重塑高岭石与伊利石-蒙脱石混层黏土的一维压缩孔隙结构响应机制研究

　　本研究针对黏土宏观变形与微观孔隙结构的关联机制，通过一维（1D）压缩试验结合多尺度表征技术（MIP、N2 GA、SAXS等），系统揭示了高岭石与伊利石-蒙脱石混层黏土在压缩过程中孔隙结构的演化规律。研究发现两类黏土的孔隙坍塌机制存在显著差异：高岭石表现为有序大孔隙渐进坍塌，而混层黏土呈现整体性孔隙压缩。研究首次建立了孔隙率与压缩性参数的数学关系，并量化了压缩诱导的孔隙各向异性，为黏土本构模型开发提供了关键微观依据。

　　

黏土作为地质工程和环境岩土工程中的关键材料，其宏观力学行为与微观孔隙结构的关联一直是研究热点。尽管前人通过汞侵入孔隙测定法(MIP)证实一维(1D)压缩下黏土的体积变化主要源于聚集体间孔隙坍塌，但关于聚集体内孔隙（包括颗粒间孔隙和层间孔隙）是否参与变形仍存在争议。例如，Zheng和Baudet(2024)通过氮气吸附(N₂
GA)发现伊利石主导黏土的聚集体内孔隙也会压缩，这与传统认知形成鲜明对比。更棘手的是，现有技术如MIP在纳米级孔隙检测中存在局限，且缺乏对孔隙形态与取向演化的定量描述，导致黏土压缩的微观机制仍存在认知空白。

为破解这些难题，由中国国家自然科学基金资助的研究团队以重塑高岭石和意大利Lucera黏土（富含伊利石-蒙脱石混层）为对象，开展了系统的多尺度研究。通过标准固结试验结合MIP、N₂
GA、小角X射线散射(SAXS)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等技术，首次实现了从纳米到微米尺度的孔隙结构全谱表征。研究特别关注了孔隙参数与压缩性的定量关系，并创新性地采用图像处理技术量化了孔隙各向异性演化。

关键技术方法
研究采用标准固结仪进行1D压缩试验，应力范围5-1000 kPa。通过MIP检测0.006-400 μm孔隙，N₂
GA分析0.35-300 nm孔隙，SAXS解析1-100 nm尺度结构。SEM/TEM获取二维/三维孔隙形貌，结合ImageJ软件定量分析20组图像中的孔隙取向与形态参数。

研究结果
1D压缩行为
高岭石的压缩指数(C_c
)=0.38，膨胀指数(C_s
)=0.08；Lucera黏土C_c
=0.72，C_s
=0.15。两类黏土的压缩曲线差异显著，预示其微观机制不同。

孔隙结构响应
高岭石表现为选择性大孔隙(>1 μm)有序坍塌，而Lucera黏土呈现整体性孔隙压缩。MIP显示两者聚集体间孔隙(>0.1 μm)均显著减少，但N₂
GA证实仅Lucera黏土的颗粒间孔隙(2-50 nm)同步压缩，层间孔隙保持稳定。SAXS进一步揭示Lucera黏土的层状结构在压缩中发生重排。

孔隙形态与取向
图像分析显示：垂直面的孔隙纵横比随压力增加而降低，水平面则相反。定量指标证实压缩诱导的孔隙各向异性呈渐进增强趋势，这与黏土颗粒定向排列的观测结果一致。

研究结论与意义
该研究首次阐明了两类黏土截然不同的孔隙坍塌机制：高岭石的"选择性坍塌"源于其刚性片状结构，而Lucera黏土的"整体压缩"与其混层矿物的柔性和膨胀性相关。建立的孔隙率-压缩性数学模型显示，高岭石的孔隙率与压缩指数呈负相关，Lucera黏土则呈正相关，这一发现为黏土本构关系提供了新的微观解释。

通过创新性地整合多尺度表征技术，研究不仅证实聚集体内孔隙可参与压缩变形（修正了传统认知），还首次量化了压缩过程中的孔隙各向异性演化规律。这些成果不仅填补了黏土微观孔隙数据库的空白，更为地质灾害预测、核废料处置库设计等工程实践提供了理论支撑。正如作者指出，未来研究可基于此开发考虑孔隙形态演化的新型本构模型，推动岩土力学向更精细的"孔隙工程"方向发展。论文发表于《Applied Clay Science》，为黏土微观力学研究树立了多尺度方法学范式。