黏性土结合水吸附动力学模型及机理研究

The effects of the type and formation of adsorbed water on physical-chemical-mechanical properties of clay have been discussed. The adsorbed water is an important factor which lead to a series of engineering geological problems of cohesive soil. In order to study the mechanism and model of cohesive soil adsorbed water in water vapor, in soil-water interface and in different eletrolyte solution, the isothermal adsorption, isohume adsorption, different PH, different cation type adsorption kinetics experiments will be carried. The cohesive soil after adsorption water then will performe the X-ray diffraction, infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, cation exchange capacity and pore size distribution experiments. According to the adsorption curve of water adsorption kinetics curve, thermodynamic curve and other experimental results, reveal the adsorption kinetics mechanism of cohesive soils, establish the control theory of adsorbed water. The Monte Carlo simulation of cohesive soil adsorbed bound water will be used. The interaction mechanism of clay mineral, surface charge, cations and adsorbed water will be established. the research results can be used to predict and prevent for the engineering problems caused by the adsorbed water, and promote the basic theory development of soil properties science, soil mechanics, engineering geology and soil science.

结合水的类型、形成过程对黏性土表现出来的物理-化学-力学性质具有强烈影响，同时还是引发黏性土一系列工程地质问题的重要因子。为了研究黏性土在水蒸气，在土-水界面、在不同电解质溶液中吸附结合水的流动、渗透、扩散的模型与机理，需要系统开展等温、等湿、变温变湿、变PH值、变阳离子种类的吸附动力学实验，并对在特定环境下吸附结合水后的黏性土进行X射线衍射、红外光谱、差示扫描量热、阳离子交换量、孔隙分布等实验，根据结合水吸附动力学曲线、热力学曲线和实验结果，揭示黏性土在水蒸气，在土-水界面、在不同电解质溶液中吸附结合水动力学机理，建立吸附结合水控制理论；利用Monte Carlo方法等模拟黏性土吸附结合水的动力学效应，建立不同黏土矿物单片-表面电荷-吸附阳离子-结合水相互作用的理论。研究成果可为由结合水引起工程问题的预测与防治提供关键理论和技术支撑，促进土质学、土力学、工程地质学和土壤学基础理论发展。

结合水的类型、形成过程对黏性土表现出来的物理-化学-力学性质具有强烈影响，同时还是引发黏性土一系列工程地质问题的重要因子。项目以Na-蒙脱土、纯高岭土、黄土坡滑坡滑带土、膨胀土和武汉红色黏土等5种黏土为研究对象，在获得各种黏土的基本物理性质、力学性质、矿物成分、全量化学成分和电化学性质的基础上，研究了黏性土在水蒸气、在土-水界面、在不同电解质溶液中吸附结合水的流动、渗透、扩散的模型与机理，系统开展了等温、等湿、变温变湿、变 PH 值、变阳离子种类的吸附动力学实验，并对在特定环境下吸附结合水后的黏性土进行 X射线衍射、红外光谱、差示扫描量热、阳离子交换量、孔隙分布等实验，根据结合水吸附动力学曲线、热力学曲线和实验结果，揭示黏性土在水蒸气，在土-水界面、在不同电解质溶液中吸附结合水动力学机理，建立了吸附结合水控制理论；模拟黏性土吸附结合水的动力学效应，建立不同黏土矿物单片-表面电荷-吸附阳离子-结合水相互作用的理论。提出了反应结合能的系数K5，并得出随着相对压力的升高，在黏土表面吸附结合水的动力学曲线中，5秒内的结合能系数K5，均是减小的趋势。根据水蒸气吸附－脱附数据计算出黏土的比表面积比氮气吸附的大，这是因为水分子具有极性，在氢键的作用下，更容易与黏土颗粒和表面阳离子结合。根据水蒸气吸附－脱附数据计算出黏土的表面分形维数大于氮气吸附数据，说明不是所有水分子能进入的孔隙氮气分子都可以进入，而且极性水分子在氢键作用下，会进入更粗糙的黏土矿物表面。综合水蒸气吸附法和恒速压汞法可以测量孔径的范围更大，揭示的孔径范围更广。研究成果可为由结合水引起工程问题的预测与防治提供关键理论和技术支撑，促进土质学、土力学、工程地质学和土壤学基础理论发展。