测度关系法评价水泥基材料孔隙SEM分形特征

目的以测度关系法对混凝土孔隙的SEM图像分形维数进行精细测量和计算,分析其孔隙分形特征.方法以砂浆中集料界面区域孔隙SEM照片为例,用测度关系法、分别以250 nm和200 nm,125 nm和100 nm不同尺度的网格测试评价界面孔隙的分形维数,与改变粗视化方法进行比较.结果传统的改变粗视化程度的方法与网格边长的关系太大,网格边长受测试条件的限制,导致误差过大,而采用测度关系法计算SEM图像孔隙显微结构分形维数比较可靠.采用测度关系法用边长差异为50 nm网格测试其孔隙分形维数为1.293 5,用边长差异为25 nm的网格测试的孔隙分形维数为1.280 9,误差只有0.012 6;当考虑中间水化产物时,用边长差异为50 nm网格测试其孔隙分形维数为1.577 3,用边长差异为25 nm网格测试的孔隙分形维数为1.570 1,误差只有0.0072;此外,考虑中间水化产物后,孔隙的分形维数增大,表明孔隙复杂程度明显增大.结论采用测度关系法计算分形维数比改变粗视化程度方法更为精细.分形理论分析评价多孔材料SEM图像孔结构分形特征是有效的,对于深入了解水泥基复合材料的内部微结构、提升性能、扩大应用具有重要意义.     

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明：决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质（水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向）的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。     

图像分形法研究多孔骨支架微观形态

为了研究多孔材料微观形态特征:孔隙率、渗透率的数学模型,为进一步研究数值仿真提供基础数学模型;采用分形数学和图形图像处理技术深入开展多孔材料分形维数研究,通过分形维数推导出多孔材料孔隙率φ,渗透率K的数学表达式;通过对6种羟基磷灰石骨支架微观形态的研究,得到6种骨支架的孔隙率、渗透率;通过与密度法得出的孔隙率对比研究,表明图形图像法得到的孔隙率数学模型行之有效,同时能从理论上计算出孔隙率和渗透率,简化了测量实验方法以及为多孔材料的数值分析奠定数学模型基础.     

多孔介质孔隙度问题的理论探讨

目的 研究在温度和孔隙水压力作用下,各向同性多孔介质材料孔隙度和损伤变量以及分形维数之间的理论关系.方法 基于Mori-Tanaka理论,建立了各向同性多孔介质材料的宏观损伤变量与细观孔隙度之间的联系,利用分形理论推导了各向同性多孔介质材料孔隙度和分形维数之间的关系式.结果 若已知初始时刻的孔隙度、温度和孔隙水压力等的变化情况,就可以求出各向同性多孔介质材料的损伤演化规律,以及孔隙度与分形维数之间的定量关系.结论 文中建立的在温度和孔隙水压力作用下,各向同性多孔介质材料的损伤演化规律以及孔隙度和分形维数之间的定量关系,对于多孔介质材料力学性质的研究具有重要的理论价值.     

页岩分形特征及主控因素研究——以威远页岩气田龙马溪组页岩为例

为更好表征页岩孔隙结构的非均质性以及明确非均质性对页岩气富集影响作用,文中选取40块威远地区下志留统龙马溪组井下样品进行TOC,XRD衍射、低温氮气吸附以及甲烷等温吸附等一系列分析测试.从孔隙结构和矿物成分两个层次探讨了页岩分形维数的影响因素,认为页岩的分形维数受微孔发育影响.研究结果表明:页岩非均质性很强,下志留统龙马溪组龙一_1亚段的1～4小层的TOC、矿物成分、孔隙度均存在较大差异,其中1小层中下部TOC、石英含量以及孔隙度值都较高.基于氮气吸附测试,采用FHH模型计算了页岩分形维数,计算结果表明页岩的分形维数介于2.590～2.750,平均值为2.670,其中1小层中下部分形维数最高,其次为3小层,2、4小层及1小层上部分形维数较小.TOC与生物石英含量控制了微孔的发育,因此高TOC与高石英含量均导致页岩分形维数增大;黏土、碳酸盐岩以及长石由于主体发育大孔,使得页岩孔径增大,故其含量的增加会导致页岩分形维数减小.1小层中下部由于具有丰富的气体物质来源(TOC)、储集空间以及保存条件(分形维数大,气体扩散解吸渗流困难)导致在1小层中下部页岩气含气量最高,另外由于脆性矿物含量高,利于压裂形成缝网,因此1小层中下部为最有利的页岩气甜点段.     

双重分形多孔介质孔隙率的研究

根据双重分形多孔介质孔隙分布分形维数D与孔隙迂曲分形维数DT的定义和计算公式,推导了多孔介质孔隙率的计算公式.通过孔隙率计算公式的函数图像分析了双重分形维数D和DT的变化对孔隙率的影响,分析结果表明孔隙率随多孔介质双重分形维数D和DT的增加而增大;多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率增加的就越慢;当D＋DT〈3时,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率就越大,但当D＋DT〉3时则相反,多孔介质最大孔隙直径越大孔隙率反而越小,D＋DT=3是特殊点,令D＋DT→3时的孔隙率极限值为它的孔隙率.     

基于Matlab的浸锑石墨密封材料的分形特征研究

针对电厂用的2种浸锑和1种不浸锑的磨煤机用石墨密环材料,利用Matlab编写的分形维数计算程序计算其分形维数,并进行摩擦磨损实验.结果表明:未浸锑材料的相对磨损率约为浸锑的10～30倍,摩擦因素约为2倍;浸锑石墨材料的分形维数(约1.5～1.7)小于不浸锑的(约1.8);摩擦因数随着分形维的增加而增大,磨损量亦随着分形维数的增加而增大.     

基于数字摄影测量技术的岩石表面分形维研究

基于数字摄影测量技术,结合计算机图形处理方法,对大理岩和花岗岩两种岩石试件的表面图像进行采集并处理,得到两种岩石光滑表面的二值图像.编制MATLAB程序,统计一系列以不同像素点为边长的正方形覆盖二值图像时的个数,根据像素量和正方形个数之间的关系确定图像的计盒维数;统计一系列在不同尺度下图形曲线的周长和面积,根据他们之间的关系确定图像的周长-面积关系维数,结果表明:两种岩石表面具有典型的分形特征,两种分形维数计算结果准确、可靠;数字摄影测量技术结合计算机图形处理方法适用于分形分析中.     

混凝土损伤裂纹的二维数字图像盒维数算法

依据盒维数算法思想及数字图像存储原理,探讨了数字图像像素矩阵与图形之间的关系以及如何通过图像二值化获取分形曲线图形.研究了分形维数的计算方法,给出了一种基于Matlab计算功能的二维数字图像盒维数的简捷算法.按照这种方法能够方便的求解冲击荷载下混凝土试件表面裂纹的盒维数,具有很好的实用性,为探索混凝土表面裂纹图形的分形特征与其承受的动荷载之间的内在规律,奠定了基础.     

城市地价分形特征与测算方法研究

通过研究江苏省68个城市的地价空间分布,发现城市体系地价具有分形特征,并提出若干分形模型:以区域中心的某个城市为圆心,用半径范围内城市面积的和为自变量对地价属性进行分形维数测度;以地价特征排序后的城市面积和作为自变量对地价属性进行分形维数测度.采用软件SPSS为统计分析工具,进行分形特征分析、实证检验.结果表明:自变量为半径范围内的城市面积和的分形特征显著且有效,一定区域范围内城市地价的空间变化与分形维数服从一定的关联关系.此外,发现以地价特征排序后的城市面积和为自变量的分形维数反映不同区域城市地价的等级体系差异.     

压汞测孔评价混凝土材料孔隙分形特征的研究

用混沌分形理论结合压汞测孔技术,直接测试评价了混凝土材料孔隙的显微结构特征,计算出了对应的分形维数,并对普通混凝土与掺超细粉煤灰的混凝土孔隙的分形特征进行了比较。研究表明,硬化后混凝土材料孔隙的显微结构的几何特征采用形理论分析评价是十分有效的掺超细粉煤灰的混凝土不仅具有粗孔细化的效果,而且,孔隙的分形特征也有了明显的改善。     

Fractal characterization of pore microstructure evolution in carbon/carbon composites

A fractal characterization approach was proposed to research pore microstructure evolution in carbon/carbon (C/C) composites during the chemical vapor infiltration process. The data obtained from mercury porosimetry determinations were analyzed using the sponge fractal model and the thermodynamics relation fractal model, respectively. The fractal dimensions of C/C composites at different densification stages were evaluated. The pore microstructure evolution with densification time was studied by fractal dimension analysis. The results showed that C/C composites belong to porous fractal structure. The fractal dimensions increase on the whole with decreasing porosity as the densification proceeds. The fractal dimensions are influenced by the texture of pyrocarbon and decrease with increasing anisotropy from isotropic pyrocarbon to high textural one. Both the complicacy of pore structure and the textural morphology of pyrocarbon can be represented simultaneously by the fractal dimension. The pore evolution of C/C composites in the densification process can be monitored using fractal dimension. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 50742008)     

三轴剪切过程中软黏土的微观结构及分形特征

土的物质组成和内部结构是决定土物理力学性质的主要因素;当土性质变化时,土中孔隙大小和形状变化最直观.为研究三轴剪切过程中软黏土微观结构变化特征,利用扫描电子显微镜获取了软黏土在不同应变速率和不同应变阶段的三轴固结不排水剪切试验后土试样的SEM图像;计算得到了软土的等效孔径和孔隙（颗粒）分维值.研究表明,该软黏土具有团粒-絮凝结构.试验前后软黏土中的孔隙均以小孔径、中孔径为主,大孔径孔隙分布较少;大孔隙主要存在于原状土和剪切破坏后土样中.剪切过程中存在一个影响孔隙分布随应变速率变化的应变阈值.软黏土具明显分形特征,孔隙分维值为1.891~1.750,颗粒分维值为1.825~1.908;在剪切过程中,颗粒分布分维值增大,孔隙分布分维值减小,孔隙大小和形状变化最显著.     

基于NMR和SEM的软土微观结构特征试验研究

软土的含水特性和微观结构是决定其物理力学性质的主要因素. 以南沙软土为研究对象,运用核磁共振和扫描电子显微镜两种微观结构试验方法,获取了软土的弛豫时间T₂谱图和扫描电子显微镜图像,总结了两种软土（淤泥和淤泥质土）的水相分布和孔径分布规律. 研究表明,南沙软土的T₂分布曲线呈双峰型,土中存在两种状态的水分,第一种状态水超过质量的99%,孔隙多、孔径小,孔径分布主要集中在0.1~20 μm的区间. 南沙软土常见的微观结构类型为絮状结构、蜂窝结构和凝块结构3类. 计算了平均孔隙半径、平均孔隙面积、面孔隙率、孔隙形状因子和孔隙分维数等微观结构参数. 最后,对比分析了两种测试方法和应用中需注意的几个问题.     

压汞测孔评价磷渣-水泥浆体材料孔隙分形特征的试验

用混沌分形理论结合压汞测孔技术,直接测试评价了磷渣-水泥浆体材料孔隙的显微结构特征,计算出了对应的分形维数,并对普通水泥浆体与掺磷渣的水泥浆体孔隙的分形特征进行了比较;同时探讨了孔体积分维数与孔隙率、孔表面积、孔分布及磷渣掺量的关系.研究表明,磷渣-水泥浆体的孔结构具有明显的分形特征,孔体积分形维数在2.4~2.8之间;掺磷渣的水泥浆体不仅具有粗孔细化的效果,而且孔隙的分形特征也有了明显的改善;在磷渣掺量大于30%时,其分维数、孔隙率与小于20 nm的微孔数有明显的突变性.     

煤孔隙结构对煤层中CO扩散的影响

针对开滦集团煤业公司3个煤矿CO长期超标的现象,测定了CO在煤层中的扩散量和煤的孔隙结构,分析了不同孔径对煤层中CO扩散量的影响,讨论了煤的分形维数、比表面积与煤层中CO扩散量的关系.结果表明,CO在煤层中的扩散主要为Knudsen扩散及过渡型扩散方式,过渡孔的增加有利于其扩散,而微孔的增加则不利于其扩散.CO扩散量与煤内比表面积呈二次曲线关系,随着内比表面积增加,CO的扩散量先减少后增加,与分形维数呈二次曲线关系,随着分形维数的增加先增加后减少.     

中低煤阶煤层气储层孔隙结构分段分形特征

为明确韩城、保德区块煤岩孔隙结构分形特征,基于火柴棍模型,推导了新的分形特征表征方法,并利用扫描电镜实验和压汞实验数据对新方法进行验证,在此基础上研究了中、低煤岩孔隙结构分形特征。结果表明,火柴棍模型更能精确表征中、低煤阶煤岩的双重孔隙结构特征。在双对数坐标中,进汞饱和度与毛管压力成双线性关系,即以半径1 μm为界,中低阶煤岩孔隙结构具有分段分形特征,孔隙和裂缝具有不同的分形区间和分形维数。韩城、保德区块裂缝分形维数和孔隙分形维数分别在2.80~2.98和2.17~2.33,且裂缝分形维数随孔隙分形维数增加而增加,两类分形维数均随平均孔隙半径、孔隙度和渗透率的增加依次降低。表明煤岩分形维数可以作为储层评价的关键指标,分形维数越小,储层物性越好。煤岩分形维数能够表征其孔隙结构的非均质性,分形维数越大,孔隙结构非均质性越强。韩城、保德区块割理、裂缝的分形维数远远大于孔隙分形维数。     

油气储集层孔隙表面结构的分形特征研究

本文认为油气储集层的孔隙表面结构是一种分形结构,它具有自相似性和无标度性两重分形特征。定量描述孔隙分形表面复杂程度的有力工具是分维D。D值越接近于2,表面越光滑;D值越接近于3,表面越不规则。本文将孔隙铸体和电镜扫描技术与分子吸附法结合起来研究和测定孔隙表面的分形特征。研究孔隙表面结构的分形特征,对油气储集层的评价、研究残余油气饱和度和提高油气采收率有重大的指导意义。     

基于NMR和SEM技术研究陆相页岩孔隙结构与分形维数特征——以松辽盆地长岭断陷沙河子组页岩为例

为了表征陆相页岩的孔隙结构和分形特征,选取松辽盆地长岭断陷沙河子组陆相页岩作为研究对象,通过X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜(SEM)图像分析、核磁共振(NMR)实验,运用分形维数理论,讨论NMR分形维数与矿物组成、地球化学参数、物性参数之间的相互关系,并且通过SEM图像提取技术定量化研究页岩储层孔隙特征。结果表明:沙河子组陆相页岩具有多种孔隙类型、孔径分布复杂、非均质性较强的特点。基于弛豫时间截止值,可将NMR分形维数划分为束缚流体孔隙分形维数(0.060 9～1.420 4)和可动流体孔隙分形维数(2.964 0～2.986 9)。矿物组成与分形维数的关系显示石英含量与束缚流体孔隙分形维数成负相关关系,黏土矿物含量与束缚流体孔隙分形维数成正相关关系; NMR分形维数与有机质含量呈线性相关,与成熟度不存在明显相关性; 这说明矿物组成和有机质含量对NMR分形维数起明显的控制作用。储层物性方面,NMR分形维数与孔隙率成线性负相关关系,而与渗透率成正相关关系,说明NMR分形维数能够作为衡量物性的重要指标。总体来说,SEM图像分形维数可以用来反映孔隙形态的多样性和页岩孔隙的发育程度; NMR分形维数与储层物性之间的关系可用于评价页岩储层质量。