结构在冻融土壤的形成

最后一次更新在星期二,2023年5月02|冻土

伴随的各种物理化学及物理过程冻融土壤造成相当大的结构性转换的有机无机骨架变化体现的大小、形状、关系和结构元素的定位(初级粒子,矿物质和有机无机骨料)。结构元素的大小可以增加或减少在寒冷。减少是由于色散效应和增加是由于凝固和聚合。

地面结冰时迅速在低负温度(约- 40到60°C)和没有水迁移,然后并发代结晶中心和冰晶的生长产生粒子和聚合物的一个蜕变的过程。主要矿物的大粒子和聚合物骨架(砂和粗尘土飞扬的分数)集中解体,更非齐次和大量的缺陷比小尺寸的结构元素(图4.6)。当冻结的温度更高(- 30°C以上),扩大总量占主导地位在他们的破坏。例如,对于多矿物砂质粘土材料后冻结- 30°C,与冷冻- 60°C,粗粉和桑迪的内容聚合生长但由于聚合较小的结构元素(图4.6 b)。因此,相变的强度和持续时间的水是很重要的在粒度组成变化的方向,即低强度可能会导致迁移intra-aggregate水成冰作用中心,为塑料可以改善条件矿物元素的重排,从而相互凝结和聚合方法和扩大。快速相变导致只有碎片沿矿物边界和细粒度。

在水的情况下迁移到结晶方面,结构转型的主导作用冻结地面属于大规模运输过程进入冷冻区,分化和土体的变形在隔离层和冰的形成和生长的脱水和收缩解冻地面的一部分。调整结构的过程包括相当大的压实和加强矿产的骨架,引发更大强度的土壤,和形成的冰水泥粘合,特别是。在b

图4.6。粘质土壤粒径组成的变化(从微分曲线的小粒子分析):a、b -全面冻结重粉质粘土在t = - 60°C和- 30°C,分别;c -冻结多矿物粘土主要Na +内容;d -同样,Ca2 +和Mg2 +;e、f -解冻多矿物粘土巩固下的0.05和1 MPa,分别。1 -初始状态;冻结后2 -;3 -解冻后。重量分数的粒子的内容,纵轴,和粒子的大小,横坐标。

解冻脱水区并发脱水冻结土壤的结构元素,他们彼此的方法并形成较大的骨料和块。孔隙度降低和矿物骨架密实;同时,粒子和聚合物的重新定位的方向迁移流和slit-like毛孔也发生的形成(图4.7)。的大小是由骨料和块度和强度的脱水和性格和程度的变形和收缩应力的发展。结构分离的形状主要取决于成土的矿物成分和crystallo-chemical特性粘土矿物。

: 图4.7。微观结构矿物骨架的冷冻解冻的高岭石粘土脱水区边界的冻结在叹冻区(a)和(b)。

在冰冷的clay-rich土壤(即的一部分。,在该地区重要的相变),这不是最初的解冻土壤结构正在重建,但结构已经改变了脱水和收缩的解冻。冰冷的水在大毛孔和冰晶的生长温度下降的原因起伏土壤矿物骨架和分化的质量(当离析冰微和macro-layers形成)。矿物骨架的结构变得松散,虽然极大地增加了土壤胶结强度的冰。相变的过程往往伴随着土壤部分分裂和重新定位块和骨料由于变形膨胀但在骨料小学(初始)粒子的取向通常仍然完好无损。由于增长的冰包体,主要是在大孔隙和结构边界,毛孔保持他们的狭缝形状和扩大(图4.8)。的过程中进一步冻结(温度的下降),水的相变发生在较小的intra-aggregate和颗粒间的毛孔,造成土壤颗粒解体和定向障碍在总量和块的土壤。因此,冻土的无序结构类似于之前冻结(never-frozen地面)。

定量显微结构的变化在寒冷,总的来说,组成和初始结构的结果。矿物成分决定了结构的形状出现在寒冷的道别。自montmorillonitic土壤更容易变形的物理化学过程的影响下并发冻结,这些显示转换的初始,通常skeletal-matrix,组织成一个动荡

: 图4.8。垂直方向(平行于水流迁移)的矿物粒子和聚合物在冷冻解冻脱水区多矿物粘土。

有人甚至在温和的条件下脱水和变形解冻部分土壤远离冰冷的前面。

Crystallochemical高岭石颗粒的结构特性,使刚性的结构元素,控制他们的分裂的可能性在冰形成的区域和的重新定位他们的基底表面矿物之间的边界和冰层离析冰在增长。最初(冻结之前)粒度和矿物成分决定加结构的范围在土壤冻结过程通过影响水交替强度,冰的形成和脱水的土壤。结构形成更明显的细粒度(粘土)土壤和变得不那么作为初始晶粒尺寸增加。化学成分有同样重要的作用在结构的形成和变化的方向冻结土壤的粒度。粘土土壤中含有钠离子条件下的脱水(通过低温冰冻引起,或者由密集的水交替缓慢冻结期间),结构元素的主要流程是凝固和聚合。冻结粘土含有多价阳离子(Ca2 +和Mg2 +),然而,伴随着色散以及结构性分离(图4.6 c, d)。

3床

图4.9。基本类型的冻土ice-cement: a -基底,b -孔隙;c -电影;d -接触;1 -土壤颗粒聚集;2 -冰水泥;3 -部分毛孔免费的冰和水。

的差异形成的结构是由一个较高含量的clay-colloidal材料Na-containing土壤的初始状态(冻结)导致更积极的物理化学过程,主要是当地的水交换的发展土壤,因此显著脱水在不连续的矿物组合。

如果压实土壤的水交换是阻塞在低含水量,则观察到的结构元素的衰变。相反,在相对宽松的水饱和土壤凝结和聚合占主导地位。

冰的形成作为一个结构元素在土壤冻结大体变化初始(解冻)结构。由此产生的低温微观结构的初始成分和结构的土壤和冻结解冻条件。微观结构的典型特征的碎屑和沙土是冰的存在水泥结合前面松散土壤成一团。几种类型的冰就可以形成水泥取决于在沙质土壤初始含水量;例如,袖口(接触)类型,电影(地壳)类型和多孔和基底类型的ice-cement(图4.9)。粘土土壤低温微观结构(clay-rich fine-silty砂,黏土)类似于冻土的宏观结构(大、层压、网格和细胞)。随着细度的增加,微层冰的厚度及其频率增加(图4.10)。

低温微观结构的具体特点的形成与土壤孔隙溶液的不同化学成分和交换复杂首先明显改变聚合的矿物相组成的骨架和水。盐渍沙土的显微组织显示了较高含量的不冻的水和一个新的结构元素,盐的晶体,从孔隙溶液沉淀和水泥矿物骨架,形成一种新型的接触,即结晶类型。加结构过程是多

图4.10。基本类型的低温微观结构在土壤:——巨大的;b - lens-like;c -层压;d -网;1冰;2 -土壤颗粒。

: 图4.11。显微组织的冷冻silty-clays、饱和(一)Na +和(b) Ca2 +。1 -冰;2土壤颗粒。

更复杂的在粘土土壤,此外,离子交换发生;这些过程,免税额盐的性质,导致聚合或分散的矿物骨架。

当粘土土壤与多价阳离子交换复杂的冻结,隔离micro-ice形成强度的增加,层压低温微观结构出现。在土壤饱和与单价的阳离子,不连续,薄冰micro-schlieren困惑取向产生(图4.11)。

低温显微组织的形成不仅影响初始化工矿产组合、弥散性,土壤含水率和密度也在很大程度上通过冻结条件(冻结速率、温度梯度、供水的存在与否,等等)。例如,在细粒度的土壤的冻结速率增加冰微层的厚度和它们之间的距离减少,夹杂物的平均大小一样的冰水泥和其晶体的大小。在矿块和骨料,显微组织的不均匀性增加从中心向外围的总量。缓慢冻结期间,聚合获得更均匀的微观结构,但更明显的分化到纯矿物领域是观察(没有冰包体),冰含量更高的地区也是如此。后者的效果,可能是由于当地的水分再分配/冰内容(图4.12)。

在解冻过程中,冻土的结构也改变了。的基础上,然而,少量的实验数据,我们可以假设在大多数情况下,尤其是在快速解冻的土壤,一般倾向于更大的元素的衰变。解冻伴随着较弱的结构关系,较小的强度和更大的渗透水。这是显示在较小(十分之一或更少)的聚合系数

图4.12。分化的冰和矿物粒子在冻结粉质粘土由于当地水的再分配:1 -冰和结冰的地区;2 -土壤颗粒。

较低的土壤中最明显的密集的冰的内容。为例,分析土壤解冻的聚合的变化,巩固之前冻结的负载0.05和1 MPa,表明在解冻的土壤水分较低和高的密度,微团聚体组成变化比样品更大程度较低的密度和更大的水分/冰内容(见图4.6 e, f)。转换结构元素的土壤在这种情况下,主要手段瓦解在解冻以及结构分别大粗(沙尘)分数和分数越小的增加。这个过程最终减少意味着土壤密度的统计结构分离的大小:13.8 /¿3.3 m的多矿物粘土和他们在沉重的砂质粘土。在低密度较高的样品水分/冰内容,解冻的过程引起了骨料的平均尺寸的减少害怕只有1 / m的粘土和0.3 /。他们的砂质壤土。这种差异在松散的结构元素的衰变和密集的解冻土壤是归因于更密集的细水楔入活动电影overdensified样本。

继续阅读:土的冻胀现象

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