碱激发烧结砖粉力学性能与水化机理研究

废弃烧结砖约占城市建筑垃圾总量的50%,将其任意堆放与丢弃给环境造成极大负荷。为寻求废弃烧结砖的资源化利用新途径,以磨细的废弃烧结砖粉为原料,用水玻璃和NaOH为复合碱性激发剂制备碱激发胶凝材料,研究了水玻璃模数、Na_(2)O含量对碱激发烧结砖粉力学性能的影响,并结合水化热、X射线衍射和扫描电镜等测试技术,揭示了碱激发烧结砖粉的水化作用机理。结果表明:碱激发烧结砖粉抗压强度随水玻璃模数和Na_(2)O含量的增加均呈先增大后减小的变化趋势,当水玻璃模数为1.8、Na_(2)O含量3.0%时,试样28 d抗压强度最高,可达1.70 MPa,可做辅助胶凝材料使用。随着水玻璃模数减小或Na_(2)O含量增加,碱激发烧结砖粉浆体水化反应诱导期延长,加速期第二放热峰出现时间延后;放热总量随水玻璃模数减小而先增加后减小,随Na_(2)O含量增加而增加。碱激发胶凝材料微结构演变中,当水玻璃模数和Na_(2)O含量过高或过低时,均会阻碍水化产物N-A-S-H凝胶的生成,增加孔隙率,进而影响试样抗压强度的增长。

蒋家沟砾石土不同粗粒含量直剪强度特征

蒋家沟流域内大量泥石流由滑坡引发,滑坡转化为泥石流的3个过程中,首先是在斜坡体内大范围剪切破坏。在其物源区与沉积区内分布大量砾石土,其强度特征对于蒋家沟泥石流的起动机制具有重要意义。由于砾石土颗粒粗大,粗细粒配比和试验尺寸对强度特征有一定的影响。为此在室内现场两用大型直剪仪下进行蒋家沟砾石土不同粗粒含量下的直剪强度试验,结果表明:在干密度为2.0g/cm3、含水率为7%时,砾石土除在粗粒含量为74.31%的低垂直压力(50,100 kPa)时剪应力-水平位移关系有峰值外,其余土样没有明显峰值;同一粗粒含量试样在水平剪切应变值为0.02时的剪切模量G0.02随垂直压力增加而增大;在相同垂直压力下,G0.02随粗粒含量增加而增大,且在较低垂直压力下的G0.02随粗粒含量增长更为显著。内摩擦角值随粗粒含量增加而增大;黏聚力在粗粒含量为48.7%时最小。粗粒含量小于48.7%时,试样黏聚力值随粗粒含量增大而减小;当粗粒含量大于48.7%时,黏聚力随粗粒含量增加而显著增大。

不同水合物含量含二氧化碳水合物砂三轴试验研究

天然气水合物是一种战略性替代能源,又是全球气候环境问题和地质灾害的诱发因素之一。研究含天然气水合物沉积物的变形和强度等力学特性成为保障天然气水合物开发利用中工程与环境安全的重要一项研究内容。通过不同初始含水率控制试样的水合物含量的方法,开展不同水合物含量的粉质砂的三轴剪切试验,研究水合物含量对赋存介质的强度与变形特性的影响。试验结果表明,水合物在砂样中的填充与胶结作用,使得含水合物试样的剪切模量明显增加,进一步采用双曲线模型对各试样初始模量的计算与分析后发现,相同净围压下,随着水合物含量增加,试样的初始剪切模量具有上升趋势,但上升趋势变缓;试样强度随水合物含量增加而增大,但水合物含量高的试样破坏峰值强度与净围压并不是线性关系,净围压越大其峰值强度相应偏小;通过摩尔-库仑定律得出的试样强度指标可知,试样内摩擦角随水合物含量增加而增大,但增加幅度不大,但水合物含量31.0%和51.0%试样的与含水合物0%和19.7%试样相比,前2组试样具有较大黏聚力c值。因此,水合物对试样强度增长的贡献主要是其在试样中的胶结作用产生,且其对强度影响还受含量和赋存形态的控制。

饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究

改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明:当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。

蒋家沟砾石土不同含水率直剪强度特征

蒋家沟流域内大量泥石流由滑坡引发,在滑坡转化为泥石流的3个过程中,首先是在斜坡体内大范围剪切破坏。在其物源区与沉积区内分布大量砾石土,其强度特征对于蒋家沟泥石流的起动机理以及流域内土壤侵蚀具有重要意义。由于降雨过程中,坡体内砾石土含水率逐渐增大,影响其力学性质特征,加之砾石土颗粒粗大,粗细粒配比和试验尺寸对强度特征有一定的影响。为此,在室内和现场两用大型直剪仪下进行蒋家沟砾石土不同含水率下的直剪强度试验,结果表明,试样在ρd=1.9 g/cm3不同含水率下,剪应力-水平位移关系没有明显峰值,应力-应变曲线为应力硬化型;同一含水率试样在γ=0.02时的剪切模量G0.02随垂直压力增加而增大;含水率7.07%试样各级压力下G0.02最大;φ值与含水率w符合二次函数关系式:φ=-0.471w2+6.7462w+3.9262;试样C值与含水率w符合二次函数关系式:C=-0.7307w2+8.4784w+1.462。

含天然气水合物沉积物相平衡问题研究综述

天然气水合物是一种战略性替代能源。同时,开发天然气水合物将是全球气候环境问题和地质灾害的诱发因素之一。含天然气水合物沉积物(简称HBS)的相平衡问题对天然气水合物资源勘探、评估与开发利用以及环境影响均具有重要的基础作用。自然界中赋存于沉积物之中的天然气水合物的生成与分解与纯水体系中水合物的生成与分解具有很大区别。通过总结国内外研究资料,以天然气水合物开发利用中的岩土工程问题研究需要为出发点,详细介绍了HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分对沉积物中水合物相平衡关系影响以及HBS相平衡研究中有关制样方法技术、各组分含量测试以及相平衡关系理论模型研究方面的国内外研究现状。研究成果表明,HBS的沉积物物性、孔隙水盐度和气体组分均对天然气水合物相平衡关系具有显著影响,试验研究中应用了很多先进方法技术,但仍然存在定量精度较低或实施成本较高等问题;基于微观尺度建立的有关HBS的相平衡宏观模型能较好地模拟与预测HBS的相平衡关系,但其表达式复杂、参数较多和不易获得制约了其在天然气水合物开采中的有关岩土力学与工程理论研究和工程实践中应用。

海底扩散体系含天然气水合物沉积物制样方法与装置

天然气水合物是分布在海洋和大陆多年冻土中的一种具有巨大商业开发价值的新型战略性替代能源。同时,含天然气水合物地层中水合物的分解将带来严重的地质灾害和气候问题的关注。试验室内开展含天然气水合物沉积物物理力学性质研究需要首先解决的是制样问题,即在试验室内快速形成符合现场原位形成模式的试样,并且水合物均匀分布于土样孔隙中。海洋天然气水合物主要是在扩散体系中形成的,即溶解在水中的气体以扩散迁移的方式进入温压条件适合的地层内与水结合生成天然气水合物。文中试验方法与装置利用高压恒流泵驱动溶有气体的去离子水在土样中循环,采用磁力搅拌装置加速和增大气体在水中的溶解,使土样在较短时间内被溶气水饱和,然后将土样温度降低至与气体压力相对应的相变温度以下后,溶于水中的气体与水结合生成水合物析出,且均匀地填充土样孔隙中。采用粉土和CO2气体试验表明,制得含水合物沉积物大约需1 d的时间,通过观察和测试含水率证明,所制得试样具有良好的均匀性,解决了目前在试验中采用的制样方法所制得的试样中水合物分布不均匀以及水合物形成时间过长的问题,为进一步开展含天然气水合物沉积物物理力学试验提供了技术保证。

西南地区城市化中的环境地质问题

城市化是我国全面建设小康社会的必由之路.随着西部大开发战略的实施,西南地区城市化步伐必将加快.地质环境是制约城市化可持续发展的重要自然因素,西南地区城市化中的主要环境地质问题有地质灾害、水污染、工业"三废"和生产生活垃圾污染问题、特殊土问题等.防治环境地质问题的关键是要认识和重视城市化与地质环境的相互作用关系,对西南地区城市化与地质环境的协调发展提出了几点对策.

冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究

采用低场核磁共振技术测试了冻融循环过程中不同土质、不同Na Cl离子浓度饱和试样的未冻水含量,结合T2分布曲线从微细观角度分析了冻融过程中未冻水在孔隙赋存分布情况。试验结果表明:冻结过程可分为过冷度段、快速下降段、稳定段3个阶段,而融化过程仅存在稳定段、快速融化段,并不存在与过冷现象对应的过热现象。冻结时大孔隙的水首先冻结,而融化时孔隙水的增加却是从小孔隙开始的,这是由水分热动力学势能的差异导致孔隙水冻结和融化在时间上的有序性。并且分析了冻融循环中土质类型、离子浓度对未冻水含量的影响,以及探讨了冻融过程出现的滞后现象的原因。

水合物形成对含水合物砂土强度影响

采用非饱和成样法(A法)和饱和试样气体扩散制样法(B法)两种试验室方法,合成了含CO2水合物的砂土试样,并采用改造过的三轴剪切试验仪完成了相应的三轴剪切试验。实验结果表明:A法制得试样强度和刚度随水合物饱和度增大而增大,且相当敏感;而B法制得试样在水合物饱和度为19.44%与纯砂土的力学特征差别很小,在较高饱和度(26.73%)时,含水合物砂土的强度和刚度就有了较为明显提高;由此可以得出含水合物砂土的强度特征是水合物含量和水合物于砂土中赋存状态联合决定的;同时也发现随着水合物饱和度的增大,试样的剪胀性越来越明显。最后,通过对A法制得试样的强度参数分析表明:含水合物砂土的黏聚力随饱和度的增大而提高,而摩擦角基本不变。

直剪剪切速率对粗粒土强度与变形特性的影响

土体的强度和变形对路基及边坡的稳定性具有控制作用,为分析剪切速率对粗粒土抗剪强度和变形特性的影响,基于THE-1000型室内大型直剪仪,对不同剪切速率下粗粒土的强度和变形特性进行试验研究。试验数据表明:不同剪切速率时的剪应力–剪切位移曲线均呈应变软化型;剪切速率为小于5 mm/min时,粗粒土强度理论公式拟合相关系数比较理想;随剪切速率的增加,内摩擦角有减小的趋势,约在27.8°～22.8°内变化,咬合力在90.3～112.2 kPa范围内振动变化;颗粒破碎率和最大垂直变形随着剪切速率减小或垂直压力增加而增大,即剪切速率越小越容易发生剪缩;剪切速率小而抗剪强度高的本质原因是:破碎后的细颗粒填充了由粗颗粒构成的土骨架孔隙,造成试样的密实度增加。

土的冻结温度与过冷温度试验研究

通过不同降温条件的冻结试验,明确了土中出现过冷的条件。当环境温度高于土的最低过冷温度时,土表现出稳定的过冷状态;当环境温度低于最低过冷温度时,边界出现短暂过冷,而土样内部不出现过冷。通过分级降温的方法测定了不同含水率的粉质黏土和细砂以及不同Na Cl浓度的粉质黏土的冻结温度和最低过冷温度。当含水率等于或高于饱和含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当含水率低于饱和含水率时,冻结温度随含水率减小而降低;不同含水率土样的最低过冷温度相差不大;冻结温度降低随Na Cl浓度增大的比例系数与理想稀溶液中水的凝固点降低系数非常接近。结合稳定冻结时间、冻结温度、环境温度或最低过冷温度引入了能间接反映自由水含量的指标。

云南东川蒋家沟泥石流形成内因初探

泥石流形成的因素众多,不仅与地形地貌、降雨特征、地震、人类活动等外部因素有关,还与泥石流岩土体自身的黏土矿物成分、颗粒级配、化学成分、土体分散性、地下水环境等内部因素密切相关。在室内对蒋家沟泥石流源区土体进行黏土矿物分析、颗粒分析、化学成分定量分析、分散度和ESP值测试、地下水分析,初步探讨了蒋家沟泥石流形成的内在原因,得到:蒋家沟泥石流体的黏土矿物成分以伊利石为主,占30%,其化学成分也与伊利石接近;ESP值、分散度平均值分别达到24.6%、59.1%,属于高分散性土,且土壤贫瘠;地下水矿化度高,硬度大,破坏了岩土体自身的结构和稳定性,形成大量松散物质,为泥石流的形成提供丰富的物源。

云南某铁路冰碛土大型直剪强度特性试验研究

冰碛土是由冰蚀作用产生的碎屑物质和冰川产生以前就已存在的岩屑、碎石等松散堆积物,被冰川搬运并在冰川融化时沉积下来而形成的碎石类土,具有独特的侵蚀、搬运与沉积特征。由于冰碛土块石、碎石、角砾、砂土混杂,呈无胶结或泥质半胶结状态,水稳定性差、遇水易软化崩解,常常成为工程处治的难题。准确把握冰碛土强度特性是解决问题的关键,但必须以大试样尺寸、且不失冰碛土本身结构为前提。基于此,进行了原状冰碛土和相同干密度、不同含水率下的重塑冰碛土大型直剪试验,结果表明,原状冰碛土具有一定的结构性强度,重塑冰碛土强度将随着含水率的增加而降低。

考虑损伤的含天然气水合物沉积物本构模型

对含天然气水合物沉积物施加荷载后,其内部固体颗粒间将会发生错动、滑移及滚动,当荷载较小时,沉积物表现为弹性变形;随着荷载的增大,内部将出现塑性流动,水合物晶体重新定向,此时沉积物表现为塑性变形;随着荷载的进一步增大,最终导致沉积物发生破坏,这一过程可以看作是沉积物内部损伤产生和逐渐发展的过程。从复合材料的细观力学机制出发研究含水合物沉积物的材料特性,得到等效弹性常数与水合物含量之间的关系;同时基于损伤力学理论,推导出损伤变量的表达式,建立考虑损伤的含天然气水合物沉积物的本构模型。通过比较不同水合物含量下的计算结果与试验结果,结果表明,所建模型能较好地反映含天然气水合物沉积物的应力–应变关系,验证了模型的可行性。

低场核磁共振在研究四氢呋喃水合物形成过程中的应用

目前关于含四氢呋喃(THF)水合物形成过程的研究多采用间接法,由于这些方法都不是直接测量反应物或生成物的量,其研究结果受实验环境、仪器精度以及计算误差的影响较大。为此,突破传统的检测技术手段,采用低场核磁共振技术研究了19%THF水溶液从室温开始到水合物形成过程中试样的T2时间(氢核横向弛豫时间)分布和核磁总信号量随温度的变化,以探讨THF水合物形成过程的特征。实验结果表明:T2分布和核磁总信号量均与温度有较好的相关性,说明THF水合物的生成与温度密切相关。根据核磁总信号的变化将THF水合物的整个生成过程划分为4个阶段:初始期、诱导期、加速生长期和稳定期:在诱导期阶段的物质组成具有随机性,有水合物簇出现,但这些水合物簇不稳定,随机的分解和长大,导致此阶段的核磁总信号有一定的波动。当经过诱导期后,水合物簇尺寸达到晶核临界尺寸,水合物开始大量生成。且随着水合物的生成,THF溶液逐渐消耗,生成速度逐渐变慢,直到达到稳定期。

压实黏质砂土脱湿过程影响机制的核磁共振分析

通过对具有不同初始含水率和干密度的两种压实黏质砂土的脱湿曲线进行测试、分析和对比,并结合核磁共振技术,探讨了干密度、初始含水率和土样组分对压实黏质砂土脱湿过程的影响规律。利用核磁共振测得了试样在各级吸力下的T2时间(横向弛豫时间)分布曲线,定性地探讨了不同吸力下试样中的水分分布特征,揭示了干密度、初始含水率和土样组分对试样脱湿过程的微观机制影响。试验结果表明:干密度仅在低基质吸力条件下对试样脱湿过程产生重要影响,而在高吸力条件下初始含水率和试样组分起主导作用;核磁共振结果证实在压实黏质砂土中,小孔隙结构主要由初始含水率和试样组分控制,而大孔隙的结构主要取决于干密度;试样组分对压实土的内部结构和孔隙大小分布的影响比初始含水率大。

含天然气水合物沉积物损伤统计本构模型

水合物含量、有效围压是影响含天然气水合物沉积物力学性质的主要因素,在忽略其他次要因素(包括水合物种类、试样颗粒大小、试验条件等)的情况下,水合物含量和有效围压是决定试样弹性模量的两个关键参数。在分析等效弹性模量与水合物含量相互关系的基础上,考虑有效围压的影响,建立了弹性模量与有效围压的幂函数关系;同时采用Drucker-Prager破坏准则来表示含天然气水合物沉积物微元强度,并假设其微元强度服从Weibull分布,从而建立了含天然气水合物沉积物的损伤统计本构模型,与不同有效围压下的试验结果及已有研究成果相比较,表明了所建模型能够很好地模拟三轴剪切条件下含水合物沉积物试样的应力-应变关系特性。此研究成果可对含天然气水合物沉积物工程性状的数值模拟提供参考。

粗粒含量对砾类土直剪过程中强度与变形特性影响的离散元模拟研究

粗粒含量对砾类土的工程力学特性具有重要的影响。本文对4组不同粗粒含量的强风化玄武岩砾类土进行了大型直剪试验,并获取相关的强度与变形参数,基于离散单元法颗粒流理论,采用粒间作用为平行黏结模型的圆球模拟土颗粒,建立了4种不同粗粒含量砾类土直剪的离散单元模拟的计算模型,并进一步校正了颗粒单元细观参数,模拟了不同粗粒含量砾类土100kPa垂直压力时的应力应变关系、垂直变形以及剪切带上的土颗粒运动与颗粒间作用力传递的影响特性,分析了粗粒含量对砾类土宏观及细观力学性质的影响机理。结果表明:砾类土表现出的粗粒含量越大强度越高的本质是由于随粗粒含量增加时,土颗粒间平均刚度增加及颗粒间的咬合作用使得摩擦系数增加,采用平行黏结模型能较好的拟合峰值前剪应力-剪位移曲线,但是峰后曲线段尤其对软化现象的适应性不是十分理想;垂直位移-剪位移模拟值与试验值存在一定的偏差;随着粗粒含量的增加,最大剪应力时粗颗粒对力链的控制表现得愈明显,相应的剪切带厚度约为剪切盒高度的1/3～1/5,并随粗粒含量增加而增大。

线热源法测量冻土热参数的适用性分析

提出了应用线热源法测量冻土热参数存在的问题,冻土中未冻水含量随温度的变化是导致线热源法测量误差产生的根本原因。对二维无限大——点热源热传导方程进行简化得到一维中心对称——热流边界热传导方程。采用双针法对不同温度的环刀土样进行了测试并对冻土传热过程进行数值试算,反演得到不同温度的相变热容和未冻水含量。结果表明:当温度大于-0.7℃时,相变热容值远远大于冻土体积热容并且随温度急剧变化,线热源法测量的结果严重失真;当温度介于-0.7^-4℃时,线热源法测量结果仍有较大的误差;当温度低于-4℃时,相变热容值很小且比较稳定,线热源法测量的热参数能满足一定的精度要求。