隨著近年來土壤污染的頻發(fā)，表面活性劑作為一種常用淋洗劑，因其少量高效的修復(fù)效果，在污染土壤淋洗修復(fù)技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。表面活性劑的加入在顯著改善土體性質(zhì)的同時(shí)，也使水的氣—液界面張力（表面張力）發(fā)生了明顯變化，在利用表面活性劑對土壤進(jìn)行改性時(shí)，少量的表面活性劑就會(huì)大幅降低水的表面張力。另一方面，再生水灌溉在水資源緊缺的地區(qū)有普及的趨勢，它能很好地解決區(qū)域水資源短缺的問題，再生水中的多種元素還能提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。但再生水中會(huì)含有污水中未被處理完凈的有機(jī)物質(zhì)，有研究發(fā)現(xiàn)，有機(jī)化合物加入水中也會(huì)改變水的表面張力。再生水灌溉后土壤中混入的有機(jī)物會(huì)改變土壤的力學(xué)性質(zhì)，對土壤的物理性質(zhì)造成影響。由此可見，表面活性劑和有機(jī)化合物的加入會(huì)使孔隙水的表面張力發(fā)生明顯變化，而界面特性的三大方程，即Young方程、Laplace方程和Kelvin方程均與表面張力有關(guān),表面張力改變會(huì)使得表層土壤的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，而表層土壤最顯著的特性就是收縮開裂，因此，表面張力的變化勢必會(huì)對土壤的收縮開裂造成影響。

考慮到自然環(huán)境的復(fù)雜多變性，土體一般要經(jīng)歷多次干濕循環(huán)。干濕循環(huán)會(huì)引起土—水特征曲線的滯回效應(yīng)，在相同的含水率條件下，吸濕和脫濕所對應(yīng)的基質(zhì)吸力不盡相同，而導(dǎo)致干濕循環(huán)滯回效應(yīng)的一個(gè)最重要因素就是接觸角的改變。欒茂田等在球體顆粒模型基礎(chǔ)上提出了張力吸力的概念，分析了基質(zhì)吸力與張力吸力隨接觸角變化規(guī)律，并從理論上合理地解釋了“隨著土變干，飽和度對土的強(qiáng)度作用減弱”的試驗(yàn)現(xiàn)象；賀煒等對吸濕與脫濕過程中引起非飽和土的土—水特征曲線滯后性質(zhì)進(jìn)行機(jī)制分析，認(rèn)為接觸角的差異是造成土—水特征曲線滯后效應(yīng)的主要原因，而接觸角與表面張力又是密不可分的。土壤在脫濕過程中，含水率不斷降低，連接土壤顆粒的液橋體積減少，基質(zhì)吸力變大，當(dāng)達(dá)到土壤開裂的臨界基質(zhì)吸力時(shí)，土壤顆粒間的液橋?qū)⑵屏?，從而土壤產(chǎn)生裂隙。從細(xì)觀的角度來看，土壤中的基質(zhì)吸力是由液橋的表面張力所引起的，表面張力的改變會(huì)影響液橋斷裂的程度和時(shí)間點(diǎn)，從而影響干濕循環(huán)條件下的土壤收縮開裂特性。土壤收縮開裂破壞了土壤原有的結(jié)構(gòu)，會(huì)引發(fā)優(yōu)先流，而裂隙則會(huì)成為灌溉水和雨水的優(yōu)先路徑；收縮開裂還會(huì)改變土壤中水分和養(yǎng)分的正常運(yùn)移，嚴(yán)重則會(huì)造成地下水污染、阻礙農(nóng)業(yè)灌溉、影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量等問題。隨著全球環(huán)境變化的影響，土壤和水污染問題會(huì)越來越多，越來越典型。表面張力對水—?dú)饨缑娴挠绊懨黠@，可以肯定對土壤開裂的性質(zhì)也有重要影響，因此，有必要從表面張力的角度對干濕循環(huán)下的土壤收縮開裂特性進(jìn)行深入研究，對農(nóng)業(yè)灌溉和環(huán)境保護(hù)方面也將具有重要的理論和實(shí)際指導(dǎo)意義。

為了探究水中表面活性劑和有機(jī)化合物的加入對土壤裂隙發(fā)育的影響，本文通過在水中加入少量乙醇或肥皂（表面活性劑）來改變水的表面張力，對干濕循環(huán)條件下不同氣—液界面張力的土壤收縮開裂特性展開研究，對比分析了不同表面張力下土壤裂隙的發(fā)展演化過程，最后對其機(jī)理進(jìn)行了探討。

1材料與方法

1.1供試材料

供試土壤選用有明顯脹縮變形的灰白色膨脹黏土，土樣取自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)附近的某風(fēng)化土邊坡，土樣的基本性質(zhì)如表1所示。取回的土樣經(jīng)過風(fēng)干、碾碎后過2 mm篩備用。

表1供試土樣的基本性質(zhì)

1.2試樣制備

將篩好的土樣放入105℃烘箱內(nèi)烘干至恒重。在保證試樣無初始裂縫的前提下，合理控制含液率和擊實(shí)次數(shù)，采用輕型擊實(shí)儀（NX.6-04，寧曦，南京）制作干密度為1.5 g cm-3的圓柱試樣，試樣直徑為102 mm，高40 mm。由制樣前的初步嘗試結(jié)果可知，拌合料含水率過低時(shí)，拌合料偏干，試樣不易壓實(shí)，有裂隙；含水率太高則不易控制干密度［25］。反復(fù)測試后，將拌合料多次攪拌使水和土充分混合，確定拌合料含水率為17%左右，擊實(shí)次數(shù)初步定為12次，從而控制試樣干密度在1.5 g cm-3。將擊實(shí)后的試樣表面刮平，然后放入真空缸內(nèi)進(jìn)行抽氣飽和，抽氣時(shí)間為6 h，試樣在真空下的浸泡時(shí)間不少于12 h，以保證試樣充分飽和，使內(nèi)外含水率均勻分布。

采用體積百分?jǐn)?shù)為20%酒精溶液和含量為2 g L-1的肥皂水作為不同表面張力的孔隙液體，忽略酒精溶液和肥皂水與純水間的密度差，兩種溶液制作試樣時(shí)的含水率仍為17%，孔隙液體為肥皂水的試樣仍然采用抽氣飽和法，孔隙液體為酒精的試樣為了防止酒精溶液揮發(fā)，采用毛細(xì)飽和法，將酒精溶液樣放入密封容器內(nèi)浸泡靜置24 h達(dá)到飽和。

1.3試驗(yàn)過程

待試樣飽和后，分別進(jìn)行烘干和自然風(fēng)干兩種不同溫控下的脫濕，為避免酒精揮發(fā)導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，脫濕溫度控制在低于酒精沸點(diǎn)的60℃，自然風(fēng)干則放置在室內(nèi)保持室溫（25℃）。整個(gè)試驗(yàn)共進(jìn)行4次干濕循環(huán)，并對每個(gè)試樣設(shè)置平行樣。在試驗(yàn)過程中設(shè)置多個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)，前6 h每隔30 min測量一次，6 h以后每隔1 h測量一次。在每個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)上，對待測土樣進(jìn)行拍照、稱重，拍照時(shí)保證土樣及相機(jī)位置固定不變，當(dāng)試樣前后兩次質(zhì)量變化不超過0.5 g，脫濕過程結(jié)束。然后再進(jìn)行增濕飽和，如此反復(fù)循環(huán)四次。

1.4圖像處理

采集的試樣表面裂隙圖通常是高度不規(guī)則的、難以衡量的，用傳統(tǒng)的手工測量技術(shù)無法消除計(jì)算誤差。而數(shù)字圖像處理技術(shù)的出現(xiàn)改變了這一現(xiàn)狀，它能對土壤收縮開裂圖像進(jìn)行無損分析且有較高的準(zhǔn)確性和靈活性，因此，數(shù)字圖像處理技術(shù)得到越來越多的應(yīng)用，日趨成熟。在參考范留明和李寧以及尹小濤等的研究后，得到以下處理思路：

（1）將得到的彩色原圖像（圖1a）轉(zhuǎn)換為灰度圖像。

（2）將灰度圖像二值化，如圖1b，其中黑色區(qū)域代表裂隙面積，白色區(qū)域代表土塊。

（3）將二值化后的圖轉(zhuǎn)換為矢量圖（圖1c），用CAD（管理軟件計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）面積提取命令得到試驗(yàn)收縮和開裂面積，計(jì)算得到試驗(yàn)的收縮開裂裂隙度：

圖1數(shù)字圖像處理過程

2結(jié)果

2.1干濕循環(huán)下裂隙發(fā)育隨時(shí)間變化

圖2給出了三種不同表面張力試樣在兩種溫控狀態(tài)下干濕循環(huán)的土壤裂隙發(fā)育過程。從圖2可以看出，無論在25℃還是在60℃條件下，不同表面張力的土樣收縮開裂裂隙度δ隨時(shí)間t變化曲線在形態(tài)上較為一致，呈現(xiàn)明顯的階梯型。土樣δ隨脫濕時(shí)間t的變化過程要經(jīng)歷兩個(gè)階段：常速率階段和減速率穩(wěn)定階段。常速率階段主要發(fā)生在脫濕的前中期，此階段土樣從飽和狀態(tài)進(jìn)入非飽和狀態(tài)，含水率隨著蒸發(fā)速率的加快迅速減少，δ隨時(shí)間的增加呈線性增長的趨勢。而隨著時(shí)間的推移，試樣的水分蒸發(fā)變慢，試樣進(jìn)入脫濕的中后期，此時(shí)δ隨脫濕時(shí)間增長變緩，最終趨于穩(wěn)定。但從裂隙度隨時(shí)間變化曲線來看，同一試樣的四次脫濕裂隙度基本相近，當(dāng)脫濕時(shí)間相同時(shí)，循環(huán)次數(shù)越多土樣的δ越大，最終δ也越大，但最終δ增加幅度不大。

在整個(gè)脫濕過程中，表面張力變化對土樣δ隨時(shí)間變化的過程有明顯的影響。在同一溫度環(huán)境時(shí)，純水樣、酒精溶液樣和肥皂水樣的初次開裂時(shí)間基本一致。如在25℃的環(huán)境溫度下，經(jīng)歷大約1.5 h脫濕后試樣表面出現(xiàn)初始裂隙，而在60℃環(huán)境中，大約0.5 h后就可以從試樣表面觀測到首條裂隙的產(chǎn)生，可見表面張力的變化對脫濕時(shí)初始δ的出現(xiàn)時(shí)間影響并不大。溫度的升高會(huì)使“δ—t曲線”的常速率階段時(shí)間變短。如25℃時(shí)大約持續(xù)8.5（1.5～10）h，60℃時(shí)則約為7（0.5～7.5）h。但在同一環(huán)境溫度時(shí)，隨著脫濕的進(jìn)行，試樣裂隙的發(fā)育速率卻大為不同。在60℃烘干條件下，純水、酒精溶液和肥皂水樣在達(dá)到4%收縮開裂裂隙度所需時(shí)間分別為3 h、5 h和8 h；同樣在25℃風(fēng)干時(shí)，前10 h純水、酒精溶液和肥皂水δ分別達(dá)到9%、5.5%和3.5%?？梢钥闯?，表面張力的降低，對試樣出現(xiàn)初始裂隙的時(shí)間影響不大，但抑制了裂隙的發(fā)育程度并影響了試樣的最終δ大小。

圖2干濕循環(huán)下不同試樣裂隙度隨時(shí)間的變化

2.2干濕循環(huán)下裂隙發(fā)育隨含水率變化

圖3給出了三種試樣四次脫濕循環(huán)在不同溫度條件下裂隙度隨脫濕含水率的變化。同一土樣，相同含水率情況下，裂隙度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大，而相同裂隙度對應(yīng)的含水率也隨循環(huán)次數(shù)

的增多而增大。由于溫度的作用，60℃時(shí)當(dāng)含水率降至41%時(shí)，土樣出現(xiàn)初始裂隙，而25℃環(huán)境下，土樣含水率要降至38%才會(huì)出現(xiàn)初始裂隙，可以看出，試樣出現(xiàn)初始裂隙的含水率隨溫度的降低而增加，影響明顯。裂隙出現(xiàn)后的初始階段，土樣δ隨含水率的減少緩慢增加，隨后δ進(jìn)入快速發(fā)育階段，δ不斷增加。隨著脫濕的進(jìn)行，當(dāng)土樣的含水率低于一定值時(shí)(25℃和60℃條件下的臨界含水率分別為28%和25%），δ增幅減慢并趨于穩(wěn)定。當(dāng)脫濕結(jié)束時(shí)，60℃下土樣的最終平均殘余含水率為0.5%，而25℃為4%，大約是60℃的八倍多。

圖3干濕循環(huán)下不同試樣裂隙度隨含水率的變化

從圖3同時(shí)可以看出，土樣δ受表面張力的影響也非常明顯。在環(huán)境溫度一致時(shí)，隨著表面張力的降低，在同一含水率時(shí)，土樣δ低于表面張力較大試樣的δ。如在60℃條件下第四次脫濕時(shí)，試樣在含水率降至20%時(shí)，純水δ（11%）＞酒精溶液δ（7%）＞肥皂水δ（4%）。在達(dá)到同一δ時(shí)，表面張力大的試樣對應(yīng)的含水率大于表面張力小的試樣含水率。此外，無論60℃條件下還是25℃條件下，脫濕結(jié)束時(shí)，孔隙液體為水的試樣最終裂隙度均較孔隙液體為酒精溶液和肥皂水試樣的要高。以上結(jié)果表明，在土壤中加入酒精溶液和肥皂水降低了孔隙水的表面張力，抑制了土壤裂隙發(fā)育過程，減小最終收縮開裂裂隙度，其中，肥皂水的抑制效果較酒精溶液更佳。

2.3干濕循環(huán)下不同試樣最終收縮開裂裂隙度

表2為三種試樣最終收縮開裂裂隙度的相關(guān)研究結(jié)果。從表2可以看出，同組試驗(yàn)各平行樣的最終收縮開裂裂隙度基本一致，說明該試驗(yàn)具有良好的可重復(fù)性。60℃條件下純水（S樣）的四次干濕循環(huán)最終平均δ分別為11.8%、12.4%、13.2%、14.1%，酒精溶液（J樣）分別為7.7%、7.9%、8.0%、8.1%，肥皂水（F樣）分別為4.5%、4.6%、4.7%、4.8%；25℃條件下S樣的四次干濕循環(huán)最終平均δ則分別為9.5%、9.6%、9.9%、10.1%,J樣分別為5.8%、5.9%、6.1%、6.4%，F(xiàn)樣分別為3.2%、3.4%、3.5%、3.7%。可見，在同種溫度條件下，同組試樣的最終δ隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增大；而在不同溫度條件下，同組試樣的最終δ同樣隨溫度的增加而增加，取第四次循環(huán)來看，60℃條件下的純水、酒精溶液和肥皂水試樣的最終δ分別較25℃條件下的高4.0%、1.7%和1.1%。將25℃和60℃條件下的最終δ進(jìn)行對比，不論何種溫度條件下，純水樣的最終δ大于酒精溶液樣和肥皂水樣的最終δ；其中，酒精溶液樣的最終δ大于肥皂水。

60℃條件下純水試樣的最終δ穩(wěn)定在14%左右，較酒精試樣高6%，是肥皂水試樣的3倍；由于環(huán)境溫度降低的影響，25℃條件下的最終裂隙度均相對低于60℃情況下，純水樣為10%，但仍然高于酒精樣的6.0%和肥皂水樣的3.8%。參考液體表面張力系數(shù)與濃度關(guān)系的相關(guān)資料可知，在25℃時(shí)，純凈水、20%酒精溶液、2 g L-1肥皂水的表面張力系數(shù)分別為:7.1×10-2N m-1、4.1×10-2N m-1、2.9×10-2N m-1;相應(yīng)的60℃則分別分：6.5×10-2N m-1、3.8×10-2N m-1、2.7×10-2N m-1。由表面張力和表面張力系數(shù)的正比關(guān)系可知，無論何種溫度條件下均表現(xiàn)為：水的表面張力＞20%酒精溶液的表面張力＞2 g L-1肥皂水的表面張力。對照表2可以得到結(jié)論：表面張力對土樣的最終收縮開裂裂隙度有著重要影響。表面張力越小，對應(yīng)的土樣最終收縮開裂裂隙度越小，表面張力的減小會(huì)阻礙土樣裂隙的發(fā)展。

表2不同表面張力下土壤收縮開裂裂隙度

干濕循環(huán)試驗(yàn)：不同表面張力下土壤裂隙的發(fā)展演化機(jī)理（一）

干濕循環(huán)試驗(yàn)：不同表面張力下土壤裂隙的發(fā)展演化機(jī)理（二）