本文是一篇土木工程论文，本文主要基于伊利石土开展相关研究，在诱导出伊利石土的疏水性后对其水力特性、强度特性、微观结构等进行了研究分析。
第一章 绪论
1.1 研究意义
伊利石广泛存在于自然界中，是最主要的黏土矿物之一。在亚洲黄土中，主要含有伊利石、蒙脱石、高岭石等黏土矿物，其中伊利石含量通常>65%，最高可达78%[1]。以西北地区兰州黄土为例，通过对其进行衍射分析，发现矿物组成中，伊利石矿物和伊-蒙混层矿物占比高达76%；在泥岩和页岩中，黏土矿物中主要富含伊利石和蒙脱石，而其中主要以伊利石为主；在膨胀土中，黏土矿物成分主要为蒙脱石和伊利石，同样会主控膨胀土的吸水性，并导致膨胀土显著的膨胀软化；乾安盐渍土中，伊利石仍是主要的黏土矿物，含量高于高岭石、绿泥石等。
黄土、泥岩等特殊土由于亲水性会引发众多地质及工程安全危害。黄土边坡表层土一般处于非饱和状态，在降雨入渗的情况下，湿润锋会因为雨水入渗而不断下移，提高土体的含水量和饱和度，降低基质吸力，破坏黄土的原有结构，使得土体产生湿陷变形，强度及稳定性大幅降低，最终使得发生滑坡破坏的机率显著增大[2]。泥岩为黏土岩的一种，在降雨等水分条件下会发生崩解、泥化等破坏，最终导致承载力等物理力学性质的降低[3-4]。页岩和泥岩性质相似，主要成分均为黏土，也容易在湿润环境下发生泥化破坏，并由此引发滑坡及地层滑移灾害[5]。膨胀土随着含水率变化会产生变形及裂隙演化，最终以阶段式破坏形式发生失稳破坏[6]。细粒盐渍土多属于粉质黏土，在降雨条件下盐渍土边坡强度会显著降低，除此之外，对于地基而言，水分会携带易溶盐渗入土体内部孔隙，导致溶陷破坏的发生[7]。以上特殊土中均富含伊利石等黏土矿物，由于黏土矿物具有极强的亲水性，在水分入渗引起的土体破坏中起到了重要作用。因此，伊利石矿物的疏水改性技术及改性机理，有助于在相同环境下减少水分入渗，进而提高土体的抗水分侵蚀能力。
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1.2 国内外研究现状
近年来，在黏土矿物疏水改性以及疏水土的水力特性和强度特性方面，众多国内外学者展开了相应的研究，相关研究如下：
1.2.1 黏土矿物疏水改性方式研究
在黏土矿物疏水改性方式的研究方面，主要可以分为化学改性、物理包覆改性和生物方式改性[8]。在化学改性方面，偶联剂、羧酸类官能团聚合物等是学者们通常采用的方式，刘新海等[9]采用钛酸酯偶联剂、脂肪酸以及三乙醇胺对伊利石粉末进行改性试验，并通过座滴法测量改性后的水滴接触角，结果表明改性伊利石粉的接触角增大，具有很强的疏水性。Qu等[10]以高岭土为主要原料，采用硬脂酸通过酯化反应来改性高岭土颗粒形成的低表面能膜来制备超疏水材料，最终得其水滴接触角为159°，符合超疏水标准。Khandelwal11]等采用硅烷来改性处理蒙脱土，经接触角试验发现改性后的蒙脱土的接触角变大，其膨胀指数也大幅降低，且在膨胀率试验过程中，改性蒙脱土的水溶液要清澈很多，表明了改性蒙脱土对水的亲和力降低。在物理包覆改性方面，学者们主要采用脂肪酸类、有机胺类、聚合物疏水剂等进行改性，张增志等[12]采用十二烷基苯磺酸钠来改性黏土，并将改性后的黏土作为保护层铺设在沙土表面，结果表明保水透气效果良好。黄缓缓[13]在对比不同疏水剂后，发现苄基三甲基氯化铵对高岭石及蒙脱石接触角的影响最大，即疏水性最强。谢刚[14]以胺类化合物作为插层抑制剂，通过插层技术研究了其对黏土矿物表面水化的抑制，结果表明最终形成的插层复合物十分稳定，且能通过置换作用、亲水基团与疏水链间的协同作用极大的抑制黏土矿物表面水化。汪涛等[15]对比不同疏水剂后发现，硅油主要通过与高岭土表面的金属离子发生物理吸附反应来降低表面自由能，增强了疏水性，使得高岭土表面由亲水性变成亲油性。生物方式改性主要包括酶类改性和微生物改性，陈湘亮[16]通过泰然酶改性软土，发现泰然酶可以提升试样抗崩解能力，但降低了无侧限抗压强度。
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第二章 不同疏水剂的改性效果评价
2.1 试验材料
2.1.1 土壤选择
试验所用土壤均为伊利石土，购买自河北省石家庄市灵寿县捷贵矿产品有限公司，粒径为325目，与常规黄土中伊利石矿物的粒径接近。
表2.1反映了伊利石土的主要化学成分及含量，其中Si和Al元素的含量极高，表明了伊利石主要结构为硅氧四面体和铝氧八面体。其他元素中以钾离子居多，说明该伊利石的层间阳离子多为钾离子。
表2.2~2.3表示了通过XRD衍射分析试验所得到的伊利石土中各类矿物的含量。可以看出，伊利石土中黏土矿物含量为41.2%，其中伊利石矿物的含量占比最高，为77.2%。
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2.2 疏水改性土样制备
2.2.1 KH570改性土样制备
KH570水解得到的产物硅醇是KH570疏水效果的主要来源，但KH570的正常水解速度非常缓慢。经过众多学者试验，发现将乙醇和去离子水单独作为水解介质时，水解效率极低，因此需要将乙醇与去离子水混合以加快水解速度。李建强等[72]对不同配比下的KH570水解速率进行了测试，发现当KH570、乙醇和去离子水的质量比为1:10:1时水解时间最短，且随水解时间的延长，电导率变化幅度最小。因此，基于该试验结果，将KH570、乙醇与去离子水按质量比1:10:1进行水解，并在溶剂瓶开口处覆盖防水膜，防止乙醇在空气中挥发，之后将其置于避光处，每隔一段时间用电导率仪测试其电导率，当电导率达到平衡时即表明水解完成。
图2.2表示了KH570在醇水溶液中水解时的电导率，可以看到，随着试验时间的增加，KH570水解时的电导率也在增加，在20h的时候电导率达到最大值27.8，并在之后缓慢降低，变化幅度很小，可以说明此时水解达到了平衡状态。因此，在试验中将20h时获得的水解液作为最佳改性溶液，于试验中使用。将配置好的KH570水解液按照1%，1.5%，2%，2.5%，3%的质量比（水解液与干土质量之比）添加到干燥完成的伊利石土中，搅拌均匀后放置于避光处风干24h，风干结束后过0.75mm筛，并装入密封袋中备用。
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第三章 疏水改性伊利石土水力特性研究 ..................... 19
3.1 疏水改性伊利石土疏水性-含水率响应关系 ..................... 19
3.1.1 试样制备 ..................................... 19
3.1.2 试验结果分析 ................................ 20
第四章 疏水改性伊利石土强度特性研究 ........................... 41
4.1 试验方法 ..................................... 41
4.1.1 直剪试验方法 .................................. 41
4.1.2 水稳试验方法 .................................. 42
第五章 疏水改性作用的微观机理研究 ................................. 61
5.1 SEM微观表征研究................................ 61
5.1.1 试验方法 ...................................... 61
5.1.2 孔隙定量分析 ................................ 62
第五章 疏水改性作用的微观机理研究
5.1 SEM微观表征研究
5.1.1 试验方法
在进行微观电镜扫描时，所测试样需保持干燥状态，而处于干燥状态时WH试样与HW试样具有相同的疏水效果，两者之间未存在明显差异，因此仅采用HW试样进行微观结构表征试验。
在选取疏水试样时，由于3%掺量疏水试样已表现出了很好的疏水效果，因此选用3%掺量疏水试样与最大掺量的5%疏水试样进行微观试验。微观电镜扫描试验采用SU8200扫描电子显微镜进行，电压为5kV。试样在经过60°C低温烘干后，取内部5mm左右的新鲜块状样品，并保证表面平整，之后将试样粘贴到导电胶带上，同时进行喷金处理，将处理完成的试样分别在1000倍和2000倍的倍数下进行电镜微观扫描。
由图5.1可以看出，未改性伊利石土中存在着明显的片状结构，各层之间通过堆叠的形式排列，颗粒之间多以点对点的接触形式进行联结，从而使得颗粒之间存在了较多孔隙，且孔隙具有较好的连通性。大颗粒之上附着着许多微小颗粒，使得表面看起来较为粗糙。在掺加了疏水剂之后，土样颗粒之间的接触略显紧密，但仍然存在着较多孔隙；颗粒表面附着的微小颗粒有所减少，这是因为PDMS在掺加后包裹了土样颗粒，从而使得表面看起来略显光滑，但整体上与未改性试样相比，变化不明显。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
本文主要基于伊利石土开展相关研究，在诱导出伊利石土的疏水性后对其水力特性、强度特性、微观结构等进行了研究分析，主要结论如下：
（1）PDMS改性伊利石土具有极强的疏水效果，在3%掺量下表观接触角大于120°，1%掺量下滴水渗透时间大于3600s，酒精入渗浓度超过36%，表现为极端疏水，效果优于KH570、生桐油和熟桐油，并且疏水性随时间变化具有时效稳定性。
（2）对两种不同初始状态下的试样进行疏水性与含水率研究，发现HW试样疏水性与含水率之间存在单峰响应关系，并存在亲-疏水性转变的临界含水率点。对排斥系数R所定义的临界值进行研究，结果表明排斥系数临界值也可用来描述伊利石土，拓宽了排斥系数R的应用范围。WH试样疏水性随含水率升高而快速下降，并在5%含水率时达到亲-疏水性临界值。
（3）饱和渗透试验表明，HW试样与WH试样均具有低于未改性试样的饱和度和饱和渗透系数，并随着疏水剂掺量的增加而逐渐降低，其中HW试样降幅显著高于WH试样，这说明疏水剂会影响伊利石土的渗透特性，并通过建立两类试样的进水机制解释了土样初始状态不同导致的不同程度影响，初始干燥疏水伊利石土包裹干燥土壤颗粒，相较包裹湿润土壤颗粒的初始湿润疏水伊利石土具有更少的孔隙水含量。
（4）土水特征试验结果及相关模型参数表明，两类试样同一含水率下基质吸力均低于未改性试样，整体仍然符合土水特征曲线的三阶段特征。疏水剂对HW试样的进气值未产生显著影响，但降低了试样的持水性。WH试样进气值随疏水剂掺量增加而增加，试样持水性也高于未改性试样。失水曲线佐证了两类试样存在的持水性差异，高相对湿度环境下HW试样前期失水更快，最终保有水量低于未改性试样；WH试样前期失水较慢，最终保有水量升高。在低相对湿度环境下，疏水性对试样失水能力的影响程度弱于环境湿度。
参考文献（略）