壓汞試驗(yàn)技術(shù)研究黏性土微觀孔隙分布特性

莊心善，張立波，陶高梁，楊 琳

（1湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068；2武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430070）

王思敬院士認(rèn)為，對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)的研究將是21世紀(jì)工程地質(zhì)研究的新趨勢(shì)，在巖土多孔介質(zhì)的變形、強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及水利特性等方面，會(huì)獲得比傳統(tǒng)研究思路更為可喜的成果，解決巖土領(lǐng)域懸而未決的難題，可見(jiàn)，對(duì)黏性土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究至關(guān)重要［1］.目前，多用電鏡掃描和CT等技術(shù)研究物體的微觀孔隙結(jié)構(gòu)，如鄧津［2］等人對(duì)甘肅永登的濕陷性堆積黃土微觀孔隙結(jié)構(gòu)的研究，單紅仙［3］等人對(duì)水動(dòng)力作用下的黃河水下三角洲粉土微觀結(jié)構(gòu)改造進(jìn)行的研究，陳嘉鷗、周翠英［4－6］等人對(duì)軟土微結(jié)構(gòu)的研究，唐益群等對(duì)上海地區(qū)地鐵行車(chē)荷載作用下的飽和土微觀結(jié)構(gòu)的研究［7］，但是這些常規(guī)的研究方法都很難做到定量的分析孔徑分布，不足以準(zhǔn)確分析該工程環(huán)境中的土質(zhì)特性.隨著壓汞試驗(yàn)技術(shù)的逐漸成熟，越來(lái)越多地被運(yùn)用于各種領(lǐng)域的試驗(yàn)研究，本文基于壓汞試驗(yàn)技術(shù)研究黏性土的孔隙孔徑分布特性，得出了一些有益的結(jié)論，為進(jìn)一步深入研究土體的宏觀物理特性奠定了基礎(chǔ).

1 壓汞試驗(yàn)的基本原理

汞對(duì)大多數(shù)的固體都是非潤(rùn)濕的，故假定汞對(duì)所制試樣非潤(rùn)濕，且接觸角為定值，本次試驗(yàn)將接觸角定為140°；表面張力不變，本次試驗(yàn)中設(shè)定為0.48N／m；所切取的試樣強(qiáng)度足夠大，不會(huì)被壓縮

式中：p為進(jìn)汞壓力，MPa，γ為汞表面張力，此試驗(yàn)中為0.48N／m，θ為汞接觸角，此試驗(yàn)中為140°，d為孔徑，μm，由公式（1）可以看出，進(jìn)汞壓力和孔徑是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，假定表面張力和接觸角都不變時(shí)，進(jìn)汞壓力和孔徑成反比，可以通過(guò)控制進(jìn)汞壓力來(lái)確定孔徑的大小和孔隙的分布.施加一定的進(jìn)汞壓力，汞就只能進(jìn)入對(duì)應(yīng)孔徑的孔隙中，在本次試驗(yàn)中，進(jìn)汞壓力范圍為6.556 9～199 190.558 6kPa，根據(jù)公式（1）可以得出該試樣孔徑范圍為224 426.12nm～7.38nm.變形.由于表面張力的影響，汞在進(jìn)入小孔徑時(shí)，必須施加一定的外部壓力，進(jìn)汞壓力和孔徑大小遵循Washburn公式

2 試驗(yàn)研究

本文配備試樣土取自武漢漢街的一處工地基坑底部，埋深9m，為非飽和粘土，土體的物理特性如下：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 試驗(yàn)方法及步驟

2.1.1 制樣方法 將所取土樣風(fēng)干后，過(guò)2mm篩，測(cè)出土樣的各種物理特性，多次試驗(yàn)證明：含水率15%左右時(shí)，制樣效果最好，測(cè)出土的風(fēng)干含水率ω0之后，經(jīng)計(jì)算，稱(chēng)取一定質(zhì)量的風(fēng)干土樣和蒸餾水，按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》［8］將其制成含水率為15%的試樣土，密封靜置24h，復(fù)測(cè)含水率，得出實(shí)際含水率為15.13%；本次試驗(yàn)制樣采用液壓千斤頂靜壓試驗(yàn)方法制備重塑試樣，環(huán)刀采用核磁共振專(zhuān)用環(huán)刀（體積為32cm3），控制干密度為1.4g／cm3，經(jīng)計(jì)算稱(chēng)取一定質(zhì)量試樣土（含水率為15.13%），制備3組相同平行試樣，再將所制備試樣進(jìn)行抽氣真空飽和，抽氣時(shí)間為4h，放入水中靜置24h，使飽和度達(dá)到95%以上，達(dá)不到，繼續(xù)進(jìn)行飽和.

2.1.2 試樣預(yù)處理 飽和度達(dá)到要求后，將試樣進(jìn)行液氮極速冷凍，使土中的液體成為不具有膨脹性的非結(jié)晶態(tài)冰，然后利用冷干機(jī)抽真空，使土中非結(jié)晶態(tài)冰冷升華.

2.1.3 壓汞試驗(yàn) 用推土器將預(yù)處理過(guò)的試樣從環(huán)刀里小心的取出，使用細(xì)鋼絲鋸將試樣切取1cm3的小方塊，進(jìn)行壓汞試驗(yàn).實(shí)際操作過(guò)程應(yīng)盡量避免對(duì)試樣的破壞擾動(dòng)，保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性.控制進(jìn)汞壓力和進(jìn)汞速度，將汞壓入試樣孔隙中，使汞充斥孔隙，記錄每一級(jí)進(jìn)汞壓力時(shí)的進(jìn)汞體積，利用Washburn公式將進(jìn)汞壓力換算成孔隙孔徑，得到試樣的孔隙孔徑分布結(jié)果.

2.2 試驗(yàn)儀器

測(cè)試儀器為美國(guó)康塔公司生產(chǎn)的PoreMaster33壓汞儀（圖1）.該儀器的孔徑分布測(cè)定范圍為950～0.0064μm.

圖1 PoreMaster33壓汞儀

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

壓汞試驗(yàn)是通過(guò)施加一定的進(jìn)汞壓力，克服汞的表面張力，從而使汞被壓入試樣孔隙中，所壓進(jìn)汞的體積即是孔隙體積.筆者將孔徑范圍劃分為若干區(qū)間，得出各個(gè)孔徑區(qū)間的進(jìn)汞體積與區(qū)間內(nèi)最小孔徑之間的關(guān)系（圖2），隨著區(qū)間最小孔徑的增大，累計(jì)進(jìn)汞體積減小，這也就從側(cè)面印證了 Washburn公式，說(shuō)明在進(jìn)汞壓力相對(duì)較小的時(shí)候，汞是先進(jìn)入大孔隙，在大孔隙充滿(mǎn)汞后，要使汞充斥到小孔隙，必須加大進(jìn)汞壓力，達(dá)到足以使汞克服表面張力，進(jìn)入小孔隙.在8.75～62.5μm區(qū)間范圍內(nèi)的累計(jì)進(jìn)汞體積下降斜率最大，說(shuō)明此區(qū)間的孔隙含量最多；當(dāng)孔隙孔徑大于100μm時(shí)，累計(jì)進(jìn)汞體積基本上不再變化，說(shuō)明此種孔隙含量微乎其微；在孔隙孔徑小于8.75μm時(shí)，累計(jì)進(jìn)汞體積與區(qū)間最小孔徑的關(guān)系圖呈現(xiàn)近似直線(xiàn)關(guān)系，也就是說(shuō)，此范圍的孔隙分布比較均勻，含量成線(xiàn)性增加.

孔隙孔徑各劃分區(qū)間總進(jìn)汞體積與區(qū)間內(nèi)最小孔徑的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖3，在試樣孔隙孔徑為8.75～62.5μm的范圍內(nèi)，區(qū)間總進(jìn)汞體積波動(dòng)變化幅度比較大，其余區(qū)間段，雖然有波動(dòng)，但是幅度很均勻，這再次印證了該試樣的孔隙孔徑大多數(shù)為8.75～62.5μm，在孔隙孔徑為17.5～27.5μm時(shí)達(dá)到峰值，是含量最多的孔徑范圍.

進(jìn)出汞壓力與累計(jì)進(jìn)汞體積的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖4，在進(jìn)汞壓力小于1 000psi時(shí)，進(jìn)汞體積增長(zhǎng)速度很快，之后，進(jìn)汞壓力雖然不斷增加，但是累計(jì)進(jìn)汞體積基本無(wú)大變化，根據(jù)進(jìn)汞壓力與孔隙孔徑成反比的關(guān)系，可知該試樣孔隙主要是大孔隙；隨著進(jìn)汞壓力的增加，累計(jì)進(jìn)汞體積不斷增加，當(dāng)出汞時(shí)，隨著壓力的減小，汞慢慢克服不了表面張力，而從孔隙中退出，但是進(jìn)汞曲線(xiàn)和出汞曲線(xiàn)并不閉合，說(shuō)明有部分汞無(wú)法從孔隙中退出，這主要是由于在進(jìn)汞過(guò)程中，在大的進(jìn)汞壓力下，有部分孔隙喉道被壓力破壞，導(dǎo)致形成部分小的封閉區(qū)域，退汞時(shí)，這部分汞就退不出來(lái)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果知，本次所取試樣殘留汞的體積為0.263cm3／g；在圖4中，還可以看出，進(jìn)汞曲線(xiàn)和出汞曲線(xiàn)路徑并不重合，在給出一個(gè)壓力時(shí)，出汞曲線(xiàn)要比進(jìn)汞曲線(xiàn)高，給定一個(gè)進(jìn)汞體積時(shí)，進(jìn)汞時(shí)的壓力要比出汞時(shí)的壓力大.

圖4 壓力與VHg的關(guān)系圖

另外，壓汞試驗(yàn)中，有學(xué)者把孔徑大于50nm的孔隙叫做大孔，2～50nm的為中孔，小于2nm的為微孔.根據(jù)進(jìn)汞曲線(xiàn)圖，可以求出該試樣的孔隙對(duì)應(yīng)于50nm的孔隙體積百分比為86.68%，其余均為中、微孔隙，如圖5所示，中、微孔隙只占到孔隙總體積的13.32%.

圖5 孔隙累計(jì)分布曲線(xiàn)

4 結(jié)論

通過(guò)在中科院武漢分院采用壓汞實(shí)驗(yàn)方法對(duì)武漢漢街地區(qū)土質(zhì)的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得出如下結(jié)論：

壓汞試驗(yàn)中，將孔徑半徑大于50nm的叫做大孔，試驗(yàn)結(jié)果表明該黏性土試樣的孔隙以大孔為主，大孔所占的比例達(dá)到86.68%；該黏性土試樣的孔徑主要分布在8.75～62.5μm范圍內(nèi)，占孔隙總體積的36.824%；從壓汞試驗(yàn)的進(jìn)汞曲線(xiàn)和出汞曲線(xiàn)的路徑不一致可以看出，汞不能按著原來(lái)的路徑退出，會(huì)殘留大部分在試樣孔隙中，本試驗(yàn)有90.6%的汞殘留在孔隙中.

［1］陶高梁.巖土多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的分形研究及其應(yīng)用［D］.武漢：武漢理工大學(xué)圖書(shū)館，2010.

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