黏性土压缩过程临界孔径现象及固有分形特征

研究土体压缩过程孔隙的分形特性时,常常对试验测量范围内所有孔隙进行整体分析。然而,研究发现大小孔隙分形行为存在较大差别,特别对压缩的响应也显著不同。为阐述黏性土压缩过程大小孔隙的不同响应及分形特征,并对其变化规律进行刻画,以不同干密度的武汉黏性土为研究对象,利用压汞法获取土体孔隙分布数据,基于分形理论拟合分析其分维数。研究发现:孔隙孔径-体积分布图中,均存在特殊的临界孔径现象,临界孔径前后的孔隙分布规律及其对压缩变形的响应显著不同,将大于临界孔径的孔隙定义为大孔隙,小于临界孔径的孔隙定义为小孔隙;小孔隙分布具有天然较强的分形特征,且基本不随干密度的变化而变化,称之为固有分形特征;大孔隙分布远离固有分形特征,分形行为较弱;随着干密度的不断增大,大孔隙的分形特征逐渐增强,且不断逼近小孔隙的固有分形特征。因此,小孔隙的固有分形特征可作为黏性土压缩的基准指标,压缩是迫使大孔隙不断调整趋于更强分形分布且逐步向基准指标靠拢的过程。

低温氮吸附中煤阶对临界填充孔径的影响

为探究煤岩吸附理论及煤层气吸附机制,首先选用6种不同煤阶煤样进行低温氮(N_(2))吸附试验,分析煤中填充态N_(2)分子的临界填充孔径(CPSD);然后通过密度泛函理论(DFT)和微孔填充理论(TVFM)分析试验等温线特征,得到煤中完成微孔填充的临界填充压力(CFP)以及CPSD;最后结合相对压力分段法,通过Langmuir方程-D-A方程-BET方程拟合验证分析结果。研究表明:煤阶由低到高,煤样N_(2)吸/脱附等温线由II型向I型过渡;低阶煤中以微孔填充和单分子层吸附形式赋存的N_(2)分子比例大于高阶煤;煤阶由低到高,CPSD呈先减后增趋势;6种煤样的CPSD在1.61~2.19 nm之间,煤阶越高,CPSD范围越小。

核电站乏燃料池虹吸破坏效应实验研究

为了保证核电站乏燃料池的贮存安全,工程中一般通过在管线上设破虹吸孔的方式防止池水由于虹吸效应而持续流失。破虹吸孔的尺寸是成功断流的关键因素,通过1∶1的实验方式,研究在一定的管径、高差和阻力范围内,有效破坏虹吸流动所需的临界孔径,为工程中虹吸孔尺寸的选取提供参考依据。对实验结果的进一步分析表明,虹吸破坏成功时的安全液位高差与虹吸孔径之间呈幂指数递减关系,与管线阻力系数之间呈对数递减关系,通过调整孔径或管线阻力可以有效减小安全液位高差。

水泥膨润土泥浆固结体渗透性与微观结构的关系

采用压汞试验测定了水泥-膨润土泥浆固结体的孔隙结构特征,通过室内渗透试验测定了固结体的渗透系数.在试验结果基础上,分析了水泥、膨润土用量及固结体微观孔隙特征参数与其渗透性之间的联系.研究结果表明:水泥-膨润土泥浆固结体的渗透性主要受其临界孔径的控制,临界孔径越小,抗渗性越好.其余孔隙结构特征参数与固结体的渗透特性关系不大.随着水泥、膨润土用量的增加,固结体的临界孔径会逐步减少,并且,水泥用量对临界孔径的影响比膨润土更显著.

上覆荷载作用下钦州海积软土孔隙结构特征变化

粘土孔隙结构特征对土体的水理性质和力学性状尤为重要。为探讨海相软粘土结构强度增长过程中孔隙的演化机制,以广西北部湾钦州地区海相软土为研究对象,通过对不同上覆荷载作用下的土样进行压汞仪法(MIP)试验和扫描电镜图像(SEM)分析,揭示土样孔隙特征(尺度分布、平均孔径、孔隙体积密度和临界孔径)随上覆荷载的变化规律,以及其与土体渗透性、结构强度之间的联系。试验结果表明:上覆荷载作用下,土样孔隙呈大孔隙(>10μm)—中孔隙(1~10μm)—小孔隙(0.1~1μm)—微孔隙(<0.1μm)的演化趋势,大、中孔隙逐渐分裂和湮灭成小、微孔隙,但并非均是优先调整大孔隙来补偿小、微孔隙;平均孔径和临界孔径能直接反映孔隙结构特征的重分布和结构性演化,随着平均孔径的逐渐减小,土样的渗透性逐渐降低、结构强度逐渐增强;通过SEM图像分析,粘土结构演化过程呈蜂窝状结构—紊流状结构—粒状堆叠结构—胶粘式结构的发展趋势。

基于孔树模型的煤低温氧化耗氧速率数学模型

为了考察煤的孔隙分布对煤低温氧化耗氧速率影响机理,利用孔树模型,建立了煤低温氧化耗氧速率的数学模型,得出煤氧化控制由扩散控制转化为动力控制的临界孔径rc(T),rc(T)随着温度升高呈线性增加趋势,表明温度升高,煤氧化逐渐由反应动力控制.该数学模型可确定不同孔分布煤的主要耗氧控制模式,反映耗氧速率与煤孔分布特征、温度的理论变化关系;当煤的有效孔隙率、孔径分布和微孔比已知时,还可用该数学模型对煤的耗氧速率进行预测.

混凝土孔结构及其分形维数与氯离子扩散性能的关系

氯离子扩散系数是研究海洋环境下混凝土结构耐久性的重要参数之一。通过开展不同水胶比混凝土的压汞试验和盐雾扩散试验,研究了混凝土内部孔隙率、孔径分布及临界孔径对氯离子扩散系数的影响规律。结合Menger海绵体模型,建立孔体积分形维数与氯离子扩散系数的关系。结果表明:孔隙率和临界孔径与无量纲化氯离子扩散系数的相关性很高,可作为反映混凝土氯离子扩散性能的重要参数;通过数学分析计算得到的孔表面分形维数分布在2.56~3.86之间,孔体积分形维数分布在2.85~2.98之间;基于压汞法和分形理论计算得到的孔体积分形维数可以作为评价氯离子扩散系数的指标,在孔径小于10 nm、10~100 nm、100~1000 nm以及大于1000 nm四类区间,氯离子扩散系数随孔体积分形维数的增加而下降。

多孔材料的性能与孔结构

阐述多孔材料的性能与其内部孔的特性密切相关。讨论水泥混凝土类多孔材料的抗渗性与其孔结构的关系。

纳米SiO_(2)对超硫酸盐水泥性能影响研究

为了克服超硫酸盐水泥(SSC)早期强度低的难题,探究了纳米SiO_(2)(NS)对SSC水化硬化性能的调控效果与机理。研究了NS对SSC力学性能、产物组成、微观结构和形貌,以及孔隙结构的影响规律。结果表明:掺入NS可显著提升SCC力学性能,其中3 d抗压强度提升了32%,3 d抗折强度提升了28%,90 d抗压强度提升了近一倍;同时,NS能够显著密实SSC孔隙结构,使其临界孔径从72.8 nm降低至6.5 nm。NS的增强机理主要为促进矿粉水化,增加产物中C-(A)-S-H凝胶的生成量和聚合度。本文证明了NS提升SSC水化硬化性能的可行性,为低碳SSC的性能提升提供了新思路。

水泥石水渗透系数的试验研究

通过试验研究了各种水灰比水泥石的水渗透系数。对于水灰比为0.3至0.6的水泥石,水渗透系数在1.32×10-21 m2至2.51×10-19 m2之间。当水灰比小于0.5时,水渗透系数随着水灰比的增大逐渐增大,当水灰比大于0.5时,水渗透系数随着水灰比增大急剧增大。除了孔隙率和孔比表面积外,水泥石水渗透系数以及增加率均随着临界孔径的增大而增大。

孔径尺寸对梯级蓄能纳米流控系统特性的影响研究

纳米流控系统的能量吸收密度远高于传统吸能材料,构建具有梯级蓄能特性的纳米流控系统,可同时实现不同品级能量的吸收,使其应用更广泛.本文采用碳纳米管构建双管不同径及单管变径2种梯级孔道模型,研究了水分子侵入2种不同梯级孔道模型的过程,获得了使纳米流控系统形成梯级蓄能特性的临界孔径差.结果表明,当水分子侵入小孔径的渗透压小于其填满大孔径的渗透压时,纳米流控系统不展现梯级蓄能特性.多级孔道结构的变径方式影响系统各级临界渗透压,继而影响其梯级蓄能特性.单管变径纳米流控系统中,由于水分子在侵入底管的过程中氢键数目减少,顶管临界渗透压低于相应孔径的单级系统临界渗透压.本文研究结果可为构建碳纳米管多级纳米流控系统提供指导,为渗入研究多级纳米流控系统奠定基础.

掺外加剂混凝土渗透模型的讨论

混凝土内的孔结构直接决定了混凝土的渗透性,而孔结构又由孔隙的大小和孔隙连通的程度组成。为探讨混凝土的不同渗透行为,建立了混凝土的渗透模型。通过对比压汞法(MIP)测得的水泥石的临界孔径和不同压力下水可渗入混凝土内的最小孔径,从而确定出在不同的压力下可被贯通的掺盐混凝土。

刚玉质浇注料孔结构的分形特征

分别以铝酸钙水泥和ρ–Al2O3为结合剂,制备了2种刚玉质浇注料。利用Menger海绵体模型和压汞试验数据,探讨了浇注料经不同温度热处理后的孔结构分形特征。结果表明:刚玉质浇注料的孔结构与结合系统关系不大,其临界孔径为1μm,显示出双重分形特征,微孔区间(≤1μm)的分形维数小于大孔区间(>1μm)的;热处理温度对浇注料孔结构分形维数的影响比微粉填充的影响更为显著。在微孔区间,自由水蒸发导致的分形维数大于结晶水脱失导致的,并远远大于烧结导致的;在大孔区间,烧结导致的分形维数则大于气泡导致的分形维数。