粘土水化测定方法

粘土水化测定方法

摘要：由于粘土矿物具有水合活化中心而吸附结合水，结合水是控制形成粘性土稠度、塑性、分散膨胀、收缩等物理化学性质及强度、变形等力学性质的重要因素之一，强烈地牵制着涉及粘土矿物行业的发展。定量测定粘土表面结合水和弄清粘土水合机制，是合理有效地预测粘土矿物与水结合后所出现的物理一化学过程、控制和利用水合粘土特殊物理化学性质、力学性质的基础理论研究。它涉及粘土矿物学、水化学、表面化学、土质学、土力学、土壤学等诸多方面，属于多学科交叉的基础理论研究。在测定粘土吸水时，大多都不是从物理机理上进行分析和解决，而是采用标定法来解决，且大量的田间标定又很困难，标定结果出现误差。通过对吸附水的测定确定粘土的水化程度以及区分粘土水化的类型。

关键词：粘土；结合水；水化；活化；测定方法

1.前言

水在粘土中的存在形式主要包括强结合水、弱结合水、毛细管水及重力水四种。

(1)强结合水：又称吸湿水。吸湿水利用分子的吸附力吸附在岩土颗粒的周围并且形成一层极薄的水膜, 这层水膜是紧附于颗粒表面结合最牢固的一层水, 在强压下,其密度接近普通水的两倍,具有极大粘滞性和弹性,可完全不受重力作用,抗剪切, 抗传递静水压力, 最高吸附力可达10MPa。

(2)弱结合水：弱结合水的吸附力则相对较小,它处于吸着水之外,厚度则大于吸着水,又称弱薄膜水。弱薄膜水在外界的压力下可变形,但同样不受重力的影响,在颗粒水膜之间可作较为缓慢的移动,具有一定的张力及弹性, 同样也不能传递净水压力。

（3）毛细管水：是指在通过毛细管作用保持在岩土毛细管空隙中地下水, 这种地下水的存在方式在岩土中很常见, 对岩土的水理性质影响也是非常大的, 毛细管水存在的不同形式具体又细分为：孤立毛细管水、悬挂毛细管水、真正毛细管水。同样, 不同毛细管水存在形式的不同对岩土的水理性质的影响程度也不同。

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(4)重力水： 就是指在重力作用的影响下, 在岩土的孔隙、裂缝中自由流动的水,也就是人们常说的狭义“地下水”。与结合水有着相反的差异, 重力水不具有任何弹性及粘滞性,且不受任何分子力的影响,不能抗剪切, 也不具有抗传递静水压力的特性。由于一些天然及认为因素的影响,重力水在岩土中的活动相当活跃, 这就对岩土的水理性质（软化性、崩解性、透水性、胀缩性、给水性）产生非常大的影响。

对土壤含水量的测定可以反映作物对水的需要情况，对农业生产有很重要的指导意义。对土壤水分测定的方法研究有着非常重要的作用。目前，土壤水分测定方法多种多样：烘干法、中子仪法、γ射线透射法、电磁波法、电阻法、电容法、光电法、土壤水分传感器法等等。其中烘干法、中子仪法、γ射线透射法、电磁波法、土壤水分传感器法已被广泛应用，而电阻法、电容法、光电法目前还未见大量地使用。下面简单介绍一下这几种方法。

烘干法：取土样放入烘箱，烘至恒重。此时土壤水分中的自由态水以水蒸气形式全部散失掉。再称重量，从而获得土壤水分含量。

中子仪法：将中子源埋入待测土壤中，中子源不断发射快中子，快中子进入土壤介质与各种原子离子相碰撞，快中子损失能量，从而使其慢化。当快中子与氢原子碰撞时，损失能量最大，更易于慢化，慢中子云密度与氢元素含量呈正比。土壤中水分含量越高，氢就越多，使得慢中子云密度就越大，从而可以由慢中子云密度得到相应的土壤水分含量。

γ射线透射法：γ射线透射法利用放射源137Cs放射出γ线，用探头接收γ射线透过土体后的能量，与土壤水分含量换算得到。γ射线法与中子仪法有许多相似的优点，如快速、准确，不破坏土壤结构，能连续定点监测，且γ射线比中子仪的垂直分辨率更高。

电磁波法：利用电磁波在土壤介质中传播时，其传导常数如速度的衰减取决于土壤的性质，特别是土壤中含水量和电导率。用一对平行棒或金属线作为导体，土壤作为电介质，一对棒起波导管的作用，电磁波信号在土壤中以平面波传导，经传输线一端返到TDR接收器，分析传导速度和振幅变化，根据速度与介电常数的关系、介电常数与体积含水量之间的函数关系而得出土壤含水量。

土壤水分传感器法：分为两大类：一是直接显示方式，一是二次传感方式。二次传感显示型，是将直接显示型传感器中的压力读数换算成水分含量。将U型管水银指示部分换成以压阻传感器为二次传感的数字化土壤水分测量装置，即可

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实现数字化，直接显示传感器土壤吸力值的大小；还可运用于土壤水势的遥测。

2.水化水类型测定方法

粘土水化的类型主要有表面水化和渗透水化两种，表面水化是指粘土表面水分子吸收作用引起的，其主要驱动力为表面水化能；渗透水化是指某些粘土在完成了表面水化和离子水化周围形成水化壳。它们的测定的方法如下： 2.1 表面水化水测定方法

（1）测定原理：前苏联学者A．H库里契茨基测定了用不同阳离子饱和的多种粘土矿物的吸附等温线，还根据在不同相对湿度下粘土矿物的吸水量和比表面积计算了吸附水层假定厚度，并对样品进行了X射线衍射分析。分析了大量实验结果后认为，粘土矿物的吸附水在相对湿度(P／P0)约为0．88 时有质的变化，井将这一相对湿度作为区分表面水化水和渗透水化水的特征湿度。以下表面水化水的测定就是以此为基础的。

(2)测定方法：采用水汽吸附法测定表面水化水的量，实验步骤如下 ① 配制K2CrO4。饱和溶液，盛于干燥器中

② 将称量瓶洗净编号，在105℃下烘干直至恒重(W1)。

③ 在称量瓶中装入2—3g岩样(在200℃下烘干至恒重)，称量岩祥和瓶重(W2)，准确至O.001g。

④ 将装有样品的称量瓶置于盛有K2CrO4饱和溶液的干燥器中，打开瓶盖，在20℃下让样品吸水，吸水达平衡(一般需7d)后称重(W3)

⑤ 倒出样品，将洗净的称量瓶放回干燥器中，恒重3 d后称重(W4)。 ⑥ 岩样吸附的表面水化水按下式计算：

2.2 渗透水化水测定方法

(1)测定原理：泥页岩的膨胀不仅表现为泥页岩样品宏观体积的增加，而且还应包含向样品粒间孔隙空间的膨胀，因此膨胀水量应包含使样品宏观体积增大的水量和向粒间孔眩膨胀的水量，样品孔

欧中的水有一部分没有参与膨胀，即 Vtin=V0+V1+V2；式中Vtin为样品嘭胀终了

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体积V0为样品中颗粒体积(不包含孔隙体积)，V0 =样品质量／颗粒密度；V1为膨胀液体的量(即膨胀水量)；V2为膨胀终了时充满样品孔欧但未参与膨胀的水量。

大量实验结果表明,相同质量的同一样品在不同压实度(即孔眩体积不同)下具有不同初始体积和膨胀终了体积，两者呈线性关系。即Vtin=a+bVini 。 那么，理论上不含孔隙时样品的膨胀终了体积(Vtin 0)为Vtm 0=a+bV0

样品膨胀前的孔隙体积(P)为P=Vini -V0

样品吸水膨胀后的孔隙体积(Q)为Q=Vtin—Vtin o 总膨胀水量包含体积增量和孔眩体积减少量，即 V1=(Vtin-Vini)+(P—Q)=Vtm 0-V0=a +（b-1）V0

即通过对Vini、Vtin线性回归求出a、b，可由最后一式求出总膨胀水量，总膨胀水量减去表面水化水量，就得到渗透水化水量。

（2）测定方法：基于能准确测定样品初始高度和膨胀终了高度，并能使样品较快地达到膨胀平衡，设计了SHM泥页岩水化膨胀测试仪。称相同质量过孔径为0.154 mm筛的泥页岩样品，在不同压实力下压制成型，分别测定样品初始高度和膨胀终了高度，对样品初始体积和膨胀终了体积进行线性回归，由最后一式计算膨胀水量。

3.吸附水含量测定

粘土矿物能与水结合已为人所共知，其结合水是粘土矿物颗粒与水或水溶液相互作用的产物，具有特殊结构和复杂的物理化学特性。结合水对土中常所出现的物理一化学过程也具有强烈的影响关系。粘土矿物因吸附结合水会表现出某些特殊的物理化学性质而被广泛应用于许多领域。土中结合水的多少直接影响农业土壤改良及肥效、建筑地基稳固程度、陶瓷铸造印染质量、粘土胶体性质稳定性、钻井液性能稳定性、井壁稳定性、油气层产量等。随着粘土矿物应用范围的不断扩大，有效地预测粘土矿物与水结合后所出现的物理一化学过程，合理有效地控制和利用粘性土稠度、塑性、分散膨胀、收缩等物理化学性质及强度、变形等力学性质，实现改良土壤、增肥、地基稳固、陶瓷铸造印染质量好、粘土一水分散体性能稳定、井眼稳定、油气层保护等是目前工业、农业、建筑业等行业中的关键技术难题。通过准确地对粘土吸附结合水的测定是解决上述问题的理论基础和技术关键，也是国内外工农业及建筑业领域目前迫切期望解决的课题。目前测定水合粘土水分含量及存在形式有如下几种：热失重法、等温吸附法、红外光谱法、

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