电镜技术在粘性土壤结构研究中的应用与进展

焦永东

1 绪论

粘性土体的力学特性是岩土工程领域研究中极其重要而又复杂的课题，当前有关解释粘性土变形与破坏原因的理论很多，却主要集中于宏观尺度，难以系统地解释微观尺度的力学行为。

随着电子显微镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析（EDX）、计算机断层成像（CT）、环境扫描（ESEM）原子力显微技术（AFM）等检测手段的兴起和发展，促使粘性土体基本颗粒的排列与组合、不同微观孔隙尺度及分布等方面的研究受到广泛关注[1]。然而，目前针对微结构特征的描述大多为定性分析，仅有少部分学者在粘性土微结构要素的描述方面取得了相应进展。考虑到土体介质间存在的尺寸效应，这决定了在多个尺度上开展土体结构定量化工作的必要性。

2 纳米级电镜技术应用及进展

粘土矿物由硅氧四面体以及三个角顶彼此相连，其矿物成分主要为蒙脱石、高岭石和伊利石等。由于粘土矿物均含有沿[001]的完全解理面，且结构层间彼此堆垛相连，所以AFM在粘土矿物学中的应用广泛。

Gordon等[2]较早通过AFM研究了斜绿泥石样品的结构驰豫，还测定了其在空气、水和油中的晶胞参数。在层状硅酸盐矿物吸附重金属离子的表面形貌研究方面，Huamin等[3]用AFM分析了云母、蒙皂石等粘土矿物在吸附Cr和Pb等重金属元素前后的结构形貌改变。类似地，H.哈特曼等[4]研究了粘土矿物表面的AFM图像，获得了蒙脱石及伊利石清洁表面的图片，为进一步研究水溶液介质中粘土—聚合物的反应奠定基础。对于颗粒间相互作用，刘汉燚[5]基于AFM检测技术在气相/液相中对粘土矿物蒙脱石纳米颗粒的聚集情况及相互作用进行了观测，分析了颗粒聚集中的离子特异性效应。Luo等依据AFM、XRD、FTIR技术研究了不同溶液pH值和离子强度条件下，人工黄土胶体、风沙土胶体等天然土壤胶体对钒的间歇吸附动力学和等温特性。

3 微观尺度上电镜技术应用及进展

针对粘性土的微结构研究多根据电镜结果进行分析。李森林等在上世纪90年代利用扫描电子显微镜和投射电镜对土样拍照观察，各自提出了膨胀土微结构的分类。高国瑞对粘土颗粒的矿物成分开展能谱分析（EDX），结合扫描电镜观察，将膨胀土的强弱进行了归类，但上述研究的微观结构土样为切片，其尺寸太小且扰动较大。而环境扫描技术（ESEM）的发展为研究原状土体的微观结构提供了方便，该技术无需切片，可在接近大气压和天然含水率条件下观察试样。方祥位利用该技术研究了Q2黄土的微观结构，并按照接触形式定性地分为4类。

定量化方面，Tovey、吴义祥等最初将图像处理技术与SEM及TEM中获取的图像连接起来，获取了粘性土体的微观结构单元特性和空间排列的定量信息。随后，胡瑞林由电子显微图片确定了描述粘性土变形过程中的粒度分维、孔径分维、粒径和连通率等指标。刘志斌等则定量研究了膨胀土内部的孔隙等细微观结构特征。为探究粘土颗粒与石灰间的作用机理，施斌等将石灰处理前后的土样分别进行了SEM分析，并利用EDX技术分析了颗粒连接点处的化学成分。

虽然众多国内外学者在利用上述电镜技术研究非饱和粘性土的细微观结构方面取得了丰硕成果，但粘性土微结构量化的测定技术仍需突破，当前的细微观结构检测手段无法解决结构联结与形态要素之间的分析问题。

4 宏细观尺度上电镜技术应用及进展

在宏细观研究中，Romero等利用环境扫描电子显微镜探索了土体的保水特性、渗透性以及沿不同水力—机械路径的宏观和细观结构相互作用的基本特性。但该尺度主要以CT技术为主，如陈正汉等分析了粘性土试样在加载条件下干湿循环的CT试验。唐朝生等借助激光扫描仪、分布式光纤和电阻成像技术等对膨胀土的龟裂过程展开了研究。胡东旭等采用德国西门子公司生产的SOMATOM Sensation 40 CT机对试样进行薄层扫描，每层为0.63mm，由预处理和矩阵构造法通过Matlab对CT图像进行三维重建以提高图像质量，直观地观察了土体内部裂隙的发育过程和纹理特征。然而，上述研究以捕捉实验过程中的微观结构与宏观现象对应的实时图像为主，缺乏定量化联系。

基于此，Zhang等采用CT层析成像技术研究了澳大利亚红色铁溶胶土和黑土的微观结构，通过体积平均法建立孔隙尺度模型最终计算出有效扩散系数。随后Li等同样基于现场X射线CT测试结果有效模拟了水泥浆体内部各相的形态和分布，建立了三维细观有限元模型。

5 存在的主要问题

基于上述研究现状，当前利用电镜技术所开展的粘性土研究主要存在以下几方面问题：

（1）纳观层次的电镜研究不够深入

迄今为止，研究者大多利用AFM探测技术分析了粘土矿物的晶体结构和表面形貌，未能有效考虑由于层间含水量、层间阳离子含量及种类、电荷密度等因素下晶层体系的静电力、范德华力等非键合作用引起的滑移机制。

（2）细微观结构的量化未取得根本性突破

由于粘性土自身结构的复杂特性，其定量研究工作正处于瓶颈阶段。现有的SEM、TEM、ESEM、图像处理技术等无法解决结构联结与形态要素间的联合测试与分析问题，故而亟需加快细微结构量化的测定技术的创新，以脱离形态学范畴的束缚。

（3）多尺度耦合机制不明确

当前针对不同尺度的研究采用不用的电镜测试方法，如纳观尺度上采用AFM检测，细微观尺度上进行SEM、TEM、ESEM和EDX分析，宏细观层面利用CT技术扫描，但目前尚未从跨尺度的角度出发建立四个尺度上电镜结果的内在关联，以实现从纳观至宏观的耦合。

6 研究展望

从现有的成果来看，一方面，对于粘性土的电镜研究大多处于定性描述层次，缺乏定量的计算分析，因此发展扫描电镜的实时检测及识别剔选技术是未来开展粘性土体细微观跨尺度机制分析的重要发展方向。另一方面，通过对土样变形和破坏状况的精细化识别及定量表征，以从跨尺度角度出发建立各个尺度间电镜结果的内在关联，将是认知粘性土损伤机制的重要途径。

7 参考文献

[1] 陈正汉,郭楠.非饱和土与特殊土力学及工程应用研究的新进展[J].岩土力学,2019,40(01):1-54.

[2] Gordon A V, Henderson C S, Fawcett J J, et al. Structural relaxation of the chlorite surface imaged by the atomic force microscope. Ameriacan Mineralogist, 1994, 79:107~112.

[3] Gan H , Bailey G W , Yu Y S . Morphology of lead(II) and chromium(III) reaction products on phyllosilicate surfaces as determined by atomic force microscopy[J]. Clays & Clay Minerals, 1996, 44(6):734-743.

[4] 哈特.,H, 张新安. 用原子力显微镜获得粘土矿物表面分子级的图像[J]. 地质科技动态, 1992, 000(006):29-33.

[5] 刘汉燚. 利用原子力显微镜研究蒙脱石颗粒聚集和颗粒间相互作用[D].

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