金属颗粒极化中场激发双电层的电荷和电场特征研究

金属颗粒与溶液界面处的场激发双电层是地下含金属介质表现出低频极化现象产生的基础之一,极化过程涉及到外电场、极化电场和扩散场在溶液和颗粒双相介质内的复杂耦合,探究这些物理场在极化中的作用具有重要意义。这里基于Wong极化模型对场激发双电层的极化电荷和不同物理场特征进行详细地分析,首先推导双电层中极化电荷产生的指数衰减电场和偶极子电场,通过计算颗粒和溶液极化电荷密度随频率的变化,明确了极化过程中电荷和不同物理场的变化规律以及对电导率频散的影响,最后利用数值模拟研究颗粒形状对极化电场和电导率频散曲线的影响。结果显示,偶极子电场是引起电导率产生频散现象的主要因素,而指数衰减电场和扩散场是影响溶液极化电荷密度的主要因素,且金属颗粒的形状与极化电场和极化率密切相关。本研究为从微观角度认识金属的激发极化过程和解释电导率频散数据提供了一定的借鉴。     

孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响

针对桂林地区的粉质黏土,运用液、塑限联合测定法探讨了不同孔隙溶液作用下土体的界限含水率,并利用扫描电镜（SEM）技术从微观层面分析了水化学环境变异下土体的水化学-力学耦合作用对结构特性造成的影响。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度的增大,粉质黏土的界限含水率均减小,且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显,随着阳离子价位的增高,其下降的幅度更大;该现象的产生主要是由于离子浓度及离子价位的增大,使得扩散双电层的厚度减小,而双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用。除此以外,通过探测土体的微观结构发现,水化学-力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝作用,致使土粒形成粒团,土颗粒间孔隙增大,架空孔隙变多。     

粉质黏土强度指标的水化学敏感性研究

通过对重塑粉质黏土的液、塑限和固结慢速直剪试验,探讨了粉质黏土液限、塑性指数及抗剪强度与不同浓度NaCl孔隙溶液的关系。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度增加,液限随之减小,塑性指数表现出粉土的性质;不同竖向正应力下的强度随浓度变化表现出较大的差异,正应力较低时,强度不断减小,而正应力较高时,则强度不断增大,正应力介于二者之间强度则先降后升;内摩擦角随浓度增加而增大,最终趋于稳定;黏聚力先迅速减小后逐渐回升,且均为负值。其性质变化主要是因为扩散双电层、颗粒间作用力以及孔隙比发生了改变。基于Terzaghi的有效应力原理,对饱和粉质黏土固结慢速直剪试验测得的负值黏聚力进行了分析和讨论,认为渗透压力对黏聚力起了非常重要的作用,从而使黏聚力成为负值。     

基于双电层模型冻土中未冻水含量理论推演及应用

根据冻土中未冻水成因的本质——带负电黏土颗粒表面的扩散层中阳离子溶液特殊分布,依据基于静电场泊松方程与静电荷玻尔兹曼分布的双电层理论,推演出了未冻水含量理论公式,比较分析未冻水含量观测值拟合的经验公式,发现两者形式非常一致,经验公式实质为理论公式的简化。依据此理论,清晰地描述了冻土颗粒表面未冻水的结构特征及成因,定量分析了土壤类型、含盐度、温度对未冻水含量的影响;得出当土壤盐溶液浓度小于某一阈值时,盐渍度变化对未冻水含量的影响可以忽略,即不同类型常规（低含盐度）冻土,双电层结构几近相同,指数形式公式适用于所有常规冻土的未冻水含量;土壤类型通过比表面积影响着未冻水含量,在同等温度下,土壤中黏土颗粒越多,比表面积越大,未冻水含量越多;结合实测资料给出适用于不同类型冻土未冻水含量理论计算的参数值,随后通过两种已有的经验公式对计算结果进行了验证,证实了该理论公式的可行性。     

考虑热扩散的黏土衬垫中污染物运移简化计算

以单层压实黏土衬垫为研究对象,在传统对流弥散方程的基础上考虑温度梯度下污染物的热扩散运移,得到简化条件下半无限边界的解析解。研究表明,考虑热扩散效应所得的衬垫底部相对浓度和通量均大于传统对流弥散方程所得结果,S_T越大时相对浓度和通量也越大,当S_T=0.5 K-1时稳定通量达到S_T=0时稳定通量2.5倍。热扩散通量是对流通量的-AS_TD/v倍,两者均随时间的增加而增大;分子扩散通量则先增加达到峰值后减小趋于零。同时考虑温度对运移参数的影响和热扩散效应时,温度升高使衬垫底部相对浓度增大,导致击穿时间提前,污染物通量显著增大;当温度从30℃升高至70℃时,击穿时间从8.5 a提前至5.1 a,稳定通量增大约1.7倍。在进行衬垫设计时不考虑温度的影响将使污染风险大幅增加。     

模拟渗滤液作用下压实黏土的力学性质

垃圾填埋场中渗滤液的作用可能对压实黏土衬垫及地基土的力学性质产生一定的影响,但目前研究成果存在矛盾之处。以CaCl2溶液和苯酚溶液作为渗滤液中无机和有机污染物的代表,对添加10%钠基膨润土的压实黏土进行力学性质的试验研究。结果表明,（1）两种模拟渗滤液的作用使土的压缩性增强,抗剪强度降低。（2）苯酚对压实黏土力学性质的影响更为显著,不排水强度约为自来水和0.05molL-1CaCl2溶液的55%。（3）土样初始孔隙比相同时,溶液作用下扩散双电层变薄造成孔隙变大,可能是产生这种现象的主要原因。（4）模拟渗滤液的作用对压实黏土衬垫及地基土具有不利的影响。     

模拟渗滤液作用下压实黏土的力学性质

垃圾填埋场中渗滤液的作用可能对压实黏土衬垫及地基土的力学性质产生一定的影响,但目前研究成果存在矛盾之处。以CaCl2溶液和苯酚溶液作为渗滤液中无机和有机污染物的代表,对添加10%钠基膨润土的压实黏土进行力学性质的试验研究。结果表明,(1)两种模拟渗滤液的作用使土的压缩性增强,抗剪强度降低。(2)苯酚对压实黏土力学性质的影响更为显著,不排水强度约为自来水和0.05mol·L-1CaCl2溶液的55%。(3)土样初始孔隙比相同时,溶液作用下扩散双电层变薄造成孔隙变大,可能是产生这种现象的主要原因。(4)模拟渗滤液的作用对压实黏土衬垫及地基土具有不利的影响。     

离子导电岩石自然电位特性的机理研究

利用毛管模型中双电层理论和阳离子交换量与Zeta电位的关系,确定了毛管内电位与离子浓度的径向分布。依据离子浓度分布与液体传质理论,推导了离子导电岩石的扩散吸附电动势方程。利用此方程进行了计算,结果表明:地层水矿化度、阳离子交换量、电解质类型对扩散吸附电动势影响较大;温度的高低、渗透率的大小对扩散吸附电动势也有影响;扩散吸附电动势与孔隙度的大小无关。     

冻结土壤介电常数混合模型机理研究

介电常数是微波辐射传输理论所需的最重要、最基本的参数。通过研究平均温度低于-4℃,组分中含有冰的土壤——冻结土壤,建立了一种适用于微波波段冻结土壤的介电常数混合模型。该模型考虑了土壤温度、微波频率、土壤质地以及其中未冻水含量的影响。模型使用一点法计算未冻水含量,引入Stern双电层理论计算冻结土壤未冻水的介电常数,引入Maxwell-Garnett介电常数混合理论、介电常数容积混合理论构建冻结土壤介电常数混合模型。模型计算结果与实测资料进行了详细的对比分析,冻结土壤介电常数混合模型给出的介电常数实部、虚部的曲率与实验结果很好吻合,模型结果比较满意,对比分析证实了模型的可靠性。     

黏土微观孔隙结构对可溶性污染物运移的影响

多孔介质的微观结构对可溶性污染物的运移具有重要影响。文章利用随机生长四参数生成法(Quartet Structure Generation Set, QSGS),构造具有各向异性孔隙结构的黏土多孔介质,且其固相颗粒具有随机性的粗糙表面。通过Stokes方程与对流扩散方程（ADE）耦合计算得到微观孔隙结构的非均匀水流场与浓度场。对黏土微观结构的非均匀水流场和浓度场进行分析,研究不同截面位置上水流分布情况,在脉冲注入的条件下讨论黏土微观结构对于可溶性污染物运移的影响。结果表明:具有随机性的黏土微观孔隙结构是导致水流场水流速度分布不均匀的主要因素;黏土中微小空隙或死端孔隙往往容易残留高浓度污染物,造成污染穿透曲线的“托尾”现象,也是污染后期的主要污染残留位置。     

盐分对黏性土的沉积特性与表面电位影响研究

为了明晰黏土矿物和盐分浓度在沉积过程中所起的作用及物理机制,选取高岭土、膨润土及两者组成的混合土进行粒径分析试验、沉积试验和Zeta电位测试。结果显示,盐分环境下高岭土和膨润土的平均粒径增大,部分黏粒组向粉粒组转化。高岭土在蒸馏水环境下和盐水环境下,最终都形成土-水的稳定分界面,但是絮凝稳定时间在盐分环境下更短。膨润土在蒸馏水环境下处于稳定的分散体系中,在盐水环境下迅速絮凝沉积。混合土在蒸馏水环境下,上部澄清层和下部沉淀层之间存在土颗粒的悬浮层,且该层的高度最终稳定;盐水环境下,混合土则迅速的发生土水分离。随着NaCl浓度增加,膨润土和高岭土的Zeta电位绝对值降低,因此胶粒组的絮凝行为对平均粒径产生影响,进而影响其沉积特性。     

低围压下颗粒形态对软黏土抗剪强度影响的离散元分析

黏土颗粒形态不仅反映黏土的矿物组分,更是影响其物理力学性质的重要因素之一。为了研究物质组成对软黏土微宏观性质的影响,采用离散元方法对不同颗粒形态的软黏土试样进行三轴压缩模拟试验。首先,基于扫描电镜图像量化颗粒形态,对天然状态下黏土颗粒的方向角和凹凸度进行统计,引入球度和凹凸度作为颗粒形态的特征参数;然后,基于原生矿物的单粒结构和黏土矿物的片状结构特征,构造球体单粒及圆柱体、正方体、长方体的片状簇体;最后,基于三轴试验离散元模拟方法,分析软黏土颗粒形态对其宏观力学及微观特性的影响。结果表明:片状颗粒试样比球体颗粒试样的初始模量高,抗剪强度大,随加载其排列趋于水平向分布;加载初期,颗粒球度对初始弹性模量影响较明显,初始弹性模量随着球度增大而逐渐减小;加载后期,颗粒凹凸度对抗剪强度指标影响作用逐渐凸显,试样内摩擦角和黏聚力随着凹凸度增大而逐渐减小;微观结构上,颗粒形状对颗粒位移和旋转也有较大影响。     

极细颗粒黏土渗流的微电场效应分析

采用渗流固结法试验结合颗粒表面电位分析,研究极细颗粒黏土的渗流的微电场效应,在相同试验条件下完成了5种含不同百分比的人工高岭土与人工膨润土的试样的渗流特性测试。测试结果表明,微孔渗流的微电场效应对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着孔隙液离子浓度的升降或土颗粒表面电位的增减,试样的渗透系数会随之发生改变;在相同的孔隙液离子浓度下,随着膨润土相对含量的增加,试样的渗透系数随之降低。对科威特软土的渗流固结试验证实了人工土的微电场效应的产生机制与变化规律同样适用于天然软土。试验结果分析认为,在黏土-水-电解质系统的相互作用下,黏土矿物通过土颗粒表面的结合水影响试样的渗流特性,而土颗粒表面电荷的微电场作用是极细颗粒黏土渗流特性改变的内在原因之一。     

Numerical study of the electrical double-layer repulsion between non-parallel clay particles of finite length

The study presented herein concerns the double-layer repulsive force that exists between clay particles in a clay–water–electrolyte system. The objective is to examine the nature of the double-layer repulsive force between two negatively charged clay particles that are inclined to each other and have finite length. The finite element numerical technique is used first to determine the spatial distribution of the electric potential. The net repulsive force and its location are then evaluated from this known distribution of the potential on the basis of the theory of electrostatics. A systematic parametric study is performed by varying certain dimensionless system variables, particularly to investigate the effect of orientation, surface potential and particle length. It is found that for non-parallel orientation, as the value of inclination and surface potential increase, the repulsive force decreases and its location shifts towards the particle ends that are closer to each other.     

不同因素影响下层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性试验研究

为了获得不同初始颗粒粒径分布和含水率对层间错动带颗粒破碎和剪切强度特性的影响,通过对比泥夹碎屑、泥夹粉砂、全泥型3种不同层间错动带类型与现场3种不同含水率（10%、7%和3%）试样在法向压力2～10 MPa作用下的反复直剪试验和剪切面颗粒粒径分析试验结果,可得出以下结论：①粗颗粒越多（d60越大）,采用相对颗粒破碎势Br量化的颗粒破碎程度越大;②较干颗粒（低含水率）由于磨损产生了更多的细小颗粒,而较湿颗粒（高含水率）由于破裂和摩擦产生了较大颗粒;③粗颗粒仅对峰值抗剪强度产生一定的影响,且粗颗粒越多,残余强度包线非线性越强;④黏聚力和内摩擦角随含水率线性减小,且低含水率试样残余强度包线非线性最强;⑤残余内摩擦角随颗粒破碎后的黏粒含量（<2 μm）线性减小。提出的残余内摩擦角初步预测公式可供实际工程参考。     

Effect of Stern-layer on the compressibility behaviour of bentonites

The Stern theory as applicable to interacting parallel clay platelet systems was used to study the compressibility behaviour of bentonites. For a constant surface electrical potential, the distribution of the total electrical charge among the Stern-layer and the Gouy-layer was found to have significant influence on the electrical potential at the midplane between clay platelets. Consideration of the Stern-layer was found to reduce the repulsive pressure or the swelling pressure between clay platelets at large platelet spacing, whereas the repulsive pressure increased significantly when the interacting Gouy-layers were pushed aside. A far greater repulsive pressure was noted for Ca-bentonite than that occurred for Na-bentonite at a platelet distance close to 1.0 nm. Similarly, strong interaction between clay platelets was noted due to suppressed Gouy-layers when the bulk fluid concentration was increased. The repulsive pressure generated due to the overlapping of the Stern-layers was found to be sensitive to changes in the specific adsorption potential, the dielectric constant of the pore fluid in the Stern-layer, and the surface electrical potential. Comparisons of the calculated pressure–void ratio relationships from the Stern theory and the Gouy-Chapman diffuse double layer theory with the experimental consolidation test results of Na- and divalent-rich bentonites showed that, in general, the Stern theory improved the predictions of pressure–void ratio relationships, particularly for pressures greater than 100 kPa; however, strong agreements were lacking in all the cases studied.     

Crystalline and Osmotic Swelling of an Expansive Clay Inundated with Sodium Chloride Solutions

Compacted expansive clays swell due to crystalline swelling and osmotic/double layer swelling mechanisms. Crystalline swelling is driven by adsorption of water molecules at clay particle surfaces that occurs at inter-layer separations of 10–22 Å. Diffuse double layer swelling occurs at inter-layer separations >22 Å. The tendency of compacted clay to develop osmotic or double layer swelling reduces with increase in solute concentration in bulk solution. This study examines the consequence of increase in solute concentration in bulk solution on the relative magnitudes of the two swelling modes. The objective is achieved by inundating compacted expansive clay specimens with distilled water and sodium chloride solutions in free-swell oedometer tests and comparing the experimental swell with predictions from Van’t Hoff equation. The results of the study indicate that swell potential of compacted expansive clay specimens wetted with relatively saline (0.4, 1 and 4 M sodium chloride) solutions are satisfied by crystalline swelling alone. Comparatively, compacted clay specimens inundated with less saline solutions (0.005–0.1 M sodium chloride) require both crystalline and osmotic swelling to satiate the swell potential.     

乙酸和碳酸对粘土土工性状影响的试验

对加入不同浓度乙酸和碳酸的土样做室内土工试验,并进行机理分析。试验结果表明:乙酸根、碳酸根通过改变粘土颗粒双电层的厚度、极性水分子的吸附量,使土的结构发生凝聚或分散,引起压实粘土的塑性、渗透性等变化。其中,乙酸根是通过溶解粘土矿物中的铝,提高了粘土的渗透系数和塑性指数;而碳酸根是以其与金属离子发生化学反应生成难溶性碳酸盐的方式,降低了粘土的渗透系数。这为判断垃圾堆放场粘土衬垫工程的稳定性提供了依据。