网纹红土孔隙特性研究

，，

(中南大学 地球科学与信息物理学院，长沙 410083)

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[1]。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[2]、气体吸附法[3]、结合计算机相关软件对扫描电镜(SEM)照片进行图像处理的方法[4-8]以及以上3种方法相结合的方法[9-13]。其中压汞法一般应用于大孔级别孔隙的研究，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[14]；扫描电镜(SEM)照片处理的方法虽能测量纳米级别孔隙，但在扫描电镜(SEM)图像二值化处理中阀值的选取对结果影响很大[15]。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0.35 nm，可以较好地研究黏土微、中孔。

网纹红土在我国南方苏、皖、湘、川、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孔隙率，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(IUAPC)[16]孔隙分类方法将孔隙分为3类：微孔(<20 Å)、中孔(20～500 Å)、大孔(>500 Å)。

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(N2)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。根据N2的等温吸附/脱附曲线，通过BET理论[17]可以计算比表面积，BJH理论[18]可以计算中孔孔容积和孔径分布，HK[19]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120 ℃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(Quantachrome Instru-ments)AUTOSORB全自动比表面积孔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0.35～4 000 Å。

图1 吸附/脱附等温曲线图

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25.4%，干密度为1.56 g/cm3，相对密度为2.72。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0.545 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BDDT分类[20]属于Ⅳ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(IUPAC)的分类，迟滞环属于H3型迟滞环[21]，表明网纹红土由片状矿物构成，孔隙主要为窄缝状孔隙。

3.2 BET单点/多点法比表面积分析

根据吸附/脱附等温曲线，采用BET理论可以计算网纹红土的比表面积。BET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。

BET理论计算是从Brunauer，Emmett，Teller 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BET方程为

(1)

式中：P为吸附质分压(Pa)；P0为吸附剂饱和蒸汽压(Pa)；V为样品实际吸附量(cm3)；Vm为单层饱和吸附量(cm3)；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，但因实际样品为多孔，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/P0接近于0.3的点,即为0.284 89；而多点分析，经反复操作，选取了8个在0～0.3范围内的P/P0点，如图2所示。

图2 多点BET曲线

图2以P/P0为x轴，P/[V(P0-P)]为y轴，由BET方程做图进行线性拟合，得到直线的斜率和截距，从而求得Vm值，计算出被测样品比表面积。经反复取值拟合，发现当P/P0取值在0.024 5～0.234 9范围时，BET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0.999 96。

利用多点BET法计算样品比表面积为20.9 m2/g，而单点分析得到的比表面积为20.25 m2/g，2种方法得到的基本一致，这与高岭土7～30 m2/g的比表面积[22]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 孔容孔径分析

根据吸附/脱附等温曲线，采用BJH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/P0为0.3～1范围内的点做此分析。图3为BJH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0.070 27 mL/g，脱附孔容为0.070 73 mL/g，两者计算结果比较一致。

图3 BJH 累积孔容曲线图

图4为BJH增量孔容与孔径分布曲线。Dv表示某个P/P0吸附/脱附到下一个P/P0之间增量孔容；d为表示某个P/P0吸附/脱附到下一个P/P0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32，43，75，160，240 Å的孔居多；脱附孔径从41，130，180，350 Å分布最优。

图4 BJH孔径分布对比图

表1列出了BJH法与其他一些孔容积计算方法结果的比较。

表1 孔容积分析结果

从表1可知，最高单点吸附总孔容积计算的是孔径小于3 157.6 Å的孔的总容积，BJH法计算的是孔径27.22～1 958.49 Å的中、大孔容积，HK法计算的是网纹红土样品中的微孔容积。从计算结果中看出：BJH吸附累积孔容积与脱附孔容计算结果较为一致且接近总孔容，说明在3 157.6 Å直径下，总孔容由孔径27.22～1 958.49 Å之间的中、大孔径构成。

4倍总孔容除以BET多点比表面积则得到平均孔径，计算得网纹红土的平均孔径为141.5 Å。

3.4 HK微孔分析

微孔结构分析，主要用于研究尺寸小于20 Å的孔，本文选用HK方法，该方法是由Horvath和Kawazoe发展用于从吸附等温线计算微孔分布的一种应用于裂缝孔的计算方法。该方法有2个基本假定：①充满给定大小的微孔，需要一定的压力。如在吸附压力小于给定的某压力则认为该微孔是空的；反之，则是充满的。②吸附相假定其为二维理想气体。HK方程的表达式为

(2)

其中

(3)

(4)

(5)

图5 网纹红土HK法微孔分布图

式(2)至式(5)中：R为气体摩尔热力学常量；T为热力学温度；K为阿伏加德罗常数；l应该大于d；σ值为0.858d；d是附质分子和吸吸附剂原子直径的算术平均值；NA和Na分别为单位表面积的分子和原子数；m是电子的质量；c是光速;χA，αA和χa，αa分别是吸附质分子和吸附剂原子的极化率和磁化率。

从图5的HK曲线中可知，网纹红土土样的微孔有效孔宽大小在10～15 Å为最优分布，HK微孔总孔容积为0.008 609 mL/g。

4 分形分析

在统计意义上，土体是具有自相似的分形特征，采用分形几何方法来定量研究网纹红土孔隙的分布特征，从本质上揭示该土体的变形特征和力学性质，为此，本文中对利用全自动比表面积试验测得的孔隙数据采用Neimark-Kiselev(NK)分形分析方法[23]，利用双对数坐标来描述，其中x轴表示孔径的大小，y轴表示吸附剂表面积A的对数，经过整理分析得到曲线如图6所示。

图6 孔径分布的分形特征曲线

由图6中可知，所求的曲线为折线，每段折线段表明在一定孔径范围内具有自相似特征，即每个折线的端点表征着土体性质变化的转折点，端点的孔径也可相应地作为该土孔径大小划分的标准。在整个图上有多个折线段，这也表明该土孔隙具有多层次自相似的分形特征，本文中所研究的网纹红土的相应孔隙分维数为2.7和2.8。

5 结 论

(1) 根据国际纯粹与应用化学联合会(IUPAS)网纹红土的吸附/脱附等温线为Ⅳ型，迟滞环为H3型，说明网纹红土由片状矿物组成，孔隙形态主要为窄缝状孔隙。

(2) 利用多点BET法计算样品比表面积为20.9 m2/g，单点分析得到的比表面积为20.25 m2/g，2种方法得到的数值基本一致。试验结果表明网纹红土中的黏土矿物主要为比表面积7～30 m2/g的高岭土。

(3) 利用BJH理论计算网纹红土孔容，结果表明：网纹红土3 150 Å以下孔径的孔容主要由27.22～1 958.49 Å的中、大孔的孔容组成；孔径大小主要分布在30～350 Å之间，其中又以脱附孔径41，130，180，350 Å分布最优，平均孔径为141.5 Å左右。这也表明，网纹红土中孔隙孔径较小，这与宏观上网纹红土较低的渗透性相对应。

(4) 网纹红土孔隙分布具有分形特征，分形维数为2.7和2.8。

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