于 策 李 旭 吴永康 魏少伟 蔡德钩

(①北京交通大学城市地下工程教育部重点试验室，北京 100044，中国)(②中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081，中国)

0 引 言

道路的冻胀、翻浆冒泥等病害在我国是较为常见的。一方面，我国寒区道路分布广泛，据统计有75%的交通线路位于季节冻土区和短时冻土区。在季节冻融作用下，土体的物理、水理、力学性质非常容易发生变化，导致地基土体的强度降低，使得通过这些地区的列车与周围环境的矛盾更加严重，对道路的寿命产生严重的影响，还有学者指出降水量是加速冻融侵蚀的重要因素之一(陈义民等，2008；齐吉琳等，2010；罗路广等，2020；郑海忠等，2020；赵文等，2021)；另一方面，基床翻浆冒泥是铁路线路普遍存在的病害之一，尤其在南方多雨地区，翻浆冒泥现象更为严重(王威等，2019)。造成这两种病害的根本原因是道路地基土中的水。李雨浓等(2010)指出，水分迁移致使路基含水量和湿度发生变化，对路基冻害的产生有着实质性的影响。Hermansson et al.(2005)强调了地基中水是控制道路结构发生冻胀的最具影响力的因素，同时通过试验研究了水位高度对冻土路基冻胀行为的影响。其结果表明，路面排水结构的改善以及降低地下水位高度可以显著减少冻胀。黄兴政等(2008)对铁路路基某工程实例进行分析，认为为了更好地治理和防范翻浆冒泥病害，应恰当处理路基中的水。王亚东(2000)认为在引起翻浆冒泥病害3个主要影响因素水、动荷载和土当中，处理此病害最简单快捷的方法就是解决水的问题。因此，发展路基内部水分疏干技术在解决这些病害问题中将起到至关重要的作用。

近年来，国外学者找到了一种具有毛细排水功能的毛细导水土工布H2Ri，它不但能够排出重力作用下渗的自由水，还能在非饱和条件下通过毛细作用主动吸收并排出路基土中的水分(Zhang et al.，2011)。这类具有毛细排水功能的材料在我国寒区冻胀和铁路翻浆冒泥等工程问题的整治和预防中展现出良好的应用前景。国外的一些学者使用H2Ri材料进行了试验研究。例如，Lin et al.(2017，2018)通过室内和现场试验验证了这种材料在土体中的排水功效，并研究了在地基土中堵塞、搭接等因素对该材料排水效果的影响。Zhang et al.(2014)在阿拉斯加某高速公路试验段开展了现场试验，结果显示使用毛细导水土工布后，该路段冻胀变形有所减轻。Guo et al.(2016)在控制温度和相对湿度条件下测试了这种材料的除水效果，结果表明该材料可以以较快的速率从水箱中抽排水分。Lin et al.(2019)对这种新型土工布进行了全面的实验室测试，以表征土、毛细排水土工布以及土壤-土工布相互作用的特性。Lin et al.(2022)通过数值模拟来研究毛细排水土工布的工作机制，并试图量化其在路面结构中的排水性能。

毛细导水材料本质上是利用基质吸力吸收饱和-非饱和土中的水分(Odgers et al.，2018)，孔径的大小和分布是影响其吸水排水效果的核心因素之一。鉴于我国尚缺少这种专门用于路基土体排水的毛细导水材料及相关试验研究，本文拟选择几种常见毛细导水布料作为研究对象，通过开展水中排水试验、土中排水试验、核磁共振试验以及毛细上升试验，对其排水性能和孔隙结构特征进行系统研究，旨在揭示毛细导水性能的影响机制，为寻找或生产出一种具有优良排水效果的土工材料做参考，进而探究其在我国一些含水率较高的非饱和土地区应用的可能性。

1 材料和试验方法

1.1 试验材料

本文分别选用了COOLPASS、COOLPLUS、COOLMAX、SHCOOL和普通网布5种布料进行排水性能测试，这5种布料均为市面上常见的用于制作速干衣物的材料。另外，选用了延庆粉质黏土作为土中吸排水试验的用土，其基本物理性质指标如表 1所示。

表 1 延庆粉质黏土的基本物理性质指标Table1 Basic physical properties of Yanqing silty clay

1.2 水中的排水试验

将上述的5种毛细导水材料裁剪成长度和宽度分别250mm和100mm的矩形布条，并分别放入带有刻度(250mL)的空瓶中。为使布条顺利进入瓶口，将布条沿着宽边对折两次塞入瓶底。在各瓶中装水到250mL刻度处，观察到水迅速浸润布条并从布条底端向上移动，直到整个布条全部被浸湿，暴露在空气中的布条长度约90mm。此外，设置一个没有导水布料的瓶子作为对照组。记录每天的平均温湿度，同时每隔24h拍照记录一次水位，记录连续10天瓶中水位的变化。本试验旨在通过对比瓶中水位变化速率来评估几种布料的吸排水性能差异且增加材料在非饱和土中可以通过毛细作用吸水排水的可靠度。

1.3 土中的排水试验

将上述粉质黏土调制成含水量为16.5%的湿土，放入密封袋装中养护24h。使用制样器将养护好的土压入直径61.8mm、高度20mm的环刀中，并置于真空饱和缸内进行抽真空饱和。土样饱和步骤完成后，将各土样用不透水膜封住土样上表面，避免土样上表面的水分蒸发而影响试验结果。以一个环刀土样模拟为上部土层，在底部放入裁好的圆形毛细导水布料(直径75mm，略大于环刀直径)，展开铺平，如图1所示。此外，设置一组未铺设布料的土样作为对照组。每隔24h称量一次土样的质量变化(即土中的水分的质量变化)，从而对比不同布料在土中吸排水效果的差别。

图1 试样制备完成示意图Fig.1 Sample preparation completed

1.4 核磁共振试验

本文使用核磁共振(NMR)试验对各种毛细导水材料的孔隙特征进行了研究。试验设备采用纽迈PQ001型低磁场核磁共振分析仪，如图2所示。设备永久磁体磁场强度为0.5T，属于低磁场类别，磁体温度为32℃，共振频率为12MHz+354.25768kHz。试验前，取相同面积的5种毛细导水布料通过抽真空的方法进行饱和，使布料的孔隙中充满水，然后放置到核磁共振仪器中进行测试(其中相同面积是指核磁共振试验测试模具的面积)。试验信号处理采用了该设备所配套的反演软件。

图2 核磁共振试验设备图Fig.2 Nuclear magnetic resonance test equipment diagram

在核磁共振技术中(均匀磁场中)，饱和水的单个孔道内原子的横向弛豫时间可以近似表示为(王卉等，2017)：

(1)

而对于简化成球状、柱状的孔隙结构，其比表面积与孔径的关系为(李爱芬等，2015)：

(2)

R=40T2

(3)

式中：T2为横向弛豫时间；a为几何形状因子；S为孔隙表面积；ρ2为材料的横向表面弛豫强度；V为孔隙体积；R为孔隙半径。

NMR试验可以得到各种材料横向弛豫时间与峰值强度的关系，再通过以上公式推导即可获得各毛细导水材料的孔径大小及孔隙总体积情况。

1.5 毛细上升高度测试

根据现行的《FZT01071-2008 纺织品毛细效应试验方法》对各布料开展毛细上升高度测试(斯颖，2008)。首先，将每种布料裁剪成宽度为30mm、长度为600mm的矩形布条，并在布条的下端10mm处用夹子夹住以保持试样布条垂直向下，如图3所示。布条试样的位置尽量靠近直尺以便读数。调整布条的最底端位于钢尺零刻度以下15mm处，按照规范要求在长方形水槽中加入蒸馏水，水的深度拟定为50mm，随后降低横梁架使液面位于标尺的零位(此时布条试样已经浸入水槽15mm)，开始计时。分别测量经过1min、5min、10min、20min和30min时液体芯吸高度的最大值。通过3次平行试验取均值作为试验结果。

图3 毛细上升速率测试装置示意图Fig.3 Diagram of capillary rise rate measuring device

图4 水位变化示意图Fig.4 Diagram of water level change注：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ分别为对照组、COOLMAX、COOLPASS、SHCOOL、普通网布、COOLPLUS

2 结果分析与讨论

2.1 水中的排水试验分析

图4显示了试验过程中每隔24h瓶中水位的变化过程。每日瓶中水的位置用红线作为标记。可以看出，对照试验的水瓶水位几乎没有发生变化，即在自然情况下水分的蒸发排出是极其微小的，而其他试验组中的水位均明显降低，这更加凸显了各瓶中水位变化的原因是毛细导水材料的吸排作用。尤其是从第一天到第二天可以观察到各水瓶水位下降的非常迅速，可见试验所选的毛细导水材料在水中有很好的吸排效果。

由于布料开始浸润时瓶内全是水，相对湿度(RH)可认为是100%，而外部大气相对湿度较小，这种相对湿度差会引起布料产生一定范围的吸力，吸力的大小与相对湿度的差值大小有关(Lu et al.，2012)。通过比较不同试验组可知，COOLMAX、普通网布、COOLPASS的吸排水能力更优；表现相对较弱的是SHCOOL和COOLPLUS。通过对照组及水瓶中设置毛细导水材料的试验，以每种材料的10d平均排水速率为依据(表 2)，清晰地展现了各种毛细导水材料的吸水排水能力。

表 2 各材料的10￣￣d平均排水速率Table2 10 days average drainage rate of each material

图5给出了各测试瓶内的水位变化量-时间的变化关系。各水瓶的水位变化的趋势表现出了一致性：随着时间的推移，各水瓶水位下降的速率开始逐渐减少，这是由于最开始毛细导水材料完全浸入在水中，毛细上升的距离较小，排水路径较短，所以对水的吸排效果非常明显。而随着瓶中水的大量减少，水力梯度降低，毛细上升距离增大，导水速率开始下降，即水力梯度是影响材料排水性能的一个重要因素。

图5 水位变化量-时间示意图Fig.5 Water level change-time diagram

图6给出了试验期间的相对湿度情况。由图可知，试验期间环境相对湿度在9.8%到30.1%之间波动，变化范围较大，而空气相对湿度这个因素对各种毛细导水材料试验结果的影响是一致的，所以这里以COOLMAX为案例，将其水位时程图与相对湿度记录图相结合，观察相对湿度对毛细排水布料吸排水性能的影响。

图6 水位时程-相对湿度曲线图Fig.6 Water level time history-relative humidity curve

因为随着水位的变化，毛细上升距离不断增大，所以若只考虑毛细上升距离对布料吸排水的影响，则水位时程曲线应该在下降的同时每天下降的速度也逐渐减小，即时程曲线的斜率不断增大。图6中观察到第5d到第6d空气相对湿度降低时，水位变化量比前一天还要大。这表明除了毛细上升距离，外界空气湿度对毛细导水布料的排水效果也产生了影响。当空气相对湿度较小时，由于空气水蒸气分压较低，水的蒸发速率增大。

综上所述，水中的排水试验结果显示，5种布料均表现出较明显的毛细吸排水效果。效果从高到低分别是COOLMAX、COOLPASS、普通网布、COOLPLUS及SHCOOL。试验过程中，随着水位降低，毛细上升距离增大，排水速率呈现降低趋势。另外，排水速率也受到环境相对湿度的显著影响。

2.2 土中的排水试验分析

图7 给出了每个环刀试样每隔24h的质量变化情况。从图中可以看出，相比没有放置毛细导水材料的土样，其他组土样水的蒸发量更加显著。图8展示了各土样质量累积变化情况，更加直观的显示出各种毛细导水材料在土中排水效果以及强弱关系，由强到弱依次为：普通网布、COOLPASS、COOLMAX、COOLPLUS、SHCOOL。通过计算得到试验10d后各个土样的饱和度：0.46(对照组土样)、0.43(COOLPLUS)、0.39(COOLMAX)、0.39(COOLPASS)、0.44(SHCOOL)、0.36(普通网布)。另外可以看出排水速率随着时间的增长呈现逐渐降低的趋势，这是因为土样的含水量逐渐降低，水力梯度下降导致毛细导水材料的吸排效果也逐渐减弱。

图7 土样中水的质量变化示意图Fig.7 Schematic diagram of quality changes in soil samples

图8 土样质量累积变化示意图Fig.8 Cumulative change of soil sample quality

图9 各土样中含水率降幅Fig.9 Decrease of moisture content in each soil sample

图9给出了试验10d后各土样含水量变化的结果。从土的含水量变化的角度来看，相比没有放置毛细导水材料的对照组，其他土样的含水量的降幅较为显著。5种材料中，SHCOOL和COOLPLUS两种材料的排水效果最弱；COOLPASS、COOLMAX和普通网布对土样的排水效果更佳。其中：COOLPASS、COOLMAX分别使土样含水量降低了13.30%、13.25%。效果最为理想的是普通网布材料，含水量降幅达到了13.81%，比对照土样的含水量降幅多了2.19%。需要进一步说明的是，由于试验中所采用的试样尺寸较小，土样受到比较明显的边界效应的影响。在实际工程中，随着尺度的增大，布料的排水效能将更加显著。

2.3 毛细导水材料核磁共振试验

核磁共振试验过程的射频脉冲采用CPMG序列，其优点在于可以降低磁场不均匀性对数据产生的影响。通过试验设备数据采集系统及反演软件可以得到不同毛细导水布料的弛豫时间T2与信号强度的关系曲线，如图10a所示。

图10 毛细导水材料核磁共振曲线Fig.10 NMR curve of capillary water conducting materiala.横向弛豫时间与信号强度关系；b.孔径与信号强度的关系

由NMR曲线来分析5种不同的毛细导水材料的孔径分布情况。根据核磁共振理论分析，横向弛豫时间T2反映的是布料孔径的大小，且前者越小，材料的孔径也就越小，反之则越大。图10a中显示了COOLPLUS材料和SHCOOL材料的峰位都在900ms处，COOLMAX、COOLPASS及普通吸排3种材料的峰位都在1245ms处，则前两者的孔径要比后三者的孔径小。

根据横向弛豫时间与孔径大小的关系可以得出峰值强度-孔径的关系如图10b所示，由此可以更确切的比较孔径的大小。每种材料的信号强度峰值和对应的孔径以坐标形式分别表示为：COOLMAX(53.4，113.5)；COOLPASS(53.4，94.7)；普通网布(53.4，91.6)；COOLPLUS(37.8，76.7)；SHCOOL(37.8，105.4)。

COOLMAX、COOLPASS、普通吸排3种材料平均孔径均为53.4μm，COOLPLUS、SHCOOL两者平均孔径均为37.8μm。COOLPLUS、SHCOOL材料相比COOLMAX、COOLPASS、普通吸排材料的孔径小15μm左右。按照孔径大小将COOLMAX、COOLPASS、普通吸排三者定义为大孔材料，COOLPLUS、SHCOOL两者定义为小孔材料。在毛细导水材料在土中排水试验的分析结果中，发现孔径较大的3种毛细导水材料显示出了更好的排水效果，即可以认为相比之下较大的孔径更利于毛细导水材料对于土层中水分的排出。另外，从水中吸水排水试验结果来看，COOLMAX、COOLPASS、普通网布三者的除水能力强于COOLPLUS、SHCOOL，得到了相同的规律。

横向弛豫时间T2分布曲线对应核磁信号的强弱，反映了该孔隙下水的赋存状态，T2分布曲线与横轴围成的面积为信号量，与布料孔隙中的水的多少成正比，本试验布料已充分饱和，即T2分布面积反映了布料孔隙的总体积(李爱芬等，2015)。孔隙总量越多则其单位面积的孔隙越多，也就是孔隙分布的特征为密集，相反则稀疏。所以用总信号量(T2与横轴围成的面积)可以比较各材料的孔隙总体积大小，见表 3。

表 3 各布料核磁共振试验测得的信号量Table3 Total signal quantity measured by NMR test of each material

其中COOLMAX、COOLPASS、普通吸排三者总孔隙体积相近，而SHCOOL、COOLPLUS两者总孔隙体积相近。

在土中吸水排水的试验中，普通网布的排水效果最佳，而普通网布的特点是孔径较大但在大孔材料中总孔隙体积又属于最小的，这是因为材料在土中有吸水排水两个过程，通过毛细作用吸水时，布料纤维的半径越小，基质吸力就越大，它的吸水效果就会越好。吸水后相对湿度较大，而暴露在空气部分的材料处在相对干燥的空气中，则埋在地基土部分水分向相对湿度较低的地方迁移，水在暴露空气的部分通过蒸发作用消散，然而在蒸发过程中，材料的孔径越大、孔隙的分布特征越稀疏的布料，其持水能力就越弱，越容易蒸发消散。综上所述，推断大孔径且孔隙分布特征较为稀疏的毛细导水材料在土中的吸排水效果会更好。

2.4 毛细上升高度试验

图11 毛细上升高度测试结果Fig.11 Experimental results of capillary rise ratea.毛细上升高度与时间的关系；b.毛细上升速率图

对图11a中的试验曲线用origin进行微分得到毛细上升速率图。图中显示了各材料单孔隙水爬升速率随时间的变化，能更直观的体现其毛细吸水导水能力的强弱。整体上看，5种材料的毛细上升速率都随着时间的推移逐渐降低，且起初毛细上升速率越高的，其速率随时间降低的幅度就越大，到30min时各材料的毛细上升速率已经相差不大。当水分充足且时间足够长的情况下，各毛细导水材料最终的毛细上升速率为0。这主要是因为随着高度的增加，毛细上升所需要克服的重力势能不断增大，而重力势能与基质势能差值不断减小，水的迁移驱动势能也就一直减小，导致最终毛细水上升速率不断降低，并停留在一定位置(李萍等，2014)。

在这几种毛细导水布料中，布料的纵向纤维形成了半径不同的毛细管，如图12所示，这里用毛细现象中力的平衡公式解释(Lu et al.，2012)。

图12 水在织物中毛细上升的示意图Fig.12 Experimental results of capillary rise rate

水的张力与毛细管内水的自重二力平衡：

πr2hcγw=2πrTcosa

(4)

(5)

式中：r为布料纤维半径；hc为毛细上升高度；T为水的表面张力；α为湿润接触角。

毛细上升试验体现了材料的吸水能力。即相同时间内毛细上升高度hc越高的，其布料纤维的半径r就越小，即布料纤维就越细，材料孔隙总体积也就越大，如图13所示，这里取代表性的3种材料进行解释：通过图中COOLMAX与COOLPASS可以看出，在核磁共振试验中，两者为大孔材料且孔径是相同的(普通网布同理，所以这里仅举出COOLMAX和COOLPASS为例)，但孔隙总体积COOLMAX要大于COOLPASS，所以COOLMAX的布料纤维半径r要更小一些，毛细上升高度hc会较高，其表现出的吸水能力会更强。然而在核磁共振试验中孔径、总孔隙体积都小于前三者的COOLPLUS和SHCOOL(以图13c中COOLPLUS为例，SHCOOL材料同理)，其布料纤维的半径r会更大，所以两者的毛细上升高度hc排在最后。

这也印证了本文提到的毛细导水材料吸水能力与其孔隙大小及孔隙分布特征有关的观点。

3 结 论

本文以5种不同的毛细导水布料为研究对象，通过开展水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验，对比研究毛细导水材料的吸排水特性以及各种材料在土中的吸排水效果与其孔径大小、孔隙分布特征之间的关系。主要得出以下几个结论：

(1)水中排水试验表明，5种布料均表现出较明显的吸排水效果，且排水速率随毛细上升距离和环境相对湿度的增大而降低。此外，毛细导水布料在非饱和土中亦表现出良好的吸排水效果，可加快土体排水速率。整体上，可按吸排水效能将试验布料分为两档：普通网布、COOLPASS、COOLMAX的吸排水效果更强；COOLPLUS、SCHOOL的吸排水效果稍弱。

(2)核磁共振试验结果显示，试验布料的孔径分布可大致划分为两类：COOLMAX、COOLPASS、普通网布具有较大的孔径(平均孔径约53.4μm)；COOLPLUS、SCHOOL具有较小的孔径(平均孔径约37.8μm)。布料的孔径特征与吸排水效能密切相关：孔隙较大的布料在水中、非饱和土中的排水效果更佳。

图13 材料纤维排布示意图Fig.13 Fiber arrangement of the materialsa.COOLMAX;b.COOLPASS;c.COOLPLUS

(3)毛细导水材料工作时可以分为毛细吸水和蒸发排水两个过程，分别通过毛细作用吸收土中水分和通过蒸发作用排干水分。毛细上升试验显示，孔隙分布特征表现为越密集的布料，其吸水能力越强；而在土中除水试验表明，孔径大小相同时，孔隙分布特征表现为越稀疏的，其除水效果越好。这是因为虽然密集的孔隙分布利于毛细吸水作用，但其同时增强了材料的持水能力，从而会影响材料的蒸发排水过程。其中孔径较大且分布稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳，相同条件下比未设置毛细排水布料的土样含水率多降低了2.19%。因此，为了使毛细导水材料能在土中发挥最佳的除水效果，应综合考虑确定材料的孔隙大小及孔隙分布的疏密程度。