粘土类矿物对泥岩孔隙结构及吸水特性的影响研究

发布时间：2020-06-14 17:37

【摘要】：泥岩吸水性较强,并在吸水后软化、崩解,极易引发滑坡、突水或突泥等重大地质灾害。而泥岩内粘土矿物的赋存种类及含量是其吸水性的主要影响因素之一。泥岩中粘土矿物的化学组成较为相近,主要由硅铝酸盐构成,因此泥岩中粘土矿物孔隙结构的变化会导致其吸水性的显著差异。因此探究泥岩中粘土矿物的种类及含量对其孔隙结构及吸水特性的影响规律,将为进一步研究泥岩因吸水弱化诱发的突水、滑坡等灾害提供理论支撑。泥岩内常见的粘土矿物主要有蒙脱石、高岭石及伊利石,且通常以混合形式存在。为模拟真实泥岩粘土矿物组成,本文选取化学纯的蒙脱石、高岭石及伊利石,将其按照一定配比进行混合,制成人工掺杂粘土矿物。同时还采集了两种泥岩样品,通过对照分析,揭示了粘土成分对泥岩吸水特性影响的实质。采用X射线衍射仪及低温液氮吸附仪对样品的矿物成分及孔隙结构进行测试。在不同的相对湿度条件下,对人工掺杂粘土矿物及泥岩样品进行了吸水实验,将孔隙结构与样品的吸水量进行了关联。所得研究结果如下:(1)高岭石的孔隙结构偏向于狭缝平板型,伊利石的孔隙结构偏向于墨水瓶型,蒙脱石和人工掺杂粘土矿物的孔隙结构则兼具狭缝平板与墨水瓶型的特点。本文所取两类隔水层处的泥岩样品,主要含有的粘土矿物为高岭石、伊利石和少量蒙脱石,其孔隙结构特征与人工掺杂粘土矿物相同较为相似。由于泥岩中含有较多石英、长石等孔隙结构不发达的矿物,与人工掺杂粘土矿物相比,泥岩样品的比表面积、孔体积等孔隙结构参数相对较小。(2)基于分形FHH模型,可依据低温液氮吸附数据,计算粘土矿物多层吸附和毛细凝聚阶段的分形维数。由于多层吸附与毛细凝聚阶段的划分没有严格量化的区分指标,因而存在多种阶段划分方式。阶段划分点的选择对人工掺杂粘土矿物及泥岩样品多层吸附阶段分形维数的计算结果影响相对较大,对两种样品毛细凝聚阶段分形维数的计算结果影响较小。与人工掺杂粘土矿物相比,泥岩样品由于其成分更为复杂,因而计算所得的分形维数相比更大。(3)人工掺杂粘土矿物及泥岩样品吸水率均随相对湿度的升高而增加。两类样品在不同相对湿度条件下的吸水率可由Guggenheim-Anderson-deBoer(GAB)模型进行拟合。根据拟合计算所得的单层吸附量可知,人工掺杂粘土矿物及泥岩样品由单层吸附阶段向多层吸附阶段的转折区间均介于相对湿度11%～33%的吸附量之间。人工掺杂粘土矿物的吸水率可以根据单一矿物吸水率按照配比进行预测,人工掺杂粘土矿物的吸水率与所含矿物类型及比例密切相关,蒙脱石与高岭石混合的样品、蒙脱石与伊利石混合的样品中吸水率随蒙脱石含量的增加而增加,高岭石与伊利石混合的样品中吸水率随高岭石含量的增加而增加。泥岩的吸水率可根据人工掺杂粘土矿物吸水率与矿物类型及比例间的对应关系进行预测。(4)人工掺杂粘土矿物及泥岩样品的比表面积和吸水率线性相关度最高,两类样品的吸水率随比表面积的增加而升高。孔体积及平均孔径与吸水率没有显著相关性。粘土类矿物主要通过改变比表面积对泥岩的吸水性产生影响。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD985
【图文】：

回滞环

图 1-1 回滞环分类Table 1-1 Classification of backward loop粘土矿物孔隙结构的研究主要集中在一些常见粘土矿物（蒙脱一些富含粘土矿物的泥岩中。由于孔隙结构与吸附的关系极为者普遍采用气体吸附法对粘土矿物的孔隙结构进行表征。气体Brunauer、Emmett 及 Teller 三人在 1938 年提出的 BET 多层吸附于 BET 模型诞生了一大批物理吸附仪，人们采用低温液氮、粘土矿物进行等温吸脱附实验。根据所得测试结果，采用 BET进行计算。之后在开尔文方程的基础上又出现了 BJH 理论，使物孔径、孔容等参数。随后在 20 世纪 90 年代，Avnir 等[22]将型，建立了适用于粗糙表面的分形 FHH 吸附模型，进而通过孔隙壁面的分形维数，对矿物孔隙壁面粗糙度进行定量化描述少学者采用扫描电镜的技术手段对粘土矿物的孔隙结构进行研

矿物成分,样品制备,称重,孔隙

2-3 实验实施过程图：（a）样品制备、（b）水分吸附、（c）干燥称重、（d）孔隙及矿物成分测igure 2-3 Experimental implementation process: (a) preparation of samples, (b) water absorption, (c) drand weighing, (d) test of pore structure and mineral composition2.4 本章小结本章详细介绍了实验所需的试剂、样品矿物成分测试设备、孔隙结构测试设备及吸水实验装置。并选取蒙脱石、高岭石及伊利石三种典型粘土矿物，依据不同配比用加水搅拌的方式，在 25 ℃条件下制备了人工掺杂粘土矿物。同时本章详细阐述取泥岩样品的采样条件及采样后对样品的加工过程。此外，本章还分析了泥岩与所工掺杂粘土矿物的矿物组成成分，并设计了不同相对湿度条件下的实验方案，设定RD 及低温液氮吸附实验的条件，为进一步探究人工掺杂粘土矿物的孔隙及吸水特供了实验基础。

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