不同固结压力下膨胀土微观结构的演化过程研究

文章利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对不同固结应力下膨胀土试样进行微观成像,基于ArcGIS数字图像处理技术分析原状土、重塑土、石灰改良土在不同固结应力下的孔隙比、三维分形维数、圆形度及形状系数的演化规律。图像分析结果表明,在三维空间基于灰度值法可以较好地分析不同固结应力下土体孔隙比的变化规律;在一定固结应力范围内,随着压力的增加,土体微观结构单元体的分形维数与固结应力存在较好的线性关系;随着固结应力的增加,单元体的熵、圆形度、形状系数先增加再减小。该研究结果揭示了土体微观结构与宏观固结应力之间存在的相关关系;同时通过不同的土体试样微观结构参数演化过程,说明了石灰对膨胀土改良的效果。     

黏土矿物微观孔隙结构的分形特征

以深部软岩中黏土矿物为研究对象,运用Image-proplus专业图像分析软件,对黏土矿物微观结构SEM图像进行处理,提取孔隙信息,结合分形理论,对微观孔隙结构进行分形数值分析。研究表明：软岩中黏土矿物微观孔隙结构分布具有分形特征,试样的分形维数在1~2。具有不同微观结构形态的相同类型黏土矿物和具有同种微观结构形态的不同类型黏土矿物,其分形维数均有差异。孔隙分布均匀程度与分形维数成反比。     

基于分形理论的疏浚淤泥固化土孔隙结构定量化研究

在分析疏浚淤泥固化土试样累计进汞曲线及SEM照片的基础上,基于分形理论,求得疏浚淤泥固化土孔隙结构的分形维数,确定了分形维数与微观结构参数、宏观力学性质以及固化材料比例之间的关系.研究结果表明:疏浚淤泥固化土微观孔隙结构具有明显的分形特征,其分形维数在2.8~3.2.并且,疏浚淤泥固化土的分形维数与平均孔径、孔表面积、承载比、黏聚力、内摩擦角以及矿粉掺量之间均具有很好的相关性:分形维数越大,疏浚淤泥固化土的平均孔径越小,比表面积越大,压缩指数越小,承载比、黏聚力和内摩擦角越大;分形维数随着配比中矿粉掺量的增加逐渐增大.采用分形维数可很好地定量描述疏浚淤泥固化土孔隙结构特征及力学特性,也可为疏浚淤泥固化土宏微观特性分析及模型的建立提供数据支持.     

基于光学法的纤维增强RPC力学性能及微观结构分形特征研究

为探究纤维增强活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)的宏观力学性能与微观孔隙结构特征之间的关系,测试了不同水胶比、不同河砂替代率的RPC抗压、抗折强度,并基于光学法测定了其微观孔结构参数;建立了基于气泡分布的分形模型并计算出了RPC的气泡分布分形维数;最后通过试验数据拟合,分析了气泡分形维数与孔结构参数及RPC力学性能之间的关系.结果表明:RPC基体的气泡分布具有明显的分形特征,气泡分布分形维数在2.1～2.3之间;分形维数越大,基体孔隙结构的空间分布形态越复杂;RPC基体的含气量不具备分形理论的特征,而气泡平均弦长、气泡比表面积与气泡分布分形维数呈现明显的指数相关性;RPC抗压强度、抗折强度随分形维数增大,呈明显指数增大关系.     

陇东地区长7致密油储层微观孔喉结构 分形特征

微观孔隙结构研究对低渗、超低渗或致密砂岩油藏的渗流机理认识及开发有着极其重要的意义。利用鄂尔多斯盆地陇东地区36口井40块岩样的压汞资料,研究了长7储层微观孔隙结构的分形特征。研究发现,储层孔隙结构存在单一分形和多段分形特征。不同孔径范围具有不同的分形维数。不同的分形特征反映微观孔隙结构组合特征也是不同的,揭示了研究区储层孔隙结构的复杂性。表征微观孔隙结构的参数与分形维数存在良好的线性关系,表明可以用分形维数表征储层微观孔隙结构的非均质性。     

分形多孔介质渗透率与孔隙度理论关系模型

基于多孔介质微观孔隙结构的分形特征、毛管模型和Poiseuille方程建立了计算分形多孔介质宏观物性参数渗透率与孔隙度的理论模型,给出了二者之间新的理论关系式.分形多孔介质宏观物性参数及其关系式是多孔介质微观孔隙结构分维数、分形系数和微观结构参数的函数,不包含任何经验或实验常数.定量分析了多孔介质微观孔隙结构分维数、分形系数和微观结构参数对分形多孔介质宏观物性参数及其关联式的影响.理论计算结果与实验结果存在较好的一致性,表明理论模型是有效的.     

残余油微观分布定量化解释及孔隙微观结构变化研究

为进一步研究不同孔隙下残余油饱和度的分布状况,以及残余油对于孔隙微观结构的影响,利用压汞法进汞毛管力曲线计算岩心原始孔隙半径;结合退汞毛管力曲线建立了不同孔隙半径所对应的残余油饱和度计算方法。在此基础上,利用分形理论研究空白岩心及退汞饱和度下的分形维数变化。结果表明:孔隙半径处于1.1~5μm范围相对大孔隙的分形维数高于半径处于0.03~1.1μm范围内小孔隙的分形维数,大孔隙不规则性强于小孔隙;同时在残余油饱和度下,岩心微观孔隙分形维数基本保持恒定,为2.065左右;且进汞时小孔隙维数D-in2、退汞时维数D分别与最大进汞饱和度和退汞饱和度具有明显线性关系。可见,通过开展对孔隙当中微观残余油分布的研究,对今后从降低残余油饱和度角度进行提高采收率研究具有非常重要的学术价值。     

基于高压压汞法的泥页岩储层分形研究——以松辽盆地青山口组湖相泥岩为例

基于高压压汞数据,以松辽盆地青山口组湖相泥岩为例,首次利用分形理论研究泥页岩孔隙结构分形特征.根据毛管压力曲线和J函数曲线的分形几何公式获得泥页岩过渡孔(10~100 nm)分形维数.过渡孔分形维数与泥页岩组成、结构(有机地球化学参数TOC、S1、S2,孔隙结构)之间关系分析表明:过渡孔分形维数随TOC含量增加而呈现先降低后趋于平缓的趋势;中值孔径相比较平均孔径、最可几孔径,与过渡孔分形维数相关性最强;黏土矿物中不同组分对孔隙的影响不同,从而泥页岩过渡孔分形维数与黏土矿物含量相关关系均较差;石英受自身脆性、溶蚀作用及次生加大等作用的影响,与过渡孔分形维数相关性较差;过渡孔孔隙结构越复杂,非均质性越差,汞越容易滞留其中,退汞效率越低.     

郭家镇隧道泥岩膨胀特性试验研究

宝鸡至兰州客运专线7标郭家镇隧道穿越第三系泥岩、砂质泥岩地层,该套地层岩体含有较多的亲水矿物,具有遇水膨胀、软化、失水崩解、开裂的典型膨胀性特征,在隧道施工前,需要掌握泥岩膨胀特性,以对隧道施工方法、支护结构进行合理设计。以隧道穿越的泥岩为研究对象,采用室内试验为手段,对泥岩膨胀性进行了研究。具体工作内容包括:现场采集大块岩样;室内加工岩样,得到了满足试验要求的原始试样;自由膨胀率、侧限膨胀率和膨胀力试验;判定膨胀岩的膨胀特性。研究结论:岩石膨胀力为10.30~95.61 k Pa,径向和轴向自由膨胀率分别0.8%~1.0%和4.8%~6.8%,因此,郭家镇地区灰质泥岩属于弱膨胀性软岩;由最大膨胀力判断出隧道膨胀岩属于弱膨胀岩。试验所得成果可为类似工程地质条件下工程建设提供参考与借鉴。     

上覆荷载影响下膨胀土微观机理孔隙特征

为研究外部上覆荷载对弱膨胀土孔隙结构的影响,对不同上覆荷载作用下吸水变形后的膨胀土试样进行微(纳)米级微观压汞试验.结果表明,试样孔径分布范围为360～0.005μm,总孔隙体积随上覆荷载增大而减小,试样的孔径分布密度曲线呈双峰分布,原因是膨胀土的孔隙有团粒内孔隙和团粒间孔隙两种模式,选取0.2μm作为两种孔隙的界限值.当上覆荷载大于膨胀力时,试样被压缩,孔隙量减小,试样在外力作用下的变形主要是由于团粒内大孔隙结构被压缩,而小孔隙结构几乎不受影响.     

风速对浇筑期轻质泡沫混凝土性能的影响

为了探究风速在浇筑期对轻质泡沫混凝土（lightweight cellular concrete,LCC）性能的影响规律,设计模拟风速的室内试验研究了LCC宏观性能和微观结构的演变规律,并揭示了微孔结构参数与宏观性能参数之间的相互关系。结果表明：当风速在4级风以下和持续时间在6 h以内,LCC干密度和抗压强度均与风速呈正相关,吸水率与风速呈负相关;等效孔径和平均孔圆周度与风速呈负相关,孔径分布符合对数正态分布,气孔逐渐趋于有利于受力特性的圆形;风速对孔隙分布分维影响不大,但总体趋势也是与孔分布分维呈负相关。可见,在4级风以下和持续时间较短（6 h以内）时,风速增长、时间延长总体上对LCC各项性能起优化作用。     

膨胀性泥岩抗剪强度与含水率相关性机理

为探讨膨胀性红层泥岩在不同含水率状态下抗剪强度的变化规律,分别对不同含水率的重塑样、黏土单矿物样、配土样进行直剪试验.依据抗剪强度参数值的变化规律及微结构特征对其相关性进行分析,得出以下结论:①重塑泥岩黏聚力随含水率的增加,呈先增大后减小的趋势;内摩擦角随含水率的增加呈非线性递减的趋势.②蒙脱石随含水率增加,抗剪强度呈先增大后减小的趋势,含水率在22％附近出现抗剪强度峰值;伊利石和绿泥石在含水率分别为18％和19％时,黏聚力出现峰值,而两类黏土矿物的内摩擦角受水的影响相对较小.③蒙脱石含量在30.42％时,基本体现该类矿物的抗剪特征;绿泥石含量达到18.3％时,对试样内摩擦角的主控作用相对较强.④孔隙数量越多,膨胀性相对减弱;结构越密实,胶结度越好,其黏聚力值相对增大.     

基于分形理论的饱和多孔介质电导率模型建立

多孔介质具有复杂的内部孔隙结构,其固体基质的组成成分、内部孔隙的几何形状及其赋存于内部孔隙的液体成分都对多孔介质的电导率有较大影响,因此很难对其导电特性进行准确表征。多孔介质内部孔隙的不规则性表现出极强的分形特性,其分形维数在一定程度上能反映多孔介质的内部微观结构特征,且分形几何理论已经被用于多孔介质输运特性的研究中。为进一步丰富多孔介质电导率模型,促进对微观物理结构如何影响其宏观电导性的理解,本文基于分形理论,以多孔介质微结构参数（孔隙度、孔隙分形维数和曲率分形维数）为基础,建立了多孔介质的电导率模型。以现有试验数据为基础,对推导电导率模型的正确性进行验证,结果表明,两者具有较高的一致性,说明该电导率模型的正确性和有效性。     

页岩纳米孔隙表面分形特征及其影响因素

明确页岩纳米孔隙表面分形特征有助于深化对页岩吸附机理与吸附模型的认识。以五峰组/龙马溪组、延长组页岩为研究对象,基于氮气吸附法孔隙结构参数,计算了页岩纳米孔隙表面分形维数,并与泥岩、致密砂岩分形维数对比,揭示了有机质、黏土矿物等对孔隙表面分形特征的影响。研究表明,五峰组/龙马溪组页岩纳米孔隙表面分维值为2.7~2.9,延长组页岩为2.3~2.7,其分维值取决于10 nm以下孔隙累计表面积大小;页岩分维值与有机质成熟演化阶段正相关,而与有机质含量关系复杂;有机质孔与黏土矿物晶间孔表面均具有明显的分形特征,该孔隙发育是页岩具有表面分形特征的根本性原因,但前者的分维值显著大于后者。有机质与黏土矿物表面呈现高度粗糙性,严重偏离光滑平整特性,因此,甲烷在页岩纳米孔内的吸附属于典型的非均匀固体上的吸附。     

准噶尔盆地乌尔禾组凝灰岩孔隙特征及其主控因素

为明确东道海子凹陷乌尔禾组凝灰岩孔隙结构与主控因素,基于低压CO₂吸附、低温N₂吸附以及高压压汞实验,对凝灰岩全尺寸孔隙孔径进行表征;基于分形理论,对凝灰岩微孔和介孔的孔隙复杂程度和非均质性进行定量表征,阐明影响与控制凝灰岩孔隙结构的主要因素。结果表明,凝灰岩主要发育锥形管孔、开口的锥形平板孔和狭窄的平行板孔等形态孔隙,孔径呈多峰分布;凝灰岩总孔体积介于0.005 4～0.047 8 cm³/g,各类孔隙发育程度差异较大,凝灰岩总孔体积主要由介孔所提供,介孔体积介于0.004 2～0.041 3 cm³/g,平均0.026 0 cm³/g,平均占比75.10%;其次是微孔和宏孔,微孔体积介于0.000 6～0.005 5 cm³/g,平均0.003 1 cm³/g,宏孔体积介于0.000 6～0.005 3 cm³/g,平均0.002 8 cm³/g,二者的占比分别为11.5%和13.4%;...     

桉木浆纤维多孔结构的分形分析

采用低温氮吸附法测量了桉木浆纤维的内部孔隙结构。结果表明,桉木浆纤维表面密布孔洞,孔隙分布以中孔为主,有一定量的大孔,微孔数量有限。原子力显微镜（AFM）观察也证实这一点。在低温氮吸附实验的基础上,把分形理论用于分析桉木浆纤维的孔结构,发现桉木浆纤维具有分形特征,其分形维数为2.82,分维数接近3,说明植物纤维表面较为粗糙,是密布孔洞。桉木浆纤维分形维数与其保水值等宏观性质有密切的关系。     

渝东南下志留统龙马溪组不同岩相页岩的孔隙结构与分形特征

下志留统龙马溪组是中国重要的页岩气勘探开发层位.其中页岩气主要产自下部含黏土硅质海相页岩.为探究渝东南地区各井段勘探效果差异性,压裂段产气不均等问题,以YC-6井为例,通过矿物组分将页岩样品划分为含硅黏土质页岩和含黏土硅质页岩,结合有机碳含量(total organic carbon,TOC)测试,镜质体反射率测试,X射线衍射分析(X-ray diffraction,XRD),低压氮气吸附及高压压汞(mercury intrusion capillary pressure,MICP)实验,分析了YC-6井龙马溪组两种不同岩相页岩的孔隙结构特征.并基于Frenkel-Halsey-Hill(FHH)模型计算了不同岩相页岩的孔隙分形维数.结果表明:YC-6井龙马溪组整体含气量低.下部含黏土硅质页岩平均TOC为4.31％,高于上部含硅黏土质页岩(1.13％),同时总孔体积和比表面积也高于后者.不同岩相页岩的分形维数D2均大于D1,表明孔隙结构复杂程度大于孔隙表面.分形维数与总孔体积和比表面积均呈正相关关系,表明具有大比表面积,大孔容的孔隙结构更复杂.TOC和矿物组分含量是页岩孔隙分形维数的重要影响因素.TOC与分形维数呈正相关关系,有机质含量越高,在热演化过程中将生成更多微小的孔隙,从而使孔隙结构更加复杂;黏土矿物含量越多,分形维数越低,黏土矿物在成岩过程中受到压实作用,使得黏土矿物颗粒排列更为紧密,孔隙更加规则,均质性更强,分形维数更低;海相页岩中的石英多为生物成因,其自身的不规则性将使孔隙结构复杂,分形维数变大.     

阈值选取对黏土微结构参数的影响

为了研究闲值选取对黏土微结构参数的影响,以天津黏土为例,分析了Leica QWin系统提取扫描电镜(SEM)照片信息过程中,阈值对微结构参数的影响.分析了在最大方差阈值条件下,SEM图像在展示同一样品不同观察点微结构特征时存在的差别.研究了分形维数、各向异性、颗粒长宽比、颗粒圆度、颗粒面积以及颗粒平均灰度等微结构参数随...     

疏浚土固化前后的压缩模量及微观结构变化的定量研究

在不同养护龄期和固化剂掺量的条件下,用WK-G1固化剂对横沙岛区疏浚土进行了固结试验,得到固化疏浚泥的压缩模量Es与固化剂掺量、养护龄期之间的关系;并利用电镜扫描(SEM)对其中某一特定固化剂掺量和不同龄期下的固化疏浚土的微观结构进行观测。运用IPP图像处理软件和Matlab编程对固化土SEM图像进行处理,得到固结过程中不同龄期下的粒度分维D_(ps)和孔径分维D_(bs)、颗粒分布分维D_(pd)和孔隙分布分维D_(bd)、颗粒表面起伏分维D_(pr)以及颗粒和孔隙的个数、平均面积、平均直径等微观结构参数。并对微观结构参数和分维数与压缩模量的关系作了定量分析。结果表明:在WK-G1固化剂固化疏浚土的过程中,压缩模量Es随着龄期和固化剂掺量的增加而显著增大;微观结构方面表现出土颗粒数增多,颗粒分布集中,平均粒径和颗粒平均面积增大,颗粒表面起伏变大,颗粒逐渐均一化;孔隙数增多、平均孔径变大、孔隙平均面积减少、孔隙更加分散,均一化变差;各分维值与龄期和压缩模量具有高度的线性关系,相关系数R~2可达0.97。     

固结蠕变下软土微观结构参数的定量分析

为了探究土的微观结构特性和更加准确的描述土的变形过程,从微观上分析珠三角地区软土的固结蠕变,对软土的微观结构特征、孔隙个数和直径、孔隙和颗粒丰度、孔隙定向频率等方面进行了定量分析,对代表性广州番禺地区的土样试验结果表明:原状土样的微观结构主要是以蜂窝状和基质状结构为主,土体颗粒接触方式主要为点-点接触和点-面接触;当施加轴向固结荷载时土体的结构发生变化,轴向荷载较大时,土体的微观结构以紧密的骨架状和紊流状结构为主,土体颗粒的接触方式以面-面接触为主。软土在蠕变过程中,土体颗粒和孔隙大小的变化都遵循大孔隙优先改变原则,颗粒和孔隙的边界变得圆滑且形状趋向于扁圆形。蠕变后,颗粒和孔隙的个数有明显增加,直径都有明显减少,孔隙丰度值和复杂度有所降低。原土的分形维数高于土体蠕变变形后的分形维数。当固结应力增大时,土中孔隙的分形维数不断减小,大孔隙不断减少,大颗粒破损,小颗粒被挤入大孔隙中,颗粒和孔隙朝着均匀化方向发展。