冻土未冻水含量与比表面积定量关系的试验研究

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土中部分水受土颗粒表面力和孔隙几何效应影响,在温度低于0℃时仍然保持液态,即冻土内部的未冻水,其含量与土质类型紧密相关。比表面积作为区分土质类型的核心指标之一,能够综合反映土在矿物成分、颗粒级配和塑性等方面的差异。研究比表面积对未冻水含量的影响对于揭示未冻水在各类型冻土中的变化和迁移规律具有重要意义。以往关于冻土未冻水含量的研究通常以天然土为研究对象,而天然土在初始含水率、干密度和含盐量等方面存在差异,这些差异对未冻水含量的测试结果产生干扰,使得以往研究获得的未冻水含量变化规律具有较大的离散性。因此,本文基于青藏粉质黏土和膨润土人工配制具有不同比表面积的土样,使用温控核磁共振技术测定土样的未冻水含量,获得未冻水含量随温度和比表面积的变化规律,并提出考虑温度和比表面积影响的未冻水含量预测公式。主要内容如下:(1)冻结特征曲线研究:基于低温核磁共振试验仪,对不同比表面积的土样进行分级冻结和融化,获得土样未冻水含量随温度的变化曲线,即冻结特征曲线。分析曲线特征及其随比表面积的变化规律,发现与经典三段式冻结特征曲线不同,本文所得冻结特征曲线可分为四段,即过冷段、快速冻结段、缓慢冻结段和稳定冻结段。随着比表面积增大,过冷段没有体现出明显规律性,快速冻结段未冻水含量变化幅度减小,缓慢冻结段未冻水含量变化率增大,稳定冻结段残余未冻水含量增大。(2)冻结温度研究:基于低温冷浴,对土样进行了一定温度梯度下的冻结试验,测定了土样温度随时间的变化曲线。发现随着比表面积增大,曲线上恒定温度段的持续时间缩短,且恒定温度段的对应温度(即冻结温度)降低。(3)影响机理研究:分析各土样孔隙半径分布曲线,发现比表面积影响冻结特征曲线的机理在于比表面积影响了土中各类型水的相对含量。比表面积大土样中未冻水以结合水为主,而比表面积小土样中未冻水以自由水为主。结合水受土颗粒束缚作用强,在降温时冻结速率低于自由水,从而使得同一低温下比表面积大的土的冻结程度低。(4)预测公式研究:根据Gibbs-Thomson方程的冻结温度退化理论以及孔径分布公式,计算自由未冻水含量,根据预融理论和比表面积分布公式,计算结合水含量,建立了一个新的未冻水含量理论预测公式。使用该公式预测本文和文献中的试验结果,取得了良好的预测效果。
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