武汉岩土所揭示了吸附作用对孔隙中气液界面性质的影响

土壤或者其他岩土材料等多孔介质中的气液界面的几何特征和物理性质反映了多孔介质中水的赋存状态，并影响着多孔介质的水力和力学特性。对于亚微米级或者纳米级孔隙，多孔介质的固体基质对液体有着强烈的吸附作用并对气液界面的几何特征和物理特性产生不可忽略的影响。

中国科学院武汉岩土力学研究所董毅研究员，长期致力于包括多孔介质多相流涉及的热质运移、相变等相关理论在内的多相岩土介质力学与工程方面的研究。针对吸附作用如何影响孔隙中的气液界面性质这一问题，基于热力学原理，通过变分法推导了描述两个理想化孔隙中气液界面的具体广义杨-拉普拉斯方程；通过引入分离压力中的范德华力、静电力以及结构力来描述吸附作用，详细分析了吸附作用对气液界面形态和曲率等几何特征以及界面气水压力差这一物理特性的影响，并从含水量和孔隙尺寸这两个角度探讨了尺度效应如何增强吸附作用对气液界面的影响以及固体表面湿润性随尺度的变化；通过气液界面的界面轮廓参数表征了基质势和粒间作用力与孔隙含水量的关系曲线，描述分析了吸附作用对孔隙水力和力学特性的影响。这些研究成果对于研究与气液界面性质相关的液体相变、结晶生长以及液体空化过程中的气泡成核等物理化学过程提供了理论基础，也为研究吸附作用如何影响自然多孔介质和其他土工材料的持水特性和力学特性提供了基本框架。

上述研究获得了国家自然科学基金NSFC- 41702338和 NSFC- 51779254的资助，成果以论文“How solid–liquid adsorption affects the liquid–vapor interface in pores”发表于SSSAJ期刊Vadose zone journal。

论文链接： https://doi.org/10.1002/vzj2.20214

图1 考虑吸附作用时两球颗粒间气液界面物理模型示意图

图2 球颗粒间不同半填充角的气液界面轮廓以及界面曲率和界面压力差分布