监测土壤冻结的新技术将使永久冻土上的建筑更安全

来自 JSC 建设研究中心的 Skoltech 研究人员和他们的同事已经证明了他们先前获得专利的方法的实用性，用于确定土壤在什么温度下冻结以及其中含有多少未冻结的水。监测这两个参数对于在永久冻土区建造和维护道路、桥梁、房屋、工厂等至关重要——尤其是在全球变暖时代，这会导致土壤融化和不稳定。该技术精确、快速、相对便宜，并且适用于不同类型的土壤。详细介绍这种所谓的水势法测试的论文发表在《寒区科学与技术》杂志上。

“每当你在北极地区的永久冻土上建造东西时，你必须知道特定土壤在什么温度下冻结以及其中液态水的残留含量是多少。这些参数会影响土壤的机械特性，对于确保住房、交通基础设施和工厂、管道和油井等工业设施的稳定性，”该研究的第一作者、来自 Skoltech 的首席研究科学家 Evgeny Chuvilin 说。“这与散发热量的结构更为相关，例如热电厂，以及在全球变暖的背景下，因为冻土所居住的环境正在升温。”

可以使用核磁共振或接触法进行必要的测量，但前者非常昂贵，只有主要研究中心才能负担得起，后者既费时又不便宜，因为它需要大量土壤样本，这必须用昂贵的制冷设备冷冻。

Chuvilin 与他的合著者、Skoltech 的首席研究科学家 Vladimir Istomin 和研究科学家 Boris Bukhanov 一起设计了一种替代技术——水势法，它依赖于相对便宜的硬件。它于 2018 年获得专利，它涉及逐步干燥样品，并记录孔隙中水与土壤颗粒的结合能的相关变化以及湿样品上方的蒸汽压——这些值可用于计算冻结点和未冷冻的含水量。水势法速度快，不需要样品冷藏，使测量更便宜。该团队还通过针对传统技术对其进行验证来证明其效率。

“我们证明该方法适用于各种粒径、矿物成分、盐度和总有机碳含量的天然土壤，”楚维林说。“结果与包括核磁共振在内的直接测量非常吻合，这意味着我们的方法提供了必要的精确度。因此，我们可以推荐它来确定不同土壤类型的冰点和未冻水含量。”

这个故事中报道的研究是一系列研究中的最新部分，介绍和阐述了水势方法。通过针对传统方法验证这种新技术并扩大其已被证明适用的土壤范围，该团队正在向土木工程师发送信息，他们可以通过采用新方法直接受益。

“现在那些不一定对过程的复杂物理学感兴趣但有这个特定问题需要解决的人可以开始使用该技术。我们的研究为他们可能遇到的问题提供了答案：它会起作用吗?在给定类型的土壤上?它有多准确?它适合什么温度范围?楚维林说道。“我们强调优势并向最终用户展示我们的技术是解决他们问题的有效且极具竞争力的技术。”

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