物化型軟巖電化學(xué)改性機(jī)理研究.pdf

1、物化型軟巖是指含有大量黏土礦物，在工程擾動(dòng)下易于發(fā)生失水-吸水產(chǎn)生脹縮性和工程特性持續(xù)降低的軟弱巖體，它是礦業(yè)工程、巖土工程、水電工程、地下儲(chǔ)庫等領(lǐng)域經(jīng)常涉及到的重大巖石力學(xué)問題之一。常用的軟巖與軟巖工程控制方法為錨噴與注漿加固、強(qiáng)力棚式支護(hù)、砌碹或封閉混凝土反拱等，這些方法均是從力的平衡角度來考慮，沒有從改變軟巖自身的物理、化學(xué)特性和力學(xué)特性的角度來考慮。為此，本文提出了采用電化學(xué)固結(jié)改性技術(shù)改變有代表性軟巖的礦物成分和組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)

2、軟巖與軟巖工程長期穩(wěn)定性的研究方法，為軟巖工程災(zāi)害的控制提供卓有成效理論依據(jù)和技術(shù)支持，對(duì)減少和防止軟巖工程災(zāi)害的發(fā)生具有十分重要的科學(xué)意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。
　　 本文針對(duì)物化型軟巖的晶層結(jié)構(gòu)和陽離子交換能力，分別選取蒙脫石含量為主的軟巖(蒙脫石軟巖)和伊利石含量為主的軟巖(伊利石軟巖)作為研究對(duì)象，根據(jù)物化型軟巖電化學(xué)固結(jié)改性過程中的雙電層理論，理論分析物化型軟巖電化學(xué)固結(jié)改性過程中的電化學(xué)機(jī)理；分析蒙脫石軟巖和電化學(xué)改性相

3、關(guān)的礦物學(xué)性質(zhì)，主要為帶電性、電荷來源、電荷種類、雙電層、pH值、零凈電荷點(diǎn)、永久電荷密度、比表面積、孔容和孔徑等；分析蒙脫石軟巖在電化學(xué)改性過程中的礦物成分和晶層結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律；分析電化學(xué)作用對(duì)蒙脫石軟巖顆粒物沉降與體積膨脹性的影響；分析電化學(xué)作用對(duì)伊利石軟巖孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性的影響。主要研究成果如下：
　　 ⑴總結(jié)出黏土礦物和軟巖在電化學(xué)固結(jié)改性過程中的電化學(xué)機(jī)理，即黏土礦物和軟巖的電滲現(xiàn)象、電泳現(xiàn)象和電解現(xiàn)象等電化學(xué)現(xiàn)象。

4、在電化學(xué)作用下，軟巖的礦物成分會(huì)發(fā)生改變并生成新的礦物，電滲脫水固結(jié)使軟巖的物理力學(xué)特性發(fā)生變化。
　　 ⑵使用X-射線衍射、X-射線熒光光譜、快速電位滴定、電泳和氮?dú)馕锢砦降确椒▽?duì)物化型軟巖的陽離子類型、零凈電荷點(diǎn)、永久電荷密度、電位、等電點(diǎn)、比表面積、孔容-孔徑分布等礦物學(xué)參數(shù)在電化學(xué)改性前后進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。
　　 ⑶在不同CaCl2電解液濃度和不同電位梯度條件下，電化學(xué)作用能夠改變軟巖的礦物成分，軟巖中蒙脫石

5、的含量降低且生成新的礦物，新生礦物為方解石、三水鋁石、硬石膏和水鋁英石。電化學(xué)作用后軟巖陽極和中間區(qū)域的蒙脫石含量降低較小，陰極區(qū)域的蒙脫石含量降低較大。電化學(xué)作用后軟巖中蒙脫石晶層結(jié)構(gòu)的層間距和平均晶粒大小均發(fā)生了變化，軟巖各區(qū)域?qū)娱g距均呈指數(shù)規(guī)律遞增。在不同CaCl2電解液濃度條件下，軟巖陽極和中間區(qū)域蒙脫石的平均晶粒大小隨電解液濃度的增加呈指數(shù)規(guī)律變化，陰極區(qū)域蒙脫石的平均晶粒大小隨電解液濃度的增加呈高斯規(guī)律變化；在不同電位梯度條

6、件下，軟巖各區(qū)域蒙脫石的平均晶粒大小均隨電位梯度的增加呈高斯規(guī)律變化。
　　 ⑷蒙脫石軟巖顆粒物在蒸餾水中的沉降過程為緩慢潤濕、加速沉降和體積穩(wěn)定等3個(gè)階段。電化學(xué)作用能夠加速顆粒物的沉降速度，但不能改變巖樣顆粒物沉降穩(wěn)定后的體積膨脹特性。
　　 ⑸使用Matlab對(duì)CT單張圖像進(jìn)行數(shù)字圖像處理，生成CT圖像序列，使用可視化重構(gòu)算法中的體繪制算法對(duì)其進(jìn)行三維重構(gòu)，生成巖石的二值化三維數(shù)字圖像。根據(jù)巖石的二值化三維數(shù)字圖像

7、就可以計(jì)算出巖石的孔隙率；對(duì)巖石的CT單張圖像進(jìn)行壓縮，再進(jìn)行數(shù)字圖像處理和三維重構(gòu)，生成不同分辨率的巖石二值化三維數(shù)字圖像，可以確定基于CT圖像序列巖石的孔隙率隨孔隙孔徑的變化規(guī)律。電化學(xué)作用能夠提高泥巖自身的力學(xué)特性，伊利石軟巖原巖樣的平均抗拉強(qiáng)度為1.31MPa，浸入蒸餾水中平均抗拉強(qiáng)度為0.81MPa；電化學(xué)改性后，平均抗拉強(qiáng)度均提高，提高了16.79[％]～116.03[％]。在泥巖的陽極區(qū)域，電化學(xué)改性后泥巖的孔隙率小于改性