原位SAXS/SANS技术对软核硬壳乳胶薄膜形态演变的研究

《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：In-situ SAXS/SANS investigation on the morphology development of soft-core hard-shell latex film

红层泥岩（WRM）湿度引发的渗透破坏机理及改性研究。通过自主设计的高速可视化实验系统观测液滴冲击WRM表面的渗透过程，结合COMSOL多物理场耦合模拟分析孔隙率、接触角及动量参数对液滴渗透深度的影响规律，提出液相喷洒甲基硅酸钾与固态混合十八胺的协同改性方法，有效将WRM由亲水转为疏水状态，孔隙率降低达40%，抗分解性能提升3倍以上。

　　

周玉清|陈晓斌|于照生|张家生|吴梦丽

中南大学土木工程学院，中国长沙410075

摘要

风化红层泥岩（WRM）路基填料的湿度诱导分解和变形限制了其工程应用。WRM的表面润湿性控制着水分渗透和毛细作用，最终决定了其分解过程。通过使用自设计的可视化实验系统，利用高速摄像机捕捉了液滴撞击WRM表面的扩散和渗透过程，并研究了撞击速度和液滴直径对润湿行为的影响。速度和直径的增加都会导致液滴扩散因子的增加，前者直接增加了单位体积的初始动能，后者增强了惯性力对液滴运动的影响。COMSOL软件被用来模拟液滴撞击多孔介质的运动过程，其有效性通过可视化实验和文献结果得到了验证。多孔区域存在负压，与非多孔区域形成压力梯度，在毛细力的作用下驱动液滴渗透进入基底。模拟结果表明，液滴的渗透深度与孔隙率和等效颗粒直径呈正相关。重要的是，减小WRM的孔隙率同时增加水接触角可以有效抑制水分渗透。基于这些发现，开发了两种改性方法：使用甲基硅酸钾（液体喷涂）和十八烷基胺（固体混合）。这两种方法均成功将WRM从亲水性转变为疏水性，显著降低了孔隙率，并显著提高了抗分解能力，为实际工程应用中提高WRM路基的耐久性提供了参考。

引言

WRM这种粗粒土壤是一种丰富的岩土工程路基填充材料，但在湿度变化的环境中容易发生粗颗粒分解，导致路基变形，如坍塌和沉降[1]。WRM的分解是由于颗粒在遇水时粘附力的断裂引起的，涉及内部界面过程和吸水后的渗透损伤过程[2]。随着含水量的增加，其长期强度持续下降，蠕变程度逐渐增加[3]。因此，研究液滴在亲水性WRM表面的扩散和渗透过程对于揭示润湿机制具有重要意义。

WRM是一种天然多孔介质，由于毛细作用，液滴在撞击后能够进入WRM内部，其润湿行为更为复杂。与非多孔表面相比，关于液滴在多孔表面润湿的实验研究仍然较少。Mauffré等人[4]使用高速摄影技术研究了夯实土壤表面形态对水滴吸收和阻尼的影响，并根据液滴是否反弹对其扩散行为进行了分类。一些研究使用高速摄影技术研究了液滴撞击陶瓷表面[5]和铜矿表面[6]的形状演变，但由于实验限制，无法观察到多孔内部的动态运动。Starov等人[7]使用两台CCD摄像机捕捉了硅油液滴在多孔基质上的扩散过程。Reis等人[8]首次使用核磁共振成像技术观察了液滴在多孔介质（玻璃珠和沙子）中的运动，发现撞击的液滴最终会在多孔介质中形成半球形。Richard等人[9]研究了表面活性剂液滴在薄多孔介质上的扩散和渗透过程，并讨论了表面活性剂浓度对液滴运动的影响。Lee等人使用高速成像和中子射线照相技术研究了水滴在三种天然岩石表面的润湿吸附[10]和撞击特性[11]。D.J. Bouchard等人[12]使用透明玻璃珠制备了薄透明多孔微珠层，并通过高速摄影技术捕捉了液滴渗透到多孔介质中的过程，以研究惯性在渗透过程中的驱动作用。然而，使用高速摄影结合核磁共振和中子射线照相技术捕捉毫秒级渗透过程的成本很高，因此大多数研究集中在不透水基底上。现有的可渗透实验对象主要是人工均匀多孔介质，如均匀玻璃珠，这些介质仅适用于特定应用。特别是，目前还没有系统性的实验研究关注液滴撞击风化红层泥岩表面的动态润湿行为。

使用高速摄像机可以很好地观察液滴在固体表面的动态运动，但难以观察液滴在多孔介质中的渗透情况。随着计算流体动力学的发展，液滴在多孔表面润湿的数值模拟逐渐兴起。Alleborn等人[13]首次尝试数值模拟液滴在多孔介质上的扩散和吸收过程，指出多孔介质内的流体流动遵循达西定律。为了提高计算精度和效率，逐渐开发了基于欧拉概念的方法，如体积法（VOF）、格子玻尔兹曼方法（LBM）、水平集（LS）方法和相场方法，用于两相流问题的界面更新。Kim等人[14]将VOF方法应用于液滴撞击多孔介质的研究。与Reis等人[15]在多孔介质与外部流体界面采用的匹配条件不同，Kim等人[14]考虑了动态接触角对液滴运动的影响。Choi等人[16]首次将LS方法引入液滴撞击和渗透到多孔介质的研究。Hu等人[17]构建了不同颗粒排列的多孔介质，并使用LS方法跟踪液滴渗透过程中的两相界面演变，研究了不同颗粒接触角对渗透过程的影响。Mohammad等人[18]使用LBM方法通过随机生成方形障碍物形成多孔区域，研究了无量纲参数（雷诺数Re、弗劳德数Fr、韦伯数We、孔隙率和密度比）对液滴渗透的影响。Frank等人[19]基于Cassie-Baxter定律推导了有效平衡接触角，并使用LBM方法研究了液滴在多孔基底上的扩散。研究发现，在扩散初期惯性起控制作用，而毛细吸水在整个过程中持续存在。Fei等人[20]提出了结合格子玻尔兹曼方法（LBM）和离散元方法（DEM）（LBM-DEM）的数值模型，用于模拟气-液-固相互作用，实现了对可变形颗粒多孔介质上液滴撞击的孔隙尺度模拟。Suo等人[21]使用PNM模拟粗尺度流动，LBM模拟细尺度流动区域，通过改变非平面界面的几何形状确认了扩散和渗透之间的竞争关系。Ghosh等人[22]开发了多孔介质中蒸发的相场模型，成功捕捉了液滴的收缩行为。这些研究表明欧拉方法在两相流模拟中的适用性，能够模拟多孔介质中的润湿行为。然而，关于像WRM这样的天然多孔介质内部润湿行为的研究仍然不足。

为了研究液滴在WRM表面的润湿特性，独立构建了一个以高速摄像机为中心的可视化实验平台，用于观察液滴撞击WRM表面后的运动和形态。研究了撞击速度和液滴直径对液滴扩散的影响。使用有限元软件COMSOL对液滴撞击WRM表面后的水-岩界面演变进行了模拟分析，结合了LS界面传播方程和纳维-斯托克斯（NS）方程。最后，通过化学改性改变了WRM的润湿性，以降低分解风险。

实验材料

本研究中使用的实验材料是从中国湖南省的一个斜坡表面采集的WRM。该材料的特定物理和机械性能分别可以在参考文献[23]和[24]中找到。WRM经过风干并粉碎，通过2毫米筛网筛选。然后在最佳含水量下将其重塑成直径为61.8毫米、厚度为10毫米的薄圆盘状试样。这些试样经过干燥后获得了用于实验的多孔样品。

水平集（LS）界面捕获方法

液滴撞击WRM表面之前的与周围气体的相互作用属于两相（气-液）流动的研究范围。液滴渗透到WRM表面后，多孔介质内的流动成为涉及气-液界面运动的两相流动，其中气-液界面张力对流动的影响不可忽视。模拟两相流体流动的难点在于界面运动的数值描述

数值模拟结果

本研究没有采用计算成本较高的孔隙尺度模拟方法（如格子玻尔兹曼方法），也没有使用过于简化的纯毛细束模型。相反，建立了基于宏观连续体的水平集界面捕获方法与基于Ergun方程的改进宏观多孔介质阻力模型之间的耦合。通过这种耦合，确保了气-液界面动态的清晰跟踪

讨论

图16显示了不同D₀的液滴在相同v₀下撞击非多孔WRM表面时的特征参数随时间的变化。图16(a)和图16(b)分别展示了5.4毫米和4.3毫米液滴的图像。与多孔WRM不同，撞击非多孔WRM的液滴表现出振荡行为，并停留在表面而不向下渗透。较大的D₀导致较大的β，从而引起更大的液滴扩散和更高的振荡幅度。

结论

为了研究液滴在WRM表面的润湿特性，建立了一个主要使用高速摄像机的可视化实验平台。观察了液滴撞击WRM表面后的运动形态，并研究了撞击速度（v₀）和液滴直径（D₀）对液滴扩散的影响。使用COMSOL耦合并求解NS方程和LS传播方程，模拟了液滴撞击多孔介质的运动过程

CRediT作者贡献声明

吴梦丽：验证、资源获取、形式分析。张家生：验证、监督、方法论、数据管理。于照生：撰写-审稿与编辑、方法论、研究。陈晓斌：验证、监督、方法论、资金获取。周玉清：撰写-审稿与编辑、初稿撰写、研究、形式分析、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号CNNSF 51978674）和中南大学基本研究经费（项目编号2023ZZTS0630）的支持。作者感谢这些财务援助。