网纹红土孔隙特性研究.pdf

第 3 I卷 第 8期 2 0 1 4年 8月 长 江科 学 院 院 报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c Re s e a r c h I n s t i t u t e Vo 1 31 No 8 Au g 2 0 1 4 D OI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 4 0 8 O 1 1 网纹红土孔隙特性研究 卓丽春 。 李建中， 黄飞 ( 中南大学 地球科学与信息物理学院， 长沙4 1 0 0 8 3 ) 2 0 1 4 ， 3 1 ( 0 8 ) ： 5 5 5 9 摘要： 土内孔隙形状、 大小及分布是土的结构组成的重要因素， 对与土体体积相关的总体工程行为起着重要的作 用。利用基于气体吸附的全自动比表面积分析仪 ， 研究了网纹红土的孔隙形态、 比表面积、 孔容、 孔径分布与孔隙 的分形特性。研究表明： 网纹红土由片状矿物构成， 孔隙形态以窄缝状为主； 比表面积为2 0 9 m g ； 网纹红土所含 黏土矿物主要为高岭石； 孔径小于 3 1 5 0 A的总孔容主要 由2 71 9 5 8 A的中、 大孔构成 ； 孔径分布以4 1 ， 1 3 0 ， 1 8 0 ， 3 5 0 A孔分布最优， 平均孔径为1 4 1 5 A； 孔隙分布具有分形特征 ， 分形维数为2 7 与2 8 。研究该土体孑 L 隙特征对于 土的工程性 质有着重要的指导意义 。 关键 词 ： 网纹红土 ； 比表面积 ； 孔 隙 ； 分形 中图分类号： P 6 4 2 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 5 5 0 5 1 研 究背景 土体 中的孔隙作为土体的重要物理性质之一 ， 其大小 、 形状 、 数量 、 孔径分布等与土 体的强度 、 变 形 、 渗透性 以及胀缩性 等物理力学性质有着密切 的 关系 。因此 ， 研究土体 中孔 隙特征对 于土的工程 性质有着重要的意义。在以往的孔 隙性研究 中， 多 采用孔 隙率和孔 隙比这 2个指标 ， 但 这 2个指标不 能反映出具体孔隙的大小 、 类型 、 分布和形状等孔隙 特征。至今 ， 研究土体孔 隙大小 、 分布等特性的研究 可采用压汞法心 、 气体 吸附法 J 、 结合 计算机相关 软件对 扫 描 电镜 ( S E M) 照片 进行 图像 处 理 的方 法 以及 以上 3种方法相 结合 的方法 。其 中压汞法一般应用 于大孔级 J ：f L 隙的研究 ， 而对于 黏土 中大量存在的微孔 、 中孔级别孔隙 的研究则较 为困难 ， 并且高压汞会在土体中引起人工裂缝 ， 影响 测定结果 1 ； 扫描电镜( S E M) 照片处理的方法虽能 测量纳米级 J ：f L 隙， 但在扫描 电镜 ( S E M) 图像二值 化处理中阀值 的选取对结果影 响很大 。而基 于 物理化学 中吸附原理 的气体 吸附法计算 方便 ， 有较 好的理论基础 ， 探测下 限为0 3 5 n m， 可以较好地研 究黏土微 、 中孑 L 。 网纹红土在我国南方苏 、 皖、 湘、 川 I 、 赣 、 鄂南等 长江中游地区的各级阶地、 岗地 、 盆地 、 低缓丘陵和 山麓地带有着大量分布， 且是主要持力层之一。孔 隙特征对于网纹红 土的工程性质有着较大 的影响。 目前 ， 对于网纹红土的孔 隙特性研究 ， 多局限于研究 孔隙比和孑 L 隙率 ， 而这 2个指标一般用含水率 、 相对 密度和密度等指标间接计算 ， 难免存在一定误差； 关 于网纹红土的孔隙大小 、 形状、 类型等的研究还未见 相关成果。为 了更好地研究网纹红土孔隙特征和力 学性能之间的关系， 为涉及 到网纹红土微观结构 的 岩土工程设计与施工提供可靠的理论依据 ， 本文选 择理论较为成熟的基于气体吸附法的全 自动 比表面 积分析仪 网纹红土 的颗粒 比表 面积、 孔 隙大小、 分 布 、 形状以及分形特征等性质进行研究。 关于土体的孔隙大小分类上 ， 目前在工程地质上 并无很好的分类标准， 本文借鉴国际纯化学和应用化 学联合 会 ( I U A P C ) 钊孔 隙分类 方法将孔 隙分 为 3 类 ： 微孔 ( 5 0 0 A) 。 2 试 验方法 气体吸附法测定 网纹红土孔隙的具体原理为： 采用氮气( N ： ) 为吸附质气体 ， 在液氮恒温下逐步升 高气体分压 ， 测定 网纹红土样品对其相应 的吸附量 ， 由吸附量对分压作 图， 可得到 网纹红土样 品的吸附 等温线 ； 反过来逐步降低分压 ， 测定相应 的脱附量 ， 由脱附量对分压作图， 则可得到对应的脱附等温线。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 6 0 8 ； 修回 日期 ： 2 0 1 3 0 81 8 基金项目： 国家 自然科学基金 ( 5 0 9 7 9 1 1 7 ) ； 中南大学 中央高校基本科研业务费专项资金资助( 2 0 1 2 z z t s 0 7 1 ) 作者简介： 卓丽春( 1 9 8 9一 ) ， 女， 湖南永州人， 硕士研究生， 主要从事网纹红土力学性质方面的研究， ( 电话) 1 5 5 7 5 8 5 8 7 0 2 ( 电子信箱) z h i e 1 6 3 c o rn 。 长 江科 学院 院报 2 0 l 4年 根据 N ，的等温吸 附 脱 附曲线 ， 通过 B E T理论 可以计算比表面积， B J H理论 可以计算中孔孔容 积和孔径分布 ， H Kl 1 法计算微孔孔容及孔径分布。 样品在进行吸附试验之前需进行预处理 ， 消除 样 品在常温常压下 吸附的水分子与其他杂质分子 ， 使样品表面变得洁净 ， 以确保 比表面积及孔径 ( 孔 隙度 ) 测量结果的准确有效 。具体处理方法为将 网 纹红土样 品管装于脱气站 口上， 在 1 2 0的温度下 脱气 5 h ， 脱气完成后样品中回填氦气 。通过预处理 使样 品表面变得 洁净 ， 以确保 比表 面积及孔 径 ( 孔 隙度 ) 测量结果的准确有效 。 吸附试 验利 用美 国康 塔 ( Q u a n t a c h r o m e I n s t r u me n t s ) A U T O S O R B全自动 比表面积孑 L 隙分析仪系统 对典型的网纹红土试样进行分析测定。该系统可以 全面测定比表面， 孔径分析范围为0 3 5 4 0 0 0 A。 3试验 结果 与分析 试验样 品为取 自岳麓 山脚下的网纹红土原状土 样 ， 土 样 天 然 含 水 率 为 2 5 4 ， 干 密 度 为 1 5 6 g c m ， 相对密度为2 7 2 。本试验共取样 3个 ， 样 品 重约0 6 g ， 本文选择试验结果较好( 即通过吸附 脱 附两 曲线 的近似度较好 ) 、 重0 5 4 5 7 g 的样品 1作 为孔隙特性的分析。 3 1 吸附 脱附等温线 通过对网纹红土吸附试验得到吸附 脱 附等温 曲线 ， 选取最典型 的土样的吸附脱 附等温 曲线进行 分析， 如图 1所示。网纹红土等温线形 态按 B D D T 分类 。 。 属于型，从图 1中可以看 出吸附 脱附等 温线后半段不重合 ， 脱附曲线始终在吸附曲线上方 ， 曲线存在迟滞环 。这是 由于网纹红土 中存 在 中、 大 孔 ， 在相对压力为0 3 左右发生 毛细凝聚现象所致。 根据国际纯粹与应用化学联合会 ( I U P A C) 的分类 ， 迟滞环属于 H 3型迟滞 环 ， 表明网纹红土 由片状 矿物构成 ， 孔 隙主要为窄缝状孔隙。 图 1 吸附 脱附等温 曲线图 Fi g 1 I s o t h e r m c u r v e s o f a d s o r p t i o n d e s o r p t i o n 3 2 B E T单点 多点法比表面积分析 根据吸附 脱附等温曲线 ， 采用 B E T理论可 以 计算网纹红土的比表面积。B E T方程是建立在多层 吸附的理论基础之上 ， 与许多物质的实际吸附过程 更接近 ， 因此测试结果可靠性更高 。 B E T理论 计算 是 从 B r u n a u e r ， E m me t t ， T e l l e r 3 人经典统计理论推导出的多分子层吸附公式基础上 得出的 ， 即著名的 B E T方程为 P V mC +错 ( 磊 ) 。 一+ I J 。 ( 1 ) 式中 ： P为吸附质分压 ( P a ) ； P 为吸附剂饱和蒸汽 压( P a ) ； V为样 品实际吸附量 ( c m ) ； V m为单层 饱 和吸附量( c m ) ； C为与样品吸附能力相关的常数 。 为使单点表面积接近于多点法表面积 ， 理论上 ， 单点所用的相对压力越高越好 ， 但 因实 际样 品为多 孑 L ， 高压力下会发生毛细凝聚， 所以在单点法 中一般 采用的相对压力为0 3 。本次分析 中单点分析选取 的相对压力 P P 。 接近于0 3 的点 ， 即为0 2 8 4 8 9 ； 而 多点分析 ， 经反复操作 ， 选取了 8个在0 0 3 范 围内的 P P ， 如 图 2 所示 。 图 2以 P P n为 轴 ， 尸 V ( P 。一P) 为 Y 轴 ， 由 B E T方程做 图进 行线性 拟合 ， 得到 直线 的斜率 和截 距， 从 而求 图2 多点B E T曲线 Fi g 2 M ul ti- p oi nt 得 值 ， 计算出被测样 B E T p l o t 品比表面积。经反复取值拟合， 发现当 P P n 取值在 0 0 2 4 5 0 2 3 4 9 范 围时， B E T方程与实 际吸附过程 相吻合， 图形线性也很好 ， 相关系数达到了0 9 9 9 9 6 。 利用 多点 B E T法计 算 样 品 比表 面积 为 2 0 9 m g ， 而单点分析得到的 比表面积为2 0 2 5 m g ， 2 种方法得到的基本一致 ， 这与高岭土 7 3 0 m g的 比表面积 j 相对应 ， 由此表 明网纹红土中的黏土矿 物主要为高岭石。 3 3子 L 容 孔径 分析 根据吸附 脱附等温 曲线 ， 采用 B J H理论 可 以 计算网纹红土 中中孔 的孔 隙体积 、 孔 面积 、 孔径 分 布。选取吸 脱 附等温 曲线上 P P 为0 31范围 内的点做此分析。图 3为 B J H法累计 吸附与累计 脱附孔容与孔径曲线对 比图， 横坐标为孔直径 ， 纵坐 标为孔容积 ， 从 图 3中可知网纹红土 的吸附孔容为 0 0 7 0 2 7 m L g ， 脱附孔 容为0 0 7 0 7 3 m L g ， 两者计 算结果 比较一致。 第 8期 卓丽春 等 网纹红土孔 隙特性研 究 5 7 孔径， A 图 3 BJ H 累 积 孔 容 曲线 图 F i g 3 Cu r v e s o f c u mu l a t i v e p o r e v o l u m e b a s e d o n BJ H S t h e o r y 图4为 B J H增量孔容 与孔径分布 曲线 。D 表 示某个 P P 。吸附 脱附到下一个 P P 。之间增量孔 容 ； d为表示某个 P P o 吸附 脱附到下一个 P P 。 之 间平均孔径。为了更好地找出孔径在哪个区域的分 布最优 ， 对 d取对数。从 图 4中可知网纹红土样 品 的吸附孔径主要是孔径 以3 2 ， 4 3 ， 7 5， 1 6 0 ， 2 4 0 A 的 孔居多； 脱附孔径从4 1 ， 1 3 0 ， 1 8 0 ， 3 5 0 A分布最优。 图 4 B J H子 L 径分布对 比图 Fi g 4 Cur v e s of di s t r i but i on of po r e di ame t e r b a s e d o n BJ H S