文摘
干旱地区的传统结构的破坏程度尤为严重,由于长期暴露在严酷的干旱气候。摘要土壤蒸发和开裂的特点是从传统结构不同氯化钠浓度实验调查让饱和土壤样本王静塔卫慧市河南。使土样含水量110%的用来测试蒸发率在一个恒定的温度和湿度,通过蒸发率的变化、含水量、裂缝发展、裂缝分形维数。结果表明,(1)较高的含水量,氯化钠会影响蒸发过程通过增加土壤基质吸力的王静塔,然后影响土壤的开裂过程。在0%、1%、2%和4%氯化钠的添加,样品的残余水分含量为3.15%,4.23%,4.82%,和5.89%,分别显示一个明显的趋势增加含水量;(2)期和稳定的样品断口分形维数与氯化钠浓度的增加,缩短及其最大分形维数是依次降低;(3)在一个较低的含水量,氯化钠结晶和沉淀在土壤的毛孔,提供土壤颗粒之间的胶结作用,从而抑制裂缝的发展。
1。介绍
中国经济快速和大规模基础设施的发展不仅影响环境,而且历史文物。建筑,历史建筑,也称为遗产遗迹,坟墓,遗迹,遗迹(这里统称为传统结构),是文明的物理标记,证明中国的历史和文化发展。一些传统结构由于城市化不幸被拆除,而其他面临恶化引起的天气元素,如热,冷,霜,风、雨以及涂鸦等造成的损害人类。传统结构是不可替代的,因为他们有历史价值。因此,传统结构的保护是必要的,这样他们就可以经受住时间的考验。特别是传统结构在干旱的土地上,比如在中国西北部,面临特殊挑战由于极端温度范围,风,和干燥的沙漠空气,加速恶化的陶瓷,瓷器、和世俗的材料如粘土和adobe砖,有不同程度的损伤(1]。由于长期接触这种恶劣的气候环境,传统结构的破坏程度的干旱地区尤为严重。因此,许多研究人员研究了传统结构的恶化在干旱的土地上,发现造成的恶化主要是建筑材料的降解。退化密切相关的材料的基本性质,如密度、粒子大小、数量的可溶性盐和矿物质,和机械强度2]。在研究土壤的wet-dry周期,沈et al .(2017)发现,土壤与硫酸钠(Na2所以4)添加显示Na2所以4在材料的表面,而土壤少食盐(氯化钠)氯化钠表面(3]。材料的损伤程度与盐取决于矿物的结晶过程。当初始含水量的土壤取自传统结构在旱地小于5%,其强度和耐久性降低在冻融循环,最终导致严重的损失强度的材料4]。
近年来,极端天气条件,从干旱到暴雨导致开裂的增加接触土壤表面,导致更多的研究活动,努力理解土壤开裂和治疗,特别是在干旱的土地上(5,6]。干燥收缩裂缝是一种常见的现象引起毛细管吸力和拉应力由于干燥7- - - - - -9]。众所周知,裂缝和裂缝的形成和扩展网络取决于很多内部和外部因素。例如,在土壤中添加生物炭可以改变蒸发过程,因此干燥的特点和钠土收缩裂缝。这有效地减少了土壤的无序排列的表面裂缝,从而降低或抑制土壤开裂[10]。杨et al。(2021 b)研究了表面裂缝的分形维数和裂纹扩展的速度通过添加不同数量的粉煤灰土。他们得出的结论是,土壤的收缩和蒸发过程是土壤的性质密切相关,如粘粒含量、土壤矿物成分和内部结构(11]。李et al。(2021)和杨et al。(2020)研究了表面裂缝的发展土壤与生物质灰利用图像处理技术和分形理论。一些学者发现,添加生物质灰土壤能有效防止土壤水的蒸发和土壤开裂[12,13]。王et al。(2021)和必应et al .(2021)提出了一个统计框架来描述断裂的分布区域的概率作为水含量的函数。玉米根和氯化钠的影响骨折的形态的变化确定土壤的收缩和肿胀(14,15]。其他人发现,盐的存在可以有效地抑制裂缝的发展。张力裂缝土斜坡显著降低其稳定性通过允许更深、更快渗透水的斜坡。张力裂缝的形成取决于土壤的类型、边坡表面的干燥程度,和水的可用性或缺乏16- - - - - -19]。因此,先前的研究表明,添加添加剂,如盐或生物炭,土壤可以改变土壤的特点,与本研究有关的,包括干旱气候和传统结构构造的土壤。
土壤的碱性化在中国西北干旱地区是由于强烈的降雨在时间短和干旱气候导致高蒸发率,造成水和盐迁移。一方面,水在土壤中运动导致盐迁移从顶部向底部和土壤的内部到外部层,这可能最终积累并形成盐渍化区底部的传统结构,是由土壤(20.]。另一方面,毛细管作用导致不均匀分布在土壤表面的盐在土壤中的毛细上升的最大高度(21),导致土壤碱性化。传统结构包括剥落的恶化和土壤表面的剥离,侵蚀,和开裂,土壤中的水和盐运输密切相关。土壤的恶化导致严重损害遗产结构(22,23]。沈et al。(2014)研究了土壤盐渍化过程与不同浓度的氯化钠和Na2所以4使用超声波测试。他们发现P波的速度逐渐减少的数量增加湿润和干燥周期。此外,盐含量的增加加快了盐渍化过程(24]。崔et al。(2019)发现,传统结构不同程度受损,由于冻融循环的耦合作用和盐盐渍化降雪造成的通过监控温度、土壤含水量、可溶性盐浓度在中国西北三个典型的传统结构网站(25]。
在中国都是建立在许多传统结构,或土壤。然而,随着时间的推移,他们降低。随着这些结构的历史重要性,是非常重要的研究土壤的退化为了保护这些结构。有大量的研究在中国传统的地基土结构。然而,很少有研究王静塔位于卫慧城市,河南省,中国。王静塔具有特殊的意义,因为它是最大的建筑构造的石头没有任何梁。摘要王静塔的地基土研究确定氯化钠对土壤的力学性能的影响。氯化钠的影响进行了研究。因此,这种添加氯化钠有望改变土壤的蒸发率,可以被计量的含水量的变化。干燥的土壤会导致表面裂缝的发展,这是通过使用摄像头捕捉和处理图像处理软件。 This will provide a quantitative measure of the effect of NaCl on surface crack initiation and propagation in the soils.
2。材料和方法
2.1。材料
实验中使用的土壤从王静塔的基础卫慧市位于华北平原,有一个温暖的大陆性气候。有大量的水在卫慧降雨和充足的阳光明媚的日子。炎热和潮湿的夏天导致地面的湿润和干燥周期,促进表面裂缝发展。王静塔有可见的墙壁裂缝修复工作之前和之后在2006年塔;参见图1。塔的裂缝可能引起的不均匀沉降的地基土由于开裂。为了研究地基土,四个采样点附近的塔。土壤样本获得的深度从地面10至20厘米。土壤样品在实验室被风干,粉碎,一个2毫米筛,筛分;参见图2(一)-2(c),土壤的物理和力学性能如表所示1。
2.2。实验方法
在实验中,土壤样品的粒径小于2毫米被分为四组:一组没有氯化钠是用作控制,和其他三组氯化钠浓度的1%,2%,和4%的干土质量。蒸馏水是添加到所有土壤样品给一个初始含水量为110%,如表所示2。土壤是彻底混合30分钟产生一种均质材料。土壤被涌入25厘米直径4厘米的圆柱形有机玻璃容器高度;参见图2(d)。两组样本为每组的对比测试结果。
样本放置在一个环境可控孵化器10天在恒温25°C,湿度40%的氯化钠可以完全吸收土壤中。10天后的孵化器,土壤样品再次被移除和混合,确保每个样品是均匀的。样品被放置在一个恒温干燥箱的温度25°C和40%的相对湿度。照片拍摄在干燥过程中观察裂缝的发展。含水量的计算通过测量样品的质量变化。测试时终止没有可观察到的含水量的变化。
2.3。图像处理
随着计算机图像的快速发展,数字图像处理技术已广泛应用于科学和工程的许多领域。在研究裂缝发展的过程中,有必要处理数字图像定量计算各种断裂参数来分析几何和裂缝网络的形态特征26- - - - - -28]。在数字图像处理中,第一步是将原始彩色图像(图3(一))灰度为了更好地观察裂纹(图3(b))。由于样品缺陷或杂质图像噪声去除在第二步改善图像的质量,提高定量断口分析的准确性(图3(c))。在第三步中,灰度图像的关键是使用阈值分割方法将灰度图像转换成黑白像素。在转换的过程中,目标像素在某个阈值范围内分配相同的颜色,也就是说,黑色或白色,骨折的轮廓和边界增强(图3(d))。基于黑白图像,断裂网络是增强在第四步;参见图3(e)。最后,分形维计算的所有骨折;参见图3(f)。
2.4。蒸发率的计算
在测试中,样品的重量的损失是由于水的蒸发。干燥的土壤也会造成表面裂缝的发展。蒸发率(E)是裂缝发展的一个重要指标。实验网站,平行样品(矩形)用水浸泡,放置在空气与电子天平,其变化在不同时间的重量被电脑记录。蒸发率(E)单位表面积的样本可以从以下公式计算: △在哪里米△,蒸发水的质量吗t蒸发时间,年代E土壤样品的表面积。
分形维数可以定量描述骨折的形态特征,这是一个重要参数,可以计算数字图像的骨折。在这项研究中,盒子维法。盒维法计算实际尺寸与方形盒子覆盖整个图像的维度r。的分形维数D可以从箱子的总数计算,N,如下所示:
3所示。实验室测试结果
3.1。盐含量对蒸发率的影响
所有的样品的初始含水量是110%。结果对含水量的变化和蒸发率在图所示4。数据4(一)和4 (b)显示含水量随时间的变化。所有四组不同氯化钠浓度的样品表现出类似的趋势随着时间的推移,也就是说,逐步减少含水量与干燥,减少稳定水含量在干燥过程的结束。然而,有一些波动含水量的样品1,不含氯化钠,在到达终点之前稳定的状态。样品的含水量2、3、4与氯化钠浓度为1%,2%,和4%,分别是平稳下降前的最终状态。在干燥的最后阶段,剩余样品中含水量高的氯化钠浓度明显高于氯化钠浓度较低的样本。样品以0%,1%,2%,和4%氯化钠残余含水量为3.15%,4.23%,4.82%,和5.89%,分别显示一个明显的趋势增加含水量。
(一)
(b)
(c)
(d)
蒸发率的趋势随着时间的推移,所有样品的不同氯化钠浓度基本上是相同的;参见图4 (c)和4 (d)。基于蒸发率随着时间的推移,蒸发过程可以分为三个阶段:第一阶段是一个常数蒸发率,第二阶段是一个减少蒸发率,最后阶段是残余蒸发阶段。在第一阶段,土壤有多余的自由水,表面蒸发由空气的相对湿度控制在周围环境。蒸发率约为0.9 g / h和随着时间的推移,相对稳定。在第二阶段,当所有表面多余的水被蒸发,有一种不饱和流表面的样本。蒸发率随时间由于减少了土壤的渗透性不饱和流条件下表面。在第三阶段,大部分自由水被蒸发,只有水的粒子更紧连着剩下的土壤颗粒。蒸发已基本停止,残余水分含量随着时间不会改变。去除剩余的水不仅依赖于周围空气的相对湿度,还依赖于温度。温度的增加将导致更多的从土壤中去除的水。
基于实验结果,样品的蒸发率的趋势与不同氯化钠浓度基本上是相同的。残余含水量的样品1、2、3和4,氯化钠浓度为0%,1%,2%,4%,3.15%,4.23%,4.82%,和5.89%,分别在142 - 167小时的蒸发。所有的样品都有一个初始含水量为110%,远远高于残余含水量。
3.2。盐在土壤开裂的影响
土壤表面裂缝的分布可以用分形维数定量描述。一个更大的分形维数表示更多的不规则和复杂地表裂缝(29日]。基于分形维数和样品的含水量的变化,相应的裂缝的发展分为三个阶段;参见图5(一个)。在第一阶段,第一次出现表面裂缝后,分形维数随时间线性增加。骨折的迅速发展,网络连接骨折出现表面的土壤。在第二阶段中,裂缝发展速度随二次断裂网络的形成。在第三个和最后一个阶段,断裂网络保持不变,但深度和宽度的裂缝继续发展。
(一)
(b)
第一阶段的主要裂缝的发展开始蒸发时的第一阶段结束时所有的自由表面水被蒸发了。当裂缝的表面开始,单个裂纹会发展成多个裂缝,裂缝网络的主要形式。第二阶段开始时蒸发率开始下降和蒸发的变化在土壤表面不饱和流。虽然主要的裂缝继续发展,多个二次骨折垂直于主断裂开始出现。二次断裂网络的不断发展,最后断裂网络将样本划分为不同大小的块。裂缝发展的第三个阶段开始第二阶段后期的蒸发。在这个阶段、裂缝发展的样本变成蒸发的深化和扩大骨折,直到停止。在这个阶段,断裂网络和裂缝发育的生长基本停止。
对于样品2,3,4,骨折的发展遵循这里讨论的三个阶段。相比这些样本具有不同氯化钠浓度(图5(一个)),没有明显的趋势与氯化钠浓度分形维裂缝发展的第一阶段。然而,第二阶段的时间长度的依赖于氯化钠浓度。第二阶段的持续时间对样品1、2、3和4是56 h, h, 52 20 h,和10 h,分别显示时间和减少氯化钠浓度的增加。样品1的结果表明,分形维数和0%氯化钠明显高于其他的样品。然而,样品的分形维度2、3和4不遵循一个下降的趋势与氯化钠浓度的增加。在第三阶段,裂缝发展趋于稳定,断裂分形维度达到最大值。最大的分形维数随氯化钠浓度的增加而减小。样品的最大分形维数1、2、3和4是1.78,1.7,1.67,和1.62,分别。最大的分形维数与氯化钠浓度的增加显著降低;参见图5 (b)。
4所示。讨论
土壤样品的蒸发率明显显示了三个发展阶段,即不断蒸发率,减少蒸发,蒸发和残余阶段;参见图4。样品的蒸发发生在土壤表面上。水的蒸发表面的样本是由于水的迁移从下部到样品表面。在蒸发的第一阶段,逃跑的样品的表面水分子由流补充水和盐的表面由于毛细管作用。由于土壤是过饱和的还有多余的自由水在土壤中,样本内的水流从饱和状态下的表面。不仅水流相对稳定,因为没有显著改变样品的饱和渗透,而且水流的速度是高于不饱和状态。因此,在这个阶段蒸发率是恒定的。毛细管水是土壤中的自由水,这是发现当土壤的含水量高于其塑性极限(30.]。与进一步蒸发,样品的含水量接近其塑性极限,毛细现象采取行动减少甚至消失,和示例开始破裂。蒸发进入第二阶段。这时,开裂导致增加蒸发表面积和毛细水的迁移路径缩短,从而增加蒸发。然而,基质吸力的增加,土壤变得不饱和使蒸发更困难。结果是一个减少蒸发率。在第三阶段,蒸发站与基质吸力的增加,毛细现象的消失。
蒸发会导致减少水分含量随着时间的推移,和土壤的变化从一个更固态流体状态。含水量的减少和增加矩阵吸入,表面裂缝发展由于拉应力增加。的数量、长度、宽度、深度和蒸发的裂缝逐渐增加,裂纹发展变得更加激烈。例如,示例2 1%氯化钠的裂纹发展过程如图6。81 h后干燥、样品的含水量达到39.82%,接近土壤的塑性极限样本(表1),当裂纹开始。这个时候,主裂纹出现如图①6(一);当继续蒸发,样品的水分含量持续下降,二次骨折,②和③,开始发展的方向垂直于主断裂①;参见图6(b)和6(c)。最后,一个骨折形成网络;参见图6(d)。随着蒸发的继续,裂缝的长度和宽度继续⑤图面积在不断增加6蒸发(e),直到停止。之后,没有更多的含水量的变化,和骨折的发展停止。
在裂缝的发展,材料的拉伸力和抗拉强度控制初始裂纹发展过程。在蒸发过程中,减少毛孔中的含水量导致毛细管作用的土壤和拉应力的发展由于基质吸力。当拉伸应力超过土壤的抗拉强度时,裂缝发生(31日]。因为一个梯度发展的水含量从土壤表面的中间或不同土壤层次之间,土壤表面的裂缝首先开发,含水量最低。裂纹尖端应力集中发生,从而导致裂纹扩展,扩展,扩展,形成和扩大,直到一个稳定的裂缝网络(32]。连续降低含水量,裂缝发展将继续,直到一个稳定的压力配置是实现当断裂网络是充分发展。
氯化钠添加到土壤有不同影响毛细现象和蒸发表面裂纹发展的土壤。在盐浓度和含水量,增加土壤中有效应力增加较高的基质吸力和拉应力。这将导致不同的初始开裂时间。在低含水量、氯化钠结晶和沉淀在土壤的毛孔,提供土壤颗粒之间的胶结作用,从而抑制裂纹发展(33]。简而言之,蒸发使土壤的含水量低于塑性极限,导致土壤开裂。反过来,土壤裂缝进一步加剧蒸发。这个过程持续运行。蒸发后停止,断口形状逐渐趋于稳定。
5。结论
许多研究表明,在土壤中添加氯化钠可以改变水的蒸发速度。在这项研究中,不同数量的氯化钠已经被添加到土壤来确定盐蒸发率的影响。蒸发过程可以分为三个阶段:初始阶段蒸发率不变,第二阶段蒸发率持续下降,最后剩余蒸发阶段。氯化钠对蒸发率的影响并不显著。随着含盐量的增加,平均蒸发率降低。的最后残余含水量和样品相同的初始水分含量为3.15%,4.23%,4.82%,5.89%,样本有0%,1%,2%,和4%的氯化钠,分别。土壤的蒸发率的变化主要是由耦合引起的土壤的物理和机械性能的影响,包括毛细管作用,水和盐迁移,矩阵吸入,裂缝发展。
蒸发中发挥着重要作用的开裂和裂缝发展的土壤。蒸发导致土壤的含水量减少,直到土壤达到塑性极限时发生开裂。裂缝的发展一直持续到结束的蒸发过程。分形维数是一个重要的参数来描述表面裂缝的发展和分布。与不同氯化钠浓度、初始开裂时间是不同的,但裂纹发展过程显示了三个明显的阶段。氯化钠浓度的增加,没有重大变化的分形维数的第一和第二阶段蒸发。然而,在第三阶段,分形维数随氯化钠浓度的增加而减小。土壤样本的最大分形维数为1.78,1.7,1.67,1.62,样品1、2、3和4分别。最大的分形维数随氯化钠浓度的增加而减小。这些发现有助于确保可持续发展和长期稳定的王静塔以及其他传统结构同样受到威胁的中国西北干旱气候与土壤基础。
数据可用性
生成的数据集在当前研究可从相应的作者以合理的要求。
的利益冲突
不存在任何利益冲突的提交的手稿,手稿和批准所有作者出版。
确认
作者要感谢金融支持中国的国家自然科学基金资助下52068050和52068050号和河南大学生创新与创业培训项目在批准号S202110480034。