相对湿度控制技术的应用

相对湿度控制技术通常也可称为蒸汽平衡技术（Vapour Equilibrium Technique，VET），是目前最常用的高吸力控制技术。国内外许多学者对蒸汽平衡控制吸力技术进行了相关试验的研究，如Tang和Cui（2005）在不同温度下用蒸汽平衡控制技术得到MX80膨润土的土-水特性；Alonso等（2005）研究了膨胀土在干湿循环吸力控制下工程性质的变化规律；Blatz等（2008）研究了蒸汽平衡和渗透技术在吸力控制中的应用；陈宝等（2006）采用渗析法和蒸汽平衡法测得高庙子膨润土的土-水特征曲线；唐朝生和施斌（2011）亦采用了渗析法和蒸汽平衡法两种吸力控制方法，对膨胀土进行了干湿循环试验，得到其胀缩变形特征；孙德安等（2013）采用压力板法、滤纸法和蒸汽平衡法研究了全吸力范围内的南阳膨胀土的土-水特征曲线。

1.4.3.1　实验原理

蒸汽平衡吸力控制技术是以Kelvin定律为基础，其主要原理是在保湿器中放置某一恒湿溶液，该恒湿溶液在特定温度下，保持三相热力学平衡，容器内溶液上部空气的相对湿度值保持恒定。把土样放置在该封闭的相对湿度控制的环境里，土样中的水与环境内的水通过蒸汽迁移来完成，最终土样与容器内的蒸汽压达到平衡。保湿器中环境引起的部分蒸汽压是溶液浓度的直接函数（Stokes和Robinson，1948），环境恒定下吸力可通过在密封容器内化学溶液的渗透势得到，通过土样与保湿器上方空间蒸汽的交换达到控制总吸力的目的。

通常有两种控制恒定相对湿度的方法，一种方法是使用不同浓度的非饱和酸性溶液，另一种方法是采用不同种类的饱和盐溶液。前者的优点是可以施加更高的吸力值，并且通过精准控制溶液的浓度可以较容易地设置吸力控制点；缺点是蒸汽平衡过程中水分的改变会改变溶液的浓度，从而改变目标吸力值，这一问题在高吸力阶段（大于150MPa）时尤其明显，在此阶段，酸性浓度与相对湿度间的关系呈高度非线性，溶液浓度的些许改变都会引起吸力的明显变化。减轻这一非线性影响的比较好的做法是确保溶液体积相对于土样增加或减少的水体积要足够大。

后者通过饱和盐溶液控制环境的相对湿度，从而达到控制土样总吸力的目的（Fred-lund和Rahardjo，1993；Delage等，1998b；Delage和Cui，2000；Tang和Cui，2005）。其优点是使用方便、安全性高，而且即使在土样和蒸汽间水分有迁移，饱和盐溶液上方的蒸汽压保持不变，即相对湿度仍保持恒定；缺点是每一种类型的盐只能固定控制一个总吸力值点，同时对盐分的纯度要求很高，并且该方法适用于吸力在10MPa以上土样的高吸力值测试，当吸力小于10MPa时，蒸汽平衡控制技术的精度不高（Delage等，1998b）。如图1.46所示为应用饱和盐溶液法控制相对湿度的蒸汽平衡技术示意图。玻璃保湿器底部盛有饱和盐溶液，所测土样放置在小容器中，置于保湿器的隔板上。在保湿器上部空间发生气相间的水分迁移，直到两相达到平衡。

图1.46　蒸汽平衡法试验装置照片及示意图（饱和盐溶液法）

由于通过蒸汽达到平衡，牵涉二相（气、液）的转变，对于环境温度控制应有很严格的要求，所需的试验时间也相当长。因此，为加速平衡，将保湿器通过一气动泵与装有相同类型的过饱和盐溶液玻璃瓶连接，以加速蒸汽的流动（Tang和Cui，2005；Ye等，2014）。同时，将保湿器与玻璃容器放置于恒温水槽中以保持恒温，避免蒸发或凝结对试验结果造成影响，如图1.47所示。

图1.47　蒸汽平衡吸力控制技术示意图（饱和盐溶液法）（Ye等，2014）

1.4.3.2　实验仪器、材料及步骤

所需实验仪器和材料有：①盐溶液（对应不同吸力值的不同种类的盐溶液）；②保湿器（干燥器），带隔板；③凡士林；④饱和器；⑤液体石蜡；⑥带细丝铝盒；⑦电子天平。

恒温溶液是由分析纯的盐和纯水（去离子蒸馏水）制备而成。在某些情况下，如果盐的纯度不明，在用来制备恒湿溶液前，应由重结晶纯化。饱和盐溶液可使用无定型或含水盐试剂配制，从溶解性来说最好选用无定型的盐，饱和盐溶液应该保持有30%～90%的盐未溶解于水中。因此，对于饱和盐溶液，在给定温度下盐的重量应该比完全溶解的量要大30%。为了获得均匀盐溶液，盐晶体应加入在比测量温度高得多的水中溶解，然后将溶液降温至需要的温度（OIMLR121，全国物理化学计量技术委员会，2000）。

在各干燥器配制好不同种类饱和盐溶液后，将其置于温度可控的恒温水浴中。将制备好的试样置于保湿器内饱和盐溶液正上方的隔板上，在顶盖下表面与缸体接触的圆周上涂抹薄薄的一层凡士林，然后将顶盖放于缸体上，水平推移至最终合拢，密封保湿器。试验准备及安装工作完成，接下来就是静置平衡阶段。为加快平衡时间，也可按图1.47所示，将保湿器与盛有相对应饱和盐溶液的玻璃容器用气动泵连接起来。

在平衡过程中，每隔几天称量试样的质量，当试样的质量在3d内的变化小于0.01g时，认为试样的吸力与对应饱和盐溶液的蒸汽压力达到平衡。(www.xing528.com)

平衡后，取出试样，将其分为2块，其中一块直接用烘干法测量质量含水率，另一块利用阿基米德浮力原理测量体积。由此，平衡后试样的含水率、孔隙比和饱和度即可计算得到。最终，根据试验要求和试验方案绘制出不同状态试样的土-水特征曲线。

1.4.3.3　关键技术问题

采用蒸汽平衡控制吸力技术，需要等到试样与保湿器上部空间水汽交换达到平衡，所需平衡时间比较长，一般需要十几天甚至更长。平衡时间与土的类型、吸力大小及试样大小有关。Tang等（1998）用该方法测试细粒土试样的吸力值，平衡时间在30～50d范围。为确保可以得到试验数据，并在此前提下保证试验精度，一个测试点需要制备2～3个平行样。同时，尽量设计好试验方案，将满足试验要求的试样统一放入保湿器内平衡，避免中途再加入新的试样，延长平衡时间。同时，测试系统内引入气动泵，也可加快平衡。

另一个必须考虑的问题是环境温度的控制。由于通过蒸汽达到平衡，对于环境温度控制有很严格的要求（Tang和Cui，2005）。蒸汽法控制吸力技术最好在恒温条件下使用，以避免蒸发或凝结对环境相对湿度造成的影响。很小的温度变化即可引起十分明显的吸力值改变。恒温水浴可很好地解决温度控制的问题。

最后需考虑的是低吸力阶段相对湿度控制的精度问题。由于吸力与相对湿度的非线性关系，在低吸力阶段，很小的相对湿度的改变即可以引起真实吸力的非常大的改变。Agus和Schanz（2008）的研究表明，低吸力阶段（即相对湿度较高）有着明显的误差累积，主要由量测溶液中各组成部分时的各种小误差所引起。为弥补这一方面的缺陷，在低吸力阶段需配合使用独立的传感器装置（如张力计、湿度计等），量测平衡时试样的吸力值。

1.4.3.4　相对湿度控制吸力试验实例

孙文静等（2014）采用蒸汽平衡法控制吸力技术得到压实高庙子钙基膨润土的土-水特征曲线。按目标初始含水率、目标干密度制作击实试样，直径61.8mm、高20mm，将击实环刀样用叠式饱和器进行饱和，之后用切土刀将饱和样再切成8等份，分别放入8个盛有饱和盐溶液的保湿器中进行蒸汽平衡。平衡结束后，量测得到平衡时试样的含水率和饱和度，即可得脱湿过程的土-水特征曲线。

饱和时将环刀样用叠式饱和器固定，放入去离子水中抽真空饱和24h。干燥时把试样连同环刀放入烘箱，在105℃烘干24h，饱和和烘干后分别测量试样尺寸并称重。试验时控制环境温度为20℃±0.5℃。试验采用的饱和盐溶液对应的相对湿度和吸力值如表1.7所示，该表是由全国物理化学计量技术委员会给出的，表示20℃时饱和盐溶液标准相对湿度值，10个不同种类的饱和盐溶液对应10个不同的湿度固定点（Humidity Fixed Point，HFP），在温度20℃下，标准相对湿度值的范围大致为6%～98%。

图1.48为不同初始孔隙比试样（试样1和试样2）在脱湿过程中的土-水特征曲线。试样1的初始孔隙比为1.126、初始含水率为21.9%；试样2的初始孔隙比为1.765，初始含水率与试样1相同。

表1.7　饱和盐溶液及对应吸力值（20℃）

图1.48　不同初始孔隙比试样在脱湿过程中的土-水特征曲线（孙文静等，2014）

两个试样的初始孔隙比不同，其他方面都相同。从图1.48（a）可以看出初始孔隙比对w-s关系几乎没有影响，但是从图1.48（b）却可以看出初始孔隙比对Sr-s的关系有着非常显著的影响。这是因为当所处湿度环境或吸力（接近饱和状态时除外）平衡稳定时，任意状态下单位土体的含水量都是一定的，不会受孔隙比、干密度等因素的影响（Sun等，2014）。而当孔隙比减小时，即密实度增加，土颗粒周围水量不变，而孔隙变小，相应土体的饱和度和持水性能也会相应增大，如图1.48（b）所示。