1.3接觸角測(cè)量試驗(yàn)

目前測(cè)量粉體接觸角（包括土顆粒）的方法主要有3種：躺滴法、毛細(xì)管上升法和Wilhelmy平板法，其中，躺滴法測(cè)出的接觸角為介于前進(jìn)接觸角和后退接觸角之間的表觀接觸角，毛細(xì)管上升法測(cè)出的接觸角為前進(jìn)接觸角，Wilhelmy平板法測(cè)出的接觸角為前進(jìn)接觸角或后退接觸角。土體開裂是一個(gè)相對(duì)較慢的過程，因此土顆粒與孔隙水的接觸角大部分時(shí)間應(yīng)該處于前進(jìn)接觸和后退接觸角之間的某一表觀接觸角。所以，本文采用躺滴法對(duì)土顆粒接觸角進(jìn)行測(cè)量。土樣烘干后過0.075 mm的篩，取長(zhǎng)度為4 cm左右的雙面膠帶貼到載玻片上，將篩好的土顆粒均勻覆蓋載玻片，并用重量為200 g的砝碼壓住載玻片，持續(xù)時(shí)間為2 min，移開砝碼后反復(fù)輕輕磕碰載玻片以去除多余的土顆粒，直到膠帶表面覆蓋有一層薄薄的土顆粒，且土顆粒分布均勻無(wú)明顯凸起。如圖3所示，當(dāng)水滴滴到被純土覆蓋的膠帶上時(shí)，液滴迅速擴(kuò)散開，此時(shí)土顆粒的親水性很好，接觸角趨近于0。水滴滴到另外兩個(gè)覆蓋著混有十八胺土樣的載玻片時(shí)，形成了小液滴，此時(shí)固–液界面和氣–液界面之間的夾角不為0，把這2塊載玻片分別放到試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行液滴在土顆粒表面的表觀接觸角測(cè)量，液滴初始體積為5μL，測(cè)量?jī)x器為JC2000型接觸角測(cè)量?jī)x，如圖4所示，每個(gè)土樣的接觸角反復(fù)測(cè)量5次后取平均值。十八胺含量為0.2%土樣的接觸角為30.5°，十八胺含量為0.4%土樣的接觸角為60.2°。

1.4試驗(yàn)過程

把篩好的土放入105℃烘箱內(nèi)烘至恒重備用。設(shè)計(jì)土樣的干密度為1.5 g/cm3，含水率計(jì)算不考慮酒精溶液和肥皂水引起的液體密度變化，制樣含水率為16%～18%。采用輕型擊實(shí)儀制圓柱試樣，試樣直徑為102 mm，高40 mm，試樣制好后用真空飽和法進(jìn)行飽和，其中，SZ1樣用20%酒精溶液飽和，SZ2樣用濃度為2 g/L的肥皂水飽和，其余試樣均為純水飽和，抽氣時(shí)間為6 h，試樣在真空下的浸泡時(shí)間為12 h。為縮短試樣的脫濕時(shí)間以減小酒精揮發(fā)造成的濃度降低，飽和試樣脫濕采用低溫烘干法，烘箱的溫度控制在50℃（小于酒精的沸點(diǎn)和十八胺的熔點(diǎn)），當(dāng)2h內(nèi)試樣的質(zhì)量變化量不超過2 g時(shí)停止試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，前8 h每隔30 min把試樣從烘箱中取出后先稱重，隨后進(jìn)行拍照記錄，稱重和拍照的時(shí)間控制在30s內(nèi)，拍照結(jié)束后把試樣放入烘箱繼續(xù)脫濕，6 h以后拍照間隔時(shí)間增加為1 h。2試驗(yàn)結(jié)果2.1水分蒸發(fā)與臨界含水率圖5給出了不同表面張力的3種試樣含水率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線。

從圖5中可以看出，隨著試樣干燥時(shí)間的增加，試樣的含水率是不斷減小的。圖中條曲線均存在兩個(gè)明顯的變化階段，即：常速率階段和減速率階段，這表明土體中孔隙液體表面張力改變并沒有改變土體蒸發(fā)失水過程中含水率的變化規(guī)律。圖中每條曲線都給出了一個(gè)對(duì)應(yīng)的試樣圖像，該圖像是試樣干燥過程中剛出現(xiàn)裂隙時(shí)所對(duì)應(yīng)的圖像，此時(shí)試樣所對(duì)應(yīng)的含水率為干縮開裂的臨界含水率，S1樣干燥3.4 h出現(xiàn)裂隙，此時(shí)對(duì)應(yīng)的含水率為：34.9%；SZ1樣在試樣干燥1.5 h后就出現(xiàn)了初始裂隙，此時(shí)的含水率為37%；SZ2樣出現(xiàn)裂隙的時(shí)間明顯晚于S1和SZ1樣，為5 h，對(duì)應(yīng)的含水率為21.2%。圖6則是不同接觸角的3種試樣含水率隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，試樣干燥過程中也出現(xiàn)了常速率階段和變速率階段，但土顆粒接觸角為30.5°的SJ1樣出現(xiàn)裂隙的時(shí)間為5.5 h，要晚于純土試樣S1。接觸角為60.2°的SJ2樣出現(xiàn)裂隙的時(shí)間在所有試樣中是最晚的，為9.5h，對(duì)應(yīng)的臨界含水率也最小。很顯然，土顆粒與孔隙水接觸角的增大可以延長(zhǎng)土體出現(xiàn)初始裂隙的時(shí)間。

2.2裂隙演化過程分析

圖7給出了5個(gè)試樣在脫濕結(jié)束后對(duì)應(yīng)的收縮開裂圖像。從圖中可以看出，每個(gè)試樣均出現(xiàn)了不同程度的收縮裂隙，各試樣表面裂隙最終形態(tài)具有大致相似的規(guī)律：3條裂隙相交于一點(diǎn)，把圓形表面分成了3個(gè)部分，S1樣和SZ2樣的裂隙較寬，試樣開裂明顯，其余試樣裂隙發(fā)育不明顯，裂隙在形成過程中先形成一條主裂隙，主裂隙發(fā)育過程中支裂隙開始發(fā)育，最終支裂隙和主裂隙相交形成3條裂隙。S1樣和SZ1樣不僅出現(xiàn)了裂隙，在試樣和鋼環(huán)接觸的地方還出現(xiàn)了明顯的分離，試樣出現(xiàn)了體縮，其余試樣也出現(xiàn)了不同程度的體縮，但并不明顯。為得到試樣的裂隙度，先要對(duì)采集到的試驗(yàn)開裂圖片進(jìn)行圖像處理，如圖8所示，先對(duì)采集到的膨脹土干縮過程圖像進(jìn)行二值化，去除一些非裂隙雜點(diǎn)，再把二值化圖像進(jìn)行矢量化，矢量化后的圖像通過AUTOCAD提取試樣收縮面積和裂隙面積，最后計(jì)算出試樣的收縮開裂裂隙度：

(2)式中?為收縮開裂裂隙度（%）；S0為試樣初始面積；St為脫濕時(shí)間為t的試樣面積，Sf為試樣表面的裂隙總面積。