網(wǎng)紋紅土孔隙特性研究

，，

(中南大學 地球科學與信息物理學院，長沙 410083)

1 研究背景

土體中的孔隙作為土體的重要物理性質之一，其大小、形狀、數(shù)量、孔徑分布等與土體的強度、變形、滲透性以及脹縮性等物理力學性質有著密切的關系[1]。因此，研究土體中孔隙特征對于土的工程性質有著重要的意義。在以往的孔隙性研究中，多采用孔隙率和孔隙比這2個指標，但這2個指標不能反映出具體孔隙的大小、類型、分布和形狀等孔隙特征。至今，研究土體孔隙大小、分布等特性的研究可采用壓汞法[2]、氣體吸附法[3]、結合計算機相關軟件對掃描電鏡(SEM)照片進行圖像處理的方法[4-8]以及以上3種方法相結合的方法[9-13]。其中壓汞法一般應用于大孔級別孔隙的研究，而對于黏土中大量存在的微孔、中孔級別孔隙的研究則較為困難，并且高壓汞會在土體中引起人工裂縫，影響測定結果[14]；掃描電鏡(SEM)照片處理的方法雖能測量納米級別孔隙，但在掃描電鏡(SEM)圖像二值化處理中閥值的選取對結果影響很大[15]。而基于物理化學中吸附原理的氣體吸附法計算方便，有較好的理論基礎，探測下限為0.35 nm，可以較好地研究黏土微、中孔。

網(wǎng)紋紅土在我國南方蘇、皖、湘、川、贛、鄂南等長江中游地區(qū)的各級階地、崗地、盆地、低緩丘陵和山麓地帶有著大量分布，且是主要持力層之一。孔隙特征對于網(wǎng)紋紅土的工程性質有著較大的影響。目前，對于網(wǎng)紋紅土的孔隙特性研究，多局限于研究孔隙比和孔隙率，而這2個指標一般用含水率、相對密度和密度等指標間接計算，難免存在一定誤差；關于網(wǎng)紋紅土的孔隙大小、形狀、類型等的研究還未見相關成果。為了更好地研究網(wǎng)紋紅土孔隙特征和力學性能之間的關系，為涉及到網(wǎng)紋紅土微觀結構的巖土工程設計與施工提供可靠的理論依據(jù)，本文選擇理論較為成熟的基于氣體吸附法的全自動比表面積分析儀網(wǎng)紋紅土的顆粒比表面積、孔隙大小、分布、形狀以及分形特征等性質進行研究。

關于土體的孔隙大小分類上，目前在工程地質上并無很好的分類標準，本文借鑒國際純化學和應用化學聯(lián)合會(IUAPC)[16]孔隙分類方法將孔隙分為3類：微孔(<20 ?)、中孔(20～500 ?)、大孔(>500 ?)。

2 試驗方法

氣體吸附法測定網(wǎng)紋紅土孔隙的具體原理為：采用氮氣(N2)為吸附質氣體，在液氮恒溫下逐步升高氣體分壓，測定網(wǎng)紋紅土樣品對其相應的吸附量，由吸附量對分壓作圖，可得到網(wǎng)紋紅土樣品的吸附等溫線；反過來逐步降低分壓，測定相應的脫附量，由脫附量對分壓作圖，則可得到對應的脫附等溫線。根據(jù)N2的等溫吸附/脫附曲線，通過BET理論[17]可以計算比表面積，BJH理論[18]可以計算中孔孔容積和孔徑分布，HK[19]法計算微孔孔容及孔徑分布。

樣品在進行吸附試驗之前需進行預處理，消除樣品在常溫常壓下吸附的水分子與其他雜質分子，使樣品表面變得潔凈，以確保比表面積及孔徑(孔隙度)測量結果的準確有效。具體處理方法為將網(wǎng)紋紅土樣品管裝于脫氣站口上，在120 ℃的溫度下脫氣5 h，脫氣完成后樣品中回填氦氣。通過預處理使樣品表面變得潔凈，以確保比表面積及孔徑(孔隙度)測量結果的準確有效。

吸附試驗利用美國康塔(Quantachrome Instru-ments)AUTOSORB全自動比表面積孔隙分析儀系統(tǒng)對典型的網(wǎng)紋紅土試樣進行分析測定。該系統(tǒng)可以全面測定比表面，孔徑分析范圍為0.35～4 000 ?。

圖1 吸附/脫附等溫曲線圖

3 試驗結果與分析

試驗樣品為取自岳麓山腳下的網(wǎng)紋紅土原狀土樣，土樣天然含水率為25.4%，干密度為1.56 g/cm3，相對密度為2.72。本試驗共取樣3個，樣品重約0.6 g，本文選擇試驗結果較好(即通過吸附/脫附兩曲線的近似度較好)、重0.545 7 g的樣品1作為孔隙特性的分析。

3.1 吸附/脫附等溫線

通過對網(wǎng)紋紅土吸附試驗得到吸附/脫附等溫曲線，選取最典型的土樣的吸附脫附等溫曲線進行分析，如圖1所示。網(wǎng)紋紅土等溫線形態(tài)按BDDT分類[20]屬于Ⅳ型， 從圖1中可以看出吸附/脫附等溫線后半段不重合，脫附曲線始終在吸附曲線上方，曲線存在遲滯環(huán)。這是由于網(wǎng)紋紅土中存在中、大孔，在相對壓力為0.3左右發(fā)生毛細凝聚現(xiàn)象所致。根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)的分類，遲滯環(huán)屬于H3型遲滯環(huán)[21]，表明網(wǎng)紋紅土由片狀礦物構成，孔隙主要為窄縫狀孔隙。

3.2 BET單點/多點法比表面積分析

根據(jù)吸附/脫附等溫曲線，采用BET理論可以計算網(wǎng)紋紅土的比表面積。BET方程是建立在多層吸附的理論基礎之上，與許多物質的實際吸附過程更接近，因此測試結果可靠性更高。

BET理論計算是從Brunauer，Emmett，Teller 3人經(jīng)典統(tǒng)計理論推導出的多分子層吸附公式基礎上得出的，即著名的BET方程為

(1)

式中：P為吸附質分壓(Pa)；P0為吸附劑飽和蒸汽壓(Pa)；V為樣品實際吸附量(cm3)；Vm為單層飽和吸附量(cm3)；C為與樣品吸附能力相關的常數(shù)。

為使單點表面積接近于多點法表面積，理論上，單點所用的相對壓力越高越好，但因實際樣品為多孔，高壓力下會發(fā)生毛細凝聚，所以在單點法中一般采用的相對壓力為0.3。本次分析中單點分析選取的相對壓力P/P0接近于0.3的點,即為0.284 89；而多點分析，經(jīng)反復操作，選取了8個在0～0.3范圍內的P/P0點，如圖2所示。

圖2 多點BET曲線

圖2以P/P0為x軸，P/[V(P0-P)]為y軸，由BET方程做圖進行線性擬合，得到直線的斜率和截距，從而求得Vm值，計算出被測樣品比表面積。經(jīng)反復取值擬合，發(fā)現(xiàn)當P/P0取值在0.024 5～0.234 9范圍時，BET方程與實際吸附過程相吻合，圖形線性也很好，相關系數(shù)達到了0.999 96。

利用多點BET法計算樣品比表面積為20.9 m2/g，而單點分析得到的比表面積為20.25 m2/g，2種方法得到的基本一致，這與高嶺土7～30 m2/g的比表面積[22]相對應，由此表明網(wǎng)紋紅土中的黏土礦物主要為高嶺石。

3.3 孔容孔徑分析

根據(jù)吸附/脫附等溫曲線，采用BJH理論可以計算網(wǎng)紋紅土中中孔的孔隙體積、孔面積、孔徑分布。選取吸/脫附等溫曲線上P/P0為0.3～1范圍內的點做此分析。圖3為BJH法累計吸附與累計脫附孔容與孔徑曲線對比圖，橫坐標為孔直徑,縱坐標為孔容積，從圖3中可知網(wǎng)紋紅土的吸附孔容為0.070 27 mL/g，脫附孔容為0.070 73 mL/g，兩者計算結果比較一致。

圖3 BJH 累積孔容曲線圖

圖4為BJH增量孔容與孔徑分布曲線。Dv表示某個P/P0吸附/脫附到下一個P/P0之間增量孔容；d為表示某個P/P0吸附/脫附到下一個P/P0之間平均孔徑。為了更好地找出孔徑在哪個區(qū)域的分布最優(yōu)，對d取對數(shù)。從圖4中可知網(wǎng)紋紅土樣品的吸附孔徑主要是孔徑以32，43，75，160，240 ?的孔居多；脫附孔徑從41，130，180，350 ?分布最優(yōu)。

圖4 BJH孔徑分布對比圖

表1列出了BJH法與其他一些孔容積計算方法結果的比較。

表1 孔容積分析結果

從表1可知，最高單點吸附總孔容積計算的是孔徑小于3 157.6 ?的孔的總容積，BJH法計算的是孔徑27.22～1 958.49 ?的中、大孔容積，HK法計算的是網(wǎng)紋紅土樣品中的微孔容積。從計算結果中看出：BJH吸附累積孔容積與脫附孔容計算結果較為一致且接近總孔容，說明在3 157.6 ?直徑下，總孔容由孔徑27.22～1 958.49 ?之間的中、大孔徑構成。

4倍總孔容除以BET多點比表面積則得到平均孔徑，計算得網(wǎng)紋紅土的平均孔徑為141.5 ?。

3.4 HK微孔分析

微孔結構分析，主要用于研究尺寸小于20 ?的孔，本文選用HK方法，該方法是由Horvath和Kawazoe發(fā)展用于從吸附等溫線計算微孔分布的一種應用于裂縫孔的計算方法。該方法有2個基本假定：①充滿給定大小的微孔，需要一定的壓力。如在吸附壓力小于給定的某壓力則認為該微孔是空的；反之，則是充滿的。②吸附相假定其為二維理想氣體。HK方程的表達式為

(2)

其中

(3)

(4)

(5)

圖5 網(wǎng)紋紅土HK法微孔分布圖

式(2)至式(5)中：R為氣體摩爾熱力學常量；T為熱力學溫度；K為阿伏加德羅常數(shù)；l應該大于d；σ值為0.858d；d是附質分子和吸吸附劑原子直徑的算術平均值；NA和Na分別為單位表面積的分子和原子數(shù)；m是電子的質量；c是光速;χA，αA和χa，αa分別是吸附質分子和吸附劑原子的極化率和磁化率。

從圖5的HK曲線中可知，網(wǎng)紋紅土土樣的微孔有效孔寬大小在10～15 ?為最優(yōu)分布，HK微孔總孔容積為0.008 609 mL/g。

4 分形分析

在統(tǒng)計意義上，土體是具有自相似的分形特征，采用分形幾何方法來定量研究網(wǎng)紋紅土孔隙的分布特征，從本質上揭示該土體的變形特征和力學性質，為此，本文中對利用全自動比表面積試驗測得的孔隙數(shù)據(jù)采用Neimark-Kiselev(NK)分形分析方法[23]，利用雙對數(shù)坐標來描述，其中x軸表示孔徑的大小，y軸表示吸附劑表面積A的對數(shù)，經(jīng)過整理分析得到曲線如圖6所示。

圖6 孔徑分布的分形特征曲線

由圖6中可知，所求的曲線為折線，每段折線段表明在一定孔徑范圍內具有自相似特征，即每個折線的端點表征著土體性質變化的轉折點，端點的孔徑也可相應地作為該土孔徑大小劃分的標準。在整個圖上有多個折線段，這也表明該土孔隙具有多層次自相似的分形特征，本文中所研究的網(wǎng)紋紅土的相應孔隙分維數(shù)為2.7和2.8。

5 結 論

(1) 根據(jù)國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAS)網(wǎng)紋紅土的吸附/脫附等溫線為Ⅳ型，遲滯環(huán)為H3型，說明網(wǎng)紋紅土由片狀礦物組成，孔隙形態(tài)主要為窄縫狀孔隙。

(2) 利用多點BET法計算樣品比表面積為20.9 m2/g，單點分析得到的比表面積為20.25 m2/g，2種方法得到的數(shù)值基本一致。試驗結果表明網(wǎng)紋紅土中的黏土礦物主要為比表面積7～30 m2/g的高嶺土。

(3) 利用BJH理論計算網(wǎng)紋紅土孔容，結果表明：網(wǎng)紋紅土3 150 ?以下孔徑的孔容主要由27.22～1 958.49 ?的中、大孔的孔容組成；孔徑大小主要分布在30～350 ?之間，其中又以脫附孔徑41，130，180，350 ?分布最優(yōu)，平均孔徑為141.5 ?左右。這也表明，網(wǎng)紋紅土中孔隙孔徑較小，這與宏觀上網(wǎng)紋紅土較低的滲透性相對應。

(4) 網(wǎng)紋紅土孔隙分布具有分形特征，分形維數(shù)為2.7和2.8。

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