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裴华富教授团队在黏土结合水分子动力学模拟取得新进展

发布者:  时间:2021-11-15  浏览:

近日,岩土工程研究所裴华富教授团队提出了黏土结合水膜厚度测定新方法,并利用分子模拟技术研究了蒙脱土水膜厚度及微观物理性质,为准确测量黏土结合水含水量提供了新思路。

黏土的物理、化学和工程性质很大程度由吸附在黏土颗粒表面的水膜所决定,因此黏土结合水的测定和性质的研究一直是岩土工程中的研究热点。经过几十年的发展,研究人员提出了离心沉降法、热重分析、等温吸附法、X射线衍射法等测试方法,这些方法主要应用了结合水与自由水的性质差异来测量结合水的含量,当前的方法存在测定标准不统一的缺点,对于不同土样测量结果差异较大,严重制约了对黏土结合水的研究。

针对上述问题,裴华富教授团队从结合水形成机理出发,基于双电子层理论,系统地提出了黏土强结合水边界位于流动电位的剪切面位置,而弱结合水边界位于扩散层的古伊面位置。团队进一步应用平衡态和非平衡态分子动力学技术,模拟了蒙脱土在电场作用下孔隙水的定向流动现象,确定了蒙脱土的双电子层结构,准确测定了蒙脱土的结合水膜厚度,与实验测定结果对比,验证了提出的新方法的有效性。在此基础上,团队研究了蒙脱土结合水的微观物理性质,结果表明,结合水受到黏土表面施加的大于103kPa的压应力,其剪切粘度几倍于自由水。该成果为不仅系统地阐述了结合水形成机理,也为测定结合水膜厚度提供了新思路。


1 结合水测定方法示意图


2蒙脱土结合水分子模拟结果

上述研究成果发表在Eng. Geol.(国际主流学术期刊)上,文章的第一作者是岩土工程研究所博士研究生张思奇,通讯作者是裴华富教授。该研究工作得到国家自然科学基金优秀青年基金、国家重点研发计划、辽宁省兴辽英才计划的支持。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2021.106353


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