含水量和粒径对高岭土电学及力学性能影响的试验研究

摘要

本文对不同含水量（15％，20%，25%）和不同粒径（400目，800目,1000目）高岭土的物理、力学和电学性能（抗剪强度、压缩性能、复介电常数、电导率和电化学阻抗谱（EIS））进行测试，并分析了粒径和含水量对高岭土物理、力学和电学性质的影响以及力学和电学参数之间的关系规律。
　　本研究主要内容包括：⑴含水量和粒径两个变量影响下高岭土的干密度测试表明：高岭土的干密度随着含水量及粒径的增大而增大；高岭土的孔隙比和塑性指数均随着粒径的增大而减小。抗剪强度曲线和压缩曲线的分析和黏聚力、内摩擦角及压缩过程中的孔隙比计算结果显示，含水量的增加与粒径的减小均使高岭土的黏聚力增大，而摩擦角的变化并未表现出规律性，说明含水量和粒径变化对于重塑高岭土的黏聚力影响较大，而对内摩擦角的影响相对较小；相同粒径下高岭土在各个压力阶段的孔隙比均随着含水量的增大而减小，相同含水量下高岭土的孔隙比随着粒径的减小基本呈现增大的趋势，含水量和粒径主要是通过影响颗粒之间的接触面和孔隙体积变化来改变孔隙比的变化。⑵含水量和粒径两个变量影响下高岭土的复介电常数图及电导率图显示：复介电常数实部与虚部均随频率的升高而降低，表现出频散特性；由于土中水及带电离子数量的影响，高岭土复介电常数实部与虚部值随含水量和粒径的增大而增大。含水量和粒径对高岭土介电常数的影响机理主要如下：水是强极性分子，而高岭土是弱极性分子，水的介电常数远远大于高岭土，因此含水量增大时土体复介电常数实部增大；含水量的增加，由水引起的极化损耗也变大，因此土体复介电常数虚部随着含水量的增大而增大；而颗粒大小对复介电常数的影响主要表现在两方面，一个是对干密度的影响，另一个是对土中水存在形式（自由水和结合水）的影响。高岭土电化学阻抗谱的等效电路拟合结果表明：不同变量下高岭土电化学阻抗谱均呈现出准Randles电路模型。当粒径相同时，随含水量增大溶液电阻Rs和扩散阻抗Rt呈减小趋势，内部双电层CPE-T则呈增大趋势；当含水量一定时，随粒径的减小溶液电阻Rs、内部双电层CPE-T呈增大趋势，扩散阻抗Rt则呈现减小趋势；含水量改变了高岭土中孔隙环境的连通性和导电性等，而粒径大小则影响了高岭土的孔隙比和比表面积，导致土颗粒表面带电量不同，引起了高岭土的电化学性质差异。⑶对比分析研究高岭土力学参数与电学参数之间的关系规律，可以发现：相同粒径下，高岭土中双电层电容在很大程度上决定了高岭土黏聚力的大小，继而影响到高岭土的抗剪强度，双电层电容与黏聚力有较好的线性相关关系；等效电路中的溶液电阻与复介电常数电导率、固定频率下介电常数与双电层电容均呈现较好的线性相关性。

目录

声明

符号说明

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 高岭土的组成和结构特点

1.3 高岭土电学性质研究方法

1.4 高岭土力学性能研究进展

1.5 高岭土颗粒间的双电层

1.6 本文研究的主要内容

第二章 试验方案

2.1 试验材料

2.2 试验方法

第三章 高岭土力学性能试验研究

3.1 不同变量下高岭土的抗剪强度

3.2 不同变量下高岭土的压缩性能

3.3 本章小结

第四章 高岭土的复介电特性试验研究

4.1含水量对高岭土复介电特性的影响分析

4.2 粒径对高岭土复介电特性的影响分析

4.3本章小结

第五章 高岭土的电化学阻抗谱特性试验研究

5.1 高岭土的结构模型及等效电路模型

5.2 高岭土的电化学阻抗谱特性分析

5.3 高岭土的等效电路参数分析

5.4 含水量及粒径对高岭土电化学特性的影响机理分析

5.5本章小结

第六章 高岭土电学参数与力学参数之间的关系研究

6.1 高岭土双电层电容与其物理力学性能之间的关系

6.2 电化学阻抗谱参数与复介电参数之间的关系

6.3 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间成果