半渗透控制技术的研究已经有几十年的历史了，1961年生物学家Lagerwerff等（Lagerwerff等，1961）首次提出了渗析的方法。Kassif和Ben Shalon于1971年首先将渗析法作为吸力的控制方法应用于土壤学及岩土力学的研究当中，通过溶液浓度的差别产生渗透吸力（Kassif和Ben Shalom，1971）。Delage等（1992）较为详细地总结了半渗透控制技术的操作过程和要点，应用渗析法和蒸汽平衡控制技术得到FoCa7黏土的土-水特征曲线。随着渗吸法在非饱和土研究中的广泛应用，这项技术得到了不断地完善（Delage和Cui，2008a，2008b）。Nam等（2009）总结了滤纸法、蒸汽平衡法、露点湿度计法、压力板法、Tempe仪测试法和渗析法的测试机理及其测量的吸力范围，指出渗析法试验过程较简便且安全可靠。叶为民等（2006）、汤连生等（2008）、蒋坤等（2009）和谭晓慧等（2013）也采用渗析法分别对上海地区软土、梅河高速公路清溪镇地区的花岗岩残积土、郑州至开封段下穿越工程的非饱和砂质粉土与粉质黏土和合肥膨胀土进行了土-水特性的测试。
渗析法的最大优点是土中气压始终等于大气压，孔隙水压通过渗透吸力控制为高的负值。与轴平移技术中人为施加气压相比，土的非饱和状态与自然环境下的状态更为接近，即渗析法能更好地模拟土的自然状态。从安全角度上讲，渗析技术无需任何高压装置，12MPa的吸力可以在不采取任何安全措施的条件下达到，因而避免了高压下设备安全性和气体扩散等问题，试验设备也简单、轻便。采用渗析技术控制吸力的范围可由溶液的饱和浓度控制。采用PEG 20000时，可达6.3MPa；采用PEG 4000或PEG 1000时，可高达12.6MPa。吸力控制的渗析技术为非饱和土的试验研究及工程应用提供了一种简便可行的方法，值得进行进一步地研究，并使之不断发展完善。
1.4.2.1 实验原理
渗析法使用半透膜将土样和聚乙二醇（Polyethylene Glycol，PEG）溶液隔开。如图1.40所示为渗析法吸力控制试验装置示意图。
图1.40 渗析法试验装置示意图
半透膜的渗透性与孔隙大小有关，与高进气值陶土板相近，由于其厚度远小于陶土板，因而达到平衡所需的时间也大大缩短（毛尚之，2000）。半透膜的规格由截留分子质量（Molecular Weight Cut-off，MWCO）值划分。用截留分子质量MWCO表示所能透过物质的大小，MWCO越大，半透膜的孔径及其渗透系数也越大，渗析达到平衡的时间越短。反之，MWCO越小，渗析平衡时间则越长。
聚乙二醇的分子很大，由碳氢（C2H4）链组成，其摩尔质量可从1000g到20000g。由于半透膜的孔径小而聚乙二醇的分子很大，因此，大分子量、大尺寸的PEG分子无法穿透半透膜，只有离子、小于半透膜孔隙的小分子以及溶液中的水分子可自由穿过半透膜，其运动速度与浓度梯度、膜面积及温度成正比。
不同相对分子量的聚乙二醇，对应不同的半透膜截留分子量MWCO。如表1.5所示为PEG溶液和其对应的半透膜截留分子质量。选用PEG20000配制溶液时，可相应选用MWCO值为14000的半透膜，其渗透系数约为5×10-9m/s。若吸力较高时，如大于1.5～2.0MPa时，可选用PEG6000配制溶液，相应选用MWCO值为4000的半透膜，半透膜的规格应保证溶质分子不能通过。
表1.5 PEG溶液和对应的半透膜截留分子质量（MWCO）
利用半透膜只允许小于半透膜孔隙的小分子通过的特性，将试样用半透膜包好置于流动的PEG溶液中，由于膜内外的浓度差产生了扩散压，导致渗透吸力通过膜作用于试样上，且溶液浓度越高，吸力就越大。在渗透吸力的作用下，水将通过半透膜在试样与PEG溶液间流动。如果土中吸力大于溶液所加吸力，水从溶液里进到土中；相反，如果土中吸力低于所加吸力，土失去水分到溶液里去，直到试样中的基质吸力与溶液的渗透吸力达到平衡。
白利度（Brix）是指产品中的可溶性固形物的含量，它以纯净水作为零点，溶于水的固体浓度越高，白利度数值就越高，PEG溶液的白利度与溶液浓度一一对应，且随PEG质量百分数的增大而增大。溶液的渗透吸力亦与溶液浓度有关，因此，量测PEG溶液的白利度值即可得到PEG溶液的渗透吸力。一般用手持式折光仪测量PEG溶液的白利度。不同浓度的液体具有不同的折射率，折射仪就是根据这一原理设计而成的，具有快速、准确、重量轻、体积小等优点，可以使用纯水校准折光仪的零点。
将同一初始状态试样放入不同浓度的对应于不同目标吸力的PEG溶液中进行吸力平衡，平衡结束后，测量平衡时PEG溶液的白利度即可得此时溶液的渗透吸力，也即平衡时对试样的基质吸力。量测平衡时试样的含水率及体积，可获得试样的土-水特征曲线，包括含水率与基质吸力间的关系及饱和度与基质吸力间的关系。
PEG溶液浓度与渗透吸力的关系与曲线标定的方法、温度及溶液的纯度等影响因素有关，可使用折光仪直接测定浓度而避免纯度不同的影响，试验所处环境宜保持常温，曲线标定的方法应尽量与试验方法接近。Williams和Shaykewich（1969）研究得到渗透吸力与PEG溶液浓度的关系，对于PEG 6000和PEG 20000的溶液，两者的关系是一致的，即吸力与浓度的关系与摩尔质量无关，只不过摩尔质量大只能用来获得较低的吸力，而摩尔质量小对应吸力的范围较宽，可从0到12MPa。小摩尔质量意味着分子尺寸小，若用其控制吸力就需要用孔隙更小的半透膜。然而由于孔隙小就意味着渗透系数小，这样平衡周期就变长。因此，在渗析法试验中，重要的是根据土中吸力的大小合理地选择聚乙二醇和半透膜的种类。Williams和Shaykewich（1969）还收集了Lagerwerff等（1961）和Zur（1966）等的试验结果，如图1.41所示，可以看出，浓度c是溶液渗透吸力ψ的平方根的函数，即
图1.41 PEG 6000和PEG 20000溶液的吸力-浓度校正关系
1.4.2.2 实验仪器及材料
渗析法试验所需实验仪器及材料如下：
（1）半透膜（截留分子质量MWCO为14000，需冷藏）。
（2）聚乙二醇20000（PEG 20000）。
（3）水浴恒温振荡器如图1.42所示。
图1.42 水浴恒温振荡器
（4）手持Atago折光仪，如图1.43所示（用于量测聚乙二醇溶液的白利度，通过白利度可以计算溶液吸力，使用前需要调零）。
图1.43 手持折光仪
（5）青霉素（杀菌用，需冷藏）。
（6）电子天平（测土的质量）。
（7）保鲜膜（暂时存放土样）、塑料膜、橡皮筋（封口用）、细线（在聚乙二醇溶液中悬挂半透膜包裹的土样）。
1.4.2.3 渗析法试验步骤
（1）渗析试样的制备。将试验用土烘干碾碎过筛，再次烘干后称量约100g的土，用喷壶逐层喷洒蒸馏水，配制目标含水率的试样，搅拌均匀后密封静置24h备用。按目标干密度制成环刀样，底面积30cm2，高2cm。将环刀样削出至少6个10g左右的土柱作为渗析试样，放到保鲜膜中备用。所制渗析试样需密封保存。剩余土样可用烘干法测含水率。
（2）半透膜的准备。将半透膜剪成小片，在去离子水中浸泡30min或者在蒸馏水中煮沸10min，以消除半透膜保护层的影响。（注：从此步骤开始就要戴一次性手套，防止细菌污染PEG溶液及半透膜）。(www.xing528.com)
（3）配制聚乙二醇溶液。溶液吸力值与溶液白利度间的换算关系为：
式中 ψ——溶液的吸力值，MPa；
Br——溶液白利度，%。
配制目标吸力对应的聚乙二醇溶液，利用式（1.16）计算目标吸力溶液对应的白利度值。溶液配制过程中，用滴管取PEG溶液，均匀滴到手持Atago折光仪的折光棱镜上，盖上棱镜盖板测出白利度值，直到配制得到目标白利度值的聚乙二醇溶液。配制好的溶液分别装到锥形瓶中备用。
经测试，试验所用PEG晶体稀释后质量分数与白利度值呈线性关系，如图1.44所示。由拟合直线可求出目标吸力所对应的PEG溶液的质量分数。
由拟合直线得出PEG溶液质量分数与白利度之间的关系为
式中 X——PEG质量百分数。
根据拟合曲线即可方便地配制出相应白利度值的PEG溶液。
（4）水浴恒温振荡器的准备。在水浴恒温振荡器中加入水适量，温度调到20℃，保持水温，调节振荡速率为110r/min，根据实际情况振荡速率会有所不同。
（5）渗析试验过程。将试样从保鲜膜取出，装入半透膜，半透膜两端用细线扎紧，并用细线悬挂到装有聚乙二醇PEG溶液的锥形瓶中，溶液要完全浸没试样，溶液中滴入少量的青霉素。锥形瓶口用塑料膜和橡皮筋封口并贴好标签。锥形瓶放入水浴恒温振荡器开始试验。振荡大约10d，根据土性不同，振荡时间会有所差异。定期量测锥形瓶中聚乙二醇PEG溶液的白利度值，得到白利度随时间的变化规律。在24h内白利度变化量小于0.1%时，认为达到平衡，渗析试验结束。
（6）含水率与体积的测定。渗析试验结束后，从半透膜中取出试样，将试样小心切成几小块，用于烘干法测量平衡后试样的质量含水率，用油浸法或蜡封法量测平衡后试样的体积。切样时应尽量避免孔隙发生变化。
（7）仪器的清理。渗析试验结束后，所用溶液倒入废液缸中，然后集中处理，不可直接倒入下水道；试验过程中所用器皿放入超声波清洗机中用去离子水清洗干净。
（8）数据的处理及绘图。渗析平衡后，测量PEG溶液的白利度值，利用公式（1.16）得出平衡时PEG溶液的吸力值，此吸力值就是试样的基质吸力值；由平衡后渗析试样的质量含水率及渗析试样的体积，计算得到体积含水率及饱和度，最终绘制该制样状态下试样的土-水特征曲线。
图1.44 PEG溶液质量分数与白利度的关系
1.4.2.4 关键技术问题
半渗透控制技术需注意的关键技术问题如下：
（1）最佳渗析时间。进行渗析试验时，首先需要确定试验土样所对应的最佳渗析时间。渗析时间过短，试样吸力与PEG溶液吸力未达到平衡；渗析时间过长，则溶液中的PEG大分子很可能进入膜内，且半透膜容易破坏，导致测量得到的吸力值偏小，含水率偏大。因此，试验前应确定好最佳渗析时间，再以此进行后续试验（沈梦芬等，2013）。
（2）青霉素的使用。水中微生物会使半透膜随浸泡时间的增加而减少寿命，故青霉素的添加必不可少。
（3）PEG溶液与试样的适宜体积。由于水通过半透膜在试样与溶液间流动，因而溶液的浓度是变化的。为了使交换水分不影响溶液的浓度，必须保证溶液的体积相对较大。对于常规土工实验通常所用的试样尺寸，溶液的体积一般要在1L以上（引自同济大学非饱和土力学讲义）。
1.4.2.5 渗析法试验实例
用渗析法对初始含水率为67.2%，初始干密度为1.46g/cm3的温州软黏土进行试验，量测其土-水特征曲线。
试验选用美国BIOSHARP公司的PEG 20000，截留分子质量MWCO为14000的半透膜，半透膜的最大允许通过分子量为1.2×104～1.4×104。其型号为BIOSHARP、BS161A，储藏温度为4℃。
配置目标吸力分别为5kPa、25kPa、80kPa、200kPa、500kPa、1000kPa的6种聚乙二醇溶液，溶液对应的白利度值分别为1.88%、4.10%、7.07%、10.69%、15.82%和20.85%。经计算配制PEG溶液的质量百分数应为0.921%、4.373%、8.992%、14.622%、22.6%和30.423%。溶液配好后，使用折光仪测试白利度，装瓶密封备用。
将环刀土样分成6份，削成土柱状试样，放入保鲜膜中备用，剩余土测质量含水率。
半透膜用去离子水浸泡0.5h，将试样放入半透膜，用细线扎好放入准备好的PEG溶液中，并滴入少量青霉素。
将PEG溶液瓶放入恒温振荡器，温度设置为20℃，震荡速度110r/min。每2d测一次溶液白利度值，当白利度值变化不大时，每24h测一次白利度值。当相邻两次白利度值相差不大于0.1%，认为渗析试验完成。取出试样，测平衡后试样的含水率、体积，最终计算得到平衡后干密度、体积含水率及饱和度。表1.6所示为温州软黏土渗析法测试结果，图1.45所示为用渗析法测得的土-水特征曲线。
表1.6 温州软黏土渗析法测试结果
图1.45 渗析法测得温州软土的土-水特征曲线
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