软粘土结合水含量联合测定装置及方法与流程
本发明涉及一种岩土工程和地基工程中定量测量软粘土结合水含量的装置和方法。
背景技术：
粘土中的结合水是由于粘土颗粒表面带负电荷，吸附极性水分子，而在粘土颗粒周围形成的与自由水性质不同的水膜。据水分子与粘土颗粒表面距离和相互作用力的大小，结合水可分为强结合水与弱结合水。强结合水和粘土矿物以氢键连结，排列有序，紧密吸附于颗粒表面，故而也称吸附结合水或吸着水，呈六角形岛状结构，具有较大的粘滞性和抗剪强度，不能传递静水压力，强结合水含量与粘土颗粒比表面积成正比。弱结合水则来源于粘土矿物表面的离子化作用，表面离解作用使粘土矿物表面形成水化—离子扩散层，扩散层中的水包含一小部分强结合水，大部分为弱结合水，也可以粗略将扩散层中的水称为弱结合水。弱结合水与土颗粒表面连结的牢靠程度明显小于强结合水，属液相范围，但也具有一定的粘滞性和抗剪强度。强结合水和弱结合水两种形态说明粘土颗粒和水存在两种不同的连接形式，也反映了在不同水化阶段粘土颗粒表面吸附的结合水具有不同的结构和性质。结合水具有复杂的物理化学性质，对细粒土的物理性质、水理性质、变形与强度特性都具有特殊而重要的影响。对同一种土而言，结合水含量越高，土的塑性愈高，渗透性愈低，压缩性愈高，粘聚力愈大，内摩擦角愈小。
随着我国沿海地区经济的迅猛发展，港口、铁路、工民建中大型、巨型工程纷纷开展，这些建筑多兴建于软土分布区，对软土地基稳定性的要求很高。由于软土具有高含水率、大孔隙比、高压缩性等特性，工后沉降，难以控制；路堤失稳，屡见不鲜。软基之上事故频发，其主要原因之一是对软粘土的力学行为及变形机理研究不深。对于软粘土，颗粒表面吸附的结合水的类型和含量的多少，决定了颗粒之间、颗粒与水之间作用力的大小，决定了软粘土的固结变形和强度特性。因此，研究结合水的特性，是认清软粘土的固结变形与强度特性的根本，也可为软粘土性质改良与加固提供科学的理论依据。而结合水含量的测定则是深入研究结合水特性的基础，因此，本文所述发明具有重要的理论意义和工程价值。
国内外很多学者都提出过土中结合水含量的测定方法。主流的方法有容量法、等温吸附法、热分析、核磁共振、离心沉降法和红外光谱法等。但是容量法测量精度不够，其测量结果是在先假定了强结合水和弱结合水的密度的基础上实现的。离心沉降法只能估算，并不能定量测定结合水以及区分强弱结合水。核磁共振法可以用来定量测量黏土结合水，但结果的误差较大，且成本较高。红外光谱法只能定性研究黏土结合水的存在形式。热分析可以定量分析粘土中结合水含量，但需借助高温连续加热，技术和成本要求都较高。等温吸附法不失为测量结合水含量的一种有效方法，其原理是测量干土在不同水气平衡压的条件下吸附水蒸气的含量，根据等温吸附线求取土中结合水和自由水的含量，并进行结合水类型的划分。现有等温吸附法试验在实施时多采用干燥器底部加硫酸溶液或饱和盐溶液进行干燥器内的湿度控制，多存在以下问题：
1、由于吸附试验时间较长，无法保证干燥器内湿度不发生变化，加酸或加水的量不好控制。
2、由于要测不同水气平衡压下的吸附结合水含量，需要准备多台干燥器和多组试样、配置不同浓度的硫酸溶液，增加了试验用度。
3、需要定时量测土的重量以判断吸附是否完成，频繁从干燥器中取出土和量瓶称重，对粘土样品和干燥器内的水气平衡压都会造成影响，既繁琐又增加了试验误差。
4、粘土颗粒本身具有形成团聚体的特点，干粘粒之间的粘聚力大于水分子向内的楔入力，所以自气体中被粘土表面吸附的水分子在颗粒团聚体的表面形成了紧密排列的结合水，并不易向团聚体内部移动，使得等温吸附法的测量结果偏低。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种定量测定软粘土结合水含量的试验装置，并改进现有容量法和等温吸附法，依托试验装置提出更为精确合理的方法。使得水气平衡压的控制更加精确简易，加酸过程更加安全可靠；只用一组仪器便可完成结合水测定试验，节省了试验用度和繁琐的操作过程，同时减少了误差；解决了干粘土直接吸附时水分子滞留于团聚体表面，不向内部移动的问题。该方法原理可靠，装置构造简单，操作简便，易于掌握。可定量评价软粘土的水化作用，为力学-化学耦合模型提供定量化的参数，也可为软粘土性质改良与加固提供理论依据，具有工程价值和广阔的应用前景。
本发明之软粘土结合水含量联合测定装置包括水合系统、等温吸附系统和测量系统；
水合系统包括容量瓶和回旋振荡仪，容量瓶中盛有已经在250℃下烘干的干粘土颗粒和蒸馏水；
等温吸附系统由两个相连的干燥器组成，分别为保湿干燥器和调湿吸附干燥器，保湿干燥器用以确定水合后粘土含水量并可以向调湿吸附干燥器提供湿源，其底缸盛有蒸馏水，与左侧进水管相连，通过注水阀门能向干燥器底缸注水，注水量可由进水管上的刻度读出，加水至所需值后可关闭注水阀门，进水管有上帽以防水分蒸发。干燥器底缸之上为平整多孔的陶瓷板，陶瓷板上安有支架，支架之上为重量传感器，重量传感器可以精确测量上载物体的重量，重量传感器之上为盛土的磨口称量瓶，磨口称量瓶盖上盖子就可以防止水蒸气进入，方便称量。磨口称量瓶内为经容量法处理后的软粘土，是经容量法充分水合后，通过离心处理得到的水合粘土沉淀物。保湿干燥器侧壁装有湿度和温度传感器，用以监测保湿干燥器内的温度和湿度。保湿干燥器的侧壁有导气口，导气口通过橡皮管与调湿吸附干燥器相连，可以让保湿干燥器内的水蒸气进入调湿吸附干燥器内，橡皮管中间以夹子扎紧，相当于进气阀门，夹子打开则水蒸气进入调湿吸附干燥器，夹子扎紧则保湿干燥器与调湿吸附干燥器无水蒸气流通。调湿吸附干燥器底缸盛有浓硫酸，调湿吸附干燥器具有进酸管，通过进酸管和注酸阀门可以向调湿吸附干燥器底缸注酸，注酸量可由进酸管上的刻度读出，加硫酸至所需值后可关闭注酸阀门，进酸管有上帽以防止进酸管中的硫酸自空气中吸收水蒸气，可以通过相对湿度与硫酸溶液浓度的关系算出加酸量，结合湿度传感器显示的湿度值，逐步滴加至所需值。通过进酸管加酸便于操作且安全可靠，避免了目前等温吸附试验重复加酸的繁复操作和安全隐患。调湿吸附干燥器底缸之上仍置陶瓷陶瓷板，陶瓷板上安有支架，支架之上为重量传感器，重量传感器可以精确测量上载物体的重量，重量传感器之上为磨口称量瓶，磨口称量瓶内的粘土为经过容量瓶、离心机和保湿干燥器处理后的水合完全的粘土。通过进酸管和橡皮管可以控制调湿吸附干燥器内的水气平衡压，调湿吸附干燥器侧壁装有湿度和温度传感器，用以监测调湿吸附干燥器内的温度和湿度。
测量系统由支架上的重量传感器、温度和湿度传感器、磨口称量瓶、软粘土、粘土、数据线以及控制系统组成，支架上放置重量传感器，重量传感器之上载有磨口称量瓶，保湿干燥器内的磨口称量瓶中粘土，数据线穿过保湿干燥器和调湿吸附干燥器侧壁上的密封塞，数据线一端与重量传感器的输出端相连，另一端则与控制系统的数据接收端相连，可以方便的进行数据采集，读取干燥器内粘土的的重量变化。
本发明之软粘土结合水含量联合测定方法包括以下步骤：
a.将软粘土风干、粉碎，烘干，过0.1mm筛，在250℃下烘至恒重，放入RH＝0干燥器备用。众多研究结果显示，在250℃的高温下可以将土中结合水完全除去。因此得到的干粘土粉是完全脱去结合水的。
b.将容量瓶洗净、烘干、冷却，取约30g在250℃下烘干的干粘土颗粒3加入容量瓶中，加入适量蒸馏水，使液面达到瓶颈某一刻度，记录页面读数。将盛有颗粒和蒸馏水的容量瓶盖好盖子，置于回旋震荡仪(THZ-82回旋式水浴恒温振荡器)之上，震荡120min，使得容量瓶中土颗粒分散，水合均匀。取出容量瓶，在恒温箱中静置，由于土颗粒的水合，容量瓶液面会不断下降，当液面不再降低时认为粘土水合完全。
c.将容量瓶中的水土混合液取出，经离心(TD5A离心机)倾出上清液，取称量瓶测量空瓶(不带盖)质量，记为m0，取下部沉淀物置于称量瓶内，放入保湿干燥器备用。
d.打开保湿干燥器的注水阀门和保湿干燥器的密封塞，向底缸注水，至保湿干燥器内相对水气平衡压达到0.98，关闭注水阀门和保湿干燥器的密封塞，将磨口称量瓶与其中的水合粘土沉淀物置于重量传感器之上，打开控制系统进行记录，在0.98的水气平衡压之下使得水合粘土沉淀物中的残余的自由水充分蒸发，又不至于使得结合水大量散失，直至水合粘土沉淀物和磨口称量瓶的质量达到恒重。调节保湿干燥器的相对平衡压至1.0，此时水合粘土沉淀物继续吸附水分子，直到达到恒重，此时水合粘土沉淀物刚好水合完成，与水作用达到平衡，亦为吸附结合水等温脱附起点。记录此时磨口称量瓶与水合粘土沉淀物重量m1。
e.打开导气管的夹子，令水蒸气流入调湿吸附干燥器，直至调湿吸附干燥器内水气平衡压为1.0。将磨口称量瓶与其内水合粘土沉淀物移入调湿吸附干燥器。盖好调湿吸附干燥器上盖。此时关闭夹子，打开进酸阀门和调湿吸附干燥器上盖密封塞，向调湿吸附干燥器导入少量浓硫酸，调节腔内水气平衡压至0.99，关闭进酸阀门和调湿吸附干燥器上盖密封塞。导入的硫酸量可根据相对湿度与硫酸溶液浓度关系曲线计算得出，根据湿度传感器显示的湿度值少量多次滴加至水气平衡压达到所需值，如加酸超量使水气平衡压偏低亦可打开夹子，使调湿吸附干燥器内水气平衡压始终保持在所需值。
f.控制系统观测记录磨口称量瓶与其内粘土质量，质量值会随着时间延长逐渐减小，且减量越来越小，直至达到恒重，所需时间大致为10d，亦可适量延长。此为水气平衡压为0.99条件下磨口称量瓶、粘土及其表面吸附结合水的质量，记为m0.99。
g.继续向调湿吸附干燥器底缸注酸，操作步骤参照e、f。使得水气平衡压为0.98，保持调湿吸附干燥器内的水气平衡压，待粘土质量减为恒重时,记录磨口称量瓶、粘土及其表面吸附结合水的质量，记为m0.98。
h.继续向调湿吸附干燥器底缸注酸，操作步骤参照e、f、g。分别求得粘土在不同水气平衡压下吸附稳定时所吸附的结合水、粘土及磨口称量瓶的质量。推荐的水气平衡压(p/ps)序列为1.0、0.99、0.98、0.97、0.96、0.95、0.93、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25、0.2、0.15、0.1、0.05、0.01。则通过数据采集系统记录的质量值分别为m1、m0.99、m0.98、m0.96、……m0.15、m0.1、m0.05、m0.01。
i.试验结束后取出称量瓶，将称量瓶内的粘土在250℃下烘至恒重，记录其质量为md。
j.水气平衡压为1.0条件下，粘土颗粒属于饱和状态，此时粘土表面吸附水(包括强结合水、弱结合水、部分自由水)含量计算公式为:
w＝(m1-m0-md)/md (1)
而不同水气平衡压下吸附水含量计算公式为：
wp/ps＝(mp/ps-m0-md)/md (2)
k.若要划分出强结合水和弱结合水的含量，需要依据不同水气平衡压之下吸附水含量做出等温吸附曲线，以水气平衡压为横坐标，不同水气平衡压下吸附水含量为纵坐标。依据吸附等温线的形态对粘土水合机制进行分析，根据曲线的拐点将吸附等温线划分为不同的区间，在不同的湿度区间对应着不同的水合过程，也形成了连结力和形态性质不同的吸附水。即强结合水、弱结合水和自由水。确定三种吸附水对应的湿度空间，再根据吸附等温线纵坐标对应的吸附水含量，即可求得不同类型吸附水的含量。
以下详述等温吸附线的形态和土中强结合水、弱结合水、自由水含量的划分方法：
实测几个地区软粘土的水汽吸附等温线，其与国际纯粹与应用化学联合会IUPAC提出的等温吸附线分类中的IV型吸附曲线较为吻合。以天津软粘土(wL＝31％，wp＝16.5％)的吸附等温线(图3)为例说明强结合水和弱结合水的划分方法：
(1)在水气平衡压较低时，随着水气平衡压的升高，吸附曲线先凸型上升，近似符合幂函数规律
wp/ps＝a(p/ps)1/n (3)
此时为粘土表面局部高能部位吸附，由于粘土表面的不均匀性，如晶体断口和晶角等位置，形成结合力强的强结合水，吸附规律符合Freundlich模型，呈现凸型上升。结合图3可以确定天津软粘土在水气平衡压为0～0.2区间内表现为局部高能部位吸附形式，形成结合力强的强结合水。
(2)随着水气平衡压的升高，吸附等温线出现平缓抬升段，此一阶段为粘土表面对水分子的逐层吸附，逐渐由单一亲水合物(单分子层水)转变为复合亲水合物(多分子层水)，由于粘土颗粒及其中孔隙尺寸分布较为均匀，且是逐层吸附，结合水含水量增长较为均匀，这部分水亦属于强结合水，由于未发生大规模的多层连续吸附，因而含水量未发生大幅快速的增长。其吸附模式符合斯彼朗斯基模型。近似符合二次函数规律
wp/ps＝b+k(p/ps)2 (4)
因此可取平缓抬升段的终点对应的吸附含水量的值作为软粘土所吸附的强结合水的含量，记为wg。由图3可确定天津软粘土在水气平衡压为0.2～0.9的范围内表现为逐层吸附特征，吸附水含量增长较为均匀，吸附终点为p/ps＝0.9，求得强结合水对应的相对湿度区间为0～0.9，即在相对湿度为0～0.9的湿度环境下吸附水汽形成的水为强结合水，对应强结合水含量为14.6％。
(3)随着水气平衡压的升高，吸附等温线出现急剧上扬，说明一种新的能量状态开始发挥作用。该过程粘土表面结合的水以多层、连续吸附形式存在。粘土表面形成水化-离子扩散层，这部分以连续吸附形式存在的结合水，即为弱结合水。
吸附曲线急剧上扬的趋势至水气平衡压达到一定值，即p/ps＝K(经前人研究和多组软粘土实测K值均在0.98左右)后突然变缓，此时即使水气平衡压继续升高，其吸附水含量虽有增加但增量极少。此时可以认为粘土在水气平衡压大于K值后近似以恒定速率吸附水分子，吸附水分子的存在形态为强结合水、弱结合水与自由水并存。因此可将水气平衡压为K时对应的粘土吸附含水量wk定义为弱结合水含量。
由图3，吸附曲线急剧上扬的趋势至水气平衡压达到0.98后突然变缓，至水气平衡压达到0.99，其吸附水含量增量极少，即使水气平衡压达到1.0，吸附水含量虽有增幅但与水气平衡压在0.9～0.98之间相比明显减小。此时可以认为粘土在水气平衡压大于0.98后近似以恒定速率吸附水分子，吸附水分子的存在形态为弱结合水与自由水并存。因此可将水气平衡压为0.98对应的粘土吸附含水量w0.98定义为弱结合水含量wk。由此求得软粘土中弱结合水含量为13.5％。
(4)对于饱和的天然软粘土，由于含水量高，且多处于流塑状态，含有部分自由水，其多存在于架空的大孔隙中和一些中孔隙中。通过联合测定法求得结合水含量，是在将土的结构打碎的情况下求得，因而若要准确求得高含水率饱水粘土中自由水的含量。仍需借助烘干法联合结合水测定方法求得。需要取定量饱水软粘土在250℃下烘至恒重，此时求得的含水率记为绝对含水率wa。则饱水软粘土中自由水含量wf可由下式求得：
wf＝wa-wg-wk (5)
实测饱水的天津软粘土绝对含水率34.6％，则其中自由水含量为6.5％。上面结合附图对本发明的具体实施进行了说明，本发明与现有结合水测定技术相比，成本低、对环境和技术的要求低，可以在常温条件下进行结合水含量的测定，便于广泛开展和应用。采用容量法进行水合程度的判别，通过容量瓶液面变化可以判定水合是否完成，解决了常规等温吸附试验水合完成标准难以确定的问题，通过回旋震荡又保证了容量瓶内所有粘土充分水合。本发明采用的等温吸附装置可以通过带有刻度的进水管和进酸管调节水气平衡压，实验过程中无需打开干燥器上盖，结合湿度传感器可以对水气平衡压实时控制，解决了常规等温吸附法事先配置硫酸溶液、频繁打开干燥器操作、且试验过程中难以控制水气平衡压的问题。通过连结保湿干燥器的导气管和进酸管可以不断调节吸附干燥器内的水气平衡压，实现了整个测量过程和不同水气平衡压测量工况的集成，即试验过程中不需置换试样即可获得不同水气平衡压下吸附的结合水含量。采用测量系统对吸附试验过程中粘土的质量进行实时监测，无需从干燥器内取出试样称量，系统输出为直观的质量值，减少了试验误差，节省了人力。解决了常规等温吸附试验吸附的水分子滞留在土颗粒集合体的外层而不向团聚体内部移动的问题，采用容量法和回旋震荡使得土颗粒充分水合，提取容量瓶中沉淀物置于保湿干燥器内至恒重，这样得到的刚好水和完全的粘土，在不同水气平衡压下测其吸附结合水的质量，使得试验结果更加准确。采用进酸管加酸，准确安全，稳定性好。综上所述，本发明介绍的装置及方法高度集成，操作简单，便于推广应用。
本发明与现有结合水测定技术相比，具有如下显著优点：
1、同热分析、核磁共振和红外光谱等方法相比，本发明成本低、对环境和技术的要求低，可以在常温条件下进行结合水含量的测定，便于广泛开展和应用。
2、采用容量法进行水合程度的判别，通过容量瓶液面变化可以判定水合是否完成，解决了常规等温吸附试验水合完成标准难以确定的问题，通过回旋震荡又保证了容量瓶内所有粘土充分水合。
3、本发明采用的等温吸附装置可以通过带有刻度的进水管和进酸管调节水气平衡压，实验过程中无需打开干燥器上盖，结合湿度传感器可以对水气平衡压实时控制，解决了常规等温吸附法需事先配置多组试样和硫酸溶液，频繁打开干燥器操作、且试验过程中难以控制水气平衡压的问题。
4、通过连结保湿干燥器的导气管和进酸管可以不断调节吸附干燥器内的水气平衡压，可以实现整个测量过程和不同水气平衡压测量工况的集成，即试验过程中不需置换试样即可获得不同水气平衡压下吸附的结合水含量。
5、采用测量系统对吸附试验过程中粘土的质量进行实时监测，无需定时从干燥器内取出试样称量，系统输出为直观的质量值，减少了试验误差，节省了人力。
6、解决了常规等温吸附试验吸附的水分子滞留在土颗粒集合体的外层而不向团聚体内部移动的问题，采用容量法和回旋震荡使得土颗粒充分水合，提取容量瓶中沉淀物置于保湿干燥器内至恒重，这样得到的刚好水合完全的粘土，在不同水气平衡压下测其吸附结合水的质量，使得试验结果更加准确。
7、采用进酸管加酸，准确安全，稳定性好，整个方法高度集成，操作简单。
附图说明
图1是本发明软粘土结合水含量联合测定装置总体结构示意图。
图2是本发明的陶瓷板及其上支架结构示意图。
图3是天津软粘土的吸附等温线图。
具体实施方式
请参阅图1和图2所示，本发明之软粘土结合水含量联合测定装置包括水合系统、等温吸附系统和测量系统；
水合系统包括容量瓶1和回旋振荡仪2，容量瓶1中盛有已经在250℃下烘干的干粘土颗粒3和蒸馏水4；等温吸附系统由两个相连的干燥器组成，分别为保湿干燥器5和调湿吸附干燥器6，保湿干燥器5用以确定水合后粘土含水量并可以向调湿吸附干燥器6提供湿源，其底缸盛有蒸馏水4，与左侧进水管7相连，通过注水阀门8能向干燥器底缸注水，注水量可由进水管上的刻度读出，加水至所需值后可关闭注水阀门，进水管有上帽9以防水分蒸发。干燥器底缸之上为平整多孔101的陶瓷板10，陶瓷板10上安有支架11，支架11之上为重量传感器12，重量传感器12可以精确测量上载物体的重量，重量传感器12之上为盛土的磨口称量瓶13，磨口称量瓶13盖上盖子就可以防止水蒸气进入，方便称量。磨口称量瓶13内为经容量法处理后的水合粘土沉淀物14，是经容量法充分水合后，通过离心处理得到的水合粘土沉淀物。保湿干燥器5侧壁装有湿度和温度传感器15，用以监测保湿干燥器5内的温度和湿度。保湿干燥器5的侧壁有导气口16，导气口16通过橡皮管17与调湿吸附干燥器6相连，可以让保湿干燥器5内的水蒸气进入调湿吸附干燥器6内，橡皮管17中间以夹子18扎紧，相当于进气阀门，夹子18打开则水蒸气进入调湿吸附干燥器6，夹子18扎紧则保湿干燥器5与调湿吸附干燥器6无水蒸气流通。调湿吸附干燥器6底缸盛有浓硫酸19，调湿吸附干燥器6具有进酸管20，通过进酸管20和注酸阀门21可以向调湿吸附干燥器6底缸注酸，注酸量可由进酸管20上的刻度读出，加硫酸至所需值后可关闭注酸阀门21，进酸管20有上帽9以防止进酸管20中的硫酸自空气中吸收水蒸气，可以通过相对湿度与硫酸溶液浓度的关系算出加酸量，结合湿度传感器显示的湿度值，逐步滴加至所需值。通过进酸管20加酸便于操作且安全可靠，避免了目前等温吸附试验重复加酸的繁复操作和安全隐患。调湿吸附干燥器6底缸之上仍置陶瓷陶瓷板10，陶瓷板10上安有支架11，支架11之上为重量传感器12，重量传感器12可以精确测量上载物体的重量，重量传感器12之上为磨口称量瓶13，磨口称量瓶13内的粘土为经过容量瓶1、离心机和保湿干燥器5处理后的水合完全的粘土22。通过进酸管20和橡皮管17可以控制调湿吸附干燥器6内的水气平衡压，调湿吸附干燥器6侧壁装有湿度和温度传感器15，用以监测调湿吸附干燥器6内的温度和湿度。
测量系统由支架11上的重量传感器12、温度和湿度传感器15、磨口称量瓶13、水合粘土沉淀物14、粘土22、数据线23以及控制系统24组成，支架11上放置重量传感器12，重量传感器12之上载有磨口称量瓶13，保湿干燥器5内的磨口称量瓶13中粘土22，数据线23穿过保湿干燥器5和调湿吸附干燥器6侧壁上的密封塞25，数据线23一端与重量传感器12的输出端相连，另一端则与控制系统24的数据接收端相连，可以方便的进行数据采集，读取干燥器内粘土的的重量变化。
所述的控制系统24为计算机。
本发明之软粘土结合水含量联合测定方法包括以下步骤：
a.将软粘土风干、粉碎，烘干，过0.1mm筛，在250℃下烘至恒重，放入RH＝0干燥器备用。众多研究结果显示，在250℃的高温下可以将土中结合水完全除去。因此得到的干粘土粉是完全脱去结合水的。
b.将容量瓶1洗净、烘干、冷却，取约30g在250℃下烘干的干粘土颗粒3加入容量瓶中，加入适量蒸馏水4，使液面达到瓶颈某一刻度，记录页面读数。将盛有颗粒和蒸馏水的容量瓶盖好盖子，置于回旋震荡仪2(THZ-82回旋式水浴恒温振荡器)之上，震荡120min，使得容量瓶中土颗粒分散，水合均匀。取出容量瓶，在恒温箱中静置，由于土颗粒的水合，容量瓶液面会不断下降，当液面不再降低时认为粘土水合完全。
c.将容量瓶中的水土混合液取出，经离心(TD5A离心机)倾出上清液，取称量瓶13测量空瓶(不带盖)质量，记为m0，取下部沉淀物置于称量瓶内，放入保湿干燥器5备用。
d.打开保湿干燥器5的注水阀门8和保湿干燥器5的密封塞25，向底缸注水，至保湿干燥器5内相对水气平衡压达到0.98，关闭注水阀门8和保湿干燥器5的密封塞25，将磨口称量瓶13与其中的水合粘土沉淀物14置于重量传感器12之上，打开控制系统24进行记录，在0.98的水气平衡压之下使得水土沉淀物中的残余的自由水充分蒸发，又不至于使得结合水大量散失，直至水合粘土沉淀物14和磨口称量瓶13的质量达到恒重。调节保湿干燥器5的相对平衡压至1.0，此时水合粘土沉淀物14继续吸附水分子，直到达到恒重，此时水合粘土沉淀物14刚好水合完成，与水作用达到平衡，亦为吸附结合水等温脱附起点。记录此时磨口称量瓶13与水合粘土沉淀物14重量m1。
e.打开导气管17的夹子18，令水蒸气流入调湿吸附干燥器6，直至调湿吸附干燥器6内水气平衡压为1.0。将磨口称量瓶13与其内水合粘土沉淀物14移入调湿吸附干燥器6。盖好调湿吸附干燥器6上盖。此时关闭夹子18，打开进酸阀门21和调湿吸附干燥器6上盖密封塞25，向调湿吸附干燥器6导入少量浓硫酸19，调节腔内水气平衡压至0.99，关闭进酸阀门21和调湿吸附干燥器6上盖密封塞25。导入的硫酸量可根据相对湿度与硫酸溶液浓度关系曲线计算得出，根据湿度传感器显示的湿度值少量多次滴加至水气平衡压达到所需值，如加酸超量使水气平衡压偏低亦可打开夹子18，使调湿吸附干燥器6内水气平衡压始终保持在所需值。
f.控制系统24观测记录磨口称量瓶13与其内粘土22质量，质量值会随着时间延长逐渐减小，且减量越来越小，直至达到恒重，所需时间大致为10d，亦可适量延长。此为水气平衡压为0.99条件下磨口称量瓶13、粘土22及其表面吸附结合水的质量，记为m0.99。
g.继续向调湿吸附干燥器6底缸注酸，操作步骤参照e、f。使得水气平衡压为0.98，保持调湿吸附干燥器6内的水气平衡压，待粘土22质量减为恒重时,记录磨口称量瓶13、粘土22及其表面吸附结合水的质量，记为m0.98。
h.继续向调湿吸附干燥器6底缸注酸，操作步骤参照e、f、g。分别求得粘土22在不同水气平衡压下吸附稳定时所吸附的结合水、粘土及磨口称量瓶13的质量。推荐的水气平衡压(p/ps)序列为1.0、0.99、0.98、0.97、0.96、0.95、0.93、0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.65、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.3、0.25、0.2、0.15、0.1、0.05、0.01。则通过数据采集系统记录的质量值分别为m1、m0.99、m0.98、m0.96、……m0.15、m0.1、m0.05、m0.01。
i.试验结束后取出称量瓶13，将称量瓶内的粘土22在250℃下烘至恒重，记录其质量为md。
j.水气平衡压为1.0条件下，粘土22颗粒属于饱和状态，此时粘土22表面吸附水(包括强结合水、弱结合水、部分自由水)含量计算公式为:
w＝(m1-m0-md)/md (1)
而不同水气平衡压下吸附水含量计算公式为：
wp/ps＝(mp/ps-m0-md)/md (2)
k.若要划分出强结合水和弱结合水的含量，需要依据不同水气平衡压之下吸附水含量做出等温吸附曲线，以水气平衡压为横坐标，不同水气平衡压下吸附水含量为纵坐标。依据吸附等温线的形态对粘土水合机制进行分析，根据曲线的拐点将吸附等温线划分为不同的区间，在不同的湿度区间对应着不同的水合过程，也形成了连结力和形态性质不同的吸附水。即强结合水、弱结合水和自由水。确定三种吸附水对应的湿度空间，再根据吸附等温线纵坐标对应的吸附水含量，即可求得不同类型吸附水的含量。
以下详述等温吸附线的形态和土中强结合水、弱结合水、自由水含量的划分方法：
实测几个地区软粘土的水汽吸附等温线，其与国际纯粹与应用化学联合会IUPAC提出的等温吸附线分类中的IV型吸附曲线较为吻合。以天津软粘土(wL＝31％，wp＝16.5％)的吸附等温线(图3)为例说明强结合水和弱结合水的划分方法：
(1)在水气平衡压较低时，随着水气平衡压的升高，吸附曲线先凸型上升，近似符合幂函数规律
wp/ps＝a(p/ps)1/n (3)
此时为粘土表面局部高能部位吸附，由于粘土表面的不均匀性，如晶体断口和晶角等位置，形成结合力强的强结合水，吸附规律符合Freundlich模型，呈现凸型上升。结合图3可以确定天津软粘土在水气平衡压为0～0.2区间内表现为局部高能部位吸附形式，形成结合力强的强结合水。
(2)随着水气平衡压的升高，吸附等温线出现平缓抬升段，此一阶段为粘土表面对水分子的逐层吸附，逐渐由单一亲水合物(单分子层水)转变为复合亲水合物(多分子层水)，由于粘土颗粒及其中孔隙尺寸分布较为均匀，且是逐层吸附，结合水含水量增长较为均匀，这部分水亦属于强结合水，由于未发生大规模的多层连续吸附，因而含水量未发生大幅快速的增长。其吸附模式符合斯彼朗斯基模型。近似符合二次函数规律
wp/ps＝b+k(p/ps)2 (4)
因此可取平缓抬升段的终点对应的吸附含水量的值作为软粘土所吸附的强结合水的含量，记为wg。由图3可确定天津软粘土在水气平衡压为0.2～0.9的范围内表现为逐层吸附特征，吸附水含量增长较为均匀，吸附终点为p/ps＝0.9，求得强结合水对应的相对湿度区间为0～0.9，即在相对湿度为0～0.9的湿度环境下吸附水汽形成的水为强结合水，对应强结合水含量为14.6％。
(3)随着水气平衡压的升高，吸附等温线出现急剧上扬，说明一种新的能量状态开始发挥作用。该过程粘土表面结合的水以多层、连续吸附形式存在。粘土表面形成水化-离子扩散层，这部分以连续吸附形式存在的结合水，即为弱结合水。
吸附曲线急剧上扬的趋势至水气平衡压达到一定值，即p/ps＝K(经前人研究和多组软粘土实测K值均在0.98左右)后突然变缓，此时即使水气平衡压继续升高，其吸附水含量虽有增加但增量极少。此时可以认为粘土在水气平衡压大于K值后近似以恒定速率吸附水分子，吸附水分子的存在形态为强结合水、弱结合水与自由水并存。因此可将水气平衡压为K时对应的粘土吸附含水量wk定义为弱结合水含量。
由图3，吸附曲线急剧上扬的趋势至水气平衡压达到0.98后突然变缓，至水气平衡压达到0.99，其吸附水含量增量极少，即使水气平衡压达到1.0，吸附水含量虽有增幅但与水气平衡压在0.9～0.98之间相比明显减小。此时可以认为粘土在水气平衡压大于0.98后近似以恒定速率吸附水分子，吸附水分子的存在形态为弱结合水与自由水并存。因此可将水气平衡压为0.98对应的粘土吸附含水量w0.98定义为弱结合水含量wk。由此求得软粘土中弱结合水含量为13.5％。
(4)对于饱和的天然软粘土，由于含水量高，且多处于流塑状态，含有部分自由水，其多存在于架空的大孔隙中和一些中孔隙中。通过联合测定法求得结合水含量，是在将土的结构打碎的情况下求得，因而若要准确求得高含水率饱水粘土中自由水的含量。仍需借助烘干法联合结合水测定方法求得。需要取定量饱水软粘土在250℃下烘至恒重，此时求得的含水率记为绝对含水率wa。则饱水软粘土中自由水含量wf可由下式求得：
wf＝wa-wg-wk (5)
实测饱水的天津软粘土绝对含水率34.6％，则其中自由水含量为6.5％。
上面结合附图对本发明的具体实施进行了说明，本发明与现有结合水测定技术相比，成本低、对环境和技术的要求低，可以在常温条件下进行结合水含量的测定，便于广泛开展和应用。采用容量法进行水合程度的判别，通过容量瓶液面变化可以判定水合是否完成，解决了常规等温吸附试验水合完成标准难以确定的问题，通过回旋震荡又保证了容量瓶内所有粘土充分水合。本发明采用的等温吸附装置可以通过带有刻度的进水管和进酸管调节水气平衡压，实验过程中无需打开干燥器上盖，结合湿度传感器可以对水气平衡压实时控制，解决了常规等温吸附法事先配置硫酸溶液、频繁打开干燥器操作、且试验过程中难以控制水气平衡压的问题。通过连结保湿干燥器的导气管和进酸管可以不断调节吸附干燥器内的水气平衡压，实现了整个测量过程和不同水气平衡压测量工况的集成，即试验过程中不需置换试样即可获得不同水气平衡压下吸附的结合水含量。采用测量系统对吸附试验过程中粘土的质量进行实时监测，无需从干燥器内取出试样称量，系统输出为直观的质量值，减少了试验误差，节省了人力。解决了常规等温吸附试验吸附的水分子滞留在土颗粒集合体的外层而不向团聚体内部移动的问题，采用容量法和回旋震荡使得土颗粒充分水合，提取容量瓶中沉淀物置于保湿干燥器内至恒重，这样得到的刚好水和完全的粘土，在不同水气平衡压下测其吸附结合水的质量，使得试验结果更加准确。采用进酸管加酸，准确安全，稳定性好。综上所述，本发明介绍的装置及方法高度集成，操作简单，便于推广应用。
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