图9为不同表面张力下试样收缩开裂裂隙度随时间的变化关系曲线，从图中可以看出，土样收缩裂隙发展基本分为3个阶段，第一阶段为土体收缩开裂酝酿阶段，此时试样刚开始蒸发失水，失去的水分主要为土体表面的孔隙水，此阶段中土体表面没有产生收缩开裂。第二阶段为收缩开裂迅速发展阶段，此阶段土体表面收缩开裂迅速发展直到进入第三阶段：收缩开裂稳定阶段，此时随着试样脱湿时间的增加，收缩开裂裂隙度基本不再发生变化。SZ2样最先进入收缩开裂稳定阶段，稳定时的收缩开裂裂隙度为6.7%，SZ1样最后进入收缩开裂稳定阶段，其最终收缩开裂裂隙度为7.9%，S1样进入收缩开裂稳定阶段的时间则介于二者之间，试样的最终收缩开裂裂隙度为10.3%。很显然，孔隙液体表面张力越小的试样，试样最终收缩开裂裂隙度越小，但在土体表面裂隙发展阶段，相同的脱湿时间，孔隙水表面张力小的试样其收缩开裂裂隙度有可能大于表面张力较大的土样。

图9不同表面张力试样收缩开裂裂隙度随时间变化曲线

图10为不同接触角试样收缩开裂裂隙度随时间的变化关系曲线，接触角变化后，土体收缩开裂的3个阶段并不会发生改变，但土颗粒的接触角越大，试样经历第一阶段，即收缩开裂酝酿阶段的时间越长，相同的脱湿时间，接触角越大的土样所对应的收缩开裂裂隙度越小。试验结束后，SJ1样和SJ2样的最终收缩开裂裂隙度分别为5.2%和4.3%，是所有试样中收缩开裂裂隙度最小的两个，其中接触角最大的SJ2样的试样最终收缩开裂裂隙度又比SJ1样小。由此可见，增大土颗粒与孔隙水间的接触角可以很好的抑制土体的收缩开裂。

图10不同接触角试样收缩开裂裂隙度随时间变化曲线

3讨论

3.1接触角和表面张力抑制膨胀土裂隙发育的机理分析从前面的试验可知，减小孔隙水表面张力或增大土颗粒与孔隙水间的接触角都可以抑制膨胀土的干缩开裂，然而，增大接触角对膨胀土收缩开裂的抑制效果明显好于减小孔隙水表面张力。结合图11的颗粒模型和毛细管模型对其机理进行分析。当土颗粒间由液桥连接时（对应于非饱和土中的水封闭状态），其基质吸力为1 21 1r r。(3)式中为液体的表面张力，r1和r2是任意一对相互垂直的平面在液面上所截取曲线的曲率半径，当曲率中心在液体侧时其值为“负”，反之为“正”。设为“正”时表示吸引，为“负”时表示排斥。传统的非饱和土力学中，基质吸力都大于零，不会是负值。这是因为：在岩土工程领域中，通常把岩土体都视为完全亲水性材料，即孔隙水与土颗粒的接触角为0，即使在模型计算时所涉及的接触角也是比较小的，这种情况下基质吸力只可能为正，即：非饱和土中只存在负的孔隙水压力。

然而，接触角增大后，基质吸力就可能由“正”变为“负”，接触角较大的土体具有斥水性，即土中不存在基质吸力。含水率越小的土体其斥水性越大，随着含水率的增大，土体的斥水性有可能随之消失。当r1=r2=r时，用毛细管模型来反映土体中的孔隙（对应于非饱和土中的双开敞状态），由于此时弯液面的曲率中心只有一个，因此，r1和r2只能同号，即要么一直亲水要么一直斥水，则式（3）变为2r，(4)自然界中大部分土颗粒的亲水性都比较好，其接触角也比较小甚至为0，脱湿开始后饱和土样中的孔隙水开始蒸发，有些孔隙中出现弯液面，基质吸力因此产生，在基质吸力作用下裂隙开始发育。随着产生弯液面的孔隙越来越多，土体中的基质吸力不断增大，土颗粒间产生了相对移动，有些土颗粒间的距离相对增大，在宏观上表现为土体开裂；有些土颗粒间的距离相对减小，在宏观上就表现为土体收缩，此过程一直持续到土体中的孔隙水由双开敞变为水封闭，由式（3）可知，此时由于弯液面出现曲率中心在液体侧的曲线，使基质吸力降低，但相应的张力吸力增加，土体中毛细力基本不变，收缩开裂也趋于稳定。

减小土体中孔隙水的表面张力（如图11（c）所示）会使弯液面曲率半径增大，由式（3）和式（4）可知，减小，r增大，基质吸力也会随之减小，且越小，也越小，因此土样的最终收缩开裂裂隙度SZ2最小，SZ1次之，S1最大。增大土颗粒与孔隙水间的接触角可以增大弯液面的曲率半径，甚至使弯液面由凹变凸，此时土体中的基质吸力将消失（图11（a））。通常情况下，当接触角大于90°为斥水，小于90°为亲水，然而土颗粒出现斥水时的接触角却可以小于90°，且含水率越小土体的斥水性越明显，当含水率增加到一定值时，斥水性会消失。另一方面，土颗粒的斥水性还和颗粒形状、干密度等诸多因素有关。斥水性土体在干燥收缩过程中，弯液面曲率半径增大，一部分土颗粒间甚至由于凸液面的出现导致基质吸力消失（式（3）和式（4）），接触角越大，凹液面的曲率半径越大，土体中出现的凸液面越多，基质吸力很小或消失必然导致土体的收缩开裂减少，这与试验结果是一致的。

图11不同表面张力与接触角的毛细作用示意图

3.2试验结果与膨胀土改性

实际工程中可以通过不同方式对膨胀土进行改性，在膨胀土中加入砂、矿渣等低比表面积颗粒物质，改变了膨胀土中的孔隙结构，增大了孔隙水弯液面曲率半径，减小了基质吸力，自然能使膨胀土的收缩开裂程度降低，这类方法原理简单，但掺合物用量较大，张鑫等通过掺绿砂对膨胀土进行改良，并用试验确定绿砂改性膨胀土的最佳掺合比为20%。孙树林等则通过在膨胀土中掺入高炉水渣对其进行改良，试验确定的最佳掺合比为15%。另外一种常用的改良膨胀土的方法是在膨胀土中加入各种改性剂，这类改性剂主要以阳离子表面活性剂为主，表面活性剂能以较低的浓度而显著改变界面性质。一般情况下黏土表面是带负电的，当阳离子型表面活性剂吸附到土颗粒表面时，以其带正电荷的头基朝向土颗粒表面，而疏水基则脱离表面呈定向排列，使土颗粒表面变得疏水，即：增大了土颗粒与孔隙水间的接触角，膨胀土收缩开裂的性质自然得到了改善。本文试验中采用膨胀土混合少量斥水剂也同样达到了增大土颗粒接触角的效果，这也为改良膨胀土提供了一个新思路。

4结论

（1）土体蒸发失水存在两个明显的变化阶段：常速率阶段和减速率阶段，这两个阶段并不会因为孔隙水表面张力或接触角的改变而发生变化。减小孔隙水表面张力并不能使土体出现初始裂隙的时间增长，而增大孔隙水与土颗粒间的接触角则可以延长土体出现初始裂隙的时间。

（2）孔隙水表面张力对膨胀土的干缩开裂有重要影响。表面张力越小的试样，其最终收缩开裂裂隙度越小，但在土体表面裂隙发展阶段，相同的脱湿时间，孔隙水表面张力小的试样其收缩开裂裂隙度有可能大于表面张力较大的土样。

（3）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。

（4）土体的干缩开裂是一个物理过程，是受到基质吸力和孔隙水表面张力共同作用产生的。基质吸力和表面张力会使土颗粒间发生相互移动，表面张力和接触角的改变直接导致弯液面曲率半径发生变化，从而对土体的干缩开裂产生影响，其原理为改良膨胀土提供了一个新思路。