一种海底含气软土的室内模拟制样方法

2021-02-27韩珠峰孙富学陈楷文

实验室研究与探索 2021年1期

韩珠峰，王勇，孙富学，陈楷文

（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林541004；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，武汉430071；3.温州大学建筑工程学院，浙江温州325035）

0 引言

海底浅层气指海底面下1 km 之内的沉积物中所聚集的气体，主要分布于河口与陆架海区的浅沉积层中，气体成分多以CH4、CO2或H2S 等为主。通常，浅层气以层状、团块状、高压气囊和气底辟4 种型态赋存于海底，气体赋存以游离气泡、溶解相或气水化合物态出现［1］。由于浅层气埋深浅且具有高压性，造成的工程事故屡见不鲜，因此海底浅层气被定义为一种海洋灾害地质［2］。我国的杭州湾大桥在工程勘察过程中曾多次出现强烈井喷，严重影响勘察作业［3］；上海外高桥竹园污水排放口三期隧道顶管在施工过程中管道接口突然断裂，泥沙大量涌入隧道，导致隧道坍塌，归因于隧道底部土层中浅层高压气体释放造成的［4］。

为了防治浅层气地质给工程造成的安全隐患，需要深入了解海底含气沉积物的力学特性以及气体对土体力学性状的影响［5］。由于传统的钻探取样技术存在卸荷过程中，沉积物土体中的气体易脱溶、膨胀，对原生结构造成不可逆的破坏，因此海底含气沉积物的原状含气土样很难获取。虽然采用保压取土装置可获取含气原状土样［6］，但在海洋复杂环境下不易实现、且费用高昂。实践中，研究者普遍采用室内重塑模拟制备的方法来获取海底含气沉积物土样。目前，已发展的用于人工模拟制备含气土的方法大致可分为物理、化学和生物法。物理法：Sobkowikz 等［7］利用饱和CO2水溶液，通过控制反压降低围压的方式，令CO2脱溶进入土体，以此来获取含气土。物理法多适用于砂性土的制备。化学和生物方法常用于细颗粒的含气软土制备。如：Chu等［8］利用尿素水解制N2的方法来制备含气土；胡光海［9］基于海底含气沉积物的产生原理，利用有机物厌氧发酵的方式模拟制备含气土样。利用化学法与生物法虽能制备出含气土样，但气体含量受温度、催化剂／酶和反应速率等条件影响大，对于土样中的气体含量，实验人员很难定量控制。

Nageswaran［10］提出一种利用沸石将气体引入土体的制备方法，但未给出试验操作。本文基于沸石的微孔吸附性［11］和对极性水分子强吸附的特性［12］，首先介绍利用沸石方法制备含气土样的原理，设计实现该方法的试验，随后利用CT 试验和十字剪切试验对该方法制成的软土样品进行评价。

1 气体置换试验

沸石是硅氧四面体或铝氧四面体构成，形如图1所示的SiO4四面体。由于沸石的结晶性质，具备均匀的孔穴及通道［13］，具有很大的开放性，碱金属与碱土金属离子、水分子均分布于孔穴和孔道中，其中水分子（称为“沸石水”）与骨架离子及可交换金属阳离子的联系较为微弱，这些水分子能够比阳离子更自由地出入孔穴和孔道，升高温度即可将这些水分子排出孔穴。

图1 沸石的结构单元

沸石的骨架结构较为空旷，其中孔隙的体积约占总体积的40% ～50%，孔径大多在1 nm以下，与同类多孔物质相比，沸石比表面积很大，仅次于活性炭。沸石的吸附原理与活性炭不同，后者完全靠色散力吸附，而沸石其晶体骨架含有负电荷，因此沸石不仅具有色散力，还存在较大的静电力；而沸石也由于静电场的存在，对极性、不饱和、易极化分子具有优先选择吸附作用，即沸石本身是一种极性物质，其中阳离子提供强大的局部正电场，从而吸引极性分子的负极中心；或是通过静电诱导作用使可极化的分子极化，若分子越易被极化或其极性越强，则就越易被吸附［14］。

利用沸石的吸附性将非极性气体分子吸附于沸石的孔穴之中，将吸附气体的沸石粉与土和水混合，凭借沸石对极性水分子的亲和性可将非极性气体分子“排出”沸石孔穴，从而达到将气体引入土样的目的。

本文采用颗粒大小为3 ～4 μm 沸石，孔径均匀。沸石为白色粉末状，化学式为Ca4.5Na3［（AlO2）12（SiO2）12］·30H2O，具有相对稳定的性质，发达的孔隙结构。为了检验沸石对不同气体的影响，本文分别采用CH4、N2、CO2和H24 种气体进行对比试验。CH4气体的分子有效直径约为0.38 μm，N2气体分子约为0.36 μm，CO2气体分子约为0.33 μm，H2气体分子约为0.29 μm。0.5 μm 沸石的孔隙大小刚好可容纳一个气体分子。而一个水分子的有效直径约为0.32μm，且水分子为极性分子，在沸石的强亲水特性下，当吸附饱和以上四种气体的沸石粉末遇水后，沸石对极性水分子拥有更强的吸力，而CH4、N2、CO2和H24 种气体分子皆为非极性分子，会被水分子排出沸石孔隙，从而达到将气体引入土体的目的。

1.1 试验装置

为量测沸石掺量与置换气量之间的关系，设计相应的气体置换量测试验装置（见图2）。采用1 L锥形瓶作为反应容器，锥形瓶开口处用橡胶塞作为密封装置，橡胶塞表面打3 个6 mm 孔，分别作为出气口、进水口和排水口，用50 mL量筒作为量测装置，量筒开口处用4 号橡胶塞密封，橡胶塞表面开一个6 mm 孔作为进水口，在锥形瓶的出水口与量筒进水口之间用橡胶软管连接。

图2 气体置换装置

1.2 试验步骤

取5、10、15、20、25 g沸石粉末置于105 ℃烘箱中24 h，将沸石中的水分烘干。随后将沸石粉末放置于-100 kPa的压力室中抽排24 h，排尽沸石孔隙中的空气。向压力室通入200 kPa 的N2气体，维持24 h，使沸石充分吸附N2气体（见图3）。在长橡胶导管中预先通入蒸馏水，后用止水夹将锥形瓶上进水口处的橡胶管夹住（室温保持恒温25 ℃）。打开压力室，取出不同质量的沸石粉末置于实验装置中，加入蒸馏水，当水位即将达到锥形瓶瓶口时用10 号橡胶塞密封瓶口，用注射器将蒸馏水从10 号橡胶塞的进水口注入，将锥形瓶注满，然后用止水夹封住锥形瓶的进水管和出气管；将锥形瓶放置在50 cm高的底座上，打开量筒进水口一端的止水夹（见图4）。每隔15 min 对锥形瓶进行摇动，保证沸石颗粒与水充分接触，确保沸石孔隙中的N2充分的置换。在200 kPa，25 ℃条件下，沸石粉末与水在容器中混合，其混合溶液呈乳白色，随后颗粒沉淀，上部液体逐渐澄清。分别在反应时间为1、2、4、8、12、16、20、24 h时，记录量筒中水面的刻度；每完成一组数据记录后清理量测装置。同理，对于CH4，CO2和H2气体也分别采用以上N2相同的步骤来进行气体置换反应试验。

图3 真空压力室

图4 反应过程

1.3 试验结果

由图5 可看出，在置换反应最初2 h 内，气体置换速率很快，锥形瓶内有大量气泡上涌，气体置换曲线基本呈线性增长。随着试验的进行，在试验开始后2 ～8 h，气体置换速率逐渐下降，曲线趋于平缓；8 h 后，只有零星气泡上浮，气体置换曲线已无波动，量筒内液面高度不再变化；反应进行24 h 后，摇动锥形瓶已无气泡产生，说明沸石孔隙中的气体已被水完全置换排出，试验结束。在4 种气体的置换反应试验中，N2气体在相同质量沸石条件下的置换气体量最大（见图5（a））；H2气体的置换曲线与N2气体相近，但相同质量沸石下的置换气量小于N2气体（见图5（b））；CO2气体的置换量最少，且气体置换曲线最快达到最大置换量（见图5（c）），N2气体与CH4气体在相同质量沸石下的最终置换量几乎相同（见图5（d））。

图5 4种不同气体的气体置换量时程曲线

由图6 可看出，4 种不同气体的置换量与沸石量之间均呈线性正比关系；CH4、N2、CO2和H2的气体置换比率（斜率）分别为1.63，1.62，0.386 和1.533。由于CH4和N2在同条件下吸附脱附曲线几乎相同（见图7），因此两者拥有相近的气体置换量。对于H2来讲，H2气体的沸石量与置换气量之间的关系也呈线性关系，但斜率小于CH4和N2。这是因为虽然H2分子直径最小，但在相同温度、压力条件下（200 kPa，25℃）沸石对其的吸附能力大于CH4与N2，但在试验过程中打开压力室取出沸石时，根据分子动能理论，H2分子动能远大于CH4与N2，造成H2分子更容易逃逸，因此实测置换气量小于CH4与N2。对于CO2气体而言，CO2气体的沸石量与气体置换量之间同样为线性关系，虽然在相同压力、温度条件下（200 kPa，25 ℃）沸石对CO2的吸附性大于CH4与N2，但CO2是一种可溶于水的气体，在200 kPa，25 ℃条件下，部分CO2在锥形瓶中溶解于水中，所以最终的气体置换量最小。

图6 不同气体置换量与沸石量的关系

图7 CH4 和N2 的吸附等温线［15］

2 含气土样制备与分析

试验选取来自于宁波浅海区的软土样，将土样充分晒干、碾碎，过0.075 mm 筛，将粒径小于75 μm 的土颗粒混合均匀。图8 为颗粒级配曲线，不均匀系数Cu＝6.50，曲率系数Cc＝0.96，软土基本物理性质如下：液限WL＝47.5%，塑限Wp＝20.8%，塑性指数IP＝26.7，密度Gs＝2.73，含水率W ＝2.5%。

图8 颗粒级配曲线

由第2 节中气体置换试验的结果发现，N2气体的吸附性较好，且作为惰性气体，安全性更高。因此本节采用N2气体来制备含气土样。

取沸石粉末置于105 ℃烘箱中烘烤24 h，后将沸石粉末放置于-100 kPa的压力室中保存24 h，再向压力室通入200 kPa 的N2气体，保存24 h。称取500 g土样放入盆中，控制环境温度为25 ℃，加入25 ℃蒸馏水750 g，充分搅拌均匀；打开压力室，将沸石粉末与泥浆混合并快速搅拌，搅拌时间控制在2 min以内，后将搅拌后的混合物倒入有机玻璃圆筒中密封、静置，如图9 所示。

图9 含气土样品

试样在静置24 h 之后，通过高分辨率显微工业CT扫描仪对土样进行扫描，如图10 所示，图中黑点部分为气泡，白色区域为饱水土骨架。

图10 含气土样的CT扫描图片

由CT扫描结果可看出，该方法制备的含气土气泡为孤立封闭气泡，在土样中分布均匀，气泡大小适中，可以很好地模拟含气土样。

3 结果与讨论

本文在制备含气土样中引入沸石作为中间介质，需要检验沸石的掺入是否影响土体性质。沸石密度介于2.40 ～2.50 之间，接近一般土壤的密度2.65 ～2.76，且沸石不与土发生反应。为检验沸石对土体的影响，利用微型十字板剪切试验装置测量不同沸石掺量饱和软土的剪切强度。沸石掺量分别取2%、5%、8%、10%进行制样，软土选用风干土、水和沸石的总量为900 g，计算各组配比（见表1），制备不同沸石掺量的含气土样，直接放置在十字剪切仪下进行不排水剪切实验。