進(jìn)水能力開始減?。?%固化劑摻量時，其進(jìn)水能力大幅度減弱，含水率變化減小且增加速率緩慢。固化劑摻量超過4%時，改良土樣的進(jìn)水能力都有所減小，石灰、水泥改良土樣減小尤為明顯，進(jìn)水1 h后含水率變化不超過5%。對于高嶺土改良土樣來說，其進(jìn)水能力較強，含水率變化大，當(dāng)高嶺土摻量小于4%時，其含水率變化量比素土大，而當(dāng)高嶺土摻量達(dá)到5%時，其含水率變化量略小于素土，但遠(yuǎn)高于石灰、水泥改良土樣?？傮w來說，固化劑對土樣的進(jìn)水能力影響不同，高嶺土對土樣的進(jìn)水能力改變較小，石灰和水泥會大幅度減小土體的進(jìn)水能力，能夠長時間維持土體內(nèi)部的含水率不變，且石灰改善效果強于水泥。

圖7 進(jìn)水時土樣含水率變化曲線Fig.7 Variation of soil moisture content with time during water inflow

2.5 失水試驗結(jié)果

失水試驗?zāi)軌蚰M出飽和土體在自然干燥條件下的失水能力，干燥失水時土樣的含水率隨時間變化結(jié)果如圖8所示。初始時刻的含水率表示土樣飽和時的含水率，稱為飽和含水率。改良土樣的飽和含水率隨著固化劑摻量的增加而不同程度地減小，飽和含水率越小說明土體內(nèi)用于進(jìn)水的孔隙越少。素土的飽和含水率最高，高嶺土改良土樣的飽和含水率與素土相近，并隨著高嶺土摻量的增加飽和含水率減小。1%摻量的石灰和水泥改良土樣的飽和含水率與素土相近，當(dāng)固化劑摻量超過2%后，改良土樣飽和含水率大幅度降低，相同固化劑摻量的情況下，石灰改良土樣飽和含水率高于水泥改良土樣。

圖8 失水時土樣含水率變化曲線Fig.8 Variation of soil moisture content with time during water loss

從含水率隨時間的總體變化趨勢上看，含水率降低主要呈現(xiàn)3個階段：陡然下降階段、相對平緩階段和劇烈變化階段。素土、高嶺土改良土樣以及1%、2%石灰改良土樣和水泥改良土樣的含水率隨時間變化曲線較陡，含水率下降速度較快；而3%、4%、5%石灰和水泥改良土樣的含水率隨時間變化曲線較緩，含水率下降速度較慢。土樣在室溫條件下自然風(fēng)干時，土中的水不會全部蒸發(fā)，土樣的含水率最終會趨于穩(wěn)定，將土樣質(zhì)量趨于穩(wěn)定時的含水率稱為殘余含水率。高嶺土改良土樣的殘余含水率最高，且殘余含水率隨著高嶺土摻量的增加而增大，其次為素土、石灰改良土樣和水泥改良土樣，但石灰改良土樣和水泥改良土樣的殘余含水率隨固化劑摻量的增加而降低。

3 討論

3.1 微觀結(jié)構(gòu)對改良花崗巖殘積土進(jìn)失水能力的影響

素土的結(jié)構(gòu)主要為粒狀、板條狀和少量的絮凝狀，如圖9（a）所示。其礦物集合體定向性較差，片狀結(jié)構(gòu)與塊狀結(jié)構(gòu)較為疏松，有少量緊密的礦物集合體呈定向排列，礦物間存在大量的孔隙，導(dǎo)致素土的進(jìn)水能力強，失水速度快。對于高嶺土改良土樣，其礦物集合體主要呈非定向排列，礦物排列更加緊密，片狀和板條狀結(jié)構(gòu)增多，礦物間的孔隙雖減小但仍較多，如圖9（b）所示。這種結(jié)構(gòu)能夠在一定程度上減弱土樣的進(jìn)水能力，但從進(jìn)水試驗中得到了高嶺土改良土樣進(jìn)水能力增大的結(jié)果，因此這種結(jié)構(gòu)對花崗巖殘積土進(jìn)失水能力沒有實質(zhì)性改善。

圖9 試驗土樣SEM微觀結(jié)構(gòu)圖Fig.9 SEM microstructure diagram of the test soil sample

石灰改良土樣由于化學(xué)作用生成了較多的網(wǎng)狀物、柱狀物等，顆粒多呈現(xiàn)不定向分布，如圖9（c）所示。土中的CaCO3對黏土顆粒起到聯(lián)結(jié)或包裹的作用，從而形成了許多集聚體，這種包裹或聯(lián)結(jié)作用有效阻斷了土顆粒間部分孔隙的連通，使顆粒間的排列更加連續(xù)密實，導(dǎo)致改良后的花崗巖殘積土進(jìn)水能力變?nèi)?，失水速度變慢。水泥改善的土樣也出現(xiàn)了類似的包裹、填充和膠結(jié)的微結(jié)構(gòu)特征，如圖9（d）所示。水泥在團(tuán)?；吞妓峄约坝材磻?yīng)作用下，形成的水化物聚合體（水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣），增加了土體中的膠結(jié)顆粒數(shù)量。從圖9中可以看出水泥改良土樣土顆粒的定向性分布比較明顯，密實程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩種類型的土?？紫兜拇蠓葴p少阻斷了水分進(jìn)入的通道，形成了大量的密閉空間，使得土體孔隙的連通性減弱，導(dǎo)致土體進(jìn)水能力差，失水速度慢。失水試驗結(jié)果中含水率下降的3個階段與土體的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)。土體表面水分蒸發(fā)快，因此試樣開始時曲線陡然下降，而后水分蒸發(fā)速度減慢，曲線進(jìn)入相對平緩階段；隨著蒸發(fā)的進(jìn)行，孔隙中飽和水膜厚度減小并分離，與空氣的接觸面逐漸增大[25]，導(dǎo)致蒸發(fā)速度突然加快，曲線進(jìn)入劇烈變化階段。孔隙越大水膜接觸面越大，現(xiàn)象越明顯，因此高摻量石灰、水泥改良土樣的曲線較平緩，后兩個階段的曲線斜率相差較小。

3.2 化學(xué)成分對改良花崗巖殘積土吸失水能力的影響

固化劑的摻入導(dǎo)致土體內(nèi)部發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)作用導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的變化對土體進(jìn)失水能力產(chǎn)生影響。高嶺土作為黏土礦物，其主要作用為包裹土顆粒、吸附周圍介質(zhì)中的離子，并不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于黏土礦物呈細(xì)小的片狀，比表面積較大，對土中的水分子吸附能力強，這種吸附能力比高嶺土減小土體內(nèi)部孔隙對花崗巖殘積土進(jìn)水能力的影響更大。因此，高嶺土摻量增加，試樣進(jìn)水能力得到增強。石灰與水泥改良土內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)相似，主要為火山灰反應(yīng)和碳酸化反應(yīng)，見式（2）（3）（4）[26-27]。

火山灰反應(yīng)消耗了土中的黏土礦物（SiO2和A12O3），使黏土礦物含量減?。▓D10），并且反應(yīng)生成的化學(xué)物質(zhì)在土顆粒表層形成包裹，填充土粒間的空隙，使土體的進(jìn)水能力變?nèi)?，失水通道減小。從失水試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，殘余含水率的降低與黏土礦物的含量有關(guān)。高嶺土的摻入使土中黏土礦物含量增大，土中含有的大量結(jié)合水導(dǎo)致土體殘余含水率比素土大；而水泥和石灰改良土樣的殘余含水率隨著固化劑摻量大幅度降低，這是因為火山灰反應(yīng)后黏土顆粒被鈣化物包裹，無法吸附水分子，導(dǎo)致土體內(nèi)結(jié)合水減小。

圖10 改良土樣的XRD譜Fig.10 XRD of the test soil samples

3.3 固化劑對花崗巖殘積土CA的影響機(jī)理

花崗巖殘積土含有相當(dāng)一部分黏土礦物，主要包括高嶺石、伊利石和蒙脫石。伊利石和蒙脫石為3層結(jié)構(gòu)，晶體的內(nèi)聚力相對較弱，骨架非?；钴S，具有較大的表面自由能[28]。極性水分子被黏土礦物吸引后在土顆粒表面鋪展開，導(dǎo)致水在素土表面的CA較小。固化劑作用于土體的過程中伴隨著兩種作用：一是土顆粒相互靠近，不同顆粒之間互相連接；二是土顆粒表面的固化劑（如水泥和石灰石）發(fā)生火山灰反應(yīng)形成的水化產(chǎn)物能夠膠結(jié)包裹土顆粒（圖11）。

圖11 固化劑對土樣CA影響機(jī)理Fig.11 Influence mechanism of curing agent on CA of the soil sample

土顆粒表面常帶有負(fù)電荷，主要依靠靜電引力與其他分子結(jié)合。水泥和石灰的改良機(jī)制類似?；鹕交曳磻?yīng)催生出的高價金屬陽離子能夠在土顆粒表面置換低價陽離子，使其表面正電性增高，從而導(dǎo)致部分土顆粒表面帶正電。正負(fù)相反電性的土顆粒間在靜電力的作用下相互吸引，逐漸團(tuán)聚，并且正電性的增高能夠減弱土顆粒表層的雙電層，使土顆粒對水的吸附能力變?nèi)?。石灰和水泥水化生成的穩(wěn)定結(jié)晶化合物結(jié)構(gòu)相對致密、且不溶于水，對土顆粒起到包裹、聯(lián)結(jié)的作用，使團(tuán)粒間變得更加緊密，減小了土體內(nèi)部孔隙，使之成為一個具有高強度的整體。物理擊實作用和化學(xué)反應(yīng)作用使黏土顆粒在基本結(jié)構(gòu)單元的相界面上被牢牢地粘結(jié)在一起形成致密的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而大幅度降低土顆粒的表面自由能，導(dǎo)致土-水-氣三相CA增大，土顆粒斥水性增強。

高嶺土的改良機(jī)制與水泥、石灰不同。高嶺土能夠吸附周圍介質(zhì)中的各種離子，但是這種離子交換性能較弱，不能有效減小黏土礦物周圍的靜電力，土中黏土礦物對水分子的吸附作用仍然很強；但隨著含水率變大，黏土礦物表層的雙電層增厚，靜電力對水分子的吸附作用變?nèi)?，因此高嶺土改良土樣的進(jìn)水能力隨著含水率增大而變?nèi)酢８邘X土主要依靠自身的粘結(jié)性對土顆粒進(jìn)行聯(lián)結(jié)和包裹。相較于伊利石和蒙脫石，高嶺石晶體表面自由能較低，土顆粒被高嶺土包裹后，其表面自由能被一定程度的減弱；并且高嶺石表面自由能會隨著水的吸附而變低，因此CA會隨著高嶺土摻量和含水率的增加而增大。

4 結(jié)論

（1）固化劑和含水率均能不同程度地影響花崗巖殘積土表層斥水性能。含水率為16%、18%、20%時，高嶺土、1%和2%石灰、1%水泥改良土樣呈輕微斥水性，3%、4%、5%石灰和水泥改良后的土樣可達(dá)到強斥水性；而當(dāng)含水率達(dá)到22%時，4%、5%水泥改良土可達(dá)到嚴(yán)重斥水性。

（2）改良后的花崗巖殘積土土顆粒初始CA均有不同程度的提升，且CA隨著固化劑摻量的提高而增大。1%摻量時，3種固化劑對土體初始CA的影響較??；2%固化劑摻量時，石灰改良土樣的初始CA變化最大；固化劑摻量大于3%后，石灰和水泥改良土樣的初始CA變化較??；當(dāng)固化劑摻量達(dá)到4%、5%時，石灰、水泥改良土樣初始CA接近90°。

（3）石灰和水泥改良劑可減弱花崗巖殘積土的進(jìn)水能力，高嶺土對花崗巖殘積土進(jìn)水能力影響較小。1%固化劑摻量時，土體進(jìn)水能力仍然較強；2%固化劑摻量時，石灰和水泥改良的土樣進(jìn)水能力開始減小；當(dāng)固化劑摻量超過3%時石灰和水泥改良土樣進(jìn)水能力大幅度減弱；固化劑摻量達(dá)到4%、5%時，石灰、水泥改良土樣進(jìn)水1 h的含水率變化不超過5%。

（4）改良花崗巖殘積土進(jìn)失水能力的變化由土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變以及表面性質(zhì)的改變共同導(dǎo)致。固化劑的加固機(jī)理主要包括物理成型壓力作用和化學(xué)作用。水泥和石灰加固土體可減弱土顆粒表面的雙電層及其表面自由能，使土體斥水性和初始CA變大。高嶺土對土體的斥水性和接觸角影響不大。

（5）本文揭示了改良固化劑通過改變土體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)以及土顆粒表面性質(zhì)使花崗巖殘積土進(jìn)失水能力減弱的機(jī)理，結(jié)果可為由于固化劑改變土體表面性質(zhì)引起的CA變化規(guī)律提供一定科學(xué)依據(jù)，也可為不同滲透需求的實際工程選取改良劑提供一定參考。土體表面性質(zhì)改變后，CA的變化對土體變形和強度的影響規(guī)律及機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。