【摘要】：泥巖吸水性較強,并在吸水后軟化、崩解,極易引發(fā)滑坡、突水或突泥等重大地質(zhì)災(zāi)害。而泥巖內(nèi)粘土礦物的賦存種類及含量是其吸水性的主要影響因素之一。泥巖中粘土礦物的化學(xué)組成較為相近,主要由硅鋁酸鹽構(gòu)成,因此泥巖中粘土礦物孔隙結(jié)構(gòu)的變化會導(dǎo)致其吸水性的顯著差異。因此探究泥巖中粘土礦物的種類及含量對其孔隙結(jié)構(gòu)及吸水特性的影響規(guī)律,將為進一步研究泥巖因吸水弱化誘發(fā)的突水、滑坡等災(zāi)害提供理論支撐。泥巖內(nèi)常見的粘土礦物主要有蒙脫石、高嶺石及伊利石,且通常以混合形式存在。為模擬真實泥巖粘土礦物組成,本文選取化學(xué)純的蒙脫石、高嶺石及伊利石,將其按照一定配比進行混合,制成人工摻雜粘土礦物。同時還采集了兩種泥巖樣品,通過對照分析,揭示了粘土成分對泥巖吸水特性影響的實質(zhì)。采用X射線衍射儀及低溫液氮吸附儀對樣品的礦物成分及孔隙結(jié)構(gòu)進行測試。在不同的相對濕度條件下,對人工摻雜粘土礦物及泥巖樣品進行了吸水實驗,將孔隙結(jié)構(gòu)與樣品的吸水量進行了關(guān)聯(lián)。所得研究結(jié)果如下:(1)高嶺石的孔隙結(jié)構(gòu)偏向于狹縫平板型,伊利石的孔隙結(jié)構(gòu)偏向于墨水瓶型,蒙脫石和人工摻雜粘土礦物的孔隙結(jié)構(gòu)則兼具狹縫平板與墨水瓶型的特點。本文所取兩類隔水層處的泥巖樣品,主要含有的粘土礦物為高嶺石、伊利石和少量蒙脫石,其孔隙結(jié)構(gòu)特征與人工摻雜粘土礦物相同較為相似。由于泥巖中含有較多石英、長石等孔隙結(jié)構(gòu)不發(fā)達的礦物,與人工摻雜粘土礦物相比,泥巖樣品的比表面積、孔體積等孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)相對較小。(2)基于分形FHH模型,可依據(jù)低溫液氮吸附數(shù)據(jù),計算粘土礦物多層吸附和毛細凝聚階段的分形維數(shù)。由于多層吸附與毛細凝聚階段的劃分沒有嚴(yán)格量化的區(qū)分指標(biāo),因而存在多種階段劃分方式。階段劃分點的選擇對人工摻雜粘土礦物及泥巖樣品多層吸附階段分形維數(shù)的計算結(jié)果影響相對較大,對兩種樣品毛細凝聚階段分形維數(shù)的計算結(jié)果影響較小。與人工摻雜粘土礦物相比,泥巖樣品由于其成分更為復(fù)雜,因而計算所得的分形維數(shù)相比更大。(3)人工摻雜粘土礦物及泥巖樣品吸水率均隨相對濕度的升高而增加。兩類樣品在不同相對濕度條件下的吸水率可由Guggenheim-Anderson-deBoer(GAB)模型進行擬合。根據(jù)擬合計算所得的單層吸附量可知,人工摻雜粘土礦物及泥巖樣品由單層吸附階段向多層吸附階段的轉(zhuǎn)折區(qū)間均介于相對濕度11%～33%的吸附量之間。人工摻雜粘土礦物的吸水率可以根據(jù)單一礦物吸水率按照配比進行預(yù)測,人工摻雜粘土礦物的吸水率與所含礦物類型及比例密切相關(guān),蒙脫石與高嶺石混合的樣品、蒙脫石與伊利石混合的樣品中吸水率隨蒙脫石含量的增加而增加,高嶺石與伊利石混合的樣品中吸水率隨高嶺石含量的增加而增加。泥巖的吸水率可根據(jù)人工摻雜粘土礦物吸水率與礦物類型及比例間的對應(yīng)關(guān)系進行預(yù)測。(4)人工摻雜粘土礦物及泥巖樣品的比表面積和吸水率線性相關(guān)度最高,兩類樣品的吸水率隨比表面積的增加而升高�？左w積及平均孔徑與吸水率沒有顯著相關(guān)性。粘土類礦物主要通過改變比表面積對泥巖的吸水性產(chǎn)生影響。
【學(xué)位授予單位】：太原理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD985
【圖文】：

圖 1-1 回滯環(huán)分類Table 1-1 Classification of backward loop粘土礦物孔隙結(jié)構(gòu)的研究主要集中在一些常見粘土礦物（蒙脫一些富含粘土礦物的泥巖中。由于孔隙結(jié)構(gòu)與吸附的關(guān)系極為者普遍采用氣體吸附法對粘土礦物的孔隙結(jié)構(gòu)進行表征。氣體Brunauer、Emmett 及 Teller 三人在 1938 年提出的 BET 多層吸附于 BET 模型誕生了一大批物理吸附儀，人們采用低溫液氮、粘土礦物進行等溫吸脫附實驗。根據(jù)所得測試結(jié)果，采用 BET進行計算。之后在開爾文方程的基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了 BJH 理論，使物孔徑、孔容等參數(shù)。隨后在 20 世紀(jì) 90 年代，Avnir 等[22]將型，建立了適用于粗糙表面的分形 FHH 吸附模型，進而通過孔隙壁面的分形維數(shù)，對礦物孔隙壁面粗糙度進行定量化描述少學(xué)者采用掃描電鏡的技術(shù)手段對粘土礦物的孔隙結(jié)構(gòu)進行研

2-3 實驗實施過程圖：（a）樣品制備、（b）水分吸附、（c）干燥稱重、（d）孔隙及礦物成分測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 本章小結(jié)本章詳細介紹了實驗所需的試劑、樣品礦物成分測試設(shè)備、孔隙結(jié)構(gòu)測試設(shè)備及吸水實驗裝置。并選取蒙脫石、高嶺石及伊利石三種典型粘土礦物，依據(jù)不同配比用加水?dāng)嚢璧姆绞�，�?25 ℃條件下制備了人工摻雜粘土礦物。同時本章詳細闡述取泥巖樣品的采樣條件及采樣后對樣品的加工過程。此外，本章還分析了泥巖與所工摻雜粘土礦物的礦物組成成分，并設(shè)計了不同相對濕度條件下的實驗方案，設(shè)定RD 及低溫液氮吸附實驗的條件，為進一步探究人工摻雜粘土礦物的孔隙及吸水特供了實驗基礎(chǔ)。

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本文編號：2713129