壓汞試驗技術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湖北工業大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430068；2武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢430070）

王思敬院士認為，對土體微觀結構的研究將是21世紀工程地質研究的新趨勢，在巖土多孔介質的變形、強度、穩定性以及水利特性等方面，會獲得比傳統研究思路更為可喜的成果，解決巖土領域懸而未決的難題，可見，對黏性土微觀孔隙結構的研究至關重要［1］.目前，多用電鏡掃描和CT等技術研究物體的微觀孔隙結構，如鄧津［2］等人對甘肅永登的濕陷性堆積黃土微觀孔隙結構的研究，單紅仙［3］等人對水動力作用下的黃河水下三角洲粉土微觀結構改造進行的研究，陳嘉鷗、周翠英［4－6］等人對軟土微結構的研究，唐益群等對上海地區地鐵行車荷載作用下的飽和土微觀結構的研究［7］，但是這些常規的研究方法都很難做到定量的分析孔徑分布，不足以準確分析該工程環境中的土質特性.隨著壓汞試驗技術的逐漸成熟，越來越多地被運用于各種領域的試驗研究，本文基于壓汞試驗技術研究黏性土的孔隙孔徑分布特性，得出了一些有益的結論，為進一步深入研究土體的宏觀物理特性奠定了基礎.

1 壓汞試驗的基本原理

汞對大多數的固體都是非潤濕的，故假定汞對所制試樣非潤濕，且接觸角為定值，本次試驗將接觸角定為140°；表面張力不變，本次試驗中設定為0.48N／m；所切取的試樣強度足夠大，不會被壓縮

式中：p為進汞壓力，MPa，γ為汞表面張力，此試驗中為0.48N／m，θ為汞接觸角，此試驗中為140°，d為孔徑，μm，由公式（1）可以看出，進汞壓力和孔徑是一一對應的關系，假定表面張力和接觸角都不變時，進汞壓力和孔徑成反比，可以通過控制進汞壓力來確定孔徑的大小和孔隙的分布.施加一定的進汞壓力，汞就只能進入對應孔徑的孔隙中，在本次試驗中，進汞壓力范圍為6.556 9～199 190.558 6kPa，根據公式（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，汞在進入小孔徑時，必須施加一定的外部壓力，進汞壓力和孔徑大小遵循Washburn公式

2 試驗研究

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 試驗方法及步驟

2.1.1 制樣方法 將所取土樣風干后，過2mm篩，測出土樣的各種物理特性，多次試驗證明：含水率15%左右時，制樣效果最好，測出土的風干含水率ω0之后，經計算，稱取一定質量的風干土樣和蒸餾水，按照《土工試驗規程》［8］將其制成含水率為15%的試樣土，密封靜置24h，復測含水率，得出實際含水率為15.13%；本次試驗制樣采用液壓千斤頂靜壓試驗方法制備重塑試樣，環刀采用核磁共振專用環刀（體積為32cm3），控制干密度為1.4g／cm3，經計算稱取一定質量試樣土（含水率為15.13%），制備3組相同平行試樣，再將所制備試樣進行抽氣真空飽和，抽氣時間為4h，放入水中靜置24h，使飽和度達到95%以上，達不到，繼續進行飽和.

2.1.2 試樣預處理 飽和度達到要求后，將試樣進行液氮極速冷凍，使土中的液體成為不具有膨脹性的非結晶態冰，然后利用冷干機抽真空，使土中非結晶態冰冷升華.

2.1.3 壓汞試驗 用推土器將預處理過的試樣從環刀里小心的取出，使用細鋼絲鋸將試樣切取1cm3的小方塊，進行壓汞試驗.實際操作過程應盡量避免對試樣的破壞擾動，保證試驗結果的可靠性.控制進汞壓力和進汞速度，將汞壓入試樣孔隙中，使汞充斥孔隙，記錄每一級進汞壓力時的進汞體積，利用Washburn公式將進汞壓力換算成孔隙孔徑，得到試樣的孔隙孔徑分布結果.

2.2 試驗儀器

測試儀器為美國康塔公司生產的PoreMaster33壓汞儀（圖1）.該儀器的孔徑分布測定范圍為950～0.0064μm.

圖1 PoreMaster33壓汞儀

3 試驗結果與分析

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

孔隙孔徑各劃分區間總進汞體積與區間內最小孔徑的關系曲線見圖3，在試樣孔隙孔徑為8.75～62.5μm的范圍內，區間總進汞體積波動變化幅度比較大，其余區間段，雖然有波動，但是幅度很均勻，這再次印證了該試樣的孔隙孔徑大多數為8.75～62.5μm，在孔隙孔徑為17.5～27.5μm時達到峰值，是含量最多的孔徑范圍.

進出汞壓力與累計進汞體積的關系曲線見圖4，在進汞壓力小于1 000psi時，進汞體積增長速度很快，之后，進汞壓力雖然不斷增加，但是累計進汞體積基本無大變化，根據進汞壓力與孔隙孔徑成反比的關系，可知該試樣孔隙主要是大孔隙；隨著進汞壓力的增加，累計進汞體積不斷增加，當出汞時，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，但是進汞曲線和出汞曲線并不閉合，說明有部分汞無法從孔隙中退出，這主要是由于在進汞過程中，在大的進汞壓力下，有部分孔隙喉道被壓力破壞，導致形成部分小的封閉區域，退汞時，這部分汞就退不出來，根據試驗結果知，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，進汞曲線和出汞曲線路徑并不重合，在給出一個壓力時，出汞曲線要比進汞曲線高，給定一個進汞體積時，進汞時的壓力要比出汞時的壓力大.

圖4 壓力與VHg的關系圖

另外，壓汞試驗中，有學者把孔徑大于50nm的孔隙叫做大孔，2～50nm的為中孔，小于2nm的為微孔.根據進汞曲線圖，可以求出該試樣的孔隙對應于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 孔隙累計分布曲線

4 結論

通過在中科院武漢分院采用壓汞實驗方法對武漢漢街地區土質的微觀孔隙結構進行研究，得出如下結論：

壓汞試驗中，將孔徑半徑大于50nm的叫做大孔，試驗結果表明該黏性土試樣的孔隙以大孔為主，大孔所占的比例達到86.68%；該黏性土試樣的孔徑主要分布在8.75～62.5μm范圍內，占孔隙總體積的36.824%；從壓汞試驗的進汞曲線和出汞曲線的路徑不一致可以看出，汞不能按著原來的路徑退出，會殘留大部分在試樣孔隙中，本試驗有90.6%的汞殘留在孔隙中.

［1］陶高梁.巖土多孔介質孔隙結構的分形研究及其應用［D］.武漢：武漢理工大學圖書館，2010.

［2］鄧 津，王蘭民，張振中，等.甘肅永登濕陷性新近堆積黃土的微觀結構分析［J］.西北地震學報，2005，27（3）：267－271.

［3］單紅仙，劉媛媛，賈永剛，等.水動力作用對黃河水下三角洲粉質土微結構改造研究［J］.巖土工程學報，2004，26（5）：654－658.

［4］陳嘉鷗，葉 斌，郭素杰.珠江三角洲黏性土微結構與工程性質初探［J］.巖石力學與工程學報，2000，19（5）：674－678.

［5］呂海波，趙艷林，孔令偉.軟土結構性破損的孔隙分布試驗研究［J］.巖土力學，2003，24（4）：573－578.

［6］許 勇，張季超，李伍平.飽和軟土微結構分形特征的試驗研究［J］.巖土力學，2007，28（增）：49－52.

［7］陶高梁，張季如，黃 麗，等.多孔材料孔隙特性的分形描述［J］.建筑材料學報，2010，13（5）：678－681.

［8］南京水利科學研究院土工研究所.土工試驗技術手冊［M］.北京：人民交通出版社，2003.