高廟子膨潤(rùn)土的吸濕性及結(jié)合水變化規(guī)律研究*

曾 興 蘇 佳 劉 希 李裕恒 高 桐

(①湖南省巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測(cè)省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201，中國(guó))(②湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湘潭 411201，中國(guó))

0 引 言

黏土礦物易與水作用而吸附結(jié)合水(Xie et al.，2021)。土中結(jié)合水是控制土的稠度、塑性、分散膨脹、收縮等物理化學(xué)性質(zhì)及強(qiáng)度、變形等力學(xué)性質(zhì)的重要因素(Li et al.，2019；Wang et al.，2019；賀建清等，2022)。鉆井液性能穩(wěn)定、井壁穩(wěn)定、防污屏障性能等工程性質(zhì)均受到土的結(jié)合水量的影響(王平全，2001；Yang et al.，2021；陳永貴等，2022)。

國(guó)內(nèi)外各學(xué)者對(duì)黏土礦物與水相互作用的機(jī)理，土中結(jié)合水的形成、遷移、變化規(guī)律，各種類(lèi)型結(jié)合水的特點(diǎn)以及其對(duì)土的物理-力學(xué)、物理-化學(xué)性質(zhì)的形成的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究及論述。Orchiston(1959)、Barshad(1952)、 Barshad et al.(1956)論述了水的吸附(或膨脹)與黏土-水體系性能的關(guān)系問(wèn)題及土中吸附水的性質(zhì)。Pyper et al.(1984)應(yīng)用微波衰減法測(cè)量有機(jī)材料中的結(jié)合水和游離水分，定性及定量的區(qū)分了吸附結(jié)合水及游離水的特性及界限。Gardner et al.(2001)認(rèn)為黏土表面結(jié)合水在110～160℃條件下可以被去掉。A.Q列別捷夫(李生林，1982)則指出，在溫度55～70℃時(shí)，部分吸附結(jié)合水可轉(zhuǎn)化為自由水；當(dāng)溫度為80～90℃時(shí)，絕大部分單層吸附水可被排除，緊靠顆粒表面的吸附結(jié)合水要到溫度升高到125～170℃。王平全等(2006)的熱重分析結(jié)果表明自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水的臨界脫水溫度分別為75℃、120℃和230℃。劉清秉等(2012)以熱重分析法、等溫吸附法及紅外光譜法聯(lián)合分析膨脹土中結(jié)合水，將120～200℃溫度區(qū)間內(nèi)的脫水定義為強(qiáng)結(jié)合水，55～88℃溫度區(qū)間內(nèi)的脫水定義為弱結(jié)合水。謝剛等(2013)根據(jù)DTG曲線(xiàn)確定了黏土中自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水的溫度界限分別在75℃、140℃和210℃左右，并對(duì)這3種賦存態(tài)水進(jìn)行了定量分析。而王鐵行等(2014)認(rèn)為黃土的強(qiáng)結(jié)合水的熱失重區(qū)間為125～245℃，弱結(jié)合水的熱失重區(qū)間為65～125℃。Wang et al.(2020)的研究表明，馬蘭黃土強(qiáng)弱結(jié)合水的失水溫度分別為235℃和140℃。方敬銳等(2021)指出軟土的黏土礦物含量與其吸附水含量正相關(guān)，其中蒙脫石含量對(duì)軟土吸濕性影響巨大，不同黏土礦物結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)性質(zhì)，與層間吸附水有關(guān)。郭永春等(2021)利用原子力顯微鏡探針刺入的方法，測(cè)試了黏土顆粒水化膜厚度，該方法也存在一定的缺點(diǎn)，即耗時(shí)且在表征過(guò)程中容易損壞樣品。Li et al.(2022)使用熱重分析法測(cè)得津淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、青島淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和威海淤泥質(zhì)黏土3種土的強(qiáng)弱結(jié)合水界限分別為112.35℃、109.￣67℃、118.￣46℃和55.￣26℃、52.￣56℃、56.￣56℃。根據(jù)上述研究結(jié)果可知，由于土壤的理化性質(zhì)不同，其自由水和結(jié)合水的含量以及臨界脫水溫度有所差異。

膨潤(rùn)土是以蒙脫石為主要礦物成分的黏土礦物，蒙脫石比表面積大，顆粒直徑在10-9～10-7m，其是由兩個(gè)硅氧四面體夾一層鋁氧八面體組成的2︰1型晶體結(jié)構(gòu)，層間的陽(yáng)離子可以被其他陽(yáng)離子部分置換，允許交換性質(zhì)的陽(yáng)離子攜帶大量水分子進(jìn)入層間，這種特殊的結(jié)構(gòu)使其具有很強(qiáng)的吸濕性、膨脹性、吸附性、陽(yáng)離子交換性等(García-Romero et al.，2021；賀勇等，2022)。

土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-2019)對(duì)于含水率的測(cè)定規(guī)定的烘干溫度為105～110℃。目前，高廟子膨潤(rùn)土在110℃干燥后的吸濕特征并不明確，不同相對(duì)濕度下自由水和結(jié)合水的含量以及結(jié)合水厚度不甚清晰。本文研究了不同條件下(烘干溫度，烘干時(shí)間，環(huán)境相對(duì)濕度RH，土厚，表面積)高廟子膨潤(rùn)土的吸濕特征，并通過(guò)理論模型對(duì)吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析高廟子膨潤(rùn)土中的水平衡問(wèn)題，預(yù)測(cè)不同相對(duì)濕度條件下水分在黏土礦物表面的吸附特征，計(jì)算結(jié)合水水膜厚度。

1 膨潤(rùn)土的吸濕試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料和儀器

試驗(yàn)所用土樣為產(chǎn)自?xún)?nèi)蒙古高廟子地區(qū)的鈉基膨潤(rùn)土，顏色為淺白灰色，基本參數(shù)如表 1所示，其主要成分為蒙脫石、石英、長(zhǎng)石、方解石和云母。試驗(yàn)中所用的恒溫干燥箱，可調(diào)控溫度范圍0～250℃；分析天平精度為0.0001g；人工溫濕度環(huán)境倉(cāng)，可調(diào)節(jié)溫濕度，濕度調(diào)節(jié)范圍為0～100%，誤差為±2.5%；溫度調(diào)節(jié)范圍為10～60℃，誤差為±1℃。

表 1 高廟子膨潤(rùn)土各礦物成分和物理參數(shù)

1.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了5組試驗(yàn)分別研究了烘干溫度、烘干時(shí)間、環(huán)境相對(duì)濕度、與空氣的接觸面積、土體厚度對(duì)土樣吸濕的影響，具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表 2，其中：試驗(yàn)組1研究了烘干溫度對(duì)土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組2研究了烘干時(shí)間對(duì)土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組3研究了土表面積對(duì)土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組4研究環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組5研究了土樣厚度對(duì)土樣吸濕的影響。

表 2 試驗(yàn)工況

圖1 不同烘干溫度的土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.1 The relationship between moisture adsorption and time for bentonite after drying at different temperatures

2 討 論

2.1 烘干溫度對(duì)膨潤(rùn)土吸濕的影響

圖2 不同時(shí)間的烘干溫度與吸濕率關(guān)系Fig.2 The relationship between drying temperatures and moisture absorption content in different time

圖1為不同烘干溫度的土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)。吸濕量為烘干后的土樣吸附的環(huán)境中水蒸氣的質(zhì)量，吸濕率為烘干后的土樣吸附環(huán)境中水蒸氣的質(zhì)量與烘干土樣質(zhì)量的百分比。土樣在初期對(duì)水蒸氣的吸附較快，隨著吸濕量的增加，吸濕速率逐漸緩慢。由于烘干溫度不同，土樣的吸濕量存在較大差異；烘干溫度為110℃的土樣2h吸濕量為1.144g，而烘干溫度為200℃的土樣2h吸濕量達(dá)到1.514g，烘干溫度越高，土樣的吸濕率也越高。由兩種烘干溫度條件下，土樣的不同時(shí)間點(diǎn)吸濕率比較可知(圖2)，時(shí)間點(diǎn)為1.5min、2min、5min、10min、15min、30min、60min的線(xiàn)段幾乎平行，200℃烘干條件下的土樣比110℃條件下多吸收的水蒸氣質(zhì)量從1.5min開(kāi)始是固定不變的，說(shuō)明200℃烘干的土樣多吸附的水蒸氣質(zhì)量在1.5min內(nèi)吸附完，兩者的吸濕率1.056%和2.805%。膨潤(rùn)土的水合歷程為強(qiáng)結(jié)合水→弱結(jié)合水→自由水(王平全等，2006)，分別對(duì)應(yīng)烘干溫度為120～230℃、75～120℃以及25～75℃區(qū)間內(nèi)的失水，故200℃比110℃多烘出了部分強(qiáng)結(jié)合水。這部分強(qiáng)結(jié)合水的吸附是先于弱結(jié)合水的，弱結(jié)合水的吸附是隨時(shí)間逐漸發(fā)生的。強(qiáng)結(jié)合水是土粒表面親水化合物的結(jié)晶水，性質(zhì)類(lèi)似固體，如果采用過(guò)高溫度將其烘出會(huì)影響土粒性狀。因此，在進(jìn)行土粒比重、土樣含水率等土工參數(shù)測(cè)試時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，不宜采用過(guò)高的溫度對(duì)土樣進(jìn)行烘干(王平全等，2006；王鐵行等，2014；Wang et al.，2020)。

2.2 烘干時(shí)間對(duì)膨潤(rùn)土吸濕的影響

圖3 不同烘干時(shí)間的土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.3 The relationship between moisture adsorption and time for bentonite after different drying time

圖3為不同烘干時(shí)間的土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)。如圖3所示，不同烘干時(shí)間的土樣吸附水蒸氣速度基本保持一致，4個(gè)不同烘干時(shí)間的曲線(xiàn)趨近重合，吸濕飽和后土樣的吸濕量差距微小(2.5245g，2.44g，2.5404g，2.422g)，最大差值為平均值的4.1%，8h烘干土樣飽和吸濕量甚至比12h烘干土樣多0.0845g，微小的差別可能是試驗(yàn)精度和誤差所導(dǎo)致的。將初始土重15.001g的土樣放入烘箱中110℃烘干8h，拿出后立即稱(chēng)量烘干后土重為13.141g，然后將土樣繼續(xù)放入烘箱中110℃烘干8h，測(cè)得第2次烘后土重為13.136g，與第1次烘后土重差值為0.005g，兩者基本沒(méi)有差別，說(shuō)明8h烘干時(shí)間已經(jīng)足夠110℃中土樣烘干質(zhì)量達(dá)到穩(wěn)定。增加烘干時(shí)間不會(huì)改變土樣的烘干狀態(tài)，因此對(duì)土樣的吸濕能力無(wú)明顯影響。這也間接驗(yàn)證規(guī)范中規(guī)定的8h烘干時(shí)間的科學(xué)性。

2.3 膨潤(rùn)土表面積對(duì)吸濕的影響

圖4為不同接觸面積的土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)。土樣在6h的吸濕量分別為：0.4261g，0.9224g，1.6883g，5.1235g，表明了其他條件相同，土樣表面積越大，即土樣土顆粒與空氣中水分子接觸面積越大，吸濕量越大。4條吸濕率曲線(xiàn)變化趨勢(shì)較為一致，且數(shù)值接近，表明其吸濕特性較為相似，與接觸面積基本無(wú)關(guān)。由不同時(shí)間的吸濕量-接觸面積曲線(xiàn)(圖5)可知，隨著表面積的增加，吸濕量呈線(xiàn)性增加，不同面積的吸濕率不變，對(duì)應(yīng)圖4中4個(gè)不同接觸面積土樣的吸濕率曲線(xiàn)趨近重合。說(shuō)明增加土樣質(zhì)量?jī)H僅增加吸濕量，并不會(huì)影響土樣的平均吸濕率。這個(gè)規(guī)律符合常識(shí)，即同一個(gè)面積等分成若干份，每一份的吸濕率都應(yīng)該相同。故在相同溫、濕度環(huán)境下，土樣的吸濕率由土樣厚度決定。

圖4 不同接觸面積的土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.4 The relationship between moisture adsorption and time for bentonite with different contact surface areas

圖5 不同時(shí)間的吸濕量-土樣面積曲線(xiàn)Fig.5 The relationship between moisture adsorption and contact surface area for bentonite at different time

圖6 不同濕度的土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.6 The relationship between moisture adsorption and time for bentonite samples at different relative humidity

2.4 環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)膨潤(rùn)土吸濕的影響

圖6為初始土重15g，110℃烘干8h條件下，55%和82%相對(duì)濕度條件下土樣吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)。土顆粒表面帶有負(fù)電荷引起的微電場(chǎng)效應(yīng)，孔隙水在土體內(nèi)增濕的優(yōu)先順序?yàn)閺?qiáng)結(jié)合水、弱結(jié)合水、自由水，減濕的優(yōu)先順序反之(齊永正等，2020)。如圖7所示，烘干土樣初期的吸附過(guò)程十分迅速，前2min內(nèi)吸濕率的增長(zhǎng)速度近乎一致，很顯然這一部分吸收的水量應(yīng)該為強(qiáng)結(jié)合水，說(shuō)明環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)這部分量的影響不大，吸濕率分別為1.483%和1.536%，兩者較為接近；2min后的吸濕可能屬于弱結(jié)合水和自由水的吸附階段，這個(gè)階段的吸濕受環(huán)境相對(duì)濕度影響。2h土樣在空氣相對(duì)濕度55%環(huán)境下吸濕率達(dá)到7.338%，在空氣相對(duì)濕度82%環(huán)境下達(dá)到8.787%。環(huán)境相對(duì)濕度越高，水分子活動(dòng)性和流動(dòng)性更高，土粒表面能接觸到更多水分子，土樣吸濕量越高。

圖7 不同時(shí)間的相對(duì)濕度與吸濕率關(guān)系Fig.7 The relationship between relative humidity and moisture adsorption at different time

圖8 不同厚度土樣的吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)Fig.8 The relationship between moisture adsorption and time with different thicknesses

圖9 不同厚度土樣的吸濕量占比Fig.9 The moisture adsorption ratio of soil samples with different thicknesses

2.5 厚度對(duì)膨潤(rùn)土吸濕的影響

圖8為不同厚度的吸濕-時(shí)間曲線(xiàn)。由圖8可知，土樣厚度4mm、9mm、14mm的吸濕量十分接近，隨著厚度增加，吸濕量增加不明顯，說(shuō)明超過(guò)一定深度后，下層土樣基本不會(huì)吸濕。所以不妨假定實(shí)驗(yàn)中的最大厚度(14mm)的土樣吸濕量為最大單位面積吸濕量。以該最大單位面積吸濕量為分母，以某厚度土樣的吸濕量為分子，定義為該厚度土樣的吸濕量占比，結(jié)果如圖9所示。圖9中的5條線(xiàn)分別為3個(gè)時(shí)間點(diǎn)不同厚度土樣吸濕量占比，這3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的曲線(xiàn)基本重合，說(shuō)明不同厚度的土樣吸濕是同時(shí)發(fā)生的，并且隨著時(shí)間的發(fā)展各層之間的吸濕量的貢獻(xiàn)比例保持不變。120min時(shí)，厚度0.9mm土樣的吸濕量占比為52%，1.8mm的土層吸濕量占比為71.5%，4mm的土層吸濕量占比為82.36%，9mm的土層吸濕量占比為96.02%。

由圖9中120min的曲線(xiàn)擬合得到吸濕量占比隨深度的函數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖10。圖10中，120min時(shí)，0～1.8mm之間土層吸濕量占總吸濕量的75.58%，9～14mm之間土層吸濕量占總吸濕量的約2.75%。以任意兩個(gè)土層厚度與其相應(yīng)吸濕率的乘積之差，除以?xún)蓚€(gè)土層厚度之差，即得到不同深度之間的平均吸濕率，0～0.9mm之間土層平均吸濕率為8.06%，0.9～1.8mm之間土層平均吸濕率為3.02%，9～14mm土層平均吸濕率僅為0.11%，頂層土的吸濕能力是9～14mm深度的73倍。

圖10 土樣沿深度的吸濕量占比Fig.10 The rate of moisture adsorption content of bentonite with depth

分析認(rèn)為，深層的土被表層土覆蓋，與外界水分子直接接觸變少，土粒之間的凝聚力遠(yuǎn)大于水分子的切入力，已被土粒表面吸附的水分子在其吸附力作用下形成定向排列的結(jié)晶水不容易向團(tuán)聚體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，且土顆粒間的吸附力，導(dǎo)致了更多水分子與表層土樣相互作用，使得深層土吸附水量微小(Wang et al.，2020)。

相同條件下，取38.5g膨潤(rùn)土置于土樣盒中烘干后土重32.6g，土厚約12mm，測(cè)得120min時(shí)土樣的吸濕率為1.146%，為14mm厚度土樣的115%，此時(shí)吸濕量百分比實(shí)測(cè)值為98.59%與圖10擬合公式計(jì)算得到的結(jié)果98.66%基本一致，驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)及擬合結(jié)果的正確性。

2.6 吸濕動(dòng)力學(xué)

Peleg經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Peleg，1993)和Weibull(Machado et al.，1999；趙亞等，2014)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ统１挥糜诿枋鑫锪衔鼭裉匦浴?/p>

Peleg經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂捎檬?1)表達(dá)：

(1)

式中：M0、Mt、M∞分別為吸濕開(kāi)始、t時(shí)、吸濕平衡時(shí)的吸濕率；k為常數(shù)(min)。

Weibull經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂捎檬?2)表達(dá)：

(2)

式中：β為模型參數(shù)，表示水分吸附過(guò)程中速率高低，即完成63%的吸附所需要的時(shí)間(min)。

模型擬合精度通過(guò)決定系數(shù)(R2)、平均相對(duì)誤差(MRE)判定，R2和MRE越小，模型擬合精度越高。

(3)

式中：Mexpt為實(shí)測(cè)吸濕率(%)；Mpred為實(shí)驗(yàn)吸濕率(%)。

圖11 不同相對(duì)濕度下膨潤(rùn)土吸濕動(dòng)力學(xué)曲線(xiàn)Fig.11 Moisture adsorption kinetics curves of bentonite under different relative humidity

3 結(jié)合水類(lèi)型及其含量

3.1 不同干燥和相對(duì)濕度下結(jié)合水類(lèi)型及其含量

相關(guān)研究表明：膨潤(rùn)土中自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水的臨界脫水溫度約為75℃、120℃和230℃(王平全，2001)。準(zhǔn)確稱(chēng)量20g未烘干土樣各10份，平均分為兩組，每組各5個(gè)土樣，將5個(gè)土樣中的4個(gè)分別在75℃、110℃、120℃和 230℃烘干至恒重，再將上述兩組處理后的土樣分別在相對(duì)濕度55%和82%的環(huán)境下吸濕平衡。吸濕平衡后再放置于75℃、110℃、120℃和230℃條件下烘干至恒重(圖12)，將75℃、120℃和230℃烘干的失水分別定義為自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水(王平全，2001)。具體工況和測(cè)試結(jié)果如表 4和圖13所示。

圖12 試驗(yàn)示意圖Fig.12 Diagram of test

表 3 不同相對(duì)濕度的吸附動(dòng)力學(xué)參數(shù)Table3 Adsorption kinetic parameters of different relative humidity

由表 4和圖13可知，環(huán)境相對(duì)濕度越大，土樣自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水的吸附量越大；相對(duì)濕度82%時(shí)，未烘干處理和75℃、110℃、120℃、230℃烘干處理的自由水和結(jié)合水總量分別為14.839%、11.36%和11.948%、11.975%、13.448%，高于相對(duì)濕度55%時(shí)的總量12.127%和9.655%、9.938%、9.98%、10.7276%。高廟子膨潤(rùn)土吸濕的質(zhì)量的關(guān)系大小為：自由水>強(qiáng)結(jié)合水>弱結(jié)合水。未進(jìn)行烘干處理的土樣，測(cè)定的自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水含量最大，烘干處理后膨潤(rùn)土進(jìn)行吸濕，測(cè)定的相應(yīng)吸濕量較低，結(jié)合已有研究推斷，可能是干濕循環(huán)過(guò)程導(dǎo)致的土樣比表面積減小，孔隙率增大，顆粒定向性變差，從而使得吸濕量減小(劉松玉等，1999；簡(jiǎn)文彬等，2017；謝輝輝等，2019)。

表 4 不同處理?xiàng)l件下土樣水量變化情況Table4 Variation of soil sample water volume under different treatment conditions

圖13 不同初始烘干條件下結(jié)合水含量變化Fig.13 The bound water content under different initial drying temperatures

相同條件下，初始烘干溫度越高膨潤(rùn)土吸附自由水、弱結(jié)合水和強(qiáng)結(jié)合水含量也越高。一般地，越高溫度處理的土樣吸附水蒸氣量就會(huì)越多，蒙脫土失去強(qiáng)結(jié)合水時(shí)，會(huì)分別吸附強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水，所以其吸附結(jié)合水的量應(yīng)該比失去弱結(jié)合水的蒙脫土吸附更多水分子(陳瓊，2013；莫燕坤等，2021)。

由表4可知，110℃和230℃烘干處理后，相對(duì)濕度82%吸濕的結(jié)合水量分別為1.412%和1.533%。而2.1節(jié)中，110℃和200℃烘干處理后，相對(duì)濕度82%吸濕1.5min時(shí)的吸濕率分別為1.056%和2.805%，2.0min時(shí)的吸濕率分別為1.536%和3.475%，表明1.5min時(shí)，110℃烘干的土樣吸濕為結(jié)合水，而200℃烘干的土樣不僅吸收有結(jié)合水還吸收了部分弱結(jié)合水；結(jié)合水的吸附并不是瞬時(shí)完成的，需要一定的吸收時(shí)間，且初始的烘干溫度越高，結(jié)合水的吸附速率越快。2.4節(jié)中，110℃烘干處理后，相對(duì)濕度55%和82%吸濕2min時(shí)的吸濕率分別為1.483%和1.536%，與烘干測(cè)定的結(jié)合水含水率1.316%和1.412%較為接近，表明110℃烘干后，結(jié)合水的吸附是在2min左右完成的，受相對(duì)濕度的影響較小，進(jìn)一步證明了推斷的正確性。

3.2 結(jié)合水的密度和水膜厚度的確定

根據(jù)土樣的基本性質(zhì)，以及吸濕前后密度、質(zhì)量的變化，求得不同相對(duì)濕度下吸附結(jié)合水的厚度(王鐵行等，2014；Wang et al.，2020)。水合膨潤(rùn)土的體積將會(huì)隨著水膜厚度的增加而變大，其體積可由式(4)計(jì)算

Vps=mps/ρps

(4)

式中：Vps為水合膨潤(rùn)土的體積；ρps為水合膨潤(rùn)土的密度；mps為水合膨潤(rùn)土的質(zhì)量，其中水合膨潤(rùn)土的密度可以由比重瓶法測(cè)量，為避免膨潤(rùn)土中的黏土礦物水化，采用中性溶液(煤油)作為測(cè)量介質(zhì)，具體操作步驟嚴(yán)格參照土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 50123-2019)執(zhí)行。

忽略烘干土樣吸濕過(guò)程中體積變化，土樣吸濕后結(jié)合水體積計(jì)算表達(dá)式(5)：

Vpw=Vps-Vs

(5)

式中：Vpw為結(jié)合水的體積；Vs為干膨潤(rùn)土顆粒的體積。

結(jié)合水的密度可以用式(6)計(jì)算：

ρw=mw/Vpw

(6)

式中：ρw為結(jié)合水的密度；Vpw為結(jié)合水的體積；mw為吸附結(jié)合水的質(zhì)量。mw=mpw-ms，mpw為水合后膨潤(rùn)土的質(zhì)量，ms為干膨潤(rùn)土的質(zhì)量。

結(jié)合水水膜厚度可以用式(7)計(jì)算

hw=Vpw/S0

(7)

表 5 土樣中不同類(lèi)型結(jié)合水的含量

式中：hw為結(jié)合水膜厚度；Vpw為結(jié)合水的體積；S0為膨潤(rùn)土中黏土礦物的表面積(m2)。此處的水膜厚度為，既定的相對(duì)濕度下，干燥的膨潤(rùn)土吸附水分形成的，在礦物表面按照其表面積均勻分布時(shí)的最小厚度(王平全，2001)。

獲得水合膨潤(rùn)土的水膜厚度后，可計(jì)算出等效水分子層厚度。計(jì)算單個(gè)吸附水分子的有效直徑用下式：

τ=vw/ANA

(8)

Halsey方程(Halsey，1948)可以用來(lái)近似估算多孔介質(zhì)中吸附水膜的厚度，其表述如式(9)：

(9)

式中：t為水膜厚度(?)；τ為水分子的直徑，25℃時(shí)，τ=2.78?。

圖14 不同類(lèi)型土的結(jié)合水水膜厚度與相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.14 Relationship between bound water film thickness and relative humidity of different soils

由表 5及圖14可知，不同土樣的結(jié)合水膜厚度存在顯著差異，高廟子膨潤(rùn)土的水膜厚度與Halsey方程值較為接近，未進(jìn)行烘干的膨潤(rùn)土測(cè)定的結(jié)合水水膜厚度最大，55%和82%時(shí)的水膜厚度分別為10.76?和13.31?。其原因?yàn)楹娓珊蟮谋缺砻娣e減小，孔隙率增大，顆粒定向性變差，從而使得吸濕量和水膜厚度減小(劉松玉等，1999；簡(jiǎn)文彬等，2017；謝輝輝等，2019)。膨潤(rùn)土進(jìn)行烘干后吸濕，水膜厚度隨著烘干溫度以及相對(duì)濕度的升高而增大。230℃烘干后在相對(duì)濕度55%和82%環(huán)境下吸濕，測(cè)定的吸濕量與烘干失水量近乎一致，此時(shí)的水膜厚度為6.54?和11.08?；而75℃、110℃、120℃這些初始烘干溫度，不足以完全烘出土樣中的結(jié)合水，因此計(jì)算出的水膜厚度時(shí)小于真實(shí)值的，土樣110℃烘干后，土樣的結(jié)合水水膜厚度分別為5.56?和7.71?。Malan loess(Wang et al.，2020)和Qingdao clay(Li et al.，2019)具有較大的比表面積，因此形成的水膜厚度較小。

4 結(jié) 論

本文研究了高廟子膨潤(rùn)土在不同烘干溫度、烘干時(shí)間、環(huán)境相對(duì)濕度、與空氣的接觸面積、土層厚度條件下的吸濕特性，并對(duì)110℃烘干后，高廟子膨潤(rùn)土的吸濕量，自由水、結(jié)合水的含量及水膜厚度進(jìn)行計(jì)算分析。研究結(jié)果表明：

(1)土樣在200℃烘干條件下，相較110℃時(shí)多烘出的水量為強(qiáng)結(jié)合水，根據(jù)不同時(shí)間的相對(duì)濕度與吸濕率關(guān)系推斷，相對(duì)濕度55%和82%時(shí)，強(qiáng)結(jié)合水的吸濕率分別為1.483%和1.536%。

(2)土樣在110℃條件下，8h的烘干足以使土樣質(zhì)量達(dá)到平衡；增加接觸面積，并不會(huì)增加其吸濕率；其他條件相同時(shí)，吸濕率與烘干溫度和相對(duì)濕度成正相關(guān)關(guān)系；土樣吸濕存在深度效應(yīng)，烘干土樣吸濕能力沿深度是非均勻衰減的，4mm深度以下土層對(duì)空氣中水分子的吸附能力很弱。

(3)高廟子膨潤(rùn)土烘干后吸濕量：自由水>強(qiáng)結(jié)合水>弱結(jié)合水。土樣110℃烘干后，結(jié)合水的吸附約在2min左右完成，最終得到相對(duì)濕度55%和82%時(shí)的結(jié)合水水膜厚度分別為5.56?和7.71?。

結(jié)合水含量對(duì)于土的液塑限、膨脹性、滲透性、抗剪強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)有著重要性的影響。本文對(duì)高廟子膨潤(rùn)土的吸濕特性的研究對(duì)高廟子膨潤(rùn)土在鉆孔泥漿護(hù)壁性能穩(wěn)定、核廢料處置和防污屏障性能等領(lǐng)域的工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用有指導(dǎo)作用。