黄土及相关黏土矿物吸附结合水的定量研究

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1、分类号:P64110710-2015129059硕士学位论文黄土及相关黏土矿物吸附结合水的定量研究李亚斌导师姓名职称钱会教授申请学位类别工学硕士学科专业名称地下水科学与工程论文提交日期2018年5月9日论文答辩日期2018年5月30日学位授予单位长安大学QuantitativeStudyontheAdsorptionBoundWaterofLoessandRelatedClayMineralsAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiYabinSupervisor：Prof.QianhuiChang’anUniversity

2、,Xi’an,China本文得到以下科研项目的资助与支持：国家自然基金项目：重塑黄土渗透性变化规律及其机制研究（41572236）摘要黄土及黏土矿物中结合水的研究一直是土壤水运动学、水文地质学、工程地质学、渗流力学、土质学、油气开发等领域密切关注的问题之一，结合水的存在很大程度上控制着土体的强度、渗透性及稳定性等。但是，目前针对黄土及其相关黏土矿物表面结合水的研究工作开展较少，难以支持评价和解决工程建设和科学研究中所面临的难题。为了进一步明确黄土表面吸附结合水的相关物理力学特征，本文对黄土及与之相关的几种黏土矿物表面结合水进行了系统研究。论文以取自陕西泾阳南塬的马兰黄土和不同粒

3、径的伊利石、蒙脱石、钠-蒙脱石作为研究对象，得到其表面结合水的吸附率，确定了不同类型结合水脱去时所对应的温度区间；测得了黄土及几种黏土矿物水合后的密度和体积，并据此分析结合水的密度及水合后的有关参数；分析了几种研究对象的比表面积，得到相应的结合水膜厚度。本论文主要获得以下成果：（1）采用等温吸附法，测量黄土及不同种类、不同粒径的几种黏土矿物表面结合水的吸附率。结果表明：伊利石表面结合水吸附率与粒径之间没有明显的规律，且吸附率较小；蒙脱石、钠-蒙脱石和黄土表面结合水吸附率相对较大，且同种物质、不同粒径之间结合水吸附率差别较大。（2）通过等温吸附实验，对不同研究对象吸附强、弱结合水

4、吸附率的比值进行研究分析。结果表明：伊利石200目对应的比值最大，为5.273，最小为325目对应的1.863；对蒙脱石，该比值小于1，说明弱结合水的吸附在相应的等温吸附过程中占据优势；钠-蒙脱石300目和400目截然不同，300目对应的该比值小于1，后者则相反；黄土比值接近于3，说明其表面强结合水的吸附作用较强，仅次于伊利石200目。（3）从等温吸附曲线类型和吸附特征点进行研究分析，所研究对象的吸附特征曲线类型均满足Ⅳ型等温吸附曲线，即随着相对湿度（RH）的增加，吸附率呈现逐渐增加的趋势，并在相对湿度接近1时趋于稳定；在等温吸附曲线上出现两个特征点，位于RH=0.58附近和R

5、H=0.98处，分别对应于强结合水和弱结合水、弱结合水和自由水的湿度分界点；部分研究对象在RH=0.11时还表现出单层吸附达到饱和时的特征。注1：吸附率表示单位质量干土中吸附结合水或自由水的量，单位：1（g/g）。I（4）采用热重分析法对研究对象表面吸附不同类型结合水脱去时的温度区间进行研究。结果表明：不同物质表面吸附强、弱结合水释重温度区间不同，强结合水脱去温度区间差别较大，自由水脱去温度区间不明显；结合TG和DTG曲线，验证了在等温吸附实验中所确定的结合水吸附率，实验结果可靠。（5）采用容量瓶法对吸附结合水的密度进行分析研究。随着相对湿度的增加，吸附结合水的密度呈现逐渐减小

6、的趋势，且密度变化曲线与等温吸附曲线具有较强的相关性，密度最大值为1.41g/cm3；单一黏土矿物水合后的密度、体积随吸附率基本呈现正相关；黄土因其成分复杂表现出一定的差异。（6）运用等温吸附、BET理论，对蒙脱石1000目、钠-蒙脱石400目和马兰黄土0.4-0.45mm的吸附结合水膜厚度做了定量分析计算。结果表明：不同研究对象结合水膜厚度差别较大，且部分研究对象满足单层吸附的特征。关键词：黄土，黏土矿物，结合水吸附率，等温吸附，热重分析IIAbstractThestudyofBound-waterofloessandclaymineralshasalwaysbeenoneo

7、ftheissuesthatarecloselywatchedinthefieldsofSoilWaterKinematics,Hydrogeology,GngineeringGeology,Hydromechanics,Geotechnicaloil-gasdevelopmentandothersphere,sometimesitlargelycontrolsthestrength,permeabilityandstabilityofsoilwithitsexistence;however