分形界面吸附行为初探

煤层气吸附解吸机理研究是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。已有研究表明,煤储层孔隙结构非常复杂且具有分形特征,煤层气在孔-固界面的吸附行为明显受到煤孔隙结构特征的影响。对比分析几种常用气-固界面上的吸附模型,总结这些模型的特点和适用条件,指出当前吸附模型在分形界面吸附行为的描述和应用上均未摆脱吸附选择性的平稳假设,尚未考虑吸附厚度的尺度不变特征。而分形拓扑理论可以有效标定分形对象的尺度不变属性,为分形界面的等效表征提供了理论支撑。因此,结合上述模型对气-固界面吸附行为的描述,借助分形拓扑理论提出煤储层孔-固界面上分形吸附行为的相关假设及其控制机理,构建基于吸附拓扑的单层吸附模型。在此基础上,通过设置不同的吸附拓扑参数组合获取其等温吸附曲线,分析得出,随着吸附压力的升高,吸附覆盖率表现出指数、线性和对数3种不同的增长趋势,而吸附热表现为对数减小趋势。结果显示,不同的吸附拓扑参数组合会得到不同类型的等温吸附曲线,在一定程度上弥补了Langmuir方程只能描述单一类型等温吸附线的不足。为了验证吸附模型的适用性,结合沁水盆地武乡区块富有机质泥页岩的液氮吸附实验数据,对比了实际等温吸附曲线与模拟吸附曲线的差异。结果表明,通过调整各吸附拓扑参数之间的组合关系,可以使等温吸附模拟曲线与实际吸附曲线的趋势始终保持一致。最后,探讨了吸附解吸机理的研究方向,类比电子层提出了吸附层的概念,指出发展分形动力学描述模型是解释煤层气吸附解吸规律的关键。

铁尾矿基掺合料混凝土的抗压性能

为实现铁尾矿、钢渣和磷渣等固废资源化,减少水泥用量,并减轻铁尾矿单独做掺合料时对混凝土产生的不良影响,基于高硅型铁尾矿,引入磷渣、脱硫灰和钢渣3种掺合料,研究了铁尾矿-磷渣-脱硫灰(IPD)体系、铁尾矿-磷渣-钢渣(IPS)体系和铁尾矿-钢渣-脱硫灰(ISD)体系混凝土的抗压性能,利用压汞法和背散射电子成像技术分别对混凝土内部的孔隙、界面过渡区进行测试分析.结果表明:IPD体系、IPS体系和ISD体系28 d抗压强度分别达到纯水泥混凝土的80.1%、92.4%和82.5%;加入掺合料后,骨料与水泥的界面过渡区更加密实,孔隙率得到了不同程度的降低,掺合料的填充效应得到了较好发挥,减轻了内部孔隙对混凝土的不良影响.

不同侵蚀环境下喷射混凝土耐久性提升技术及作用机理

为了揭示不同侵蚀环境下喷射混凝土的钙溶蚀行为,并探究羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰对喷射混凝土抗侵蚀性能的影响,本文通过抗压强度及腐蚀溶液钙离子浓度测试对比了氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下喷射混凝土的强度损失率和钙离子溶出率的时变规律,并采用TG分析改性喷射混凝土侵蚀前的孔结构和可溶固相钙含量,最后采用XRD和SEM测试分析混凝土侵蚀后的物相组成和微观形貌。结果表明,复合盐侵蚀作用下较多钙矾石等腐蚀产物填充孔隙,导致混凝土强度损失和钙离子溶出率均低于氯化铵溶蚀。氯化铵溶蚀和复合盐侵蚀作用下,喷射混凝土的强度损失率与钙离子溶出率呈线性相关。4%(质量分数)侵蚀抑制剂+2%(质量分数)硅灰复合的作用效果较佳,可使喷射混凝土复合盐侵蚀28 d后的强度损失率和钙离子溶出率分别较空白组降低46.7%和50.9%。羧酸酯型侵蚀抑制剂和硅灰均可通过细化混凝土孔结构、降低氢氧化钙和钙矾石含量来提升喷射混凝土的耐久性。

Estimation of Soil Water Retention Curve: An Asymmetrical Pore-Solid Fractal Model

The soil water retention curve is an important hydraulic function for the study of flow transport processes in unsaturated soils. The objective of this study was to develop a soil water retention function using a generalized fractal approach. The model exhibits asymmetry between the solid phase and pore phase, which is in marked contrast to the symmetry between phases present in a conventional fractal model. The retention function includes 4 parameters： the saturated water content θs, the air entry value ha, the fractal dimension Df, and an empirical parameter β, characterizing the complicated soil pore structures. Sixty one data sets, covering a wide range of soil structure and textural properties, were used to evaluate the applicability of the proposed soil water retention function. The retention function is shown to be a general model, which incorporates several existing retention models. The values of β/θs and （θs-θr ）/β were used as indexes to quantify the relationships between the proposed retention function and the existing retention models. The proposed function fits all the data very well, whereas other tested models only match about 16%-48% of the soil retention data.

花岗岩废料与玻璃废渣制备发泡陶瓷的研究

本文以花岗岩废料和玻璃废渣为原料、SiC为发泡剂,采用粉末烧结法制备了高孔隙率、低吸水率的全固废发泡陶瓷,探究了花岗岩废料和玻璃废渣配合比、烧结温度、发泡剂掺量对发泡陶瓷孔结构及性能的影响。结果表明:花岗岩废料形成了发泡陶瓷的骨架结构,玻璃废渣具有助熔作用;当玻璃废渣掺量为20%(质量分数)时,烧结温度降低了40℃。在1110~1150℃下制备的发泡陶瓷抗压强度为2.23~0.41 MPa,体积密度为468.41~326.31 kg/m^(3),孔隙率为79.15%~86.81%,吸水率为0.96%~1.00%,平均孔径为0.49~1.43 mm,实现了对发泡陶瓷孔径的有效调控,满足了不同应用场景对发泡陶瓷不同孔径的需求。本研究为花岗岩废料和玻璃废渣的规模化利用及不同孔径发泡陶瓷的制备提供了技术支持。

热流固耦合作用下滑脱效应对煤岩低温渗透性的影响

【目的】增加煤储层渗透性是提高煤层气采收率的关键技术,原位注热开采是强化煤层气开采的有效方法。【方法】为了探索热流固耦合作用下煤储层渗透率的变化规律,进行了不同埋深不同温度无烟煤渗流试验,并对结果进行理论分析研究。【结果】1)三维有效应力作用下,无烟煤渗透率随温度和孔隙压力的变化呈“V”形,具有明显的回弹现象,随埋深的增加而减小。当孔隙压力小于临界孔隙压力,温度小于70℃时,煤体渗透性主要取决于滑脱效应。当孔隙压力大于临界孔隙压力,温度大于70℃时渗透性主要取决于热膨胀和孔隙压力对裂隙的张开程度,热刺激对渗透率的影响远大于孔隙压力。2)临界孔隙压力介于1~1.5 MPa之间,滑脱效应随温度的升高对渗透率的影响在逐渐减小,而且影响减小的梯度随埋深的增加而增大。3)裂隙张开度系数随温度升高和埋深增加而增加,但温度越高,不同埋深下渗透性对孔隙压力作用的敏感程度变化越小。【结论】这些研究结果进一步丰富了原位注热开采煤层气理论,并对煤层气的强化增渗开采提供有价值的参考数据。

铁尾矿基多固废混凝土抗压性能及微观结构分析

针对铁尾矿堆存困难、综合利用率低和活性低的问题,以铁尾矿钢渣脱硫灰为复合掺合料制备多固废混凝土。通过抗压性能测试,研究复合掺合料掺量、铁尾矿细度对混凝土抗压强度的影响,并利用压汞法(MIP)和背散射电子成像技术(BSE)探究混凝土的微观结构。结果表明:复合掺合料的掺入对混凝土早期抗压强度影响较大,掺量小于20%的混凝土28 d抗压强度与无掺合料组抗压强度基本持平,30%掺量的混凝土抗压强度随铁尾矿比表面积的增大而先增大后减小;掺入复合掺合料和减小铁尾矿细度能够改善混凝土孔结构和提高界面过渡区的密实度。

气藏型低密度陶粒支撑剂的制备与性能研究

在开采煤层气、页岩气等气藏资源过程中,陶粒支撑剂的产品性能尤为关键,合成密度小、强度高的支撑剂是实现气藏高产率的重要指标。本文在传统矾土系陶粒支撑剂的基础上,添加煤矸石(RCG)、羧甲基纤维素钠(CMC)和白云石(DOL)进行固相烧结,借助以上造孔剂多温区的热解作用以及高温液相快速填充机制改善支撑剂的基体孔隙分布特征,降低支撑剂的结构密度并提升基体强度。当掺入质量分数为15%RCG+1%CMC+1%DOL添加剂时,支撑剂表现出最佳的综合性能并满足气藏资源开采的参数要求。

SOFC复合孔隙阳极材料的制备及性能研究

使用共流延工艺分别制备了以不同配比可溶性淀粉和碳纤维混合物作为造孔剂的阳极支撑型固体氧化物燃料电池(SOFC),阳极支撑层具有不规则的球型和直线型交错的复合孔隙,造孔剂总质量分数均为10%。电池以(Y_(2)O_(3))0.08(ZrO_(2))0.92(8YSZ)及Ni作为阳极材料,其中Ni与8YSZ的质量比为1∶1,以8YSZ作为电解质材料,以(La_(0.75)Sr_(0.25))0.95MnO_(3±δ)(LSM)及8YSZ作为阴极材料。使用氢气作为燃料测试了各电池在750℃下的电化学性能,结果表明,淀粉与碳纤维质量之比为1.5的复合造孔剂所制备电池的功率密度最高,可达0.199 W/cm^(2)。扫描电子显微镜法(SEM)图像显示,淀粉和碳纤维在阳极支撑层中所形成的复合孔隙相互交织,连通性较好,具有较理想的微观结构。

赤泥渗滤液对GCL多尺度孔隙结构及防渗性能影响

赤泥渗滤液会对赤泥堆场使用的土工合成黏土衬垫(Geosynthetic Clay Liner, GCL)防渗性能造成负面影响,易产生渗滤液渗漏风险,严重威胁地下水和土壤环境安全。为了从多尺度孔隙结构角度揭示GCL对赤泥渗滤液的防渗机理,通过柔性壁渗透试验获取GCL对赤泥渗滤液的渗透系数,利用XRD试验分析蒙脱石晶体结构和质量分数的变化,描述固液相互作用,并开展压汞试验和氮气吸附-脱附试验,定量探究渗透液体对GCL中膨润土多尺度孔隙结构的影响。结果显示,具有高离子强度的赤泥渗滤液可以压缩GCL中膨润土的扩散双电层厚度,抑制渗透膨胀过程,进而导致作为渗流通道的集合体内和集合体间孔隙(渗流孔隙)体积增大,GCL渗透系数大幅增加;强碱性的赤泥渗滤液能溶解具有吸水膨胀性的蒙脱石,生成非膨胀性的次生矿物。通过降低膨润土膨胀性能和堵塞孔隙作用可改变膨润土多尺度孔隙结构,进而影响GCL渗透系数。天然钠基GCL的防渗性能好于人工钠化GCL,这是因为前者蒙脱石质量分数较高,具有更好的膨胀性能,相同赤泥渗滤液渗透后,天然钠基GCL依旧可以保持较小的渗流孔隙体积。具有更高离子强度和更强碱性的赤泥渗滤液会因剧烈的固液相互作用,导致渗透后的GCL具有较大的渗流孔隙体积和较高的渗透系数。

基于流固耦合理论的巴东黄土坡滑坡地震响应研究

为研究三峡蓄水对湖北巴东黄土坡滑坡地震稳定性的影响,基于流固耦合理论建立二维有限差分数值模型。在计算无水(蓄水前)及有水(175 m实验性蓄水)条件下滑坡体场地地震动、应力响应及孔隙水压力差异特征的基础上,进一步给出滑坡体安全系数时程,探讨在蓄水与水库地震共同作用下的滑坡体稳定性及成因机理。结果表明:1)无水条件下滑坡体上硬层与下硬层的地震动峰值加速度放大系数约为1.33及3.31,具有显著的场地放大效应及软弱夹层消能减震作用;2)瞬时地震荷载下,由于滑坡体上下硬层之间非协调性变形与非快速排水的共同作用,软弱层超孔隙水压力快速形成,并呈现出阶段性积累上升趋势,伴有瞬时放大特征。

基于核磁共振技术分析生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土的微观结构与抗压强度

孔结构是混凝土微观结构中重要的组成部分,影响着混凝土的宏观性能,为了研究生活垃圾焚烧灰渣代替天然砂对混凝土孔结构和抗压强度的影响,通过核磁共振技术对生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土微观孔结构进行测试,分析了孔隙率和孔隙分布变化规律,并根据分形理论研究了孔隙分形特征,获得各孔径区间的分形维数与整体分形维数,并探讨了各孔径占比、孔隙率和分形维数与抗压强度之间的灰熵关联度。结果表明:随生活垃圾焚烧灰渣代砂率的增加,混凝土孔隙率增加,无害孔占比减小,抗压强度降低;分形维数随着生活垃圾焚烧灰渣代砂率的增加而减小,由于生活垃圾焚烧灰渣具有潜在的水硬性,随龄期的增长,分形维数呈增加趋势,同时孔隙结构得到了优化。灰熵关联度分析发现生活垃圾焚烧灰渣代砂混凝土整体分形维数和无害孔占比对抗压强度影响最大。

偏压固结下碱渣土循环累积孔压及强度弱化规律研究

碱渣是氨碱法制纯碱时排出的固体废弃物,经适当的加固处理后作为工程填垫土可以有效解决占地和污染问题。碱渣土的力学性质不稳定,在循环荷载作用下强度会发生明显弱化,导致承载力大幅降低。以天津港地区回填碱渣土为研究对象,开展了系列动三轴试验,以固结围压、动应力比和偏压固结比为试验变量,研究了不同应力组合下碱渣土中循环累积孔压发展规律以及循环后碱渣土不排水强度演化规律。基于等效超固结模型,引入强度弱化系数β,建立了考虑偏压固结比和动应力比影响的碱渣土循环强度弱化模型;引入强度提升系数α,建立了考虑偏压固结过程和循环加载过程耦合影响的碱渣土强度演化模型,并通过试验数据验证了模型的正确性。

改进烟花算法计算热态轴类锻件内圆柱体空洞缺陷深度

针对高温状态下热态轴类锻件内部产生的圆柱体空洞缺陷测量困难的问题,提出基于改进的烟花算法检测空洞深度方法。根据锻件的内部微元模型和瞬态温度场传热微分方程推导圆柱体空洞温度场与空洞半径关系的微分方程,利用分离变量法求解;对烟花算法进行改进,以提高圆柱体空洞深度检测精度;构造缺陷深度的目标函数进行测试,得到最优解的相对误差为2.5%。最后,运用所提方法、PSO算法和传统的烟花算法于同一深度的空洞分别进行检测,验证所提方法的可行性。

利用五维数据直接提取裂缝型储层参数

现有裂缝型储层流体识别方法在构建流体敏感参数过程中没有考虑岩石骨架、裂缝、孔隙及油气水耦合影响,对五维数据中丰富的方位信息蕴含的流体信息挖掘不够,并且针对裂缝型储层油气识别以间接计算参数为主。宽方位地震五维数据反演本身存在“病态解”及“不确定性”等问题,多裂缝参数同时反演更易导致储层参数反演精度下降。因此,基于间接代数组合的流体因子在计算过程中不可避免地累积计算误差,影响油气识别效果。为此,结合各向异性Gassmann孔隙弹性理论和线性滑动理论,以“固液缝”解耦流体因子为基础,推导了由“固液缝”解耦流体因子直接表征的新的纵波反射系数方程,分析、讨论了新纵波反射系数方程的适用条件及敏感性;在此基础上,构建贝叶斯框架的地震反演目标函数,并基于时频资料研究五维数据流体识别方法,可直接获得裂缝型储层“固液缝”解耦流体因子,消除了累计误差的影响,提高了预测精度。模型试算及实际资料处理表明,所提方法可以合理、可靠地预测裂缝型储层油气分布。

碱激发污泥灰 偏高岭土胶砂孔结构与强度关系

为了探究不同偏高岭土掺量及不同碱掺量下污泥灰胶砂抗压强度与孔结构之间的关系,以污泥焚烧灰与偏高岭土混合物替代40%水泥,在NaOH与水玻璃激发下制备碱激发污泥灰偏高岭土胶砂,通过分析胶砂的微观形貌、物相组成、官能团构成、孔结构特征与抗压强度之间的联系,建立了抗压强度与孔隙率和无害孔占比的二元线性关系模型。结果表明:胶砂的密实度与抗压强度均随偏高岭土掺量的增加而提高,随碱掺量的增加先降低后提高;当碱掺量质量分数为5%、偏高岭土掺量质量分数为12%时,胶砂水化产物较多,抗压强度最高,达57.8 MPa;胶砂的孔隙率与无害孔占比受偏高岭土掺量与碱掺量影响较大,与抗压强度线性关系较强;建立的二元线性关系模型与实验数据吻合良好。

土石坝心墙孔压及其分布特征形成机理研究

心墙孔压对大坝稳定性有重要影响。为了进一步掌握土石坝心墙孔压的变化趋势和分布特点,提出流固耦合分析法,并将数值模拟计算结果和实测值进行对比。结果表明,不排水条件下的流固耦合分析方法效果较好,具有高效、简便的优点,能够较好地对心墙的变形和孔压进行模拟;初始饱和度对计算孔压时程影响较大,计算孔压随着初始饱和度的增大而增大,两者为非线性关系;最大监测值小于最大计算值,表明现有渗压计的监测覆盖范围不足,可适量提高渗压计的数量;心墙饱和度的随机性是导致大坝心墙孔压分布不均匀的主要因素;平均饱和度一致时,心墙沉降值基本不会受到饱和度随机性分布的影响。

煤吸附气体的固气作用机理(Ⅰ)——煤孔隙结构与固气作用

文中重点讨论了煤孔隙的固气作用分类方案,用压汞法和液氮吸附法联合测试了沁水盆地南部煤样 品煤孔隙并分析了固气作用煤孔隙发育特征,探讨了固气作用煤孔隙类型的成因与分布规律。认为:煤中存在渗 流孔隙、凝聚—吸附孔隙、吸附孔隙和吸收孔隙四种固气作用孔隙类型;沁水盆地南部C—P煤储层凝聚—吸附孔 隙较其他地区同煤级煤显著发育,凝聚—吸附孔隙和吸收孔隙对煤比表面积有重要贡献;煤的岩石学结构决定渗 流孔隙发育,吸附孔隙、吸收孔隙与煤的有机大分子结构有关,凝聚—吸附孔隙可能是煤的有机大分子结构和岩石 学结构演化共同作用的结果。

南京地区土体热物理性质测试与分析

通过对南京地区大量黏土和粉质黏土样品的比热容值和导热值的测试,分析土体热物理性质与其含水量、孔隙比的相关关系。对影响土体比热容值、导热值的因素作了详细分析,提出根据土体含水量计算土体比热容和根据含水量、孔隙比值计算土体热导率的经验计算公式。

多级孔WO_3/ZrO_2固体酸催化剂的制备与表征

采用复合模板表面活性剂辅助水热法一步合成了WO3/ZrO2多级孔固体酸催化剂,并应用X射线衍射、低温N2吸附-脱附、拉曼光谱及NH3程序升温脱附对催化剂进行了表征.结果表明,WO3的引入使得WO3/ZrO2催化剂的比表面积增大,表面的酸中心明显增加.在乙酸和正丁醇的酯化反应中,WO3/ZrO2多级孔固体酸催化剂表现出较高的催化活性,并具有一定的重复使用性能.当WO3负载量为20%时,经550oC焙烧5h的WO3/ZrO2固体酸催化剂性能最佳.