可调弹性下黏土悬浮液中裂纹形成的操控

黏土作为天然土壤的主要成分，常被用作配制颜料和涂料的流变调节剂。当受到干燥作用时，悬浮黏土的胶体黏土悬浮液和黏土性土壤会因干燥引起的应力积累而发生裂纹。即使抑制了干燥作用，水性黏土悬浮液也表现出物理老化现象，其弹性模量和黏性模量随时间增加，因为其微观结构会因随时间发生的粒子间受屏蔽静电相互作用而演化。通过改变黏土浓度或加入添加剂来改变老化进程的速率。由于物理老化和蒸发都应Contributing于干燥黏土悬浮液的固化过程，因此我们尝试通过改变黏土和添加剂浓度来操控干燥过程。对于干燥样品老化速度加快的情况，我们观察到其快速固化为半固态，并提前出现裂纹。我们在直接可视化实验中估计裂纹发生时间 $t_c$，并使用原子力显微镜中的微压痕法测量干燥样品层的弹性模量 $E$。我们证明 $t_c \propto \sqrt{\frac{G_c}{E}}$，其中 $G_c$ 为断裂能，通过将实验数据拟合到包含克里夫特裂纹形成准则的线性多孔弹性模型中估计。我们的工作表明，早期裂纹发生与样品较低的塑性相关。本文所揭示的样品裂纹发生与其机械性能之间的相关性，对于制备抗裂涂料和多种黏土结构具有潜在用途。