结合水的研究

王 沛 一

(中山大学地球科学与地质工程学院，广东 广州 510275)

结合水的研究

王 沛 一

(中山大学地球科学与地质工程学院，广东 广州 510275)

简要对比了结合水的工程学与矿物学定义，对结合水概念作了进一步划分，同时概括分析了目前在结合水测量和水土作用领域的研究动态，对于从事粘土中结合水的研究具有一定的借鉴意义。

结合水，测量方式，水土作用

结合水的研究经历了从概念阶段到定性描述及测量阶段再到现今的半定量分析结合实际工程应用阶段，揭示了现有材料特性与含水率间的更为本质的联系，对实际工程建设有着指导意义。粘土地基作为我国沿海地区常见施工地基，其强度、膨胀性、流变性等一系列危害工程安全稳定性的要素均与水有着十分重要的联系，而结合水是控制粘土的物理性质的主要影响因素之一，因此明确结合水的概念，了解结合水的特性有着十分重要的意义。

1 结合水的概念

20世纪60年代末，莫斯科大学将结合水列为重点科研课题，通过运用核磁共振、电化学、热力学、X-射线等物理、化学方法的综合研究，对土体与结合水有关的过程和机理有了一定的研究[1]。对于结合水的定义不同的研究者提出了多种分类方式和名称[2-6]，本文选取目前应用较为广泛的两种形式分别概述并就二者间的关系加以分析。

1.1 矿物学角度

矿物学中水在矿物中的含量是不定的，共有五种类型，依次为吸附水、结晶水、化合水、沸石水和层间水[6]。

吸附水的机械吸附于矿物和晶体表面，以水分子的形式存在，逸散温度在110 ℃左右(吸附水中的胶体水的失水温度较高，一般为100 ℃～250 ℃)。

结晶水以配位的形式存在于矿物晶格中，以水分子的形式存在，逸散温度在200 ℃～500 ℃。

化合水以离子((OH-)或(H3O)+)存在于晶体组构中，具有固定的数量，逸散温度在500 ℃～900 ℃。

沸石水因存在于沸石族矿物中而定名，以水分子的形式存在。

层间水因赋存于层状硅酸盐矿物的结构层之间而得名。层状结构硅酸盐矿物其晶体结构由一系列结构单元层平行叠置而成，其结构单元层可划分为硅氧四面体单元层和铝氧八面体单元层。由于单元层中的硅和铝经常被二价阳离子所替换，故层状硅酸盐矿物呈负电性，吸附水中的有力阳离子，水分子在极性作用下吸附于阳离子表面，形成层间水。含量随外界温度、湿度的变化而变化，110 ℃时，大量逸散，但在潮湿的环境中又可重新吸进水分。

1.2 工程学角度

目前工程界广泛应用的为P.И.兹洛切夫斯卡娅[7]提出的结合水的组构模型。

该模型将结合水分为吸附结合水和渗透吸收水两类(如图1所示)。

该模型依据距离矿物表面的远近以及相互间作用强度可将结合水划分为强结合水与弱结合水，图中正电荷所示代表水化阳离子，箭头所示代表水分子的定向。其意义在于揭示了吸附结合水的固相性质，不受重力作用，而渗透吸收水是液性性质，受重力作用[8]。同时，据X-射线分析资料,强结合水与粘土矿物颗粒表面相连结的实质属于固相范围，是结晶水的一种。弱结合水按其性质归类为粘土扩散层中的水[6]，也进一步证实了上述论点。

1.3 两种水定义间的关联

王平全[9]提出用热失重法来确定粘土中水的存在形式，对热失重的分析结果表明了土体中存在三种形式的水，即自由水、松散吸附结合水(弱结合水)以及紧密吸附水(强结合水)，其分别对应于25 ℃～75 ℃，75 ℃～120 ℃以及120 ℃～230 ℃区间的失水。

对比矿物水中各温度区间可知，工程学中的强弱结合水与对应于矿物学中的吸附水和层间水，其中弱结合水对应于层间水和部分吸附水，而强结合水则对应于吸附水中的胶体水。

2 结合水的测量方式

结合水的测量发展至今，已有了广泛而显著的成果。早期测量结合水的方法主要有四种[8]:X射线衍射法，加压排水法，离心机法以及吸湿法。1992年，Pyper J.W.[10]利用微波衰减法获得了结合水与自由水的界限，而我国学者吴凤彩[8]、李文平等[11]、王平全[9，12]等先后通过不同的方式对结合水的测定提出了多种简单而有效的方法，以下将简要介绍几种实验室最为常用的方法。

2.1 容量瓶法

粘性土吸附的水分中，弱的容重与自由水一致，强结合水因其偏固相，故容重较高，目前普遍采用1.3。当干燥土体吸附水体过程中，由液相自由水转换为强结合水时，容重增大而体积减小，通过体积的变化量算取强结合水的含量[8]。

设m克的干土样加入定量水或溶液中的容量瓶中后，水体积的缩小量为ΔV，则强结合水含水量Wg表达式为：

其中，γwe=1.3;γwt为在t℃下水的容重；Wg为强结合水的含量占干土重的百分比。

2.2 塑液限法

李文平等人在吴凤彩[8]的研究基础上，采用容量瓶法测量多组土样的Wg，在对比各土样的塑限Wp后，得到一个经验性的公式，即Wg=0.885Wp[11]，如图2所示。

由图2可见，虽有个别数据波动，但整体接近Wg=0.885Wp的拟合曲线。另有其他学者[13,14]在实际计算中也表示采用塑限、液限来对应于强弱结合水的含量，目前塑液限已取得一定的共识。

2.3 等温吸附法

等温吸附法的原理是对烘干到恒重的土样，令其在不同水汽平衡压下可空气中自由吸水，当吸附达到平衡时，土样增加的重量即为土样吸附的水分的重量。

不同的水汽平衡压对应不同的吸附水分质量。已有的研究表明，把吸附水量作为纵坐标，横坐标为水汽平衡压，则绘制的关系曲线斜率总体上呈现两端增大，中间平缓的趋势。根据曲线的不同形态可将水划分为自由水，弱结合水和强结合水。

2.4 热失重法

热失重法主要利用热天平，通过在土体加热过程中对其质量进行不间断测量，获取物体失去的重量G和对应的加热温度T之间的关系分析曲线，即TG曲线。对TG曲线求导，即可得到TG曲线的斜率曲线DTG曲线，根据TG和DTG曲线的波峰波谷特征，结合其他的测量方式，即可较为准确的对土体中强弱结合水的种类和含量加以判定。

如前文所述，王平全等[9]对热失重的分析结果表明了土体中存在三种形式的水，即自由水、松散吸附结合水(弱结合水)以及紧密吸附水(强结合水)，其分别对应于25 ℃～75 ℃，75 ℃～120 ℃以及120 ℃～230 ℃区间的失水。

以上几种方法为实验室常用方法，其优势在于操作简便，原理易于理解。其他测试方式有：红外光谱法，离子交换法，电化学法，声学法，体积分数法，水合熵法等。

3 结合水在土体流变中的影响分析

沿海工程建设场地多为淤泥质软土，其流变特性是导致地基失稳破坏的主要影响因素。学者针对其流变微观机理进行研究时发现[13-18]，结合水在微观层次上的水土作用过程中起到十分重要的作用，是软土流变的主要控制因素之一。

3.1 结合水对固结的影响

软土的固结试验曲线呈现出一种初始陡然下降，持续时间短，继而曲线变化非常平缓的特征。初始的陡然下降是由于软土的结构性被破坏导致，而非常平缓则证明了此时土中自由水被大量排除，附加应力转化的有效应力开始由粘粒及其表面的结合水膜共同承担[13]。

如图3所示，笔者选取大亚湾地区海积软土进行了一维固结实验，该软土的塑限为26.5%，液限为58.5%。图3为不同压强下固结稳定对应的含水率，图中wL,wp分别对应于液限、塑限含水率，其中wL对应的荷载比200 kPa略小，wp对应的含水率低于最低含水率。随着荷载的增加，对应土体固结稳定后的含水率在逐步减小，当荷载增大至300 kPa以后，含水率变化十分缓慢，趋近于平行状态。

说明了在固结过程中，当荷载小于200 kPa时，因其固结稳定时含水率高于液限，即此时的固结状态主要是由孔隙水压的消散和有效应力的缓慢增长维持稳定状态，结合水仅起到因粘滞性延缓孔压消散的作用。

当荷载大于200 kPa时，土体固结稳定后的含水率低于液限，此时的固结状态对应孔隙水压基本消散，由土骨架逐渐变形，有效应力增大以维持稳定状态，弱结合水在结构破坏与重组中起到主要的作用。

荷载的不断增大，含水率始终远远高于塑限，即强结合水在固结过程中未直接参与，所起作用较小。

3.2 结合水对流变的影响

工程中流变常见多为蠕变现象，即在常应力作用下土体发生缓慢而持续的变形破坏，通过一定的实验证明，软土的流变性质与其中的结合水密切相关[14-16]，流变的代表参数粘滞系数在某种意义上和结合水膜的厚度是成反比例的，当结合水膜越厚，则粘滞系数越小，反之越大。同时，强弱结合水对于粘滞系数的影响也不相同，当强结合水增多时，蠕变开始减缓，而弱结合水增多时，蠕变开始加强。

由上述可以发现，强结合水对于土体骨架胶结过程中起到固定稳定作用，偏固态，而弱结合水对于土体骨架起到缓冲润滑作用，偏塑性与粘滞性。

4 结语

矿物学中的水与工程学中的结合水存在一定的对应关系，工程学中的强弱结合水与对应于矿物学中的吸附水和层间水，其中弱结合水对应于层间水和部分吸附水，而强结合水则对应于吸附水中的胶体水。

结合水对于土体强度具有十分重要的影响，固结过程中主要为弱结合水的排出，影响软土固结的主要因素是水土作用及微观结构变化过程，固结的实质是弱结合水的不断排出，结合水膜变薄的过程，故弱结合水的排出是决定软土固结变形特性最本质因素。

结合水对土体流变的影响具体表现在流变速率上，强结合水增多时，蠕变速率开始减缓，而弱结合水增多时，蠕变速率开始加强。

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Research on combination water

Wang Peiyi

(EarthScienceandGeologicalEngineeringSchool,ZhongshanUniversity,Guangzhou510275,China)

This paper briefly compared the definition of combination water engineering and mineralogy, further divided the combination water concept, also summarized and analyzed the research dynamic condition of present combination water measurements and water-soil interaction field, had certain reference significance to combination water research.

combination water, measurement way, water-soil interaction

1009-6825(2015)16-0033-03

2015-03-27

王沛一(1990- )，男，在读硕士

TU991.21

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