压汞试验技术研究黏性土微观孔隙分布特性

庄心善，张立波，陶高梁，杨 琳

（1湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068；2武汉理工大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430070）

王思敬院士认为，对土体微观结构的研究将是21世纪工程地质研究的新趋势，在岩土多孔介质的变形、强度、稳定性以及水利特性等方面，会获得比传统研究思路更为可喜的成果，解决岩土领域悬而未决的难题，可见，对黏性土微观孔隙结构的研究至关重要［1］.目前，多用电镜扫描和CT等技术研究物体的微观孔隙结构，如邓津［2］等人对甘肃永登的湿陷性堆积黄土微观孔隙结构的研究，单红仙［3］等人对水动力作用下的黄河水下三角洲粉土微观结构改造进行的研究，陈嘉鸥、周翠英［4－6］等人对软土微结构的研究，唐益群等对上海地区地铁行车荷载作用下的饱和土微观结构的研究［7］，但是这些常规的研究方法都很难做到定量的分析孔径分布，不足以准确分析该工程环境中的土质特性.随着压汞试验技术的逐渐成熟，越来越多地被运用于各种领域的试验研究，本文基于压汞试验技术研究黏性土的孔隙孔径分布特性，得出了一些有益的结论，为进一步深入研究土体的宏观物理特性奠定了基础.

1 压汞试验的基本原理

汞对大多数的固体都是非润湿的，故假定汞对所制试样非润湿，且接触角为定值，本次试验将接触角定为140°；表面张力不变，本次试验中设定为0.48N／m；所切取的试样强度足够大，不会被压缩

式中：p为进汞压力，MPa，γ为汞表面张力，此试验中为0.48N／m，θ为汞接触角，此试验中为140°，d为孔径，μm，由公式（1）可以看出，进汞压力和孔径是一一对应的关系，假定表面张力和接触角都不变时，进汞压力和孔径成反比，可以通过控制进汞压力来确定孔径的大小和孔隙的分布.施加一定的进汞压力，汞就只能进入对应孔径的孔隙中，在本次试验中，进汞压力范围为6.556 9～199 190.558 6kPa，根据公式（1）可以得出该试样孔径范围为224 426.12nm～7.38nm.变形.由于表面张力的影响，汞在进入小孔径时，必须施加一定的外部压力，进汞压力和孔径大小遵循Washburn公式

2 试验研究

本文配备试样土取自武汉汉街的一处工地基坑底部，埋深9m，为非饱和粘土，土体的物理特性如下：埋深9，m；天然密度2.027，g／cm；天然含水率21.9，%；液限38.946；塑限20.4314.

2.1 试验方法及步骤

2.1.1 制样方法 将所取土样风干后，过2mm筛，测出土样的各种物理特性，多次试验证明：含水率15%左右时，制样效果最好，测出土的风干含水率ω0之后，经计算，称取一定质量的风干土样和蒸馏水，按照《土工试验规程》［8］将其制成含水率为15%的试样土，密封静置24h，复测含水率，得出实际含水率为15.13%；本次试验制样采用液压千斤顶静压试验方法制备重塑试样，环刀采用核磁共振专用环刀（体积为32cm3），控制干密度为1.4g／cm3，经计算称取一定质量试样土（含水率为15.13%），制备3组相同平行试样，再将所制备试样进行抽气真空饱和，抽气时间为4h，放入水中静置24h，使饱和度达到95%以上，达不到，继续进行饱和.

2.1.2 试样预处理 饱和度达到要求后，将试样进行液氮极速冷冻，使土中的液体成为不具有膨胀性的非结晶态冰，然后利用冷干机抽真空，使土中非结晶态冰冷升华.

2.1.3 压汞试验 用推土器将预处理过的试样从环刀里小心的取出，使用细钢丝锯将试样切取1cm3的小方块，进行压汞试验.实际操作过程应尽量避免对试样的破坏扰动，保证试验结果的可靠性.控制进汞压力和进汞速度，将汞压入试样孔隙中，使汞充斥孔隙，记录每一级进汞压力时的进汞体积，利用Washburn公式将进汞压力换算成孔隙孔径，得到试样的孔隙孔径分布结果.

2.2 试验仪器

测试仪器为美国康塔公司生产的PoreMaster33压汞仪（图1）.该仪器的孔径分布测定范围为950～0.0064μm.

图1 PoreMaster33压汞仪

3 试验结果与分析

压汞试验是通过施加一定的进汞压力，克服汞的表面张力，从而使汞被压入试样孔隙中，所压进汞的体积即是孔隙体积.笔者将孔径范围划分为若干区间，得出各个孔径区间的进汞体积与区间内最小孔径之间的关系（图2），随着区间最小孔径的增大，累计进汞体积减小，这也就从侧面印证了 Washburn公式，说明在进汞压力相对较小的时候，汞是先进入大孔隙，在大孔隙充满汞后，要使汞充斥到小孔隙，必须加大进汞压力，达到足以使汞克服表面张力，进入小孔隙.在8.75～62.5μm区间范围内的累计进汞体积下降斜率最大，说明此区间的孔隙含量最多；当孔隙孔径大于100μm时，累计进汞体积基本上不再变化，说明此种孔隙含量微乎其微；在孔隙孔径小于8.75μm时，累计进汞体积与区间最小孔径的关系图呈现近似直线关系，也就是说，此范围的孔隙分布比较均匀，含量成线性增加.

孔隙孔径各划分区间总进汞体积与区间内最小孔径的关系曲线见图3，在试样孔隙孔径为8.75～62.5μm的范围内，区间总进汞体积波动变化幅度比较大，其余区间段，虽然有波动，但是幅度很均匀，这再次印证了该试样的孔隙孔径大多数为8.75～62.5μm，在孔隙孔径为17.5～27.5μm时达到峰值，是含量最多的孔径范围.

进出汞压力与累计进汞体积的关系曲线见图4，在进汞压力小于1 000psi时，进汞体积增长速度很快，之后，进汞压力虽然不断增加，但是累计进汞体积基本无大变化，根据进汞压力与孔隙孔径成反比的关系，可知该试样孔隙主要是大孔隙；随着进汞压力的增加，累计进汞体积不断增加，当出汞时，随着压力的减小，汞慢慢克服不了表面张力，而从孔隙中退出，但是进汞曲线和出汞曲线并不闭合，说明有部分汞无法从孔隙中退出，这主要是由于在进汞过程中，在大的进汞压力下，有部分孔隙喉道被压力破坏，导致形成部分小的封闭区域，退汞时，这部分汞就退不出来，根据试验结果知，本次所取试样残留汞的体积为0.263cm3／g；在图4中，还可以看出，进汞曲线和出汞曲线路径并不重合，在给出一个压力时，出汞曲线要比进汞曲线高，给定一个进汞体积时，进汞时的压力要比出汞时的压力大.

图4 压力与VHg的关系图

另外，压汞试验中，有学者把孔径大于50nm的孔隙叫做大孔，2～50nm的为中孔，小于2nm的为微孔.根据进汞曲线图，可以求出该试样的孔隙对应于50nm的孔隙体积百分比为86.68%，其余均为中、微孔隙，如图5所示，中、微孔隙只占到孔隙总体积的13.32%.

图5 孔隙累计分布曲线

4 结论

通过在中科院武汉分院采用压汞实验方法对武汉汉街地区土质的微观孔隙结构进行研究，得出如下结论：

压汞试验中，将孔径半径大于50nm的叫做大孔，试验结果表明该黏性土试样的孔隙以大孔为主，大孔所占的比例达到86.68%；该黏性土试样的孔径主要分布在8.75～62.5μm范围内，占孔隙总体积的36.824%；从压汞试验的进汞曲线和出汞曲线的路径不一致可以看出，汞不能按着原来的路径退出，会残留大部分在试样孔隙中，本试验有90.6%的汞残留在孔隙中.

［1］陶高梁.岩土多孔介质孔隙结构的分形研究及其应用［D］.武汉：武汉理工大学图书馆，2010.

［2］邓 津，王兰民，张振中，等.甘肃永登湿陷性新近堆积黄土的微观结构分析［J］.西北地震学报，2005，27（3）：267－271.

［3］单红仙，刘媛媛，贾永刚，等.水动力作用对黄河水下三角洲粉质土微结构改造研究［J］.岩土工程学报，2004，26（5）：654－658.

［4］陈嘉鸥，叶 斌，郭素杰.珠江三角洲黏性土微结构与工程性质初探［J］.岩石力学与工程学报，2000，19（5）：674－678.

［5］吕海波，赵艳林，孔令伟.软土结构性破损的孔隙分布试验研究［J］.岩土力学，2003，24（4）：573－578.

［6］许 勇，张季超，李伍平.饱和软土微结构分形特征的试验研究［J］.岩土力学，2007，28（增）：49－52.

［7］陶高梁，张季如，黄 丽，等.多孔材料孔隙特性的分形描述［J］.建筑材料学报，2010，13（5）：678－681.

［8］南京水利科学研究院土工研究所.土工试验技术手册［M］.北京：人民交通出版社，2003.