基于压汞实验的粘土微孔隙分布特征研究

唐华瑞，韩灵杰，王杏杏，高凌霞

(1.河南理工大学万方科技学院， 河南郑州450000； 2.郑州科技学院河南郑州450000；3.天津城建大学土木工程学院， 天津300384; 4.大连民族大学土木建筑工程学院, 辽宁大连116600)



基于压汞实验的粘土微孔隙分布特征研究

唐华瑞1，韩灵杰2，王杏杏3，高凌霞4

(1.河南理工大学万方科技学院， 河南郑州450000； 2.郑州科技学院河南郑州450000；3.天津城建大学土木工程学院， 天津300384; 4.大连民族大学土木建筑工程学院, 辽宁大连116600)

摘要：为了研究粘土微观结构特征与其力学形成条件的关系，对某粘土进行了重塑和一维再固结。在此基础上，采用切块法获得了微结构观察样品，并采用冷冻干燥方法对微结构样品进行了干燥，进而采用能谱分析方法确定了土样的化学矿物成分，采用压汞实验测试了粘土的孔径分布。对不同方向上的孔径分布特征与其形成过程之间的关系进行了分析，结果表明孔径分布特征与试样的方向性具有密切关系。研究成果有助于进一步揭示土微结构与其力学性质之间的内在联系。

关键词：粘土；微结构；压汞实验；能谱分析

0引言

在基础设施大规模建设的今天，揭示土的工程性质与其微观特性之间的关系，对节约建设资金、提高基建速度、确保工程安全具有重要的理论意义和工程价值。任何材料的工程特性都与其所处的状态和微结构密切相关[1-3]。对粘土而言，颗粒体微结构和孔隙体微结构不但反映了粘土的形成过程、物质组成、矿物成分、物理性质、力学性质和水力学性质，而且又是其当前状态的反映并对其后续状态产生影响[4]。因此，微结构特征特别是微孔隙的变化过程对合理解释各种土力学现象具有极其重要的意义[5]。

基于土微结构建立的力学模型，可以反映土的应力—应变关系，而且还可以进一步揭示和刻画土变形和强度发展的规律和微观机理。到目前为止，建立土微观模型一般认为有两条路径。一是重叠片和微滑面模型以及微观各向异性蠕变模型。二是基于粉末物质力学理论建立的颗粒接触模型。基于前者，Shvaiko[6]提出了一种求解基于滑移概念的塑性理论积分方程的新方法。Shvaiko等[7]在塑性理论基础上，研究了复杂载荷下弹塑性材料的应力强度深化现象。基于后者，刘恩龙等[8]基于热力学和微极理论，建立了考虑颗粒破碎的微观力学模型。

在先前对岩土微结构研究工作中，对颗粒体的研究较为常见，而针对孔隙体的研究则较为罕见。其实，孔隙体和颗粒体都是岩土体组成的重要部分，二者对土工程性质的影响都是不可替代的[9-10]。Griffiths等[11]和周中等[12]对加载过程中土体的孔隙演变过程进行了研究，发现孔隙体对土工程性质的影响在某些条件下发挥着比颗粒体更为重要的作用。因此，加强对土微结构中孔隙体的研究是非常必要的。

本文以压汞实验为主要手段，辅以冷冻干燥法，对粘土的微观孔隙结构进行了测试，并对其参数进行了提取，为全面认识土微结构提供了一条新的思路。

1相关实验仪器和设备

本文涉及到的实验仪器和设备主要包括制取特定试样的固结仪，干燥观察样品的真空冷冻制样仪，探测土化学成分和矿物成分的扫描电子显微镜，以及测试土中孔径分布的压汞仪等。

1.1固结仪

固结实验采用WG型三联固结仪，用于模拟重塑粘土在一维压缩条件下的形成过程。在固结实验过程中，可以测定土的变形、压力，根据初始密实度和最终密实度测算土的孔隙比与压力的关系，以及变形和时间的关系，以进一步计算竖向应变、压缩系数、压缩指数、压缩模量、固结系数、回弹指数等。

1.2真空冷冻制样仪

该设备可以避免粘土在风干、冻干过程中由收缩引起的结构破坏。该设备利用冰点为-40°C的异戊烷以及冰点为-190 ℃的液氮，在保持土内部结构不变的情况下，使土中的水迅速凝结成冰。通过静态及动态抽气使晶态冰升华为气体，从而达到对土样进行干燥的目的却不损坏土的原状结构。真空冷冻制样仪所制样品可用于扫描电镜观察和压汞实验测试。在实验过程中，复合真空计可随时对样品室内的真空度进行测量。同时，透明样品室的设计方便了对样品的颜色进行观察。

1.3扫描电子显微镜

该部分实验在国家纳米技术与工程研究院场发射扫描电镜室进行，以确定粘土样品的化学成分、矿物成分及其含量。与光学显微镜及透射电镜相比，扫描电镜具有诸多优点。一是能直接观察土样表面结构形态；二是样品的制备过程简单，易于操作；三是在观察过程中可进行任意调整，从而实现从不同角度对样品的观察；四是立体感强烈；五是观察的放大倍数大；六是在观察过程中样品受到的损害很小或可以忽略不计；七是可以进行化学成分分析和矿物成分分析。

1.4压汞仪

压汞法，又称汞孔隙率法，是测定中孔和大孔孔径分布的一种方法。

压汞仪的基本原理：汞对土颗粒体是不润湿的，随压力逐渐增大，汞进入土孔隙越来越充分。测量不同外压作用下进入孔中汞的质量可以评估相应孔的等效体积。所用的压汞仪配备有微型计算机，能实现实验和数据采集的全过程自动化。

图1真空冷冻制样仪图

Fig.1Vacuum freezing apparatus

图2扫描电子显微镜

Fig.2Scanning electron microscope

图3压汞仪

Fig.3Mercury intrusion porosimetry

2压汞实验原理和实验方案

在压汞法实验基础上，采用Wasburn公式评估粘土的孔径分布和孔容。

2.1孔隙分类标准

一般认为，粘土中的孔隙可以分为大孔隙和小微孔隙两种。大孔隙是团粒集合体之间的孔隙，而微孔隙是指土体团粒间的孔隙或颗粒内的孔隙。近年来，诸多学者对粘土孔隙的划分进行了重新研究。Shear等[13]认为，粘土中的孔隙可以分为五种，如图4所示。

图4　按尺寸不同的孔隙分类方法

2.2实验原理

根据Washbum公式，圆柱形孔隙模型注入液态汞需要的压力为:

(1)

式中,p为压力,σ为液体的表面张力系数，对于汞表面张力系数σ为0.484 N/m，θ为液体与固体之间的接触角，对于汞土界面一般θ为135°，r为等效孔隙的半径。在压汞仪上，将液态汞以不同压力压入到土的孔隙中，同时记录每一压力增量作用下的进汞量，即可由式(1)得到等效孔径和孔隙分布参数。

2.3实验方案

整个实验分四个阶段进行，即一维压缩实验、试样冷冻干燥实验、扫描电镜实验和压汞实验。

首先将土样固结至特定压力。固结结束后，从环刀内推出试样，以壁纸刀切取压汞实验和电镜测试所需的土样。在冷冻干燥制样仪上进行干燥，之后进行电镜扫描并根据压汞实验操作规程进行压汞实验。压汞实验结束后，水银注入试样的体积控制在式(2)所示的范围之间，即：

0.2VP≤Vsoil≤0.8VP，

(2)

在式(2)中，Vsoil为测试样品的体积，VP为承载水银的标定容积。运用式(2)，根据土样密度、初始孔隙比等参数可以估算所需的土样质量。经计算，所需土样约等于5 g。

用钢丝锯将所需土样锯下并称其准确质量。将切取好的试样放在液氮中迅速冷却，将其放入冷冻干燥真空仪中升华48 h，以对观察样品进行干燥。干燥后的土样以镊子放进容器里，并慢慢从一侧盖好盖子、旋紧，以防止注入的液态汞泄露。液态汞的注入分两步实施，在一个标准大气压下将水银注入；在l00 kPa～600 MPa压力范围内将水银压入观察样品，以得到孔隙分布曲线。

3实验成果

实验成果主要包括能谱分析结果和压汞实验结果两部分。

表1　矿物成分推测

3.1能谱分析

分析样品取自郑州地铁3号线，钻孔取样深度12 m。土的土力学指标包括天然含水量32%、孔隙比0.742、天然重度19.6 kN/m3、内摩擦角25.8°、内聚力19.3 kPa、液限29.8%、塑限20.8%。考虑地下水位对上覆压力的影响，固结实验对应的压力确定为200 kPa。图5(a)是试样B4#点1处的能谱分析区域，相应的化学成分分析见图5(b)，矿物成分推测见表1。

3.2压汞实验结果

实验样品取自固结后的试样。压汞方向分别取与固结压力平行、45°角和与固结压力垂直，以此来考察不同方向上的压汞效果。理论上讲，只要样品是相同的，孔径分布不会因为压汞方向的不同而改变。压汞实验测试结果如图6所示。

(a) 观察点的位置

(b) 能谱分析

(a) 竖直方向

(b) 45°方向　(c) 长轴方向

从图6不难看出，对于原状试样，孔径在10 000～20 000 Å的孔隙体的概率密度最大。为了分析方便，这里将孔径<10 000 Å的孔隙体称为小孔隙，将孔径>20 000 Å的孔隙体称为大孔隙。显然，小孔隙的概率密度要比大孔隙大很多。可见，重塑试样的孔径分布比较均一，不同方向上大中小孔径所占比例的差别相对较小，这是重塑试样的一个重要特征。从图6还可以看出，虽然是同一样品，但不同方向上的孔径分布测试结果却不完全一致。进一步的研究分析表明，这种现象可能是由土孔隙体的“墨水瓶”效应引起的。

与多数多孔材料一样，粘土中的孔隙是不规则的连通或封闭孔隙。在土体中，必然存在着一种进出口尺寸比气孔本身尺寸狭小的气孔，即墨水瓶孔。当压力提高到与气孔本身孔径相对应的数值时，汞却不能通过狭窄进口而充满孔洞，直到压力增加到与狭窄进口相对应的数值时，汞才能通过进口填满孔洞。因此，相应于这种压力的气孔，实验数据就会偏高。但是，当压力逐步降低时，全部墨水瓶孔中的汞都被滞留，由此将发生降压曲线的滞后效应。由降压曲线的末端即可算出全部墨水瓶孔的容积。

由于墨水瓶效应的存在，压汞量在不同方向上是不同的。因此，在基于压汞实验对土微结构进行分析时，必须明确微结构研究内容中与方向相关的参量。在土微结构测试中，不同测试方法得到的参量各不相同。这使得不同测试方法的应用范围不尽一致。即使能得到相同的参数，由于测试原理的不同，不同测试方法得到的结果会存在一定差别。图7是相同密度的重塑试样的压汞实验结果，可见原状样品与重塑样品的压汞实验结果存在较大差别，主要表现为重塑土的孔径分布较为均匀。

图7　重塑试样的孔径分布—压汞实验结果

4结语

为了研究某粘土原状试样和重塑试样微观孔隙的分布特征，在重塑和一维再固结的基础上，分别制取了相同荷载作用下的微结构观察样品。采用冷冻干燥方法对微结构样品进行了干燥，采用扫描电镜对干燥样品进行了能谱分析以确定其化学成分和矿物成分。采用压汞实验测试了粘土的孔径分布特征。对不同方向上的孔径分布特征与其形成过程之间的关系进行了分析，表明孔径与试样的方向性具有密切关系。研究成果有助于进一步揭示土微结构与其力学性质之间的内在联系。

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(责任编辑唐汉民梁碧芬)

Study on distribution of clay void based on mercury penetration test

TANG Hua-rui1, HAN Ling-jie2, WANG Xing-xing3, GAO Ling-xia4

(1.Wanfang College of Science and Technology, Henan Polytechnic University,Zhengzhou 450000, China;

2.Zheng Zhou Institute of Science and Technology, Zhengzhou 450000, China;

3.School of Civil Engineering, Tianjin Chengjian University, Tianjin 300384, China;

4.School of Civil and Architecture Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116600, China)

Abstract:In order to study the relationship between the microstructure of clay and its mechanical properties, some clay taken from a stratum has been remodeled and one-dimensionally reconsolidated. On the basis, microstructure observation samples were obtained by the one-dimensional consolidation, and the freeze-drying method was applied to dry the samples. Then the method of energy spectrum analysis was used to determine the chemical composition of the soil samples, and the pore size distribution of clay was tested by a mercury penetration experiment. Analysis on the relationship between the pore distribution in different directions and its formation process shows that the pore distribution is closely related to the direction of the samples. The research can further reveal the relationship between microstructure of clay and its mechanical properties.

Key words:clay; microstructure; mercury penetration experiment; energy spectrum analysis

中图分类号：TU411.92

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0228-06

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0228

通讯作者：高凌霞(1976)，女，甘肃定西人，大连民族大学副教授，博士；E-mail: gaolingxia2006@126.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51178290);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(201502040402)

收稿日期：2015-11-24；

修订日期：2015-12-25

引文格式：唐华瑞，韩灵杰，王杏杏,等.基于压汞实验的粘土微孔隙分布特征研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：228-233.