改性膨胀土微观孔隙定量研究

利用自动吸附仪对石灰、水泥改性膨胀土进行液氮吸附试验,并通过吸附理论对改性膨胀土内微观孔隙进行了定量研究。发现改性膨胀土中存在较多窄缝状孔隙;膨胀土改性前后其微孔体积以8.4A左右的孔隙为主;30A以上的中等孔隙离散分布;改性材料对膨胀土结构的影响主要是针对200A以上的孔隙;石灰与水泥的掺入使得膨胀土内的微孔体积减小,中孔以上孔隙体积增加。最后通过改性膨胀土的扫描电镜图象对吸附试验的结果进行了对比分析。     

内蒙古海拉尔盆地乌尔逊及贝尔凹陷南屯组致密砂岩储层微观结构表征

为了明确海拉尔盆地南屯组致密砂岩储层微观孔隙结构与储层物性的相关关系,本次研究通过铸体薄片观察、物性测试及恒速压汞实验,明确储层微观特征及孔隙结构参数,包括孔隙及喉道类型、大小、分布、连通性,并讨论了储层微观孔隙结构与储层物性的相关关系。研究结果表明:南屯组储层主要矿物颗粒为石英、长石、火山碎屑岩及凝灰岩岩屑,压实作用较强烈,颗粒排列紧密,胶结类型多为接触式胶结及镶嵌胶结,并以长石溶蚀现象最为普遍。储层多发育溶蚀孔,同含有少量粒间孔,喉道多为片状、管束状及缩颈型喉道。储层孔隙半径大多分布在110~170μm,孔径分布曲线形态呈单峰态,孔隙半径与孔隙度、渗透率无明显相关性;喉道半径分布在0.508~4.069μm。受控于孔隙结构的差异,孔喉半径比与渗透率呈一定相关性。综上所述,南屯组致密砂岩储层孔隙结构是其物性差异的主控因素,决定流体渗流能力。     

阳离子改性剂改良膨胀土试验研究

膨胀土化学改性是化学岩土工程中的一项重要课题,受到广大岩土工程师的重视。结合云南某高速公路路堤工程,采用一种阳离子改性剂对膨胀土进行化学改良试验,探讨了改性剂的改性机理和效果。结果表明:改性剂可以彻底改变膨胀土的亲水性、胀缩性,降低自由膨胀率,大大改善膨胀土的颗粒级配、强度特性、水理特性等物理力学性质。改性后的膨胀土黏粒减少,粉粒增多,孔隙明显减少,结构更加致密,改性剂的"团聚"、"凝胶"效果显著。改性后的膨胀土干密度随含水率变化较小,水稳性提高,可以满足设计施工要求,降低了工程造价,可见该改性剂对膨胀土的工程性质有很大程度的改善。     

水泥改性黄土的抗液化特性与机制

以改性处理减轻饱和黄土的液化势为目标,通过对不同配比的水泥改性黄土进行SEM细观结构测试和动三轴液化试验,研究了水泥改性黄土的液化特征,得出了不同配比水泥改性黄土的动残余应变和动孔隙水压力发展趋势,分析了水泥固化饱和黄土的物化机制,并基于试验结果,提出了水泥改性黄土的最佳配比。结果表明:水泥改性处理在黄土中形成了凝块状胶接结构,优化了土中孔隙分布,增大了土体的结构强度;水泥对土体的密实效应、掺加水泥导致的细粒增加和离子交换对黄土结构的胶结效应和黏粒增加对土中游离水的吸附作用共同提高了水泥改性黄土地基的抗液化稳定性;水泥掺量大于3%后,水泥改性黄土的动残余应变和孔隙水压力随着振次的增加均增长缓慢,且在m=5%时峰值最小,表明5%是水泥改性黄土地基抗液化处理的最佳配比。     

合肥膨胀土阳离子改良试验及微观机制分析

以合肥典型膨胀土为研究对象,利用石灰与十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)混合物作为添加剂对膨胀土进行改良,通过界限含水率试验、直剪试验、不固结不排水三轴压缩试验、自由膨胀率试验和扫描电镜(SEM)试验,对比分析了两种不同膨胀潜势膨胀土改良前、后基本物理力学性质变化情况和改良效果,并基于双电层理论进行改良微观机制分析。试验研究结果表明:膨胀土改良后,黏粒含量减小,粉粒含量增多,塑性指数降低,亲水性减弱,膨胀潜势得到有效抑制,自由膨胀率低于40%,变为非膨胀土,抗剪强度得到提高。通过SEM观察微观结构发现:改良土土粒产生团聚作用并胶结成整体,土颗粒间胶结力增强,水稳定性提高。CTMAB与石灰相互促进、激发,形成协同作用,通过离子交换、吸附、包裹、胶结等一系列复杂的表面物化反应,使土粒扩散层厚度变薄,膨胀土对水"敏感性"降低,强度提高,工程性质得到明显改善。     

石灰粉煤灰固化天津滨海软土试验研究

天津滨海新区大面积分布的海积软土含水量高、孔隙比大、强度较低,对工程的安全建设和使用存在很大影响,在工程实践中常需要进行固化处理。本文以石灰粉煤灰为固化材料,通过大量室内试验,以及微观结构测试,研究其对天津滨海软土的改良效果。室内试验结果表明,二灰土各项力学性质明显提高,即压缩性降低,水稳性良好,无侧限抗压峰值应变及三轴峰值应变较小,由于其强度很大程度依赖于土体颗粒间的胶结作用,一旦破坏,二次抗压强度则较低。微观结构测试分析表明,石灰粉煤灰与软土在拌合均匀状态下,经一系列物理化学作用,土体颗粒胶结成土团粒,粒间孔隙也得到填充。随着龄期的增长,二灰土孔隙数量减少,等效直径减小,土体颗粒数量减少,等效直径增大;而随着压力的增大,二灰土表现出孔隙数量增多而孔隙等效直径减小,颗粒数量和等效直径变化较小的趋势。室内试验与微观测试认为石灰粉煤灰可用于固化天津滨海软土,是一种经济合理的固化剂。     

显微CT扫描南京粉砂空间孔隙结构的精细化表征

孔隙结构是反映土体物理、力学性质变化的本征指标,传统医用CT分辨率尺度不足以辨识表征岩土体细观结构的单个颗粒或孔隙。使用了14μm高空间分辨率的工业显微CT,对砂雨法生成的南京粉砂试样进行了扫描。对CT图像预处理后所得二值数字图像序列进行了三维重构,实现了任意表征单元体(REV)提取,并可对REV采用三维二值矩阵加以表征与定量分析。通过分析断层图像序列,计算出土样整体的体积孔隙率,与实验孔隙率误差仅3.93%。沿试样高度计算表观孔隙率在20.97%~46.77%范围内波动。从试样底部一REV中提取出水平方向、与水平面成60°角以及两正交垂直方向共4个典型切面,对其孔隙定向性进行统计分析,结果表明,水平切面具有最小主定向角,两正交垂直切面中,一个具有最大主定向角,另一具有最小各向异性率,斜切面孔隙呈近似等向分布,无明显定向性。采用孔隙网络模型进行空间孔径定量分析,结果发现,所提取出3个REV的最大孔径分布在629~696μm,最小孔径分布在54~77μm,平均孔径分布在166~185μm,孔径分布在100~200μm范围内最为集中。方法可用于热、水、力等各类因素作用下土体空间孔隙结构的无损定量分析。     

南水北调中线膨胀土/岩微观特征及其性质研究

对南水北调中线工程典型的强、中膨胀土/岩开展室内土工试验与X射线衍射试验,研究了其矿物成分及与胀缩性指标的关系,利用扫描电镜SEM图像进行了微观结构的定性分析,并基于MATLAB软件对孔隙和微结构单元体的微观特征进行了定量化研究,探讨了不同类型膨胀土/岩的颗粒形态、结构类型、裂隙分布等微观特征及其与工程特性的关系。结果表明：膨胀土/岩中的蒙脱石等黏土矿物含量高,强膨胀土/岩以絮凝结构,扁平状聚集体与卷曲片状颗粒为主,中膨胀土/岩以紊流状、粒状堆叠结构为主,片状聚集体与单粒体并存,前者微裂隙发育且定向性明显,孔隙比大,孔隙分形维数与颗粒尺寸小于后者。膨胀土/岩微结构单元圆形度低,复杂度高。膨胀岩定向排列特征显著,颗粒分形维数小,颗粒分形维数与膨胀潜势和孔隙比的变化规律一致。微观组分和结构特征与物性指标分别呈线性关系与负指数幂关系。     

卫生陶瓷模具石膏劣化机理研究

采用MIP,XRD,XRF,SEM测试分析了陶瓷石膏模具使用前及报废时的微观结构变化,对其劣化机理进行深入研究.结果表明:新陶瓷石膏模具孔隙在0.10~10.00μm分布均匀,至报废时其孔隙显著细化,约67%的孔隙集中分布在0.01~0.10μm,0.10~5.00μm的孔隙大幅减少,5.00~10.00μm的大孔隙数量基本不变,总孔隙率略有下降;报废陶瓷石膏模具中长径比大、搭接紧密的针状和棒状二水石膏晶体(呈网状结构)已转化为结晶度低且晶粒粗大的板状、片状及短柱状二水石膏晶体(呈疏松结构),同时该模具表面有Na2SO4晶体析出;0.10~5.00μm的孔隙为陶瓷石膏模具吸浆有利孔隙,0.01~0.10μm的孔隙为其吸浆不利孔隙,陶瓷浆体的吸附堵塞造成孔隙细化是其吸浆能力下降的主要原因;二水石膏晶体的溶解和再结晶会使其晶型发生不利转化;陶瓷浆体的电解质可与石膏反应生成Na2SO4,其结晶膨胀导致陶瓷石膏模具结构破坏,工作及力学性能大幅下降.     

电化学法改善蒙脱土膨胀性试验研究

基于电化学特点,提出一种可实现原位处理膨胀土的新思路,以室内配制具有高电荷的羟基铝离子溶液为电解质,在外加电场作用下,羟基铝离子进入土体实现对蒙脱土的改性。从宏观角度,对电化学改性前后的蒙脱土进行颗粒分析、界限含水率及膨胀特性试验研究,表明改性后蒙脱土膨胀特性指标显著下降,阳极区土体达到非膨胀土的性能要求。从微观层面,进行X射线衍射试验,改性后蒙脱土矿物晶格层间吸湿敏感性明显降低,表明羟基铝离子进入晶层间置换了层间阳离子,降低了矿物晶格的亲水性;通过热分析试验研究不同温度下改性前后蒙脱土的失重变化,表明羟基铝离子进入双电层交换出水化阳离子并且附着在黏土颗粒表面,减小了双电层厚度,降低了蒙脱土的膨胀性。     

高温影响下花岗岩孔径分布的分形结构及模型

 温度是影响岩石物理性质的重要因素,为了探究温度对岩石孔径分布的影响规律,利用压汞法测试25 ℃～1 200 ℃高温热处理后花岗岩样品的孔隙特征,并研究了不同高温影响下岩石孔隙的分形结构和孔隙率演化模型。结果表明：(1) 随着温度的升高,岩石孔隙率呈指数增加,500 ℃～800 ℃是岩石孔隙结构变化的阈值温度区间,500 ℃之前孔隙率增长较缓慢,增长幅度约50%,之后孔隙率大幅增加3～5倍;(2) 温度升高所导致的岩石新孔隙以孔径1～10 μm的中孔为主,低于500 ℃时中孔占15%左右,而后稳步上升,800 ℃时大幅增加至28.24%,1 000 ℃以后又增至40%以上,体积增长了11.8倍,这将导致岩石防渗阻渗能力大大减弱;(3) 各温度下岩石孔隙分布均具有良好的统计分形特性,孔隙分形维数在2.99～3.00范围,随温度升高,分形维数降低,且温度越高,降低幅度越大,表明孔隙均匀性增加;(4) 基于理想Menger海绵的Friesen模型预测各孔径下累计孔隙率演化误差较大,而张季如和陶高梁模型对不同高温岩石孔径分布具有良好的预测精度。研究结果将为高放核废料深层地下存储、地热开发等高温岩石工程设计及施工提供科学依据。     

人工冻融软黏土微观孔隙变化及分形特性分析

为探讨软黏土融沉及压缩特性的微观机理,以宁波地区软黏土为研究对象,采用冻融、压缩和压汞试验,对冻融和压缩前后的软黏土微观孔隙分布及变化进行了研究。取原状土、融土、压缩原状土、压缩融土4种土样分别进行压汞试验,提出孔径划分方法,结合分形理论对冻融软黏土微观孔隙变化进行分析,研究了软黏土的孔隙分布特征,并采用容量维数对孔体积分布和孔表面积分布进行计算,分析了冻融及压缩前后颗粒接触及孔隙变化。研究结果表明:软黏土冻融后孔体积和孔表面积均增大;原状土和融土压缩后孔体积和孔表面积均减小,软黏土的孔体积和孔表面积80%以上分布于微孔和超微孔中;软黏土冻融及压缩前后孔体积和孔表面积存在分形特性。     

泥水盾构带压开舱时泥膜的微观孔隙及渗透性研究

泥膜的良好闭气性是保证泥水盾构带压开舱安全顺利实施的关键之一,要想提高泥膜的闭气性,首先应了解泥膜在带压开舱过程中的孔隙结构及渗透性变化。以南京纬三路过江通道在江底砂卵石地层中进行带压开舱为背景,在自制的试验装置中进行泥浆成膜和泥膜闭气试验,然后观测泥膜的孔隙结构和孔径变化,最后分析泥膜渗透系数的变化。研究结果表明:试验泥浆在0.2 MPa气压作用下6 h,在试验地层表面形成的泥膜厚度约为5.0 mm、孔隙率约为67%,在闭气过程中泥膜会发生压缩,且第一次单位压力引起的压缩量最大;随着闭气压力的增大,大孔隙组被优先压缩;泥膜基本单元体为骨架状结构,孔隙主要是粒间孔隙与架空孔隙,孔隙分布不连续、连通性差;孔径分布范围较广,其中在0.1~3.0μm的孔隙组占有绝对优势;本次试验中压缩后泥膜的渗透系数在10-9 cm/s量级。研究结果有助于明确泥膜在闭气过程中的变化,对后续提高泥膜闭气性的研究有重要的参考意义。     

青海强盐渍粉砂土MICP的有效性探索

在极端环境中发现原生高产脲酶微生物并开展岩土体的固强研究,是岩土体微生物矿化研究的一个热点和难点.该文在青海柴达木地区的强盐渍土中发现一种新型原生高产脲酶微生物,在强盐环境中,试验该微生物的盐耐受性和矿化性能,开展被加固土体力学强度试验.结果表明:在强盐渍环境下,该新型微生物脲酶活性保持在3.02U～5.03U.在强盐...     

孔结构对浮石混凝土抗压强度影响的试验研究

试验测得玄武岩纤维和橡胶浮石混凝土的含气量、比表面积、气孔平均弦长与孔径分布等参数,运用灰色理论建立各参数与混凝土的28 d抗压强度之间的联系,探究孔结构参数对浮石混凝土抗压强度的影响,试验表明:纤维掺量增加时,含气量对混凝土抗压强度影响最大,气孔平均弦长影响最小;孔径为200~300μm的孔对混凝土凝土的强度影响最大,而>400μm的孔影响最小。橡胶掺量增加时,气孔间距系数对混凝土抗压强度影响最大,比表面积影响最小;孔径为100~200μm的孔对混凝土抗压强度影响最大,而<100μm的孔影响最小。     

高温后上海软黏土的土-水特性及微观机理试验研究

土-水特征曲线(SWCC)是揭示非饱和土性状的主要本构关系,但对于100℃以上高温环境下软黏土的土-水特性研究很少。针对上海软黏土的常温(20℃)土样和105℃,150℃和200℃等高温加热4 h后的土样,采用气相法研究了高温作用后上海软黏土的土-水特征曲线随温度的变化,同时,通过扫描电镜(SEM)试验研究了高温后软黏土的土-水特性随温度变化的微观机理。试验结果表明100℃以上高温环境下上海软黏土的土-水特征曲线随温度升高呈逐渐下降趋势,说明随温度升高软黏土的持水能力下降,吸力降低,进气值减小。分析各温度下土样的SEM图像发现,土的总孔隙数量减少,但少量孔隙的孔径增大,从微观特征上说明了土-水特性随温度升高的变化趋势和变化机理。说明,孔隙数量和孔隙结构随温度升高发生的变化是导致软黏土的土-水特性随温度升高而变化的根本原因。     

用于岩石微焦CT扫描的三轴仪及其初步应用

 了观察和度量岩石空隙结构随应力的变化,研制了一种能和微焦X射线CT系统配套使用的三轴仪,该设备轻便,能够施加三轴压力,并在不卸载压力情况下对试样进行CT扫描和渗透系数的测量,且能够实时记录压力和变形等数据。利用研制的CT三轴仪得到了Berea砂岩在加载过程中的一系列CT图像,结合3DMA空隙结构计算方法,获得了Berea砂岩在不同应力状态下的有效孔隙半径分布、有效喉道半径分布以及弯曲度分布等定量细观几何特征。同时采用瞬态脉冲法测量了Berea砂岩不同方向的渗透率随有效围压的变化规律。结合围压对细观空隙结构参数的影响,认为细观空隙结构的变化是导致渗透发生改变的根本原因,当有效围压从零增至15 MPa时,半径40～100 μm的孔隙数量减少、孔喉半径减小以及Z方向的迂曲度增加,这是导致Berea砂岩渗透率随有效围压增大而降低的主要原因。     

考虑微观孔隙结构的非饱和土水–力耦合本构模型

非饱和土在应力和水力路径的作用下均会产生微观孔隙结构的变化,同时,不同的孔隙类型和结构也会对非饱和土宏观水力、力学特性产生不同的影响,尤其是在膨胀土、压实黏土等双孔结构土中,这种影响尤为显著。以Wheeler建立的非饱和土水–力全耦合模型(GCM)为理论框架,引入有效饱和度来描述土体内部宏观和微观孔隙对水–力特性的不同影响,提出考虑孔隙结构影响的Bishop有效应力表达式,建立了各向等压状态下考虑微观结构的非饱和土水–力耦合本构模型,并实现了模型的预测功能。通过与非饱和土等向压缩试验结果的对比,初步验证了所建立模型的合理性和有效性。     

超高性能水泥基灌浆料的孔结构特征

基于水泥-硅灰-矿粉三元胶凝体系,在超低水胶比条件下制备超高性能水泥基灌浆料（UHPCG）,并采用压汞法分析其不同水化龄期的孔体积分布曲线、孔结构特征参数和孔径分布,研究孔结构特征。结果表明,在超低水胶比条件下,UHPCG的总孔隙率较低,且随着水化龄期延长,孔径趋于细化,结构也更密实。在标准养护28d龄期条件下,UHPCG的总孔隙率低至4.14%,平均孔径低至15.5nm,最可几孔径低至12.2nm。当标准养护龄期由1d增至28d时,小于20nm的无害凝胶孔在孔径分布中的比例大幅增长,大孔向无害凝胶孔转移,孔径分布趋于向无害凝胶孔集中,有利于提高其强度和耐久性。