海底泥质含气沉积物样品的沸石法制备探讨

闫 锴， 王 勇， 张军杰， 郭江涛

（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.中国中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430050；4.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，西安 710069）

0 引 言

含气沉积物广泛分布于海洋、三角洲、湖泊以及海相和陆相交互作用的沉积环境中。沉积物中气体主要是由甲烷菌代谢和深层岩石热解或水合物分解向上迁移的气体，常被称为浅层气［1］。海底浅层气大多以在水中溶解或以游离气泡相态被封存于淤泥质土内部或粗颗粒土的孔隙中。富含浅层气的沉积物是由土颗粒、孔隙水、气体、温度及上覆压力组成的天然完美平衡体，但这种平衡十分脆弱，任何的自然或者人为扰动，都可能导致建立在其上的建（构）筑物发生灾害［2］。如我国的杭州湾跨海大桥在工程勘察过程中多次遭遇到浅层气强烈井喷，严重影响勘察作业，并造成船毁事故［3］；东海舟山群岛附近海域内海床富含浅层气导致海底油管断裂事故［4］等。目前，这类海底含气沉积物因其分布广泛以及深远的科学、工程和环境意义，越来越受到研究者的关注。

由于海底含气沉积物在现场取样过程中气体易脱溶、膨胀，常规的取样技术难以从海床中获得未扰动的原状样品，从而难以开展其相关的室内试验研究。过去几十年，人们努力尝试采用室内重塑土技术来模拟制备海底含气沉积物样品，发展了一系列重塑模拟制备方法，大致可分为物理法、化学法和生物法。其中物理法因操作安全、易于控制、无环境污染，成为一类更具推广应用前景的方法［5］。如：Sobkowikz等［6］利用饱和CO2水溶液，通过控制有效围压和降低反压的方式，令CO2脱溶进入土体，以此来制备含气土样品；Nageswaran等［7］将饱和CH4的沸石掺入泥浆中，利用沸石亲水性特点置换出CH4气体，来模拟制备含气沉积物土样；王勇等［8］采用非饱和土轴平移技术来制备含气土样。Sills等［9］曾指出，在海底细颗粒的泥质沉积物中（水深≤300 m），气体多以分散、孤立的游离气泡形式赋存于土体中，且气泡尺寸往往远大于土颗粒。Wheeler［10］进一步将这种富含气泡的泥质沉积物称为“含大气泡软土”。Fredlund等［11］认为，当土中气相以游离气泡态赋存时，土体的饱和度一般大于85%。如何以定量可控的方式在实验室条件下模拟制备出海底这种高饱和度的泥质沉积物样品，是一项具有挑战性的问题。近年来，沸石法得到了进一步推广，被较多地应用于海底泥质含气沉积物样品的模拟制备中［12-14］。

沸石法主要利用沸石的天然多孔吸附性，其密度与土颗粒接近，将吸附饱和CH4的沸石颗粒掺入泥浆，混合均匀，可制备出含游离气泡的泥质含气土样品。因沸石的掺入量与产气量呈线性关系，故试验样品所需的气体含量由沸石掺量所决定，从而满足了定量可控的模拟制备要求［14］。但是，沸石法中沸石作为一种外来引入气体的中间媒介，其成分与土体有所区别，沸石的掺入及其掺量多少是否会改变土体自身的力学性质？这一问题对后续开展泥质含气沉积物的力学特性研究至关重要。同时，目前研究者在采用沸石法进行海底含气沉积物样品的模拟制备时，选用的沸石粒径各不相同，试验时多关注沸石掺量的影响而忽略沸石不同粒径的影响。不同颗粒大小的沸石是否均能有效还原海底泥质沉积物的原始赋存状态，也是当前沸石法中尚未明确回答的问题。

本文首先基于沸石法模拟制备海底泥质含气沉积物样品，借助室内微型十字板剪切试验、直剪试验、三轴压缩试验、固结压缩试验和渗透实验，来分析沸石掺入是否会对土体的力学特性造成影响。其次，选取不同粒组沸石，模拟制备出泥质含气沉积物样品，基于CT扫描试验获取所制样品的内部细观结构，分析气泡等效直径与沸石粒径之间的关系，探讨沸石法的使用条件。

1 含气土样的制备

在室内模拟制备泥质含气沉积物样品时，考虑到N2气的吸附性较好，且作为惰性气体，安全性更高［14］，因此本文采用沸石吸附N2气来制备含气土样。沸石具有强吸附性、强吸湿性和独特的分子结构；沸石的密度接近一般土壤的密度，介于2.40～2.50之间［11］。当饱和N2气的沸石粉末遇水时，水分子会迅速占据沸石晶体内孔隙，并排出晶体孔隙内吸附的N2气分子，从而达到将气体均匀引入土体的目的。

本试验选取不同粒度的沸石，粒组范围分别是0～10、10～20、20～40、40～60和60～75μm。将不同粒组的沸石粉末放入105℃烘箱中烘干，然后取出冷却至常温，分别装入密封袋中，储存备用。

试验选取宁波市近岸浅海区的土样，将土样风干、碾碎，过0.075 mm筛，将0.075 mm以下颗粒混合均匀，装入密封袋备用。图1为该软土的颗粒级配曲线，其中不均匀系数Cu＝6.50，曲率系数Cc＝0.96。该黏性土的基本物理参数：液限wL＝47.5，塑限wp＝20.8，塑性指数IP＝26.7，密度Gs＝2.73，风干土含水率w＝2.50%。其中黏粒含量为30.3%。

图1 试验土样的颗粒级配曲线

参考许鹏程［12］的沸石模拟制样方法，恒温25℃环境下，先将制备好的不同粒组范围的沸石粉末放入真空压力室中抽真空4 h，负压静置24 h，如图2所示。随后向真空压力室中通入压力为200 kPa的N2气，恒压静置24 h。按照表1对土、沸石的质量进行调配，用搅拌机搅拌均匀，然后加入预先称量好的蒸馏水，快速小幅度搅拌，整个过程2 min内完成。搅拌完成后，将其倒入定制的有机玻璃管中，并按照沸石粒组范围从小到大进行编号1～5，随后密封静置，使其自重固结。

图2 真空压力室

表1 不同沸石粒径下土、水和沸石质量的配合比

在自重固结过程中，粒径范围为0～10μm的沸石，在24 h后置换气体反应停止，但粒径大于10μm的沸石在反应持续96 h时仍有气泡涌出［12］，为了使掺入不同粒组沸石土样中的气体均能被充分置换，统一设置所有样品的自重固结时间为120 h。

图3 制备的含气软土样品

2 沸石掺量对土体力学性状的影响

为了检验沸石的掺入是否会对土体力学性状产生影响，先不制备含气样品（沸石不进行N2气吸附），仅在饱和样品中直接掺入不同质量的沸石（统一选用0～10μm粒组的沸石），其沸石掺量分别为0%、2%、5%和10%。从抗剪强度、固结变形特性和渗透特性三方面对比检验沸石掺入对土体力学性质的影响。

2.1 沸石掺量对土体强度的影响

2.1.1 室内十字剪切板试验

按表2的土、水、沸石配比，制备本次实验所需的掺沸石软土饱和土样。按照土工试验方法标准［15］，样品制备饱和后，设置本实验所需样品的自重固结时间为60 d，试验仪器采用室内电动十字板剪切仪（PSVST-M），对不同沸石掺量的饱和软土样品，开展不排水十字板剪切实验，设置室内电动十字板剪切仪的十字板头插入深度为6 cm。不同沸石掺量的饱和软土样品如图4所示，试验结果如图5所示。

表2 十字剪切试验中样品的土、水和沸石质量的配合比

图4 不同沸石掺量的饱和软土样品

图5 不同沸石掺量土样的室内十字剪切板试验结果

由图5可发现，在不同的沸石掺量下，土样的最大抗剪强度均为0.477 kPa，说明10%以内的沸石掺入量对土体抗剪强度没有显著的影响。

2.1.2 三轴剪切试验

按表3的土、水、沸石配比，制备本次实验所需的掺沸石软土三轴样，样品干密度ρd＝1.70 g／cm3，初始含水率为8%。按照土工试验方法标准［15］，将样品制备饱和，试验仪器采用GDS非饱和应力路径三轴仪，对不同沸石掺量的饱和软土三轴样品开展固结不排水三轴剪切实验，设置围压为200 kPa，应变速率为0.05 mm／min。试验结果如图6所示。

表3 三轴剪切试验中样品的土、水和沸石的配合比

图6 不同沸石掺量土样的固结不排水应力应变曲线

由图6可知，沸石掺量为0%、2%、5%、10%的饱和软土样品的抗剪强度分别为227.4、229.2、233.5、237.5 kPa。不同沸石掺量样品的应力-应变曲线形态一致，抗剪强度略有差别，但极差最大仅为10.15 kPa，5%误差范围内。同样说明10%以内的沸石掺入量不会对土体抗剪强度造成明显的影响。

2.1.3 直剪试验

按表4的土、水、沸石配比，制备本次实验所需的掺沸石软土环刀样，ρd为1.70 g／cm3，初始含水率为8%。按照土工试验方法标准［15］将样品制备饱和，试验仪器采用DJY-4L四联等应变剪切仪，对不同沸石掺量饱和软土样品开展固结慢剪实验，施加垂直压力100 kPa，并设置剪切速率为0.02 mm／min。试验结果如图7所示。

表4 直剪试验中样品的土、水和沸石的配合比

图7 不同沸石掺量土样的直剪试验结果

由图7可得知，沸石掺量0%、2%、5%和10%的土样剪应力峰值分别为56.7、57.4、58.9和59.8 kPa，最大极差为3.1 kPa，误差在5%范围内，再次说明10%以内的沸石掺量，不会对土体抗剪强度造成显著的影响。

2.2 沸石掺量对土体变形的影响

按表5的土、水、沸石配比，制备本次实验所需的掺沸石软土环刀样，ρd为1.60 g／cm3，初始含水率为8%。按照土工试验方法标准［15］，将样品制备饱和，试验仪器采用YS-3型三联高压固结仪，对不同沸石掺量的饱和软土样品开展标准固结实验，确定施加的各级压力为12.5、25、50、100、200、400和800 kPa。施加第1级压力之后，在水槽中注满水，在施加固结压力后且每小时变化不大于0.01 mm时，记录位移计的稳定数据，再施加第2级压力，依次逐级加压至实验结束。通过计算得到含沸石土样的固结压力与孔隙比关系图，如图8所示。

表5 土体变形试验中样品的土、水、沸石配合比

由图8可知，随着固结压力的增加，不同沸石掺量的土样孔隙比e变化不大；根据同一初始孔隙比下不同沸石土样的e－lg p曲线图，可以发现孔隙比e与土样所受压力的对数lg p具有明显的线性关系，其斜率的绝对值为试样的压缩指数，通过试验数据拟合计算得，沸石掺量0%、2%、5%和10%的压缩指数Cc分别为0.142 2、0.139、0.145和0.146。最大极差仅为0.007，说明沸石掺量在10%内时，不会对土体压缩变形造成显著的影响。

图8 不同沸石掺量土样固结试验结果对比

2.3 沸石掺量对土体渗透性的影响

按表6的土、水、沸石配比，制备本次实验所需的掺沸石软土环刀样，ρd为1.60 g／cm3，初始含水率为8%。按照土工试验方法标准［15］，每种沸石掺量下的软土样品均制备4组平行试验，并将样品制备饱和，试验仪器采用变水头渗透装置，对不同沸石掺量的饱和软土样品开展变水头渗透实验，记录变水头管中的起始水头高度、起始时间、出水口水温和水头每下降2 cm的时间变化。本次试样的高度为4 cm，试样面积为30 cm2，测压管断面积为0.490 2 cm2。根据所记录的数据求得不同沸石掺量软土样品的平均渗透系数，并根据出水口水温对其平均渗透系数进行修正，结果如表7所示。

表6 土体渗透性试验中样品的土、水、沸石配合比

表7 不同沸石掺量土的渗透系数

由表7可知，不同沸石掺量下软土样品的渗透系数稍有差别，但均处于同一量级，渗透系数的最大差约为40 nm／s。说明沸石掺量在10%以内时，不会对土体的渗透性造成显著的影响。

3 含气泡土样的微观结构特征

为检验不同粒组的沸石是否均可有效还原海底泥质沉积物的原始赋存状态，本文采用Phoenix V｜tome｜x S微米工业CT扫描仪，对编号为1、2、3、4、5的泥质含气沉积物样品进行扫描。为了保证扫描的精度，本次试验按照0.1°间隔来对含气土样进行螺旋扫描。泥质含气沉积物样品的扫描结果如图9所示。

图9 不同掺入沸石粒径的泥质含气土样CT扫描结果

通过VG.Studio对CT扫描的原始数据进行处理，为了能够精确量化气泡的形状和尺寸，首先进行滤波降噪和图像分割处理。处理之后，从每个样品中随机选取代表性样品的3张CT扫描切片，对其进行分析，提取气泡的等效直径数据。分析得到气泡的等效直径与不同粒组沸石之间的关系，如图10所示。

由图10可知，在沸石掺量为2%和土体平均粒径d50＝0.01 mm情况下，不同沸石粒径产生气泡的等效直径分别分布在0.2～0.5、0.5～0.7、0.7～0.85、1.05～1.3和1.6～1.85μm。根据提取出气泡的等效直径计算气泡的平均等效直径R，并列出R与土颗粒d50和沸石平均粒径的倍数关系，如表8所示。

图10 气泡等效直径与不同沸石粒径的关系

根据表8数据，得到气泡平均等效直径与沸石粒径的关系图，如图11所示。由图可知，沸石吸附N2气条件下，沸石粒径与含气样品中所产气泡的等效直径之间呈现较好的线性关系。在利用沸石法模拟制备泥质含气沉积物样品时，土样颗粒级配在已知的前提下，应选用纯度较高且接近土颗粒粒径的沸石，该沸石粒径下产生的气泡等效直径约为土颗粒d50的30～40倍。根据沸石粒径与所产气泡等效直径之间的线性关系，可为沸石法模拟制备泥质含气沉积物样品的沸石选材提供参考。

表8 沸石粒径、气泡等效直径与土颗粒d50的关系

图11 掺入沸石粒径与气泡平均等效直径的关系

4 讨 论

事实上，目前世界已发现和报道的近海海底（水深＜300m）多是高饱和态气相以孤立的游离气泡存在的含气沉积物（水饱和度一般大于85%）［16］。然而，在采用沸石法模拟制备海底泥质含气沉积物时，当沸石掺入量达到10%时，产气量约为25.3%，土样中已难以形成孤立气泡（水饱和度小于80%）［13］。沸石掺量若超过10%时，沸石法制备出的样品中的气量已大于真实条件下海底泥质含气沉积物的含气量，偏离真实状态，该方法已失效。因此，采用沸石法制备含气样品时，一般控制沸石的掺量不超过10%。

图12为取自长江入海口东海近岸海域的泥质含气沉积物样品。由图可发现：真实泥质含气沉积物样品中气泡大小和分布较均匀，且大部分的气泡并非完美的球形，其等效直径大致分布在0.2～0.4 mm范围，最大气泡等效直径不超过0.5 mm。对比本文中沸石法模拟制备的泥质含气沉积物样品可发现：掺入沸石的粒径在0～10μm时，制备出的含气样品中气泡分布较均匀，且平均等效直径约为0.35 mm，与真实的泥质含气沉积物最为相近。而掺有其他不同粒径的沸石所产生的气泡赋存与真实状态相距较远，不能有效还原泥质沉积物的原始赋存状态。因此，在实验室条件下对海底泥质含气沉积物进行沸石法制样时，应对掺入的沸石进行优选。

图12 长江入海口海底泥质含气沉积物样品

5 结 语

（1）室内试验结果表明，沸石掺入量在10%内时，沸石对土体的抗剪强度、变形特性和渗透特性均不会造成显著的影响。

（2）沸石吸附N2气条件下，掺入沸石的平均粒径与所产气泡的平均直径呈线性关系。在已知土样粒径级配的前提下，优选纯度高且粒径与土颗粒平均粒径相近的沸石，在沸石法制样中所产生的气泡平均等效直径约为土颗粒d50的30～40倍。若在实验室条件下采用沸石法模拟制样前，建议结合现场实测沉积物中气泡的平均等效直径，初步选定掺入的沸石粒组。

（3）本文得出的沸石平均粒径与所产气泡平均直径呈线性关系是在吸附N2气条件下得出的，对于其他类型气体需要做进一步检验。