《Geotechnics》：Microstructural Evolution of Expansive Soils Under Suction Hysteresis Using Environmental Scanning Electron Microscopy (ESEM)
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膨胀土在湿度波动作用下会经历结构性变化，这种变化通常受吸力滞后现象支配。本研究利用环境扫描电子显微镜（ESEM），在受控的干湿循环条件下，对三种膨胀土在宽广吸力范围内的微观结构演化进行了探究。土样以不同的压实状态、平衡时间及物理化学性质（包括比表面积（SA）和
膨胀土在湿度波动作用下会经历结构性变化，这种变化通常受吸力滞后现象支配。本研究利用环境扫描电子显微镜（ESEM），在受控的干湿循环条件下，对三种膨胀土在宽广吸力范围内的微观结构演化进行了探究。土样以不同的压实状态、平衡时间及物理化学性质（包括比表面积（SA）和阳离子交换容量（CEC））进行制备。在不同放大倍数下获取的图像揭示了水膜行为、开裂及组构重排的关键趋势。研究人员采用图像衍生的孔隙面积比作为干湿过程中微观结构变形的比较指标。高活性黏土（根据SA和CEC定义）表现出明显的滞后和开裂现象，而低活性黏土则显示最小的结构变化。这些发现突显了微观行为在膨胀土性能中的作用，并为改进预测模型提供了基础。此外，本研究为未来使用分形描述符进行定量微观结构表征提供了框架，使后续分析能够捕捉吸力滞后过程中孔隙复杂性和尺度依赖的组构演化。
**论文解读：吸力滞后下膨胀土的微观结构演化——基于环境扫描电子显微镜（ESEM）的研究**
**1. 研究背景与问题**
膨胀土（expansive soils）是指以黏土矿物为主的土壤，其在干湿循环过程中因骨架膨胀收缩而产生显著的体积应变。这种特性在废物屏障或防渗衬层中具有优势，但会严重损害基础设施，如地基、路堤和边坡，其修复成本在美国每年高达90至150亿美元。膨胀土的行为受微观物理化学力支配，包括双电层排斥力、范德华引力和层间力，这些力随含水量变化而波动，并与基质吸力（matric suction）紧密关联。吸力与含水量的关系由土-水特征曲线（SWCC）描述，但该关系并非唯一，而是依赖于湿度历史（干湿循环），即吸力滞后（suction hysteresis）。尽管已有大量研究，但膨胀土在非饱和状态下的预测模型仍不完善，关键原因在于微观尺度上颗粒间相互作用和组构演化机制尚不清晰。因此，亟需高质量的实验研究来揭示不同吸力条件下黏土颗粒的微观结构变化，为工程尺度的行为预测提供依据。
**2. 研究目的与意义**
本研究旨在利用环境扫描电子显微镜（ESEM）可视化多种天然膨胀土在干湿循环过程中的微观结构演化，评估压实状态、平衡时间和物理化学性质（比表面积SA和阳离子交换容量CEC）对组构行为的影响，并量化孔隙比和应变变化以关联微观机制与宏观行为。论文发表在《Geotechnics》。与以往主要聚焦于单一膨润土或单矿物系统的ESEM研究不同，本工作比较评估了三种物理化学性质不同的天然膨胀土在受控吸力滞后路径下的组构演化，并引入了图像衍生的孔隙面积比作为微观结构变形的比较指标，为改进膨胀土行为预测模型提供了实验基础和定性框架。
**3. 关键技术方法**
本研究采用环境扫描电子显微镜（ESEM）技术，在0–148 MPa的宽广吸力范围内对三种天然膨胀土进行干湿循环成像。土样来源：Carnisaw（来自美国俄克拉荷马州中部的粉质壤土）、Minco（来自同一地区的粉质壤土）和Heiden（来自俄克拉荷马州南部的黏土）。土样以最优含水率（opt）和湿于最优（wet of optimum）两种压实状态制备，并在成像过程中设置15分钟平衡与无平衡两种处理。ESEM在环境模式下使用气体二次电子探测器（GSED），通过控制腔室压强和温度（2°C）调节相对湿度（RH）以施加特定吸力。图像在350X、800X和3500X放大倍数下采集，随后使用FIJI/ImageJ软件通过灰度阈值二值化处理，计算二维孔隙面积比，并据此估算表观体积应变指标。此外，利用比表面积（SA）和阳离子交换容量（CEC）计算多种活性指标（Skempton活性、相对活性、SA活性和CEC活性），以关联物理化学性质与微观结构响应。
**4. 研究结果**
**4.1 干湿过程中的组构演化（Fabric Evolution During Drying and Wetting）**
通过比较35 MPa吸力下各土样的ESEM图像（350X、800X、3500X放大倍数），发现Heiden w1（湿于最优压实）在干湿循环中表现出显著的水膜厚度变化和干裂现象；Minco在低吸力下形成水膜，但高吸力下结构变化有限；Carnisaw和Heiden opt（最优压实）组构相对稳定，未见明显开裂。这表明高活性黏土在吸力滞后中组构重排更剧烈。
**4.2 压实状态的影响（Effect of Compaction State）**
Heiden w1（湿于最优，干密度1.22 Mg/m3）随吸力增加出现吸附水层消退和干裂，而Heiden opt（最优压实，干密度1.52 Mg/m3）无此特征。定量应变数据显示Heiden w1的表观体积应变显著高于Heiden opt，说明高初始含水率和低干密度增强了吸力诱导的结构塌陷趋势。
**4.3 平衡时间的影响（Effect of Equilibration Time）**
Heiden w2（无平衡时间）在整个干湿过程中水膜较薄、无开裂，而Heiden w1（15分钟平衡）则表现出明显的水膜变化和开裂。这表明平衡时间允许结合水稳定并产生足够的力驱动组构变形；缺乏平衡时，水膜持续流动，无法形成破坏性应力。
**4.4 粉粒含量的影响（Influence of Silt Content）**
Minco（高粉粒含量）在低吸力下形成水膜，但无持久吸附或结构变化。其响应由机械力（膨胀）主导而非物理化学作用，这与低黏土含量和低活性值一致。
**4.5 多放大倍数下的孔隙面积比趋势与体积应变（Image-Derived Pore-Area Trends Across Magnifications and Volumetric Strain Changes）**
通过比较350X、800X、3500X下沿干湿路径的孔隙面积比变化，Heiden w1表现出最大的滞后效应，Carnisaw次之，Heiden opt几乎无滞后。Heiden w1在干燥过程中表观体积应变最高，与宏观胀缩行为一致。孔隙面积比趋势与分形分析结果（文献中Heiden w1分形维数约1.92，Minco约1.67）相符，支持了更活跃黏土中孔隙网络的更高复杂性。
**4.6 物理化学性质与活性（Physicochemical Properties and Activity）**
活性指标（SA和CEC活性）用于解释微观结构差异：Heiden（最高SA和CEC）表现出最强的滞后和开裂；Minco（最低SA和CEC）结构响应惰性；Carnisaw居中。这表明基于SA和CEC的活性指标比传统塑性指数更能反映颗粒尺度上的土-水相互作用和组构重排潜力。
**5. 讨论与结论总结**
**讨论部分**：研究结果表明，ESEM能够有效捕捉膨胀土在吸力滞后下的关键组构变化，如干裂、吸附水层厚度和颗粒重排。初始压实条件、平衡时间和物理化学性质对微观结构响应有显著影响。高活性黏土（如Heiden）在干湿循环中呈现不可逆的组构变化，而低活性土（如Minco）表现出可逆的机械性响应。图像衍生的孔隙面积比和应变指标可作为定性比较工具，但需注意其二维局限性。研究还指出，未来可引入分形分析（fractal analysis）量化孔隙自相似性和尺度依赖性组构演化，并考虑有机-矿物相互作用（如植物残体或沸石改良）对双电层和聚集稳定性的影响，以拓展当前物理化学框架。
**研究结论**（翻译原文Conclusions部分）：
本研究利用环境扫描电子显微镜（ESEM）在宽广吸力范围（0–148 MPa）内，研究了天然膨胀土在干湿循环下的微观尺度结构演化。通过将基于图像的孔隙面积分析与物理化学性质及不同试样制备条件相结合，该研究为膨胀土在滞后湿度状态下的行为提供了新的视角。关键结论如下：
1. ESEM是一种捕捉微观结构滞后的有价值工具。ESEM技术能够在初次干燥和二次湿润过程中可视化关键组构变化，如干裂、吸附水层厚度和颗粒重排。这些观察结果为膨胀土已知的宏观滞后响应提供了定性支持。
2. 初始压实条件强烈影响组构响应。湿于最优压实的土样在吸力增加时表现出显著的结构变化，包括干裂和持久水膜。相比之下，最优压实的试样表现出更稳定的微观结构和较少的滞后行为，表明较低塌陷潜力和更可预测的胀缩响应。
3. 平衡时间影响观察到的微观结构行为。Heiden试样的平衡与非平衡差异表明，平衡方案可能影响观察到的水膜行为和组构重排；然而，该比较部分受到初始含水率差异的混淆，应谨慎解释。
4. 物理化学性质（SA和CEC）提供了有用的物理化学背景。基于SA和CEC的活性指标为解释吸力滞后下观察到的组构演化提供了有用的物理化学背景，尽管此处确定的关系仍是定性的。
5. 粉粒含量通过机械效应影响水分响应。Minco土以高粉粒含量和低黏土活性为特征，显示出最小的吸附水相互作用和无开裂。其水分响应似乎受膨胀和物理重排而非物理化学机制支配。
观察到的微观结构开裂和孔隙面积滞后可能有助于解释建筑在过活跃黏土上的基础发生不可预测隆起和沉降的机制。观察到的图像衍生孔隙面积趋势可为吸力相关组构演化提供定性见解，应用于板式基础、路堤和边坡稳定的膨胀土设计，特别是在估算导致不可逆体积变化的吸力循环方面。尽管土样来自俄克拉荷马州，但所识别的物理化学-微观结构关系可能对其他经受吸力循环的膨胀黏土系统具有更广泛的适用性。所提出的框架可扩展到热带变性土、地中海膨润土及其他高活性土。
**局限性与未来工作**：本研究中报告的图像衍生孔隙比值为从选定ESEM视野测量的表观二维孔隙面积比，并非三维孔隙比或总体积应变的直接测量值。因此，计算的应变值应被解释为干湿路径上微观结构变化的比较指标，而非绝对体积变形测量值。此外，本研究所用的SWCC来自先前对类似制备土样的测试，主要用于指导吸力阶段的选择，而非建立所成像试样的水保持行为。本研究主要聚焦于微观结构成像和定性到半定量解释，未纳入同步宏观测量（如膨胀压力、水力传导率或直接水分保持测试）。未来工作应将ESEM观察与相同吸力状态下耦合水力和力学测试相结合，以建立更强的微观-宏观关系，并开发更具预测性的膨胀土行为框架。此外，未来研究可纳入ESEM图像的分形分析，以定量表征干湿循环过程中的孔隙复杂性、聚集性和尺度依赖性组构演化，弥补当前二值图像分析的不足。未来工作还可研究有机-矿物相互作用的作用，包括植物残体或沸石改良对聚集稳定性、碳分级、双电层动力学和微观尺度组构演化的影响，从而将当前物理化学框架扩展到生物地球化学因素。
