湿度对盐溶液在壁画地仗中的毛细迁移影响研究

盐溶液在地仗中毛细迁移引起的盐分迁移、富集已成为壁画病害发生的重要原因。研究不同湿度条件下盐溶液在模拟地仗中的毛细迁移过程对可溶盐再分布的影响。分析不同湿度条件下毛细上升高度随时间的变化关系,含水率和电导率随高度变化关系,毛细饱和后试样表面变化情况及可溶盐含量随试样高度的分布。试验结果表明,空气相对湿度越低,毛细上升过程中水分向空气中迁移越多,水分难以向上迁移。试样的含水率随高度呈递减趋势,而电导率随试样高度增加而增大。可溶盐在毛细水上升过程中发生结晶分异,毛细前锋以NaCl结晶富集为主,亚前锋以Na2SO4结晶富集为主。其研究结果可以为壁画盐害的防治提供基础科学依据。     

可溶盐对云冈石窟砂岩劣化试验及模型建立

可溶盐富集是造成山西大同云冈石窟砂岩表面风化、结构破坏及强度降低的重要地质病害之一。采取云冈石窟造像层砂岩,使用芒硝对该砂岩进行了劣化模拟试验。在可溶盐反复结晶过程中,对样品进行实时变形监测,并对循环过程中质量衰减、强度变化、孔隙分布等进行测试与分析。结果表明,可溶盐的发育是导致石窟表面粉化脱落的重要因素,严重降低了石窟文物本体的价值;可溶盐结晶导致岩石颗粒间胶结作用破坏,增大岩石孔隙率,岩石内部结构劣化严重影响岩石的刚度与强度等力学参数;对比无水芒硝与10水芒硝两种劣化试验,云冈石窟在相对干燥季节下,可溶盐晶体发育对岩石破坏更为显著。为了预测砂岩长期劣化过程,在试验数据基础上,初步建立起孔隙增长的对数模型和强度衰减的指数模型。     

砂岩孔隙介质内天然气运移的微观物理模拟实验研究

采用真实的砂岩微观模型,通过与实际地质状况较为相似条件下的气驱水运移实验模拟天然气在砂岩孔隙内的二次运移,直接观察了天然气在砂岩孔隙、喉道内运移的过程和特征,在此基础上,分析和探讨了真实砂岩孔隙介质中天然气的微观运移机理。研究发现,天然气运移路径的形态通常迂回曲折,表现复杂的分支状特征,而且气体只沿毛细管阻力最小的运移路径向前运移;受真实砂岩孔隙结构的非均质性和运移动力变化的影响,天然气运移的速率不均一,呈现出跳跃式的运移方式;在孔喉比相差较大的亲水介质中,气体的卡断现象较为普遍,卡断增加了气体运移的阻力,对天然气运移十分不利;外界突发性的振动能够增加天然气运移的有效性。     

壁画地仗中盐分的毛细输送机制研究

设计了专门的毛细水输盐模拟试验装置,在精确控制温度、湿度和供水水头的情况下,监测不同孔隙溶液在含盐及脱盐澄板土地仗中的毛细迁移特征。水盐迁移前后,测定模拟地仗的导热系数、孔隙半径变化,从微观角度判断外来盐分及地仗内存在的盐分对地仗盐害的贡献。试验结果表明,溶液毛细迁移速率由大到小排列为KCl与Na_2SO_4混合溶液KCl溶液Na_2SO_4溶液H_2O。毛细上升速度随着试样高度的增加逐渐减慢,而且脱盐澄板土中的毛细上升速率大于天然澄板土中的速率。孔隙溶液电导率随试样高度增加呈递增趋势,且天然澄板土试样的电导率普遍高于脱盐澄板土。试样的导热系数随高度的增加出现先减小后增加的总体趋势。脱盐澄板土与天然澄板土相比,孔径分布密度偏向小孔径方向;当迁移溶液为混合盐时,孔径分布较单一盐溶液时集中。模拟试验结果发现,毛细输送的外来盐分(特别是硫酸盐和氯化物复合盐)造成的土体盐胀破坏比土中既有盐分更加显著,说明控制降水入渗引起的化学淋滤作用对预防顶层洞窟壁画盐害具有重要意义。     

深部咸水层二氧化碳封存的干化效应及选址启示

将二氧化碳注入到深部咸水层中,形成复杂的多组分、多相流系统。二氧化碳在压力梯度、浓度差作用下不断扩散,逐步带走盐溶液中的水分,导致各组分的相态变化,盐结晶析出,阻塞了咸水层孔隙通道,从而降低了二氧化碳的注入效率,研究该干化效应的影响因素并为工程选址提供依据具有重要意义。采用二维径向模型建立多相流体的流动方程,并结合相对渗透率和毛细压力方程探讨二氧化碳注入速率、咸水层含盐量、毛细压力的特征参数对干化效应的影响,干化效应可用固体饱和度值进行定量描述。结果表明：二氧化碳运移分3个区域：干涸区、气液相混合区及液相咸水区,干化效应主要发生在井周的干涸区。在毛细作用下固体饱和度随注入速率的减小而增大,随咸水层含盐量增大而增大,随毛细作用增大而增大。因此,提高二氧化碳的注入速率,向咸水层中注水稀释含盐量或选择粒径较大的均质咸水层减小毛细作用,均可降低盐结晶对孔隙通道的阻塞,提高注入效率。     

基于CT的干湿循环-动荷载贯序耦合作用下压实粉质黏土细观结构特征研究

为进一步揭示多因素耦合作用下服役期路基土体性能劣化机制,在前期工作基础上,采用CT扫描技术对经历不同干湿循环、动荷载条件的压实粉质黏土试样细观结构特征开展研究,分析干湿循环-动荷载贯序耦合作用对试样孔隙三维空间分布、孔隙体积统计分布、图像灰度统计指标的影响规律,分析试样宏观性能与细观结构特征的关系。试验结果表明：干湿循环作用会导致试样产生更多大孔隙和贯通裂隙,动荷载作用可以使因干湿循环产生的部分孔隙或裂隙闭合;随着干湿循环和动荷载的贯序耦合作用,试样中的小孔隙数量呈增多趋势;干湿循环作用均会导致孔隙总体积增加,动荷载作用则会使孔隙总体积减小;试样细观结构特征参数可以用于解释试样宏观性能演化规律。     

平遥古城古砖风化机理和防风化方法研究

在自然营力和人为作用下,平遥古城墙和民居的青砖产生了严重的风化病害,亟须保护和修复。通过现场调查,发现风化病害发生部位都在毛细水上升高度范围内（距地面1~3m）,主要风化形式为等厚状剥落、鳞片状剥落、颗粒脱落、盐分结晶。通过室内测试和实验,得到了古砖的矿物、化学成分,物理、力学性质以及耐盐、耐冻性能。本文认为毛细水在墙体中上升时携带的盐分是古砖风化的主要原因,冻融循环则加剧了风化的进程。由于水分减少和/或温度降低,古砖孔隙中的可溶盐会“捕获”自由水使其变成带有若干结晶水的结晶盐。盐分结晶后体积增大在古砖孔隙中产生的膨胀力致使古砖破坏。根据古砖的风化机理,提出了“阻水、脱盐、强砖”的防风化方法。本文提出的古砖风化机理和防风化方法的技术流程和分析方法,可以为相关砖石文物的保护和修复提供参考。     

土层结构对非饱和毛细水盐运移的影响

层状土层之间孔隙结构和水力学性质的不连续性对土体水盐运移有显著影响。基于现场调查,设计了两种不同粒径土层二元结构组合(黄土-砂质粉土和黄土-粉质黏土)的室内土柱试验,通过模型试验讨论了不同地下水补给条件下土层结构对毛细水分布和盐分累积的影响。试验结果表明:在毛细水补给条件下,黄土-砂质粉土构成的上细下粗型土层结构有利于毛细水盐运移,经过60 d蒸发后,其表层SO_4~(2-)含量是上粗下细型土柱的两倍。在无毛细水补给条件下,砂质粉土层中水盐向上迁移总量和迁移速率大于粉质黏土层,最终上细下粗型土柱中上覆土层各层位离子含量均大于上粗下细型土柱。研究结果为层状土区盐渍土病害的防治提供了试验参考。     

干湿循环下南阳膨胀土的土水和变形特性

对初始状态相同南阳膨胀土试样进行1～6次干湿循环,选取其中的1、3、6次循环后的试样,采用饱和盐溶液蒸汽平衡法测定其含水率、孔隙比、饱和度等与吸力的关系,并对比分析干湿循环对南阳膨胀土的持水能力影响。在1～6次干湿循环过程中,以环刀为参照物拍摄每次烘干后试样上表面照片,用数字图像处理提取图像中的裂隙与收缩面积,以此分析试样烘干过程中裂隙与收缩与干湿循环次数的关系。试验结果表明,干湿循环过程中相同吸力的试样含水率略降低、孔隙比略增大、持水能力略降低,烘干过程中试样收缩面积增大,裂隙展开面积增大,但上述性质变化幅度都随干湿循环次数增加而减小。试验成果为研究膨胀土的持水能力和湿胀干缩变形性质随干湿循环的变化规律提供实测数据。     

水–盐作用下红层砂岩声波特性劣化试验研究

水-岩作用是岩石表面风化、结构破坏以及强度降低的重要原因之一,也是岩土力学研究领域的经典问题。基于此,以甘肃兰州地区红层砂岩作为研究对象,通过进行10次不同(盐)溶液下的干湿循环,研究了红层砂岩的声波劣化特征以及劣化机理。研究表明:(1)随着干湿循环次数的增加,试样的质量逐渐减少、纵横波速逐渐降低,这种变化在高浓度硫酸盐溶液中更为明显,且垂直层理试样比平行层理试样更容易遭受劣化;(2)通过岩石纵波的频谱特征分析,发现Na_2SO_4溶液条件下,岩石的能量损失较NaCl溶液更显著。同种溶液中,浓度越高,岩石的能量消散越大;(3)在劣化过程中,出现了2种形式破坏:端面剥蚀和沿层理的横向断裂和纵向劈裂;(4)微观结构分析表明,水-盐作用下岩石的胶结变差,导致孔隙变大是影响红层砂岩声波劣化的主要原因。研究成果对于红层砂岩边坡长期稳定性评价具有较大的参考价值,同时,也为砂岩质文化遗产评价、保护提供科学依据。     

干湿循环作用下原状黄土力学性质及细观损伤研究

增湿-减湿循环作用是黄土地区工程发生病害的主要原因之一,探究增湿-减湿循环对黄土体结构损伤机理有重要的理论和工程意义。本文以延安地区的黄土为研究对象,开展不同含水率、不同次数的原状黄土增湿-减湿循环试验,分析干湿循环诱发黄土孔隙率、抗剪强度及其参数的变化规律,同时使用核磁共振技术获取黄土内部裂隙发展的损伤演化。结果表明:随着干湿循环次数的增多,土体呈现出孔隙率逐渐增大、液限和塑性指数相继减小、塑限基本不变的规律,究其原因是内部颗粒的集、散动态变化引发了黄土损伤;干湿循环次数和含水率的增加弱化了土体颗粒的胶结作用,使得抗剪强度、黏聚力和内摩擦角降低,当试样含水率超过塑限后下降趋势更加明显;黄土历经核磁共振表明,试样内部小于0.025 μm的微孔隙随着干湿循环次数的增加逐渐向0.025~0.63 μm的小孔隙组过渡,同时新生孔隙开始产生。     

干湿循环下高庙子钙基膨润土持水和变形特性

膨润土因具有湿胀、干缩特性,其水力-力学性质易受干湿循环的影响。采用饱和盐溶液蒸汽平衡法研究了干湿循环对压实高庙子钙基膨润土持水特性的影响。对相同条件下制作的试样进行0～6次干湿循环,选取其中的原试样（0次）、循环3次和6次试样,进行蒸汽平衡法试验,测定其土-水特征曲线。同时,在0～6次干湿循环过程中,对每一次脱湿后试样表面采集图像,用数字图像处理技术提取了收缩及裂隙开展区域,分析得到收缩率与裂隙率。试验结果表明：随着干湿循环次数的增加（0→3次时）,土-水特征曲线向下平移、持水性下降、孔隙比增大、平均骨架应力减小,试样烘干时收缩率和裂隙率增加明显;但随着循环次数的继续增加（3→6次时）,持水性、收缩率和裂隙率趋于稳定。     

承德避暑山庄砂岩文物的基本性质和风化机理

世界文化遗产地承德避暑山庄内有大量的砂岩文物。在长期风化作用下,很多砂岩文物发生了严重的风化病害,亟须保护。通过现场调查,发现避暑山庄砂岩文物的风化病害主要为开裂、剥落、粉化、生物寄生等。通过室内测试,得出了该砂岩的矿物学、岩石学性质和物理、力学性质。在此基础上,分析了该砂岩的风化机理,认为钙质胶结物的溶解、干湿交替和盐分结晶膨胀是造成该砂岩粉化、剥落风化的主要原因。相关研究为该砂岩文物的修复保护提供科学支撑。     

干湿循环作用下压实黄土湿陷特性试验研究

压实黄土作为重要的填筑材料,广泛应用于我国西北、华北公路、铁路、机场等基础设施建设中.由于降雨及蒸发的周期性变化,黄土路基及基础经历着强烈的干湿交替作用.基于此,开展压实黄土风干干燥-滴水增湿条件下的干湿循环试验,利用双线法测试最佳含水量条件下不同初始压实度的黄土土样干湿循环前后的湿陷系数.结果表明：没有经历干湿交替作用的土样,湿陷系数随着压实度的增大而快速减小,当压实度达到90%,提高压实度对于黄土湿陷变形特征的影响较小;5次干湿循环作用后,不同压实度下的试样的湿陷系数均明显增大,且压实度越大,干湿作用对其湿陷变形的影响越显著;压实度K=95%试样在经历5次干湿循环作用后土样上部出现肉眼可见的细微孔隙,体积膨胀,有可溶盐析出,湿陷系数达到0.017,土样出现二次湿陷.     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性的影响

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T_2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T_2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与扫描电镜(SEM)微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

基于低场核磁共振的干湿循环对泥质砂岩微观结构劣化特性影响研究

为研究岩石经历干湿循环后的细观损伤演化特征,选取三峡库区某边坡的泥质砂岩为研究对象,在饱和状态下分别对各组进行多次干湿循环试验。采用低场核磁共振技术(NMR)研究了干湿循环作用对泥质砂岩的损伤行为,结果表明:干湿循环作用下,核磁共振T2谱图波峰信号幅度发生显著变化,T2谱图面积、孔隙率呈现出定量的指数增长;通过核磁共振成像(MRI)发现,随着干湿循环试验的进行,岩石内部孔隙逐渐增多,孔隙尺寸增大,形成贯通的小裂隙并逐渐扩展,不同干湿循环次数作用后的MRI内部结构变化与SEM微观结构变化相似;MRI像素点的灰度值分布符合对数高斯分布,分布期望随循环次数逐渐饱和;随着循环次数增加,力学参数逐渐降低,峰值应力的降低与孔隙率的增大成正相关。     

干湿作用下受荷石膏质泥岩的不可逆膨胀特征

为研究干湿作用及应力状态对石膏质泥岩膨胀性的影响,采用自行设计的试验装置对采自平-绵高速公路天水2号隧道的原状岩样进行荷载耦合的干湿循环试验,就循环过程中及干湿循环后泥岩的宏观膨胀规律和细观膨胀机制进行分析。研究结果表明：（1）该试验装置可以实现干湿循环与特定应力状态（侧限压缩）的全过程耦合,且试样无自由表面,与地下岩体真实赋存状态较为接近;（2）当法向压力小于试样膨胀应力时,第1次吸水后试样有明显膨胀变形,在排水固结后可恢复的变形比例较小,而继续干湿循环,试样的胀缩变形将不再明显;（3）第1次干湿循环后,泥岩内矿物由颗粒胶结状态退化为絮状堆积状态,黏土化趋势明显,膨胀应力下降比例超过80%;(4)增加法向压力虽然可以减小甚至消除干湿循环过程中石膏质泥岩的膨胀变形,但无法抑制其细观结构的劣化;（5）通过有荷载的干湿循环,以一定的围岩变形为代价,可以减弱石膏质泥岩的膨胀性,但需要注意干湿循环也会降低石膏质泥岩的抗剪强度。上述结论对于石膏质泥岩地区隧道建设及地质灾害防治具有一定的指导作用。     

毛细导水布料排水性能及孔隙结构试验研究

本文选取了5种具有毛细导水特性的布料进行了水中的排水试验、土中的排水试验、毛细上升试验以及核磁共振试验,对其排水性能和孔隙结构进行系统研究。旨在揭示其毛细吸水排水性能的机制,为寻找或生产出能够应用到我国一些含水率较高的非饱和土地区的土工材料做参考。结果表明,毛细导水材料在非饱和土中具有良好的排水效果,能够一定程度上提高非饱和土的排水速率。毛细导水材料在水中的排水试验表明,各材料的排水效果受毛细上升距离和空气相对湿度的影响。此外,通过对比不同种类的毛细导水材料在土中和水中排水性能的强弱,发现试验布料的排水性能大致可以分为两类:COOLPASS、COOLMAX和普通网布的排水性能最好,而SHCOOL和COOLPLUS的性能稍弱。通过核磁共振试验测得COOLPASS、COOLMAX和普通网布的孔隙大小约为53.4 μm,SHCOOL和COOLPLUS的孔隙大小约为37.8 μm。布料吸排水的强弱与其孔径大小及孔隙分布特征有关,综合考虑毛细导水材料毛细吸水和蒸发排水的两个过程,发现孔径较大且孔隙分布特征表现为稀疏的普通网布材料在非饱和土中的排水效果最佳,相同条件下比未设置毛细导水布料的土样含水率多降低了2.19%。在毛细上升高度试验中,COOLMAX的毛细上升高度最大,表明毛细导水材料的吸水能力与其孔隙分布特征有关,孔隙分布越密集,其吸水能力越强。     

生活源污染质干湿循环下土体性质演化特征及机理

以生活源污染质降解终端产物Na2 CO3和Na3 PO4的混合溶液为污染质溶液对中国徐州地区粉质黏土进行渗流,完成了10次干湿循环试验,分析了在生活源污染质干湿循环下粉质黏土性质的演化特征,并揭示了其演化机理.研究结果表明:粉质黏土在经过生活源污染质10次干湿循环的过程中,土体渗透性增强1～2个数量级,电阻率降低20～...