陕西渭北晚更新世黄土-古土壤结合水膜厚度的试验研究

为深入剖析黄土与古土壤工程性质的影响因素,以陕西渭北晚更新世黄土与古土壤为研究对象,基于核磁共振、比表面积测试并结合理论分析对结合水膜厚度进行研究。试验结果显示:黄土与古土壤的结合水膜厚度存在明显差异,黄土的结合水膜厚度明显大于古土壤,原因在于古土壤孔隙体积及孔径小于黄土,而古土壤中高价阳离子含量大于黄土,同时古土壤颗粒表面分布铁锰质薄膜,其亲水性较弱。分析结合水膜与黄土湿陷性、回弹变形等工程特性间的关系,发现黄土-古土壤的湿陷性随结合水膜厚度的增大而增强,随结合水膜厚度的减小而减弱,结合水膜厚度与卸荷变形系数呈正相关关系。综合分析说明,高价阳离子含量、颗粒表面特性,及孔隙性的不同造成了黄土与古土壤结合水膜厚度的差异,从而导致黄土与古土壤的湿陷性等工程性质有显著区别。

基于煤颗粒−结合水复合相的水煤浆导热系数预测模型

水煤浆气流床气化是目前大型先进煤气化技术之一,提升水煤浆气化效率有助于推动煤炭清洁高效利用。水煤浆预热技术被认为是提高煤气化能源利用效率的关键技术之一。目前,复杂液固悬浮液导热系数的变化规律和内在机理仍未被完全认识。导热系数是介质流动换热的重要基础参数,表征着其在稳态导热过程的导热能力。利用瞬态热线法测定不同温度下相同质量分数水煤浆的导热系数,实验结果表明:温度越高,导热系数越高。在室温下测定不同质量分数下水煤浆的导热系数,实验结果表明可以分为2个阶段:质量分数从51%增大到58%时为下降区,导热系数快速下降,由0.401 W/(m·K)降至0.358 W/(m·K);而质量分数继续增加,从58%到67%时为恒定区,导热系数基本保持在0.358 W/(m·K)。基于实验结果,综合考虑平行模型、麦克斯韦模型、广义自洽模型等复合材料模型,提出煤颗粒−结合水复合的水煤浆导热系数平行预测模型。水煤浆中的水分包含自由水和结合水,结合水会和煤颗粒形成煤颗粒−结合水复合相,将水煤浆视为复合相和自由水相组成的两相复合材料。在下降区,随着煤颗粒质量分数的增加,自由水相减少,复合相不变,水煤浆导热系数快速降低;在恒定区,随着煤颗粒质量分数的进一步增加,复合相中的结合水量减少,但复合相的导热系数基本维持稳定。

砂-黏土中结合水含量及渗透性的非等温耦合效应

土体结合水性质、渗透性及温度之间的耦合关系,很大程度上决定了土体的温度-渗流-应力耦合行为。开展了非等温条件下饱和土的结合水含量及渗透性试验研究,以揭示温度变化对不同粒径和黏粒含量土体吸附结合水含量和渗透系数的影响机制。研究表明,温升可导致土体吸附结合水含量显著降低,且结合水含量-温度关系显著依赖于颗粒粒径和黏粒含量。由于土粒间的相互作用及结构性效应依赖于黏粒含量及温度,成型砂土/低含黏土和黏土/高含黏土样结合水含量分别不同程度地高于和低于散状土样。同时,温度升高将引起土体渗透系数不同程度的增大,这与升温下自由水运动黏度和吸附结合水含量的降低等因素密切相关,这些因素的作用程度又依赖于黏粒含量和土体孔隙率。在非等温条件下,忽略结合水效应将分别高估和低估低黏粒含量和高黏粒含量土体的渗透性随温度的变化。

温度对高液限土吸附结合水及其变形影响的试验研究

为研究温度变化对高液限黏土吸附结合水含量的影响及高液限黏土路堤的变形规律,该文选取海南高液限黏土为主要研究对象,并与湖南低液限砂土进行对比研究。通过核磁共振试验,探究温度对高液限黏土吸附结合水含量的影响规律;通过温控固结仪开展固结试验,分析温度对高液限黏土路堤变形的影响规律;借助分子动力学模拟软件,从微观层面探究温度对高岭石吸附水分子影响机制。结果表明:温度由5℃上升至45℃,高液限黏土中吸附结合水减少4.3个百分点,远大于低液限砂土减少量(1.4个百分点)。恒定温度、相同荷载路径下,高液限黏土孔隙比随温度升高变化较大,而低液限砂土几乎不受影响,说明高液限黏土温敏性更强。恒定压力下,温度升高对高岭石吸附水有削弱作用;相同的升温路径下,压力越大高岭石吸附的水分子量越多。

吸附结合水对高液限土强度和渗透特性的影响试验研究

为揭示吸附结合水对高液限土强度和渗透特性的影响规律,通过不同浓度的氯化钠溶液控制湖南和海南高液限土试样的初始吸附结合水含量,采用热重分析法测定该含量,再分别开展直剪试验、无侧限抗压强度试验和渗透试验。试验结果表明:随着盐溶液物质的量浓度的增大,吸附结合水含量减小,强结合水含量基本不变;吸附结合水黏滞性大、活动性小,具有一定的类固相性质;随着吸附结合水含量的降低,试样的抗剪强度和抗压强度均减小;在渗流过程中,随着吸附结合水含量的降低,渗透系数先增大后减小,但最终渗透系数大于初始值。该研究成果可为高液限土用作路基填料提供参考。

结合水对昆明红黏土压缩特性的影响研究

通过等温吸附试验及压缩试验,获得昆明红黏土压缩特性随含水量的变化规律,探讨结合水含量与红黏土压缩性指标之间的关系,阐释结合水对其压缩特性影响的微观机制;采用MATLAB构建相应的数学模型,从土力学角度揭示红黏土的压缩机理。结果表明,昆明红黏土等温吸附曲线分为3个阶段;压缩系数随含水量的变化出现“单峰”值,压缩模量随含水量增加呈减小的趋势,且有较明显的分界点,呈指数函数关系;三维拟合曲面以含水量为桥梁,建立压缩系数与孔隙比对应关系;结合水含量影响土颗粒结构的稳定性、压缩性,随着自由水的出现,水膜间连接力降低,润滑作用出现,导致土颗粒间摩擦力减小,抗压缩性减弱。

结合水动力学法在平原型水库浸没评价中的应用

水库运行后地下水位壅高预测是水库浸没评价的核心内容之一,主要有解析法及结合水动力学法两种,对平原区水库二元结构地层,规范推荐采用结合水动力学法,该方法预测的准确性受盖层的起始水力坡降与承压水头两个参数控制。文章基于工程实例,探讨了基于结合水动力学法的浸没评价流程、参数选取等问题,可供类似工程参考。

黏性土中结合水测定及影响因素分析

土中结合水是形成黏性土的物理、化学、力学等性质的重要因素。通过对一系列人工混合黏性土和2种天然红黏土进行比表面积测试和等温吸附试验,确定各类黏性土的比表面积和土中不同结合水类型及含量,在此基础上探讨黏性土中结合水与矿物成分、比表面积等影响因素之间的定量关系。研究结果表明:(1)黏性土的比表面积与黏土矿物含量线性正相关;(2)等温吸附法中,相对湿度RH=0.90和0.98分别为黏性土中强结合水、弱结合水、自由水的界限划分点;(3)相同矿物成分的混合黏性土吸附结合水含量随蒙脱土含量、比表面积的增加而递增,大致呈线性关系;(4)天然红黏土的吸附结合水含量与其矿物成分总量、比表面积具有正相关关系,黏土矿物含量是最根本的影响因素。

基于结合水膜厚度变化的红黏土收缩机理研究

结合水的含量及存在形式对红黏土的物理力学性质具有重要影响,而红黏土宏观收缩会引起土粒、孔隙、结合水微观结构变化,进而可能产生土体浅表层开裂引发渗透、失稳等工程地质问题。采用热重分析试验、BET测试试验、电镜扫描和Zeta电位试验对原状红黏土收缩过程中结合水的变化特征进行了研究,建立了基于结合水膜均匀分布下的球状和薄片状黏土颗粒结构模型,并推导出结合水膜厚度的计算公式。研究结果表明,原状红黏土中的水分大部分以结合水的形式存在,红黏土的收缩过程一直贯穿着弱结合水的损失,Zeta电位和比表面积不断减小,结合水膜厚度也不断减小。研究结果揭示了红黏土失水收缩的内在机理,可为解决环境工程地质问题提供理论支持。

结合水对高液限土变形行为的影响

为研究结合水对高液限土变形的影响机制,并建立有助于工程应用的压缩系数预估公式,本文选取了高液限黏土、高液限粉土和黏土质砂展开室内试验研究。通过不同浓度的NaCl溶液对土样初始结合水进行控制,用热重分析法测定了3种土样在不同浓度下的结合水含量;通过液塑限联合测定仪测定了不同浓度下液塑限的变化规律;为了研究结合水对固结特性的影响,采用固结法对3种土样在不同浓度的盐溶液下进行了饱和固结试验。结果表明:随着盐溶液浓度的增加,其结合水含量降低,液塑限也降低;对于相同初始孔隙比的饱和土样,压缩指数随结合水含量的增加而降低;在相同修正孔隙比条件下,不同土体的压缩曲线趋于一致。根据本文结果及已有文献数据,建立了初始孔隙比与压缩指数的预估公式,由于结合水在土中起到了一定骨架作用,与未修正的孔隙比相比,修正后的孔隙比可将不同土样压缩行为进行归一化,从而提高压缩指数预估公式的相关性。

黏土结合水的热分析定量研究方法

黏土矿物在不同的水化阶段所吸附的结合水有不同的结构和性质,可分为强结合水和弱结合水,他们和黏土的连结形式不同。定量分析黏土结合水,研究不同结合水类型和含量对力学参数的影响,可以为建立力学与化学耦合模型提供定量化参数。实验用热分析法定量测定了黏土的结合水类型、含量以及水化程度,结果表明,TG曲线上的台阶不明显,难以确定温度点,而利用DTG曲线可以清楚地看到自由水和弱结合水的温度拐点;确定了DTG曲线上的温度界限是一个区间,即自由水的温度界限是75℃±5℃,弱结合水的温度界限是140℃±5℃,强结合水的温度界限是210℃±5℃;随着电导率的降低,DTG曲线上的第一个负峰逐渐向左漂移,即自由水与弱结合水的温度界限在降低,DTG曲线上的第2个、第3个负峰越来越明显,即强弱结合水的温度界限越来越明显,证明了电解质对黏土结合水的热分析有非常大的影响;不同电导率的黏土结合水的水化程度都大于1,说明黏土不仅饱和吸附了强结合水,而且还吸附了弱结合水。实验证明,DTG曲线可以定量分析黏土结合水类型以及结合水含量,但必须去除电解质的影响。

结合水对高岭土超固结特性的影响

为探究结合水对高岭土超固结特性的影响机制,设计了一种新的固结渗透装置,并结合核磁共振技术分析了结合水在高岭土超固结过程中的变化规律及对高岭土超固结特性的影响。孔隙中结合水含量的变化对高岭土超固结特性有较大的影响;当p<200 kPa时,高岭土有一部分结合水转化成自由水被排出,吸附在颗粒表面的结合水含量快速减少,固结系数近似呈线性变化;当p=200 kPa时,土体中的结合水出现明显改变,导致固结完成时间快;当p>200 kPa时,结合水含量随着压力的增大而缓慢减少,固结系数由线性增加变为缓慢增加。

结合水对软粘土流变性质影响的试验研究(英文)

软粘土中含有强结合水、弱结合水和自由水,结合水是影响软粘土流变性质的重要因素。采用改进的直剪蠕变仪,对软粘土中结合水对其流变性质影响进行试验研究,测试了一组含水类型不同而其他条件相同的粘土试样的流变性质。测试结果表明,土体的粘滞系数随强结合水含量的增加而减少,即流变变形阻力随强结合水增多而减小;而当含水量大于最大吸附结合水含量时,土粘滞系数随含水量的增大而增大,即流变变形阻力随弱结合水的增多而增大。试验结果分析表明,强结合水是土体产生流变的主要因素,而弱结合水则是相对次要因素。该研究成果有助于进一步认清土体流变的起源,对改进和完善现有流变固结理论有一定指导意义。

用等温吸附法确定粘土表面吸附结合水界限

采用等温吸附法对粘土表面吸附结合水量及其界限进行了定量测定,结果表明,随着相对水气平衡压p/ps的增加,在p/Ps=0～0.98时,纯蒙脱土吸附趋势均呈'S'形,表现为从单分子层吸附过渡为双层吸附、多层吸附,直到连续吸附.等温吸附曲线出现两个明显的转折点p/ps=0.9、0.98,它们为粘土-水体系的两个特征湿度,前者为粘土表面强结合水与松散结合水(渗透结合水)之间的交界点(界限),后者为松散结合水与自由水之间的交界点(界限).实验研究测得了粘土表面吸附结合水量(质量、体积、密度、厚度、平均积分比容等).配合X-射线衍射法,获得了水合粘土基面间距d001与p/ps的关系,验证了等温吸附法确定的两个特征湿度及对粘土表面结合水界限划分的正确性.

超声波声强及处理时间对污泥结合水的影响

污泥的脱水性与其结合水的含量有很大的关系.根据Heukelekian 和Weisberg's的理论,结合水含量可以通过膨胀计法测得.结合前人的实验方法,改用低温恒温槽作为冷冻设备,采用膨胀计法测量结合水的含量.实验证明,二甲苯相对密度比水小且与水不互溶,在实验温度范围内(-8～20 ℃)线性膨胀,可以用作膨胀计法测量污泥结合水的指示液.在此基础上研究了超声波作用对污泥结合水的影响情况,实验结果表明,较小声强超声波(<600 W/m2)处理较短时间有利于减少污泥的结合水.但是加大声强以及延长处理时间效果变差,其机理可能是超声波促混凝作用和EPS(Extracelluar Polymeric Substances)对污泥颗粒团聚作用的共同结果.平均声强400 W/m2左右,超声处理2～4 min,可以使污泥的结合水含量由原来的16.7 g/g干基 降到2.0 g/g干基以下.

污泥结合水测量方法和水分分布特性

为了实现污泥高效脱水,对污泥水分分布特征与脱水性能变化的关系进行研究.分别利用热干燥法、抽滤法、压滤法、水活度法和膨胀计法测定同一市政污泥的结合水相对质量分数,通过分析比较测量数据和应用原理,总结出各种方法的优缺点和适用条件.基于膨胀计法对污泥水分能量状态进行了分析,构建了污泥水分分布特征曲线,并阐明污泥在不同水分质量分数时的机械脱水效果.研究表明:5种方法的结合水质量分数(结合水/干基)测量结果差异明显,其中抽滤法测量值最大为628%,水活度法测量值最小,只有34%;膨胀计法操作快捷、原始数据容易处理,优于其余4种测量方法.当污泥水分相对质量分数(全水分/干基)大于183%时,适当提高设备的脱水强度能够较好地改善脱水效果.

煤矿区深部粘性土吸附结合水含量测定及其意义

通过测定两煤矿区深部粘性土代表土样的吸附结合水含量，结合文献［１］中测试结果，总结出由粘性土塑限（Ｗｐ）估算吸附结合水含量（Ｗｑ）的表达式：Ｗｇ＝０．８８５Ｗｐ，用该式给出了徐淮矿区深部粘性土的吸附结合水含量大小，并从粘性土结合水含量方面，解释了徐淮地区采用冻结凿井时深部冻结管断裂的原因，讨论了深部土层失水后土体压缩变形的特点．

离子土固化剂对膨胀土结合水影响机制研究

以河南安阳弱膨胀土为对象,通过"水汽等温吸附–热失重、差热分析"对膨胀土表面吸附结合水类型进行界定,比较分析离子土固化剂(ISS)改性前后,膨胀土结合水分布形态及数量变化,并基于傅里叶红外光谱,从水分子结构振动信息角度对膨胀土吸附结合水类型界定方法进行定性验证;结合ISS改性前后黏土矿物组分、表面理化性质的变化,解释分析了不同水汽湿度区间内,ISS对膨胀土水合行为的作用模型及改性机理。结果表明:达到一定的水汽"特征"湿度段,土表面水合状态和结合水性质将发生转变,根据热曲线的脱失温度区间可将结合水界定划分为三种类型:强结合水,"过渡"结合水和弱结合水。ISS作用后,土吸附强结合水量无明显改变,"过渡"结合水及弱结合水含量显著降低。ISS通过对膨胀性黏土矿物表面及层间的物化作用,弱化黏土矿物部分"水合活性中心"能量,从而抑制了膨胀土水化膨胀势。

黄土表面吸附结合水的类型和界限划分

通过等温吸附法和热重分析法对黄土表面结合水的类型和界限进行了划分,并针对结合水相关的物理力学性质进行了研究。试验结果表明,黄土在相对湿度小于0.59的湿度环境下吸附水汽所形成的水为强结合水,在相对湿度为0.59~0.98的湿度环境下吸附水汽所形成的水为弱结合水;强结合水所对应的绝对含水率的界限为0~2.70%,弱结合水所对应的绝对含水率的界限为2.70%~6.61%;强结合水的热失重区间为125℃~245℃,弱结合水的热失重区间为65℃~125℃。黄土的水合比重、结合水的密度均随着绝对含水率的增加而减小,水合后黄土的体积、黄土所吸附的结合水的体积、结合水膜的厚度均随着绝对含水率的增加而增加。

ISS减小红色黏土结合水膜的试验研究

红色黏土结合水膜的厚度对其塑性、吸附性、渗透性、膨胀性和导电性等物理性质及强度、变形等力学性质起着控制性的作用。为了分析和计算离子土壤固化剂(ISS)处理红色黏土前后其结合水膜厚度的变化,进行了阿太堡试验、Zeta电位试验、电导率试验和比表面积试验。根据扁平状黏土颗粒结合水膜形成模型,推导了结合水膜厚度计算公式。根据液限含水率、比表面积和结合水密度,计算了ISS加固前后结合水膜厚度的变化。得出ISS加固红色黏土,能够降低其塑性指数,减小Zeta电位和电导率,从而使结合水膜厚度减薄,但不会改变黏土颗粒的双电层结构,不能完全去除红色黏土中的结合水。试验与理论计算结果表明,用塑性指数的降低来表征ISS减小红色黏土结合水膜是可行的、有效的。