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溫度、表面張力的變化勢對土壤的收縮開裂的影響

來源:土壤學報 瀏覽 813 次 發(fā)布時間:2023-12-07

隨著近年來土壤污染的頻發(fā),表面活性劑作為一種常用淋洗劑,因其少量高效的修復效果,在污染土壤淋洗修復技術(shù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。表面活性劑的加入在顯著改善土體性質(zhì)的同時,也使水的氣—液界面張力(表面張力)發(fā)生了明顯變化,在利用表面活性劑對土壤進行改性時,少量的表面活性劑就會大幅降低水的表面張力。另一方面,再生水灌溉在水資源緊缺的地區(qū)有普及的趨勢,它能很好地解決區(qū)域水資源短缺的問題,再生水中的多種元素還能提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量。但再生水中會含有污水中未被處理完凈的有機物質(zhì),有研究發(fā)現(xiàn),有機化合物加入水中也會改變水的表面張力。再生水灌溉后土壤中混入的有機物會改變土壤的力學性質(zhì),對土壤的物理性質(zhì)造成影響。


由此可見,表面活性劑和有機化合物的加入會使孔隙水的表面張力發(fā)生明顯變化,而界面特性的三大方程,即Young方程、Laplace方程和Kelvin方程均與表面張力有關(guān),表面張力改變會使得表層土壤的力學性質(zhì)發(fā)生變化,而表層土壤最顯著的特性就是收縮開裂,因此,表面張力的變化勢必會對土壤的收縮開裂造成影響。

不同表面張力下土壤收縮開裂裂隙度

考慮到自然環(huán)境的復雜多變性,土體一般要經(jīng)歷多次干濕循環(huán)。干濕循環(huán)會引起土—水特征曲線的滯回效應(yīng),在相同的含水率條件下,吸濕和脫濕所對應(yīng)的基質(zhì)吸力不盡相同,而導致干濕循環(huán)滯回效應(yīng)的一個最重要因素就是接觸角的改變。在球體顆粒模型基礎(chǔ)上提出了張力吸力的概念,分析了基質(zhì)吸力與張力吸力隨接觸角變化規(guī)律,并從理論上合理地解釋了“隨著土變干,飽和度對土的強度作用減弱”的試驗現(xiàn)象;對吸濕與脫濕過程中引起非飽和土的土—水特征曲線滯后性質(zhì)進行機制分析,認為接觸角的差異是造成土—水特征曲線滯后效應(yīng)的主要原因,而接觸角與表面張力又是密不可分的。土壤在脫濕過程中,含水率不斷降低,連接土壤顆粒的液橋體積減少,基質(zhì)吸力變大,當達到土壤開裂的臨界基質(zhì)吸力時,土壤顆粒間的液橋?qū)⑵屏眩瑥亩寥喇a(chǎn)生裂隙。從細觀的角度來看,土壤中的基質(zhì)吸力是由液橋的表面張力所引起的,表面張力的改變會影響液橋斷裂的程度和時間點,從而影響干濕循環(huán)條件下的土壤收縮開裂特性。土壤收縮開裂破壞了土壤原有的結(jié)構(gòu),會引發(fā)優(yōu)先流,而裂隙則會成為灌溉水和雨水的優(yōu)先路徑;收縮開裂還會改變土壤中水分和養(yǎng)分的正常運移,嚴重則會造成地下水污染、阻礙農(nóng)業(yè)灌溉、影響農(nóng)業(yè)產(chǎn)量等問題。隨著全球環(huán)境變化的影響,土壤和水污染問題會越來越多,越來越典型。表面張力對水—氣界面的影響明顯,可以肯定對土壤開裂的性質(zhì)也有重要影響,因此,有必要從表面張力的角度對干濕循環(huán)下的土壤收縮開裂特性進行深入研究,對農(nóng)業(yè)灌溉和環(huán)境保護方面也將具有重要的理論和實際指導意義。


在兩種控制溫度條件下,對三種孔隙水表面張力不同的土樣開展了一系列的干濕循環(huán)試驗,分析了溫度和表面張力因素對土樣裂隙發(fā)育過程及最終裂隙度的影響,得到如下結(jié)論:干濕循環(huán)對土樣裂隙發(fā)育有一定影響,隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的最終裂隙度有所增加,但增長幅度不大;干濕循環(huán)次數(shù)越多,相同含水率下對應(yīng)的收縮開裂裂隙度越大;相同裂隙度對應(yīng)的時間隨循環(huán)次數(shù)增多而減小。溫度對土壤的收縮開裂有直接影響。溫度越高,土樣出現(xiàn)裂隙的初始時間就越短,對應(yīng)的初始臨界含水率也越高,土樣的收縮開裂發(fā)育程度越高,最終收縮開裂裂隙度δ也相應(yīng)越高。在相同含水率的情況下,高溫環(huán)境中脫濕的試樣表面裂隙發(fā)育也明顯增加。表面張力對土壤收縮開裂有明顯的制約作用。表面張力增大,會使土樣的曲率半徑變小,從而增大基質(zhì)吸力,間接對土樣的裂隙發(fā)育產(chǎn)生影響。土樣的表面張力越大,其裂隙發(fā)育程度越高,對應(yīng)的最終δ也就越大;表面張力越小的試樣其最終δ越小,但在土樣表面裂隙發(fā)展過程中,相同含水率或者相同脫濕時間時,表面張力小的試樣裂隙度有可能高于表面張力較大的試樣。


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