Advances in Colloid and Interface Science│

最新研究：非一致水的空间状态分布及其相变机制——其寒区工程和环境意义

    土水相互作用以及土水相变是含水多孔介质材料研究的重要内容，也是寒区工程建设以及冻土环境演化等的关键科学问题之一。其研究与低温多孔材料研发、月球水冰赋存以及天然气水合物的形成和分解等密切相关，更是冻胀过程冰分凝和水分迁移关键机制的本质和核心内容。然而，土中水分的相变表征仍沿用描述单质纯水相变的传统相变理论，由于土壤颗粒与水分子相互作用，土水相变与纯水系统存在很大差异，因而基于传统宏观纯水延展的相变理论在实际应用中受到广泛的质疑。　　  

　　中国科学院西北生态环境资源研究院（简称西北研究院）冻土工程国家重点实验室冻土物理力学团队，长期对此问题进行跟踪研究。研究人员在前人研究的基础上，考虑弛豫效应，基于动静态分析，从局部孔隙水压力角度研究了微观界面土水的非一致性(图1)，并进行了力源分析，发展了非一致水的基质势概念；基于此，进一步明晰了非一致水的微观相变机制，对克拉伯龙方程和广义克拉伯龙方程进行了统一(图2)。在此基础上，对土水的空间密度变化、冻土强度变化、冻结点下降、气穴现象、孔压测试技术改进、水合物成核促进效应、未冻水的初始含水量差异(图3)、水分迁移驱动力等核心问题进行了探讨与解释。　　  

　　土颗粒-水微观界面是研究土水状态及其相变的最小基本单元，界面土水的非一致性及其微观相变理论立足于水的梯度效应，区别于传统一致水的研究角度，为后期的研究提供了新角度，同时该理论框架广泛适用于其他含水多孔介质材料。　　  

　　该成果于2021年6月9号以 Spatial state distribution and phase transition of Non-uniform water in soils: Implications for engineering and environmental sciences 为题在线发表于中国科学院一区Top期刊（IF=12.984） Advances in Colloid and Interface Science 。西北研究院冻土工程国家重点实验室张莲海为文章第一作者，张莲海、马巍和吴青柏研究员为文章通讯作者。　　  

　　该研究获国家自然科学基金青年项目（41501072）资助。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0001868621001068

图1 不同初始含水量界面处的孔隙水压力变化 

图2 微观界面示意图(a)以及两种土水相变模式(克拉伯龙方程和广义克拉伯龙方程)机理图(b)

图3 不同初始含水量下未冻水含量差异性解释