土水相互作用与土水相变是含水多孔介质材料研究的重要内容，也是寒区工程建设及冻土环境演化等的关键科学问题之一。相关研究与低温多孔材料研发、月球水冰赋存以及天然气水合物的形成和分解等相关，更是冻胀过程冰分凝和水分迁移关键机制的本质和核心。然而，土中水分的相变表征仍沿用描述单质纯水相变的传统相变理论。由于土壤颗粒与水分子相互作用，土水相变与纯水系统存在较大差异，因而基于传统宏观纯水延展的相变理论在实际应用中受到质疑。
中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室冻土物理力学团队对此问题开展跟踪研究。在前人研究的基础上，研究考虑弛豫效应，基于动静态分析，从局部孔隙水压力角度探究了微观界面土水的非一致性（图1），并进行力源分析，发展了非一致水的基质势概念；进一步明晰了非一致水的微观相变机制，对克拉伯龙方程和广义克拉伯龙方程进行统一（图2）。在此基础上，研究剖析了关于土水的空间密度变化、冻土强度变化、冻结点下降、气穴现象、孔压测试技术改进、水合物成核促进效应、未冻水的初始含水量差异(图3)、水分迁移驱动力等问题。
土颗粒-水微观界面是分析土水状态及其相变的最小基本单元，界面土水的非一致性及其微观相变理论立足于水的梯度效应，区别于传统一致水的研究角度，为后期研究提供了新角度；该理论框架广泛适用于其他含水多孔介质材料。
相关研究成果以spatial state distribution and phase transition of non-uniform water in soils: implications for engineering and environmental s为题，在线发表在advances in colloid and interface 上。研究工作得到国家自然科学基金青年科学基金项目的资助。
图1.不同初始含水量界面处的孔隙水压力变化
图2.微观界面示意图（a）以及两种土水相变模式（克拉伯龙方程和广义克拉伯龙方程）机理图（b）
图3.不同初始含水量下未冻水含量差异性解释
研究团队单位：西北生态环境资源研究院
