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武汉岩土所核磁共振技术探测方法与应用研究进展
2018-10-31    打印 关闭

  温度及孔隙溶液对黏土力学特性的影响是当今岩土工程领域中的一个重大课题。它在热能贮存、地热资源开发、核废料处置、供热管道设计等领域有重要的实用价值。黏土中的主要矿物成分蒙脱石,它由二层硅氧四面体中间夹着一层氧八面体组成的二八面体构造,晶格之间的氧层相互连接,具有极弱的键和良好的解理,使极性水分子容易进入单位晶层之间,形成水膜,产生晶格扩张膨胀。相对普通黏土矿物,蒙脱土比表面极大,外表面为50-120m2/g, 内表面为700-840 m2/g,阳离子交换容量为80-154meq/100g。如此大的比表面和,使得蒙脱土中土水作用异常强烈,当黏土中蒙脱石含量达到5%时,即可对土的胀缩性和抗剪强度产生明显的影响。同时蒙脱石矿物的带电性又使得这种土水作用很容易受温度及孔隙溶液成分的影响,由此带来变形破坏及地层的稳定和承载力下降等工程问题。基于现代胶体化学,目前主要运用扩散双电层理论来解释黏土胀缩机制的物理化学过程。但不同物理化学条件下黏土的强度,变形及渗透系数等实验结果并不总是与理论预测一致。因此为了更好的理解黏土的宏观工程性质,有必要从微观的角度探测土水相互作用。 

  核磁共振技术是一项研究单位体积中质子(即氢核)含量与分布的探测技术。核磁共振技术中的核磁共振谱峰的面积正比于相应质子数,可用于定量分析。氢核横向驰豫时间(T1T2)是质子在射频激发后其相位变化、能量复原所需时间的表征,驰豫时间能反映质子所处的环境,因此核磁共振也可用于测定物质的微观结构。水是一种含氢量较高的物质,且广泛存在于自然界中,在核磁共振中具有很强的信号及敏感性。鉴于水的这一特性,中科院武汉岩土所韦昌富研究员率领的科研团队将其应用于涉及水分含量,分布,迁移与相变问题的岩土现象,同时利用土体颗粒表面离子-质子自旋耦合和水分子二维扩散模型得到膨润土T1-T2谱,获得孔隙水微观动力学参数,解释了化学与温度对膨润土土水作用的影响。1)结合毛细水与吸附水在土体中作用的吸力范围、冰点值及含量随温度变化的差异,提出了一种基于核磁共振技术的快速与无损测试土体吸附水含量的方法;(2)利用核磁共振二维谱(T1-T2)研究了土体冻融循环对土体水分分布与结构的影响;(3)结合X射线衍射技术和核磁共振技术探测了孔隙溶液对黏土颗粒表面水化层水分含量的影响;(4)利用T1-T2谱分析了孔隙溶液对黏土颗粒表面水分子微观动力学性质的影响并测得孔隙水有效扩散系数;(5)利用核磁共振技术研究了温度对饱和黏土驰豫时间分布的影响并测得孔隙水有效活化能;(6)研究了孔隙溶液对孔隙水有效扩散系数随温度变化的影响;(7运用核磁共振技术对水合物在砂中生成和分解过程进行了研究,确定了水合物反应过程中各组分的含量,包括气体、水以及水合物中的水分子和气体分子的数量,同时根据水合物在砂中生成和分解过程的弛豫响应推测水合物在孔隙中的赋存状态; 

    以上工作得到了国家自然科学基金重点项目、面上以及青年基金的资助,相关研究成果发表在Applied Magnetic Resonance, Vadose Zone Journal, 岩土力学,物理化学学报,中国科学等国内外期刊。

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蒙脱石矿物吸水膨胀

宁明膨润土饱和常温T1-T2

温度对宁明膨润土T1分布曲线的影响

孔隙溶液对宁明膨润土有效活化能的影响

 

 
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