0.   引言

土体由于失水收缩常会在表面形成裂隙网络，裂隙的形成会使得土体的水理、力学性质发生极大的变化。研究表明，土体开裂后强度会显著下降^[1]，引起各类工程问题^[2-3]。裂隙网络的形成还会影响土体的渗透性能^[4]，促进土体中的水分蒸发和污染物的迁移^[5-6]，造成工程、农业和环境上的巨大危害。

近年来，生物炭作为一种可持续材料对土体干缩开裂的影响逐渐被岩土、环境和农业领域的学者们所关注。它是有机生物质在限氧或缺氧环境中经一定温度、时间热解形成的富碳固态物质^[7]，具有比表面积大、离子交换能力强、低密度、高孔隙和高稳定性等特点^[8]。以往研究表明，生物炭会抑制土体的裂隙发育，且生物炭掺量越高，抑制开裂的效果越明显。Zong等^[9]首先探究了在6%掺量下不同生物炭（麦秸、木片以及废水污泥生物炭）对黏土泥浆样干缩开裂的影响，结果发现不同生物炭均能使土体的收缩性能降低，开裂情况也明显改善。Gopal等^[10]则发现了水葫芦生物炭以越高的掺量加入砂黏土混合物压实样后，对土体干缩开裂的抑制效果也越明显。Bordoloi等^[11]在探究不同掺量水葫芦生物炭对压实土壤开裂的影响时，也得到了类似的结果。Kumar等^[12]则进一步研究了干湿循环条件下生物炭对粉土干缩开裂的影响，生物炭由于其强吸水性，在干湿循环过程中能更好抑制土体新裂隙的产生。Lu等^[13]对生物炭抑制土体开裂的原因进行详细分析，结果发现生物炭会通过增加土体的接触角，降低基质吸力，占据土体的收缩空间和增强土颗粒之间的排斥力来限制土体的收缩。但总体来说，目前的研究主要集中在普通黏性土、粉土等，作为具有特殊工程性质的下蜀土和红黏土，相关研究却很少涉及。由于这些特殊土体在中国广泛分布，且与人类工程活动密切相关，因此掌握生物炭对这些土体干缩开裂特性影响，进而指导生物炭在不同地区的使用很有必要。

因此，本文分别选取了南京市下蜀土与中山市红黏土作为研究对象，通过开展室内干缩开裂试验，利用数字图像处理技术，分析生物炭对两种特殊土体干缩开裂特性的影响，并结合微观结构试验及液塑限试验结果阐释其影响机理，为以后生物炭的应用提供一定的理论依据。

1.   材料和方法

1.1   土样和生物炭

本次试验所用土体为南京市下蜀土（XS）与中山市红黏土（RS），下蜀土非黏土矿物以石英和长石为主，黏土矿物成分以伊利石为主，其次为高岭石、蛭石，蒙脱石较少，红黏土中非黏土矿物以石英为主，黏土矿物则主要为高岭石，有少量伊利石，土体各项基本物理参数见表 1。试验所用生物炭购自青岛贝尔卡环境生物工程有限公司，是由原木在500℃缺氧条件下热解5 h得到的，其基本物理化学性质见表 2。将两种土样和生物炭磨碎后通过0.25 mm筛子，分别将过筛后的土体和生物炭置于105℃及60℃的烘箱内烘干24 h及48 h，除去土样和生物炭的水分，密封保存。

表  1  土体基本物理参数

Table  1.  Basic physical parameters of soils

土体	土粒相对质量密度Gs	塑限wP/%	液限wL/%	塑性指数IP	颗粒成分含量/%
					砂粒（2~0.074 mm）	粉粒（0.074~0.005 mm）	黏粒（< 0.005 mm）
下蜀土	2.72	18.8	36.2	17.4	6.3	69.5	24.2
红黏土	2.74	25.3	50.2	24.9	46.9	28.2	24.9

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表  2  木质生物炭基本物理化学参数

Table  2.  Basic physical and chemical parameters of wood biochar

生物质	热解温度/℃	热解时间/h	灰分含量/%	pH值	比表面积/(m2·g-1)	密度/(g·cm-3)
木质	500	5	28.26	10.28	51.7	0.47

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1.2   干缩开裂试验

为充分探究生物炭自身对不同土体开裂特性的影响，避免试样不均匀性对土样开裂的影响，本次试验所采用试样为过饱和泥浆样^[14-17]，使用20 cm×20 cm ×4 cm的亚克力容器进行试样制备。依据前人的研究结果^{[11, 13]}，并进一步考虑了生物炭后续的实际应用，将生物炭掺量确定为0%，1%，3%，5%，10%（即0，0.01，0.03，0.05，0.1 kg/kg）。将生物炭以规定的干燥质量比例加入至下蜀土和红黏土中，制备初始含水率为80%的过饱和泥浆样（1.5~2.5）w_L。使用机器搅拌30 min，确保生物炭和土颗粒充分混合。将准备好的样品放在密闭容器中静置48 h，使土体与生物炭充分被水饱和。将样品倒入亚克力容器之前，再次搅拌泥浆10 min使之均匀，倒入容器后控制泥浆厚度为1 cm。试样编号根据土的类型和生物炭掺量进行命名（见表 3），例如XS1表示下蜀土与0.01 kg/kg比例的生物炭混合，每种试样制备两个平行样。将样品置于25℃、40%±2%的恒温恒湿环境下使之蒸发干燥，定期使用高精度电子天平和高清数码相机记录样品质量和裂隙发育过程，至试样质量在2 h内变化不超过0.01g试验结束。

表  3  试样编号及相关参数

Table  3.  Number of samples and related parameters

土样类型	试样编号	生物炭掺量/(kg·kg-1)	初始含水率/%
下蜀土	XS0	0	80
	XS1	0.01
	XS3	0.03
	XS5	0.05
	XS10	0.10
红黏土	RS0	0	80
	RS1	0.01
	RS3	0.03
	RS5	0.05
	RS10	0.10

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1.3   裂隙图像分析方法

本次分析使用自主开发的NJU-CIAS系统对裂隙图像进行定量分析。为消除容器边界效应对裂隙网络定量化分析的影响，正式分析仅使用裂隙图像的中间部分（18 cm×18 cm）进行分析。如图 1所示，将原始图像依次进行灰度化、二值化、去噪、骨架化、裂隙识别等步骤后，获得裂隙比、总裂隙长度、平均裂隙宽度等相关参数的定量结果^{[1, 18]}。裂隙比定义为样品表面裂隙面积与总表面积的比值，反映样品的开裂程度。总裂隙长度和平均裂隙宽度是指所有裂隙的总裂隙长度及平均宽度。

图  1  裂隙图像处理示意图

Figure  1.  Schematic diagram of crack image processing

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1.4   微观结构分析

试验结束后，对干缩开裂试验结束后生物炭掺量为0，0.03，0.1 kg/kg的下蜀土和红黏土的干燥样品进行取样，取样尺寸为0.5 cm×0.5 cm×2 cm。使用液氮对选取样品进行冷冻，并利用冷冻干燥机（SCIENTZ-18N，新芝）抽真空预处理，通过扫描电子显微镜获取冻干试样放大100倍下的微观结构图像。

2.   试验结果与分析

2.1   最终裂隙形态及其定量分析

图 2给出了不同生物炭改性土体试样最终裂隙的二值化图像（18 cm×18 cm）。可以发现，下蜀土裂隙发育密集，存在明显的主次裂隙（主裂隙相对较宽）；相对平直、平滑和连续的裂隙段相互垂直，形成了“T”形或“+”型交叉，将土块分割为四边形或五边形的形状；裂隙网络呈现非常好的裂隙连接，只能观察到少量的死端裂隙。生物炭改性下蜀土试样土块依然被裂隙切割为四边形或五边形，裂隙的交叉方式也无明显变化。随着生物炭含量的增加，土体裂隙发育得到抑制，裂隙宽度随着生物炭掺量的增大也明显变窄。红黏土发育的裂隙多呈60°或120°交叉，形成“Y”字型裂隙；裂隙网络连接性差，死端裂隙较多。随着生物炭掺量的增加，红黏土裂隙发育整体呈现先增大后减小的趋势，裂隙宽度有明显的增加。

图  2  生物炭改性土体试样最终裂隙图像

Figure  2.  Final crack images of biochar-amended soil samples

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使用CIAS对干燥结束时获得的每个试样裂隙网络进行定量分析，得到了裂隙比、总裂隙长度和平均裂隙宽度等参数（图 3）。

图  3  稳定后的裂隙参数

Figure  3.  Crack parameters after drying

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由图 3可知，生物炭对不同土体稳定裂隙参数的影响显著不同。生物炭可抑制下蜀土的裂隙发育，且抑制效果随着掺量的增大有明显增大。裂隙比明显下降，在0.1 kg/kg掺量时下降了32.2%（图 3（a）），总裂隙长度则无明显变化（图 3（b）），平均裂隙宽度则随着生物炭掺量增大而明显降低（图 3（c）），降幅最高可达22.2%。这表明生物炭会诱使下蜀土产生更多的细窄裂隙，进而抑制土体的干缩开裂。

生物炭改性红黏土的裂隙定量参数则表现为与下蜀土完全不同的情况。生物炭促使红黏土的裂隙比呈现随着掺量的增大而增大的趋势（图 3（d）），最高可达80.4%，这是因为生物炭使总裂隙长度（图 3（e））和平均裂隙宽度（图 3（f））都有明显的增大。但值得注意的是，生物炭掺量越高，总裂隙长度和平均裂隙宽度的变化趋势却不相同。总裂隙长度呈现先增大后减小的趋势（图 3（e）），在0.01 kg/kg时达到最大（377.48 cm）。土体的平均裂隙宽度则越来越大，生物炭掺量为0.1 kg/kg时，宽度增大了76%（图 3（f））。

可以看到，生物炭对不同土体的最终裂隙形态影响有显著不同，这与土体裂隙发育过程中生物炭产生的作用密切相关。

2.2   裂隙发育过程分析

生物炭改性土和素土试样的裂隙比-含水率典型关系曲线和相应的裂隙形态见图 4，5。

图  4  生物炭改性下蜀土与素土裂隙比-含水率典型关系曲线

Figure  4.  Typical relationship curves of crack ratio-water content between biochar-amended Xiashu soil and plain soil

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图  5  生物炭改性红黏土与素土裂隙比-含水率典型关系曲线

Figure  5.  Typical relationship curves of crack ratio-water content between biochar-amended red clay and plain soil

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对于下蜀土，在裂隙发育的早期阶段，生物炭的加入明显促进了裂隙的发展（图 4），这种趋势随着裂隙的进一步发育发生了显著改变，在后期阶段（约27%含水率后），XS10裂隙比的增加速率有所减缓，这是由于生物炭的加入使得次级裂隙的发育周期有所延长^[13]。当裂隙加宽的过程中，生物炭同样可以显著抑制下蜀土裂隙的宽度。

观察红黏土裂隙发育曲线（图 5），生物炭的加入对裂隙比的增长速率无明显影响，但却大大提高了土体的开裂含水率，使得土体开裂的过程变长。在关系曲线上即表现为在同一含水率下，素土的裂隙比始终低于生物炭改性土试样。通过裂隙发育图像发现，生物炭的加入促进了裂隙发育，裂隙在多个点位同时发育，裂隙宽度也明显更大。

2.3   微观结构分析

图 6列出了两种生物炭改性土体在放大100倍下的SEM照片。对于下蜀土试样，下蜀土颗粒较小，相互之间联系相对紧密，表面有一定孔隙（图 6（a））。生物炭颗粒很好地起到了填充孔隙的作用（图 6（b），（c）），但生物炭颗粒和土颗粒的接触并不紧密（图 6（c））。而从未掺入生物炭的红黏土试样微观图像则可以观察到明显的片状黏土颗粒，颗粒相对下蜀土更大，孔隙较多，结构较为疏松（图 6（d））。加入的生物炭依附在土颗粒上，起到填充孔隙的作用，多孔结构和颗粒边缘不明显（图 6（e），（f））。

图  6  生物炭改性土微观图像

Figure  6.  Microscopic images of biochar-amended soil

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3.   讨论

土体开裂是一个先吸水膨胀后收缩的过程，内部因素（如黏粒含量、矿物成分、样品大小与厚度、含水率等）和外部因素（如环境温度、干湿循环、边界条件等）均能对干缩开裂产生影响^[19-24]。控制外部环境相同的情况下，土体胀缩性是影响土体开裂的关键指标。土体膨胀是黏土矿物吸水形成水化膜发生膨胀的过程，而失水收缩则是土体水化膜厚度减小，土颗粒逐渐靠拢，孔隙不断减小的过程^[25]。一般来说，土体的膨胀性可以由塑性指数来反映^[26-27]，土体的收缩性则取决于土体水化膜的厚度以及孔隙的情况^[25]。

进一步开展了生物炭对不同土体液塑限影响的试验，发现不同土体液塑限对生物炭的掺入具有不同的响应（图 7）。生物炭对下蜀土的液塑限均起到促进作用，塑性指数无影响。红黏土中生物炭的加入则增大了液限，降低了其塑限，塑性指数随着掺量的增大而增大。

图  7  生物炭对不同土体液塑限的影响

Figure  7.  Influences of biochar on liquid limit and plastic limit of different soils

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这是由不同土体黏土矿物成分、含量不同以及生物炭与土颗粒之间的不同接触关系所导致的。下蜀土所含黏土矿物多为伊利石、蛭石与高岭石，蒙脱石较少^[28]，有一定的膨胀性，颗粒较小（图 6（a））。对于下蜀土来说，生物炭的加入使得土体的塑性指数并未发生变化，这说明土体膨胀性没有受到影响。在收缩过程中，土体抗拉强度的降低^[29]以及液限的增大使得土体的开裂含水率有少量增大。因此，在裂隙发育初期，生物炭的加入促使土体开裂更加明显（图 4）。待发育进入后期，土颗粒间孔隙不断减小，生物炭作为非塑性材料占据土体孔隙的作用开始显现，这抑制了土体的收缩性（图 8（a）），土体裂隙发育速度开始变缓（图 4）。待裂隙发育完全后，裂隙宽度降低，下蜀土的裂隙发育也得到抑制。

图  8  生物炭改性土可收缩空间变化机理示意图

Figure  8.  Schematic diagram of shrinkable spatial change mechanism of biochar-amended soils

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红黏土中高岭石含量高，含少量伊利石^[30]，膨胀性弱，本身水化膜厚度不大，且颗粒较大（图 6（d））。生物炭作为强吸水性材料依附在土颗粒上，进一步增大了土体的水化膜厚度（图 8（b）），这使得土体的塑性指数增大了。塑性指数的增大说明改性红黏土的膨胀性增强了，因此生物炭的添加使得红黏土在吸水时发生更加明显的体积膨胀。在干缩过程中，液限的增大促使土体在更高的含水率发生开裂，开裂的含水率区间也有所增大（图 5）。尽管生物炭仍然起到占据收缩空间的作用，但这一作用相对膨胀性增大并不显著（图 8（b）），土体的可收缩变形空间也因此增大。在裂隙发育完全后，红黏土的裂隙宽度明显增大，生物炭改性红黏土的裂隙发育情况也因此始终强于未掺入生物炭的红黏土。

因此，生物炭对不同土体干缩开裂特性的影响因土体的不同而存在差异。对于下蜀土等亲水性矿物较多、结构较为致密的土体，生物炭对于土体的水化膜厚度影响不大，此时其作为非塑性材料占据收缩变形空间来抑制土体发育。对于红黏土等非亲水矿物较多、结构松散的土体来说，生物炭则通过增大土颗粒水化膜厚度促进土体的膨胀，尽管生物炭在干缩过程中仍然起到占据收缩空间的作用，但土体整体可收缩变形空间依然有明显增大，这促进土体的开裂。因此在使用生物炭改良土体的开裂特性时，需要评估土体初始性质的影响。

4.   结论

本文选用下蜀土和红黏土作为试验对象，探究生物炭掺量对土体干缩开裂特性的影响。结合干燥试样的扫描电子显微镜图像和液塑限试验分析结果，揭示生物炭的作用机理，主要得到以下3点结论。

（1）生物炭会明显影响两种土体的干缩开裂特性。生物炭对下蜀土开裂起抑制效果，裂隙比和平均裂隙宽度随着生物炭掺量的增大越来越低。生物炭使得红黏土的裂隙比、平均裂隙宽度及总裂隙长度都有明显的增长，且掺量越多，促进作用越明显。

（2）生物炭对两种土体的裂隙发育曲线影响有明显不同。生物炭加快下蜀土裂隙发育初期的速度，但降低了后期裂隙发育速度并抑制开裂；增大了红黏土的开裂含水率与开裂发育的含水率区间，促进了红黏土的裂隙发育。

（3）生物炭通过两种方式影响土体干缩开裂，一方面是作为非塑性材料占据土体可收缩空间；另一方面是影响土体颗粒的水化膜厚度进而影响土体的膨胀性。不同生物炭改性土体的开裂特性的不同取决于两种作用方式的相对强弱。