結(jié)合水的研究

王 沛 一

(中山大學地球科學與地質(zhì)工程學院，廣東 廣州 510275)

結(jié)合水的研究

王 沛 一

(中山大學地球科學與地質(zhì)工程學院，廣東 廣州 510275)

簡要對比了結(jié)合水的工程學與礦物學定義，對結(jié)合水概念作了進一步劃分，同時概括分析了目前在結(jié)合水測量和水土作用領(lǐng)域的研究動態(tài)，對于從事粘土中結(jié)合水的研究具有一定的借鑒意義。

結(jié)合水，測量方式，水土作用

結(jié)合水的研究經(jīng)歷了從概念階段到定性描述及測量階段再到現(xiàn)今的半定量分析結(jié)合實際工程應用階段，揭示了現(xiàn)有材料特性與含水率間的更為本質(zhì)的聯(lián)系，對實際工程建設有著指導意義。粘土地基作為我國沿海地區(qū)常見施工地基，其強度、膨脹性、流變性等一系列危害工程安全穩(wěn)定性的要素均與水有著十分重要的聯(lián)系，而結(jié)合水是控制粘土的物理性質(zhì)的主要影響因素之一，因此明確結(jié)合水的概念，了解結(jié)合水的特性有著十分重要的意義。

1 結(jié)合水的概念

20世紀60年代末，莫斯科大學將結(jié)合水列為重點科研課題，通過運用核磁共振、電化學、熱力學、X-射線等物理、化學方法的綜合研究，對土體與結(jié)合水有關(guān)的過程和機理有了一定的研究[1]。對于結(jié)合水的定義不同的研究者提出了多種分類方式和名稱[2-6]，本文選取目前應用較為廣泛的兩種形式分別概述并就二者間的關(guān)系加以分析。

1.1 礦物學角度

礦物學中水在礦物中的含量是不定的，共有五種類型，依次為吸附水、結(jié)晶水、化合水、沸石水和層間水[6]。

吸附水的機械吸附于礦物和晶體表面，以水分子的形式存在，逸散溫度在110 ℃左右(吸附水中的膠體水的失水溫度較高，一般為100 ℃～250 ℃)。

結(jié)晶水以配位的形式存在于礦物晶格中，以水分子的形式存在，逸散溫度在200 ℃～500 ℃。

化合水以離子((OH-)或(H3O)+)存在于晶體組構(gòu)中，具有固定的數(shù)量，逸散溫度在500 ℃～900 ℃。

沸石水因存在于沸石族礦物中而定名，以水分子的形式存在。

層間水因賦存于層狀硅酸鹽礦物的結(jié)構(gòu)層之間而得名。層狀結(jié)構(gòu)硅酸鹽礦物其晶體結(jié)構(gòu)由一系列結(jié)構(gòu)單元層平行疊置而成，其結(jié)構(gòu)單元層可劃分為硅氧四面體單元層和鋁氧八面體單元層。由于單元層中的硅和鋁經(jīng)常被二價陽離子所替換，故層狀硅酸鹽礦物呈負電性，吸附水中的有力陽離子，水分子在極性作用下吸附于陽離子表面，形成層間水。含量隨外界溫度、濕度的變化而變化，110 ℃時，大量逸散，但在潮濕的環(huán)境中又可重新吸進水分。

1.2 工程學角度

目前工程界廣泛應用的為P.И.茲洛切夫斯卡婭[7]提出的結(jié)合水的組構(gòu)模型。

該模型將結(jié)合水分為吸附結(jié)合水和滲透吸收水兩類(如圖1所示)。

該模型依據(jù)距離礦物表面的遠近以及相互間作用強度可將結(jié)合水劃分為強結(jié)合水與弱結(jié)合水，圖中正電荷所示代表水化陽離子，箭頭所示代表水分子的定向。其意義在于揭示了吸附結(jié)合水的固相性質(zhì)，不受重力作用，而滲透吸收水是液性性質(zhì)，受重力作用[8]。同時，據(jù)X-射線分析資料,強結(jié)合水與粘土礦物顆粒表面相連結(jié)的實質(zhì)屬于固相范圍，是結(jié)晶水的一種。弱結(jié)合水按其性質(zhì)歸類為粘土擴散層中的水[6]，也進一步證實了上述論點。

1.3 兩種水定義間的關(guān)聯(lián)

王平全[9]提出用熱失重法來確定粘土中水的存在形式，對熱失重的分析結(jié)果表明了土體中存在三種形式的水，即自由水、松散吸附結(jié)合水(弱結(jié)合水)以及緊密吸附水(強結(jié)合水)，其分別對應于25 ℃～75 ℃，75 ℃～120 ℃以及120 ℃～230 ℃區(qū)間的失水。

對比礦物水中各溫度區(qū)間可知，工程學中的強弱結(jié)合水與對應于礦物學中的吸附水和層間水，其中弱結(jié)合水對應于層間水和部分吸附水，而強結(jié)合水則對應于吸附水中的膠體水。

2 結(jié)合水的測量方式

結(jié)合水的測量發(fā)展至今，已有了廣泛而顯著的成果。早期測量結(jié)合水的方法主要有四種[8]:X射線衍射法，加壓排水法，離心機法以及吸濕法。1992年，Pyper J.W.[10]利用微波衰減法獲得了結(jié)合水與自由水的界限，而我國學者吳鳳彩[8]、李文平等[11]、王平全[9，12]等先后通過不同的方式對結(jié)合水的測定提出了多種簡單而有效的方法，以下將簡要介紹幾種實驗室最為常用的方法。

2.1 容量瓶法

粘性土吸附的水分中，弱的容重與自由水一致，強結(jié)合水因其偏固相，故容重較高，目前普遍采用1.3。當干燥土體吸附水體過程中，由液相自由水轉(zhuǎn)換為強結(jié)合水時，容重增大而體積減小，通過體積的變化量算取強結(jié)合水的含量[8]。

設m克的干土樣加入定量水或溶液中的容量瓶中后，水體積的縮小量為ΔV，則強結(jié)合水含水量Wg表達式為：

其中，γwe=1.3;γwt為在t℃下水的容重；Wg為強結(jié)合水的含量占干土重的百分比。

2.2 塑液限法

李文平等人在吳鳳彩[8]的研究基礎(chǔ)上，采用容量瓶法測量多組土樣的Wg，在對比各土樣的塑限Wp后，得到一個經(jīng)驗性的公式，即Wg=0.885Wp[11]，如圖2所示。

由圖2可見，雖有個別數(shù)據(jù)波動，但整體接近Wg=0.885Wp的擬合曲線。另有其他學者[13,14]在實際計算中也表示采用塑限、液限來對應于強弱結(jié)合水的含量，目前塑液限已取得一定的共識。

2.3 等溫吸附法

等溫吸附法的原理是對烘干到恒重的土樣，令其在不同水汽平衡壓下可空氣中自由吸水，當吸附達到平衡時，土樣增加的重量即為土樣吸附的水分的重量。

不同的水汽平衡壓對應不同的吸附水分質(zhì)量。已有的研究表明，把吸附水量作為縱坐標，橫坐標為水汽平衡壓，則繪制的關(guān)系曲線斜率總體上呈現(xiàn)兩端增大，中間平緩的趨勢。根據(jù)曲線的不同形態(tài)可將水劃分為自由水，弱結(jié)合水和強結(jié)合水。

2.4 熱失重法

熱失重法主要利用熱天平，通過在土體加熱過程中對其質(zhì)量進行不間斷測量，獲取物體失去的重量G和對應的加熱溫度T之間的關(guān)系分析曲線，即TG曲線。對TG曲線求導，即可得到TG曲線的斜率曲線DTG曲線，根據(jù)TG和DTG曲線的波峰波谷特征，結(jié)合其他的測量方式，即可較為準確的對土體中強弱結(jié)合水的種類和含量加以判定。

如前文所述，王平全等[9]對熱失重的分析結(jié)果表明了土體中存在三種形式的水，即自由水、松散吸附結(jié)合水(弱結(jié)合水)以及緊密吸附水(強結(jié)合水)，其分別對應于25 ℃～75 ℃，75 ℃～120 ℃以及120 ℃～230 ℃區(qū)間的失水。

以上幾種方法為實驗室常用方法，其優(yōu)勢在于操作簡便，原理易于理解。其他測試方式有：紅外光譜法，離子交換法，電化學法，聲學法，體積分數(shù)法，水合熵法等。

3 結(jié)合水在土體流變中的影響分析

沿海工程建設場地多為淤泥質(zhì)軟土，其流變特性是導致地基失穩(wěn)破壞的主要影響因素。學者針對其流變微觀機理進行研究時發(fā)現(xiàn)[13-18]，結(jié)合水在微觀層次上的水土作用過程中起到十分重要的作用，是軟土流變的主要控制因素之一。

3.1 結(jié)合水對固結(jié)的影響

軟土的固結(jié)試驗曲線呈現(xiàn)出一種初始陡然下降，持續(xù)時間短，繼而曲線變化非常平緩的特征。初始的陡然下降是由于軟土的結(jié)構(gòu)性被破壞導致，而非常平緩則證明了此時土中自由水被大量排除，附加應力轉(zhuǎn)化的有效應力開始由粘粒及其表面的結(jié)合水膜共同承擔[13]。

如圖3所示，筆者選取大亞灣地區(qū)海積軟土進行了一維固結(jié)實驗，該軟土的塑限為26.5%，液限為58.5%。圖3為不同壓強下固結(jié)穩(wěn)定對應的含水率，圖中wL,wp分別對應于液限、塑限含水率，其中wL對應的荷載比200 kPa略小，wp對應的含水率低于最低含水率。隨著荷載的增加，對應土體固結(jié)穩(wěn)定后的含水率在逐步減小，當荷載增大至300 kPa以后，含水率變化十分緩慢，趨近于平行狀態(tài)。

說明了在固結(jié)過程中，當荷載小于200 kPa時，因其固結(jié)穩(wěn)定時含水率高于液限，即此時的固結(jié)狀態(tài)主要是由孔隙水壓的消散和有效應力的緩慢增長維持穩(wěn)定狀態(tài)，結(jié)合水僅起到因粘滯性延緩孔壓消散的作用。

當荷載大于200 kPa時，土體固結(jié)穩(wěn)定后的含水率低于液限，此時的固結(jié)狀態(tài)對應孔隙水壓基本消散，由土骨架逐漸變形，有效應力增大以維持穩(wěn)定狀態(tài)，弱結(jié)合水在結(jié)構(gòu)破壞與重組中起到主要的作用。

荷載的不斷增大，含水率始終遠遠高于塑限，即強結(jié)合水在固結(jié)過程中未直接參與，所起作用較小。

3.2 結(jié)合水對流變的影響

工程中流變常見多為蠕變現(xiàn)象，即在常應力作用下土體發(fā)生緩慢而持續(xù)的變形破壞，通過一定的實驗證明，軟土的流變性質(zhì)與其中的結(jié)合水密切相關(guān)[14-16]，流變的代表參數(shù)粘滯系數(shù)在某種意義上和結(jié)合水膜的厚度是成反比例的，當結(jié)合水膜越厚，則粘滯系數(shù)越小，反之越大。同時，強弱結(jié)合水對于粘滯系數(shù)的影響也不相同，當強結(jié)合水增多時，蠕變開始減緩，而弱結(jié)合水增多時，蠕變開始加強。

由上述可以發(fā)現(xiàn)，強結(jié)合水對于土體骨架膠結(jié)過程中起到固定穩(wěn)定作用，偏固態(tài)，而弱結(jié)合水對于土體骨架起到緩沖潤滑作用，偏塑性與粘滯性。

4 結(jié)語

礦物學中的水與工程學中的結(jié)合水存在一定的對應關(guān)系，工程學中的強弱結(jié)合水與對應于礦物學中的吸附水和層間水，其中弱結(jié)合水對應于層間水和部分吸附水，而強結(jié)合水則對應于吸附水中的膠體水。

結(jié)合水對于土體強度具有十分重要的影響，固結(jié)過程中主要為弱結(jié)合水的排出，影響軟土固結(jié)的主要因素是水土作用及微觀結(jié)構(gòu)變化過程，固結(jié)的實質(zhì)是弱結(jié)合水的不斷排出，結(jié)合水膜變薄的過程，故弱結(jié)合水的排出是決定軟土固結(jié)變形特性最本質(zhì)因素。

結(jié)合水對土體流變的影響具體表現(xiàn)在流變速率上，強結(jié)合水增多時，蠕變速率開始減緩，而弱結(jié)合水增多時，蠕變速率開始加強。

[1] 庫里契茨基 A.N.土中結(jié)合水譯文集[M].李生林，譯.北京：地質(zhì)出版社，1982.

[2] 格里姆 R. E. 粘土礦物學[M].許冀泉，譯.北京：地質(zhì)出版社，1960.

[3] 羅戴 A. A. 土壤水[M].巴逢辰，譯.北京：科學出版社，1964.

[4] 謝爾蓋耶夫 E. M. 普通土質(zhì)學[M].張行健，譯.北京：地質(zhì)出版社，1957.

[5] [日]土壤物理性測定委員會.土壤物理測定法[M].翁德衡，譯.重慶：科學技術(shù)文獻出版社重慶分社，1979.

[6] 南京大學地質(zhì)學系巖礦教研室.結(jié)晶學與礦物學[M].北京：地質(zhì)出版社，1978.

[7] 李生林.蘇聯(lián)對土中結(jié)合水研究的某些進展[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1982(5):52-54.

[8] 吳鳳彩.粘性土的吸附結(jié)合水測量和滲流的某些特點[J].巖土工程學報，1984(6):84-93.

[9] 王平全，陳地奎.用熱失重法確定水合粘土水分含量及存在形式[J].西南石油學院學報，2006(1):52-55.

[10] Pyper J.W. 應用微波方法測量有機材料中的結(jié)合水分和游離水法[J].國外科技資料，1992(10)：87-95.

[11] 李文平，于雙忠.煤礦區(qū)深部粘性土吸附結(jié)合水含量測定及其意義[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，1995(3):31-34.

[12] 王平全.粘土表面結(jié)合水定量分析及水合機制研究[D].成都：西南石油學院博士學位論文，2001.

[13] 王旭東，肖樹芳，房后國.天津海積軟土結(jié)合水固結(jié)分析[J].工程地質(zhì)學報，2002(10)：390-393.

[14] 何 俊，肖樹芳.結(jié)合水對海積軟土流變性質(zhì)的影響[J].吉林大學學報(地球科學版)，2003(4)：204-207.

[15] 房營光，谷任國.結(jié)合水對軟粘土流變性質(zhì)影響的試驗研究[J].科學技術(shù)與工程，2007(1)：73-78.

[16] 袁建濱.粘土中結(jié)合水特性及其測試方法研究[D].廣州：華南理工大學碩士學位論文，2012.

[17] 張效正.用雙電層理論說明粘土的粘結(jié)機理[J].江蘇工學院學報，1994，15(2)：94-98.

[18] 胡 華.含水率對軟土流變參數(shù)的影響特性及其機理分析[J].巖土工程技術(shù)，2005,19(3)：134-136.

Research on combination water

Wang Peiyi

(EarthScienceandGeologicalEngineeringSchool,ZhongshanUniversity,Guangzhou510275,China)

This paper briefly compared the definition of combination water engineering and mineralogy, further divided the combination water concept, also summarized and analyzed the research dynamic condition of present combination water measurements and water-soil interaction field, had certain reference significance to combination water research.

combination water, measurement way, water-soil interaction

1009-6825(2015)16-0033-03

2015-03-27

王沛一(1990- )，男，在讀碩士

TU991.21

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