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  • 土木工程视角下塑性对冻土未冻水含量影响的核磁共振试验研究

    发布时间:2020-09-07 13:30    浏览量:
    主要研究内容和成果如下:1) 对膨润土-标准砂混合土样和膨润土-粉质黏土混合土样,采用温控核磁共振仪进行多级降温试验,获得土样冻结过程中未冻水含量随温度的变化曲线,即冻结特征曲线发现冻结特征曲线分为过冷阶段、快速下降阶段和稳定冻结阶段随着土的塑性增强,冻结特征曲线的过冷阶段变得不明显;快速冻结阶段变得平缓,即同一温度下未冻水含量变大;稳定冻结阶段几乎没有变化2) 通过核磁共振试验,获得不同土样在不同温度下的横向弛豫时间 T2 分布曲线,发现 T2 分布曲线的峰值点随温度降低逐渐向孔径变小的方向移动,结合 T2 和孔径的理论关系公式,认为塑性对未冻水含影响的根本原因在于不同塑性的土样具有不同的比表面积和结合水含量土的塑性越大,比表面积越大,水所赋存的孔径越小,即结合水含量越多而结合水的冻结温度低于自由水,这使得塑性大的土样较难冻结,在同一温度下具有较高的未冻水含量第 1 章 绪论1.1 研究背景冻土是指 0℃以下,并含有冰的各类岩石和土壤冻土对温度极为敏感,其力学性质随温度变显著改变温度对冻土力学性影响的原因归根结底主要是温度改变了冻土内部固态冰与液态水的相对含量研究冻土内部未冻水的含量、影响因素和变化迁移规律对揭示冻土的力学特性至关重要,有助于解决寒区岩土工程建设和城市地下空间开发过程中出现的各类冻土力学问题(1)研究冻土未冻水含量有助于寒区岩土工程建设冻土按照成因分为天然冻土和人工冻土前者是在自然界低温条件下自发形成的,后者是在人工制冷手段干预下形成的天然冻土在我国广泛分布,其面积占我国国土面积三分之二以上[1]在气候条件、外部荷载等因素的耦合影响下,天然冻土体内部的水分反冻结和融化日记,在土体内聚集和迁移,从而造成冻土体内部未冻水含量在时间和空间上的变化,引起冻土强度和变形等力学特性的改变,对寒区岩土工程的安全和正常使用造成影响[2]图 1-1 显示了青藏公路沉降的实际监测数据,可以看出随着季节变化,路基的沉降速差异,体现了温度对冻土路基变形特性的影响随着我国“一带一路”国家战略的推进和西南地区开发的持续进行,我国的寒区岩土工程建设也在稳步进行除了已经修建完成的青藏铁路、青藏公路、川藏公路外,我国在未来还将建设川藏铁路、青藏高速公路等重大项目研究冻土未冻水含量可以更好地服务于寒区岩土工程建设..........................1.2 国内外研究现状在标准大气压下,纯水在降温至 0°C 时会相变成冰而在土内部,水受到矿物颗粒接触面表面能的作用以及电解质影响,并非所有的水均会在 0°C 时成冰一部分水即便处于负温作用,但仍然能够保持液态的状态而冻结,这部分液态水即为冻土内部的未冻水[1, 4-6],而未冻水在极低的温度(如?70℃)下依然存在[1]未冻水含量作为土体冻结特征的关键变量,一方面表征着土的冻结程度,另一方面未冻水含量随温度的变化而改变,会影响土的热学性质、水力特性和力学特性[7],研究未冻水的含量和变化对冻土力学有着重要意义自冻土力起,未冻水含量的研究就获得了广泛关注,至今仍然是冻土力学研究的重要领域1.2.1 未冻水含量测试手段准确测量冻土中的未冻水含量是研究未冻水相关问题的第一步自二十世纪五十年代以来,涌现出许多冻土未冻水含量的测量方法,常用的方法有量热法(DSC)[8-9]、时域反射法(TDR)[10-11]、计算机层析识别法(CT)[12]、核磁共振法(NMR)[13-17]量热法是早期经典的测量未冻水含量的方法量热法的原理是将试样放入正温量热水中,经过足够时间的热交换,试样温度与量热水温度达到一种平衡的状态由能量守恒定律可知,即忽略热量损失的影响,试样所吸收的全部热量和等于量热装置各部分所释放的全部热量和,计算出冻土中冰的质量,从而计算未冻水含量该方法原理明确、概念清晰,早期受到国内外学者的认可,但是缺点是操作和计算比较繁琐..........................第 2 章 试样制备和试验流程2.1 核磁共振测试原理核磁共振(Nuclear magnetic resonance, 简称 NMR)是指磁矩不为零的原子核,在外磁场作用下原子核自旋引起基态能级塞曼分裂,共振并吸收某一特定频率的射频辐射的物理过程氢原子在强磁场内部会受到电磁波脉冲的激发,从核磁共振现象,通过利用特定频率的射频磁场发射和接收系统,研究者便可以将核磁共振信号通过计算机进行数据处理转换转化成数据及图像NMR 技术应用于水泥岩土等材料的孔隙测量时会涉及到较为复杂的物理原理,笔者将会通过介绍一些基本概念使测量原理更加容易理解原子核中存在着质子和中子,且都可以自旋运动,从自旋角动量,并且在原子核内部,质子和中子又不断进行着复杂的相对运动,从而持相应的轨道角动量,质子和中子的轨道角动量和自旋角动量的矢量和是原子核的角动量,而这一现象称为原子核的自旋原子核是带电系统,其中质子为带有正电荷的粒子,运动的粒子会激发磁场,而粒子的自旋运动会有磁,所以运动的原子核具有磁矩,称为原子核的自旋磁矩,简称为核磁矩此外,中子对原子核的自旋磁矩也有贡献,中子和质子的轨道运动皆会对核磁影响因而,核磁矩为各粒子自旋磁矩的矢量和[40-41]以未冻水测试中所测水分子中含有的氢元素为例,磁场中的质能级分裂后,其宏观上表现出氢原子核整体具有一定大小的宏观磁化强度,这个宏观磁化强度与外加磁场的方向相同,其大小与氢核的数量成正比,所以宏观磁化强度的大小可以反应样品量的多少宏观磁化强度会受到射频场的作用方向的改变,在射频场撤掉后又能逐渐恢复到与外加磁场平行的状态,这个平衡恢复的过程称为弛豫宏观磁化强度在平行磁场方向上分量逐渐恢复至其最大值的过程称为纵向弛豫过程,其特征时间用 T1 表示宏观磁化强度在垂直磁场方向上的逐渐趋于零的过程称为横向弛豫过程,其特征时间用 T2 表示横向弛豫时间与原子核所在分子的运动性有关,分子运动性越高,弛豫时间 T2 越长同一物质处于固态和液态时,其弛豫时间的差距通常相差几个量级,所以通过核磁共振技术可以有效区分出水和有机溶剂的固态和液态,从而可以只反映液态物质在多孔材料中随温度的变化,再利用 Gibbs-Thomson 方程便可以得到孔径分布...............................2.2 温控核磁共振试验仪2.2.1 仪器概况本文采用 NMRC12-010V 型温控核磁共振仪,该仪器可同时实现温度控制和核磁共振测试两项内容仪器的控温范围为?45°C 至+35°C,控温精度为±0.1 °C仪器照片和示意图分别如图 2-1 和图 2-2 所示该仪器由测试系统、温控系统和数据采集系统三个部分组成测试系统主体为磁体柜,内部放置内径 1cm、内高 3cm 的圆柱形试样盒试样盒采用聚四氟乙烯材质,可以防止对核磁信号的干扰试样外部缠绕有铜制冷液输送管道,管道与温控系统连接,可通过冷液循环的方式实现对试样的温度控制试样顶部与温度探头接触,探头可实时监测试样温度温控系统为一台低温冷浴该冷浴采用氟化液作为制冷液体,相比使用乙二醇和硅油等冷却液的冷浴,具有更快的控温速度、更精确的控温精度和更稳定的控温效果该冷浴与带有干燥功能的空压机连接,试验中能够保证试样周边空气干燥,避免空气湿度对试验结果的影响数据采集系统包括电脑和数据采集箱,可分析处理测试系统反馈的核磁共振信号.........................第 3 章 测试结果及分析 .............................. 233.1 核磁信号处理 ............................... 233.2 未冻水含量随温度的变化规律 ............................... 23第 4 章 未冻水含量预测公式 ........................................ 354.1 经验公式修正 .................................. 354.2 参数物理意义和确定方法 ................................ 364.3 公式验证 ............................ 37第 4 章 未冻水含量预测公式4.1 经验公式修正采用式(4-2)预测干密度 1.7g / cm3、不同塑性标准砂-膨润土混合土样的冻结特征曲线计算参数如表 4-1 所示,其中 w0 取 20°C 时试样的初始总含水量,Tf 采用冻结温度试验确定的冻结温度值,b 的值根据预测效果选取计算结果如图 4-2 所示,可以看出计算结果与试验数据符合良好,计算曲线既可以反映迅速下降阶段的未冻水含量随温度变化的规律,也可以较为准确地预测在某一温度下的未冻水含量值基于表 4-1 中的参数值,在图 4-3 和图 4-4 中分别绘制了 Tf 和 b 随 Ip 的变化曲线发现 Tf 随 Ip 的增加而线性减小,b 值则随 Ip 的增加而以对数型增大Tf -Ip 关系和 b-Ip 关系的拟合公式如下:............................结论与展望结论本文采用标准砂、膨润土以及青藏粉质黏土人工配置了具有不同塑性的饱和冻土试样,基于核磁共振技术,研究未冻水含量随温度和塑性的变化规律、变化机理以及计算方法主要研究内容和成果如下:1) 对膨润土-标准砂混合土样和膨润土-粉质黏土混合土样,采用温控核磁共振仪进行多级降温试验,获得土样冻结过程中未冻水含量随温度的变化曲线,即冻结特征曲线发现冻结特征曲线分为过冷阶段、快速下降阶段和稳定冻结阶段随着土的塑性增强,冻结特征曲线的过冷阶段变得不明显;快速冻结阶段变得平缓,即同一温度下未冻水含量变大;稳定冻结阶段几乎没有变化2) 通过核磁共振试验,获得不同土样在不同温度下的横向弛豫时间 T2 分布曲线,发现 T2 分布曲线的峰值点随温度降低逐渐向孔径变小的方向移动,结合 T2 和孔径的理论关系公式,认为塑性对未冻水含影响的根本原因在于不同塑性的土样具有不同的比表面积和结合水含量土的塑性越大,比表面积越大,水所赋存的孔径越小,即结合水含量越多而结合水的冻结温度低于自由水,这使得塑性大的土样较难冻结,在同一温度下具有较高的未冻水含量3) 根据试验获得的未冻水含量随温度和塑性指数的变化规律,改进了经典幂函数型未冻水含量预测公式改进后的公式克服了原有公式量纲不统一、参数物理意义不明确的问题,并可描述冻结特征曲线的分段特征随后建立了公式参数与塑性指数之间的定量关系计算结果表明该公式能够较好地预测不同土样的冻结特征曲线参考文献(略)
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