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)測省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201，中國)(②湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湘潭 411201，中國)

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)。

國內(nèi)外各學(xué)者對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，各種類型結(jié)合水的特點(diǎn)以及其對土的物理-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)系問題及土中吸附水的性質(zhì)。Pyper et al.(1984)應(yīng)用微波衰減法測量有機(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)且在表征過程中容易損壞樣品。Li et al.(2022)使用熱重分析法測得津淤泥質(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)，層間的陽離子可以被其他陽離子部分置換，允許交換性質(zhì)的陽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)對于含水率的測定規(guī)定的烘干溫度為105～110℃。目前，高廟子膨潤土在110℃干燥后的吸濕特征并不明確，不同相對濕度下自由水和結(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)境相對濕度RH，土厚，表面積)高廟子膨潤土的吸濕特征，并通過理論模型對吸濕試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，分析高廟子膨潤土中的水平衡問題，預(yù)測不同相對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)自內(nèi)蒙古高廟子地區(qū)的鈉基膨潤土，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，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)境相對濕度、與空氣的接觸面積、土體厚度對土樣吸濕的影響，具體試驗(yàn)工況見表 2，其中：試驗(yàn)組1研究了烘干溫度對土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組2研究了烘干時(shí)間對土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組3研究了土表面積對土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組4研究環(huán)境相對濕度對土樣吸濕的影響；試驗(yàn)組5研究了土樣厚度對土樣吸濕的影響。

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 烘干溫度對膨潤土吸濕的影響

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。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開始是固定不變的，說明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)類似固體，如果采用過高溫度將其烘出會影響土粒性狀。因此，在進(jìn)行土粒比重、土樣含水率等土工參數(shù)測試時(shí)，應(yīng)該嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，不宜采用過高的溫度對土樣進(jìn)行烘干(王平全等，2006；王鐵行等，2014；Wang et al.，2020)。

2.2 烘干時(shí)間對膨潤土吸濕的影響

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。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，兩者基本沒有差別，說明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)間不會改變土樣的烘干狀態(tài)，因此對土樣的吸濕能力無明顯影響。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 膨潤土表面積對吸濕的影響

圖4為不同接觸面積的土樣吸濕-時(shí)間曲線。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條吸濕率曲線變化趨勢較為一致，且數(shù)值接近，表明其吸濕特性較為相似，與接觸面積基本無關(guān)。由不同時(shí)間的吸濕量-接觸面積曲線(圖5)可知，隨著表面積的增加，吸濕量呈線性增加，不同面積的吸濕率不變，對應(yīng)圖4中4個(gè)不同接觸面積土樣的吸濕率曲線趨近重合。說明增加土樣質(zhì)量僅僅增加吸濕量，并不會影響土樣的平均吸濕率。這個(gè)規(guī)律符合常識，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Fig.6 The relationship between moisture adsorption and time for bentonite samples at different relative humidity

2.4 環(huán)境相對濕度對膨潤土吸濕的影響

圖6為初始土重15g，110℃烘干8h條件下，55%和82%相對濕度條件下土樣吸濕-時(shí)間曲線。土顆粒表面帶有負(fù)電荷引起的微電場效應(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程十分迅速，前2min內(nèi)吸濕率的增長速度近乎一致，很顯然這一部分吸收的水量應(yīng)該為強(qiáng)結(jié)合水，說明環(huán)境相對濕度對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)境相對濕度影響。2h土樣在空氣相對濕度55%環(huán)境下吸濕率達(dá)到7.338%，在空氣相對濕度82%環(huán)境下達(dá)到8.787%。環(huán)境相對濕度越高，水分子活動性和流動性更高，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 厚度對膨潤土吸濕的影響

圖8為不同厚度的吸濕-時(shí)間曲線。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，說明超過一定深度后，下層土樣基本不會吸濕。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)的曲線基本重合，說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的曲線擬合得到吸濕量占比隨深度的函數(shù)，結(jié)果見圖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，除以兩個(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，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膨潤土置于土樣盒中烘干后土重32.6g，土厚約12mm，測得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)。

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

(3)

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

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

3 結(jié)合水類型及其含量

3.1 不同干燥和相對濕度下結(jié)合水類型及其含量

相關(guān)研究表明：膨潤土中自由水、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 不同相對濕度的吸附動力學(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%，高于相對濕度55%時(shí)的總量12.127%和9.655%、9.938%、9.98%、10.7276%。高廟子膨潤土吸濕的質(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，烘干處理后膨潤土進(jìn)行吸濕，測定的相應(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越多，蒙脫土失去強(qiáng)結(jié)合水時(shí)，會分別吸附強(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)。水合膨潤土的體積將會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為水合膨潤土的體積；ρps為水合膨潤土的密度；mps為水合膨潤土的質(zhì)量，其中水合膨潤土的密度可以由比重瓶法測量，為避免膨潤土中的黏土礦物水化，采用中性溶液(煤油)作為測量介質(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為水合后膨潤土的質(zhì)量，ms為干膨潤土的質(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為膨潤土中黏土礦物的表面積(m2)。此處的水膜厚度為，既定的相對濕度下，干燥的膨潤土吸附水分形成的，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 不同類型土的結(jié)合水水膜厚度與相對濕度的關(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，高廟子膨潤土的水膜厚度與Halsey方程值較為接近，未進(jìn)行烘干的膨潤土測定的結(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；簡文彬等，2017；謝輝輝等，2019)。膨潤土進(jìn)行烘干后吸濕，水膜厚度隨著烘干溫度以及相對濕度的升高而增大。230℃烘干后在相對濕度55%和82%環(huán)境下吸濕，測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土在不同烘干溫度、烘干時(shí)間、環(huán)境相對濕度、與空氣的接觸面積、土層厚度條件下的吸濕特性，并對110℃烘干后，高廟子膨潤土的吸濕量，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)間的相對濕度與吸濕率關(guān)系推斷，相對濕度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深度以下土層對空氣中水分子的吸附能力很弱。

(3)高廟子膨潤土烘干后吸濕量：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。本文對高廟子膨潤土的吸濕特性的研究對高廟子膨潤土在鉆孔泥漿護(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)識和應(yīng)用有指導(dǎo)作用。