曾莎莎 ,莫紅艷 ,谷建曉,2 ,曾召田 ,付慧麗 ,梁珍

（1.桂林理工大學(xué) 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；2.溫州理工學(xué)院 建筑與能源工程學(xué)院，浙江 溫州 325027）

中國(guó)南海海域廣泛分布著具有多孔隙、顆粒易破碎、易膠結(jié)等特征的鈣質(zhì)砂[1]。近年來，學(xué)者們圍繞鈣質(zhì)砂的工程地質(zhì)特征[2-3]、顆粒破碎性[4-6]和物理力學(xué)性能[7-12]等方面展開研究，取得了豐碩成果，但對(duì)于鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱性能方面的研究卻鮮見報(bào)道。在中國(guó)南海島礁如火如荼的建設(shè)過程中，海底油氣管線、供氣供熱管道、埋地輸電線纜、地鐵公路隧道、熱活性路堤、高放廢物處置、能源樁等工程都需要掌握不同環(huán)境溫度下鈣質(zhì)砂工程力學(xué)性能的變化規(guī)律及其引起的災(zāi)害效應(yīng)[13-14]。在上述工程實(shí)踐中，鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱性能影響著周圍土體的傳熱過程，是分析地層中能量平衡、熱濕遷移規(guī)律和土壤溫度分布特征等的一個(gè)關(guān)鍵因素，在各項(xiàng)工程設(shè)計(jì)和施工中必須加以考慮。

由于鈣質(zhì)砂含有豐富的內(nèi)孔隙，顆粒破碎時(shí)，內(nèi)孔隙釋放轉(zhuǎn)化為外孔隙，促使鈣質(zhì)砂微孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化[15-16]。隨著外部環(huán)境的變化，空氣、水、膠凝物在鈣質(zhì)砂孔隙中進(jìn)行不同程度的釋放、填充，三者的導(dǎo)熱參數(shù)明顯不同，最終引起鈣質(zhì)砂的熱傳導(dǎo)性能也發(fā)生顯著改變。因此，鈣質(zhì)砂微觀孔隙結(jié)構(gòu)是引起其熱傳導(dǎo)特性演變的本質(zhì)原因。朱長(zhǎng)歧等[17]、蔣明鏡等[18]、曹培等[19]、崔翔等[20]分別利用掃描電鏡（SEM）、壓汞試驗(yàn)（MIP）、CT 掃描等技術(shù)研究了鈣質(zhì)砂的微孔隙分布規(guī)律。SEM 和CT掃描僅能定性地揭示顆粒形貌變化，MIP 雖能定量劃分出內(nèi)、外孔隙含量，但由于鈣質(zhì)砂顆粒的易破碎性，MIP 的進(jìn)汞壓力必然影響其孔隙結(jié)構(gòu)變化，因此，迫切需要一種精確的無損檢測(cè)技術(shù)對(duì)鈣質(zhì)砂的微觀孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析。核磁共振（NMR）技術(shù)利用水中氫核（質(zhì)子）的弛豫特性差異，獲得土體水中質(zhì)子產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)；通過預(yù)先定標(biāo)、參數(shù)反演，能夠提供土體含水量、孔隙分布、滲透率等有關(guān)信息[21-22]。但是，綜合利用上述微觀技術(shù)揭示鈣質(zhì)砂的微觀結(jié)構(gòu)特征及導(dǎo)熱性能演化機(jī)理的研究卻鮮見報(bào)道。

筆者基于熱針法探討不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱性能變化規(guī)律，利用SEM、MIP 和NMR等微觀技術(shù)綜合揭示其微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化的本質(zhì)特征，在此基礎(chǔ)上闡釋不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱性能演變的微觀機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用鈣質(zhì)砂取自南海某島嶼，呈米白色，顆粒粒徑一般均大于0.075 mm。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得鈣質(zhì)砂試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)，見表1。顆粒級(jí)配曲線如圖1 所示。膠結(jié)材料為425 普通硅酸鹽水泥粉末，其熟料的化學(xué)成分見表2。

表1 鈣質(zhì)砂的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical properties of calcareous sand

表2 水泥熟料的主要化學(xué)成分 Table 2 Main chemical components of cement clinker %

圖1 鈣質(zhì)砂的粒徑級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of calcareous sand

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 熱特性試驗(yàn)原理及測(cè)試設(shè)備 膠結(jié)鈣質(zhì)砂的熱特性測(cè)試采用美國(guó)Decagon公司生產(chǎn)的KD2 Pro土壤熱特性分析儀，基于線熱源理論，可歸結(jié)于在無限大介質(zhì)中有一恒定線熱源的徑向一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的求解問題[23]。試驗(yàn)選用SH-1 雙針傳感器，由2根平行的不銹鋼針構(gòu)成，間距為6 mm，其中一根針體內(nèi)含線性加熱源，另一根針體內(nèi)含溫度測(cè)量元件熱電偶。測(cè)量時(shí)加熱探針產(chǎn)生熱脈沖，主機(jī)監(jiān)控器將采集到熱電偶對(duì)熱脈沖產(chǎn)生的溫度響應(yīng)，測(cè)試過程如圖2 所示。采用非線性最小二乘法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化擬合，得出導(dǎo)熱系數(shù)λ。

圖2 膠結(jié)鈣質(zhì)砂的熱特性參數(shù)測(cè)試過程Fig.2 Test process of thermo-physical parameters of cemented calcareous sand

1.2.2 SEM 試驗(yàn)原理及測(cè)試設(shè)備 SEM 試驗(yàn)是利用聚焦電子在試樣表面逐點(diǎn)掃描成像，二次電子信號(hào)被探測(cè)器吸收并轉(zhuǎn)換，得到反映試樣表面形貌的二次電子像。

試驗(yàn)采用英國(guó)牛津公司生產(chǎn)的S-4800 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)范圍為25～8×105倍。SEM 圖像處理采用顆粒（孔隙）及裂隙圖像識(shí)別與分析系統(tǒng)（PCAS），該軟件能自動(dòng)識(shí)別電鏡掃描圖像中的各類孔隙和裂隙，并快速有效地獲得測(cè)試樣品的幾何統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

1.2.3 MIP 試驗(yàn)原理及測(cè)試設(shè)備 MIP 試驗(yàn)測(cè)定巖土材料孔隙分布的依據(jù)是非浸潤(rùn)性液體（水銀）在沒有壓力作用時(shí)不會(huì)流入固體孔隙，圓柱形孔隙注入液體（水銀）所需壓力大小根據(jù)Washburn 公式計(jì)算。

式中：p為外界施加給水銀的壓力，kPa；σ為水銀的表面張力，25 ℃時(shí)取48.42 Pa；θ為水銀與固體材料的接觸角，140°；r為圓柱形孔隙半徑，μm。

利用壓汞儀將水銀用不同壓力注入到鈣質(zhì)砂孔隙中，記錄每一級(jí)壓力時(shí)的進(jìn)汞量，利用式（1）將壓力換算為半徑，得出鈣質(zhì)砂中孔隙分布結(jié)果。

試驗(yàn)采用美國(guó)麥克公司生產(chǎn)的AutoPore 9500全自動(dòng)壓汞儀，最大注汞壓力可達(dá)414 MPa，孔徑測(cè)量范圍為0.003～360 μm。

1.2.4 NMR 試驗(yàn)原理及測(cè)試設(shè)備 佘安明等[24]認(rèn)為，對(duì)于水泥膠凝材料，橫向弛豫時(shí)間T2主要受表面弛豫的影響，即

式中：ρ2為表面弛豫率，取12 nm/ms；S/V=Fs/r，與孔隙的尺寸和形狀有關(guān)，F(xiàn)s為形狀因子，假設(shè)孔隙為柱狀孔，F(xiàn)s=2，r為孔隙半徑。于是，式（2）可簡(jiǎn)化為

因此，NMR 技術(shù)反演的水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂的微孔隙粒徑（孔徑d）近似為

試驗(yàn)采用蘇州紐邁公司生產(chǎn)的MacroMR12-110H-I 核磁共振儀。

1.3 試驗(yàn)過程

1）材料準(zhǔn)備。將過2 mm 篩并做脫鹽處理[25]后的鈣質(zhì)砂放入120 °C 烘箱中烘干至恒重。按照不同水泥摻量Ps（5%、7.5%、10%、12.5%、15%）[9]將稱量好的干燥鈣質(zhì)砂與水泥粉分別裝入5 個(gè)容器中拌和均勻，按水灰比W/C=0.6 將一定質(zhì)量的蒸餾水噴灑入混合料中并快速攪拌，共準(zhǔn)備5 種混合料。

2）試樣制備。采用靜壓法，將上述拌和均勻的鈣質(zhì)砂、水泥混合料按照干密度ρd=1.2 g/cm3分2層擊實(shí)到PTFE 材料（聚四氟乙烯，防止對(duì)NMR 試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響）加工成的模具（高h(yuǎn)=60 mm，直徑d=75 mm）中，每種混合料制備2 個(gè)相同試樣（質(zhì)量差小于2 g），一個(gè)試樣用于測(cè)定導(dǎo)熱系數(shù)，另一個(gè)試樣用于SEM、MIP、NMR 微觀試驗(yàn)。全部試樣編號(hào)見表3。

表3 膠結(jié)鈣質(zhì)砂試樣編號(hào)Table 3 Numbers of cemented calcareous sand samples

3）試樣養(yǎng)護(hù)。將制備好的試樣連同PTFE 模具上下兩端用等直徑的透水石密封，放入盛滿水的養(yǎng)護(hù)箱中，置于恒溫20 ℃的空調(diào)房中飽水養(yǎng)護(hù)28 d。

4）導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)試。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，將試樣S1～S5取出，拭去周圍附著水，采用KD2 Pro 土壤熱分析儀測(cè)試其導(dǎo)熱系數(shù)（見圖2）。

5）NMR 試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)結(jié)束，將試樣S6～S10 取出，拭去周圍附著水，按試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行NMR 試驗(yàn)。

6）SEM/MIP 試驗(yàn)。NMR 試驗(yàn)后，立即取出試樣，切割成1.0 cm×1.0 cm×1.0 cm 左右的小樣品，快速放入-196 ℃液氮冷卻15 min，在-50 ℃狀態(tài)下抽真空冷凍干燥24 h，然后按各自試驗(yàn)規(guī)程分別進(jìn)行SEM/MIP 試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熱特性試驗(yàn)結(jié)果分析

膠結(jié)鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ隨水泥摻量Ps的變化曲線如圖3 所示。

圖3 膠結(jié)鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)隨水泥摻量的變化曲線Fig.3 Variation curves of thermal conductivity of cemented calcareous sand with cement contents

由圖3 可知，膠結(jié)鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ隨水泥摻量Ps的增加而遞增，二者呈正相關(guān)；Ps由5%增大到10%時(shí)，λ呈線性遞增 趨勢(shì)；Ps大于10%后，λ隨Ps呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。這一現(xiàn)象可以由水泥的水化過程[26]（圖4）進(jìn)行解釋：水泥水化反應(yīng)生成的水化硅酸鈣（C-S-H）、鋁酸鈣水化物（C-A-H）等凝膠狀產(chǎn)物不斷增多，膜層增厚并互相連接，構(gòu)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，不斷填充在鈣質(zhì)砂和水泥顆粒之間的孔隙中，由于鈣質(zhì)砂是含有內(nèi)孔隙的特殊巖土介質(zhì)，水化產(chǎn)物也會(huì)填充在鈣質(zhì)砂內(nèi)部孔隙中，水化產(chǎn)生的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣將鈣質(zhì)砂顆粒包裹并連接成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即膠結(jié)砂樣內(nèi)部的孔隙率減小，顆粒之間接觸面積變大，導(dǎo)熱途徑增多，致使導(dǎo)熱系數(shù)增大；水泥摻量Ps越大，水化反應(yīng)生成的凝膠狀產(chǎn)物越多，孔隙填充越充分，膠結(jié)砂樣孔隙率越低，膠結(jié)程度越好，因此，其導(dǎo)熱系數(shù)λ越大。隨著Ps增大到某一值，水化膠凝產(chǎn)物將膠結(jié)鈣質(zhì)砂內(nèi)的孔隙全部填充，上述因素對(duì)鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)的影響效果將逐漸變?nèi)酰虼?，λ隨Ps的增長(zhǎng)趨勢(shì)也將減緩。

圖4 水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂水化過程示意圖Fig.4 Schematic diagram of hydration process of cement-cemented calcareous sand

2.2 微觀試驗(yàn)結(jié)果

由上述分析可知，膠結(jié)鈣質(zhì)砂的熱傳導(dǎo)特性隨水泥摻量Ps的變化規(guī)律本質(zhì)上取決于膠結(jié)鈣質(zhì)砂微觀孔隙大小和數(shù)量的變化。因此，借助SEM、MIP、NMR 等技術(shù)對(duì)試驗(yàn)過程中膠結(jié)鈣質(zhì)砂的微觀結(jié)構(gòu)及形貌特征進(jìn)行深入分析，揭示膠結(jié)鈣質(zhì)砂傳熱特性產(chǎn)生的微觀機(jī)理。選取Ps=5%、10%、15%時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2.1 SEM 試驗(yàn)結(jié)果分析 圖5 為不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的SEM 圖像，為了對(duì)比，將天然鈣質(zhì)砂（Ps=0%）一起分析。

圖5 SEM 圖像（×200）Fig.5 SEM images（×200）

由圖5 可知，天然鈣質(zhì)砂（Ps=0%）含有豐富的內(nèi)孔隙結(jié)構(gòu)，即單個(gè)顆粒表面仍有許多發(fā)達(dá)的內(nèi)孔隙（圖5（a）），這些內(nèi)孔隙的存在是鈣質(zhì)砂與陸源石英砂物理力學(xué)特性不同的根本原因。水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂顆粒表面附著許多凝膠物質(zhì)，這些由水泥水化生成的凝膠產(chǎn)物將鈣質(zhì)砂顆粒骨架牢牢連接在一起，構(gòu)成“粒狀·鑲嵌·膠結(jié)”的空間結(jié)構(gòu)（圖5（b）～（d））。進(jìn)一步觀察可知，天然鈣質(zhì)砂顆粒表面分布著很多連通孔隙（圖5（a）），隨著水泥摻量的增大，鈣質(zhì)砂顆粒表面的孔隙逐漸被填充：Ps=5%時(shí)，圖5（b）中可清晰觀察到鈣質(zhì)砂顆粒表面孔隙，水化反應(yīng)生成的膠凝產(chǎn)物填充其中，占據(jù)了相當(dāng)部分的孔隙體積；Ps=10%時(shí)，水化膠凝產(chǎn)物進(jìn)一步填充鈣質(zhì)砂顆粒的表面孔隙，部分連通孔隙完全被填平，相比Ps=5%時(shí)，孔隙尺寸顯著變小，小孔隙數(shù)量明顯增多，說明水化膠凝產(chǎn)物對(duì)鈣質(zhì)砂的膠結(jié)效果良好，形成了致密的膠結(jié)物，如圖5（c）所示；Ps=15%時(shí)，鈣質(zhì)砂顆粒表面孔隙已經(jīng)完全被水化膠凝產(chǎn)物填充，形成了致密的膠結(jié)覆蓋層，圖5（d）中幾乎看不到明顯的鈣質(zhì)砂顆粒外部孔隙。由此可知，水泥摻量Ps越大，鈣質(zhì)砂的膠結(jié)程度越高。

為了進(jìn)一步分析試驗(yàn)樣品的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化，運(yùn)用PCAS 軟件[27]對(duì)上述SEM 圖像進(jìn)行處理，得到孔隙的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，見表4。

表4 天然鈣質(zhì)砂和水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂孔隙統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 4 The pore statistical parameters of natural calcareous sand and cement-cemented calcareous sand

2.2.2 MIP 試驗(yàn)結(jié)果分析 圖6 為不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的MIP 試驗(yàn)曲線。由圖6（a）可以看出，隨著孔徑的增大，孔隙體積累計(jì)曲線先保持平穩(wěn)，當(dāng)孔徑到達(dá)0.01 mm 時(shí)曲線急劇下降，說明天然鈣質(zhì)砂和水泥膠結(jié)鈣質(zhì)砂試樣的孔隙粒徑大多集中在0.01 mm 以上。隨著水泥摻量Ps的增大，試樣的孔隙累計(jì)體積不斷減小，無水泥摻入（天然鈣質(zhì)砂）的試樣孔隙累計(jì)體積最大，水泥摻量15%的試樣孔隙累計(jì)體積最小，具體數(shù)據(jù)見表5。圖6（b）反映了膠結(jié)鈣質(zhì)砂中不同粒徑孔隙的分布情況，由圖可知，不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂中孔隙均分布在0.1 mm粒徑附近，以此為中心形成一個(gè)駝峰形的主分布區(qū)；隨著水泥摻量的增大，該駝峰形分布曲線的峰值點(diǎn)逐漸降低，分布區(qū)面積逐漸減小，表明膠結(jié)鈣質(zhì)砂中孔隙不斷減少。

表5 膠結(jié)鈣質(zhì)砂孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 5 The pore statistical parameters of cemented calcareous sand

圖6 膠結(jié)鈣質(zhì)砂的孔徑分布曲線Fig.6 Pore size distribution curves of cemented calcareous sand

由表5 可知，膠結(jié)鈣質(zhì)砂的孔隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)（總進(jìn)汞體積、總孔面積和孔隙率）均隨著水泥摻量Ps的增大不斷減小，與SEM 試驗(yàn)得到的孔隙統(tǒng)計(jì)參數(shù)變化規(guī)律一致。

2.2.3 NMR 試驗(yàn)結(jié)果分析 不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的NMR 曲線如圖7 所示。由圖7 可知，NMR 曲線均呈現(xiàn)出3 個(gè)不同峰值的波峰，以T2=1.38、126、4 000 ms 為分界點(diǎn)，可將所有NMR 曲線劃分為3 個(gè)區(qū)域（區(qū)域I、II、III，每個(gè)區(qū)域分別包含1個(gè)波峰），其中，1.38 ms 是水泥水化作用所能分割的最小孔徑對(duì)應(yīng)的T2值[28]；126 ms 為2 個(gè)相鄰波峰之間的波谷，即2 個(gè)不同孔徑范圍的分界點(diǎn)。根據(jù)式（4）可分別計(jì)算出上述3 個(gè)T2值對(duì)應(yīng)的孔徑d，依次為66.24、6.05×103、1.92×105nm。由此可知，3個(gè)區(qū)域代表的孔隙粒徑范圍分別為微孔隙區(qū)域I（d＜66.24 nm）、小孔隙區(qū)域II（66.24～6.05×103nm）和大孔隙區(qū)域III（6.05×103～1.92×105nm）。谷建曉[28]認(rèn)為，區(qū)域I 微孔隙變化主要來源于水泥水化生成的膠凝物本身的孔隙，區(qū)域II、III 的小、大孔隙變化反映了鈣質(zhì)砂自身原生孔隙被水泥水化膠凝物分割、填充的情況。

圖7 不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的NMR 曲線Fig.7 NMR curves of cemented calcareous sand with different cement contents

區(qū)域I 內(nèi)核磁信號(hào)隨著Ps的增大而增加，即孔徑小于66.24 nm 的微孔隙隨著Ps的增大而增多，由前述分析可知，這部分孔隙主要來源于水泥水化的膠凝產(chǎn)物，因此，這部分孔隙的變化情況表明，隨著Ps的增大，水泥水化反應(yīng)加劇，生成的膠凝產(chǎn)物增多。區(qū)域II 內(nèi)水泥摻量5%的膠結(jié)鈣質(zhì)砂由于水泥含量低而停止水化反應(yīng)，水泥摻量15%的膠結(jié)鈣質(zhì)砂由于水泥含量高，前期水化反應(yīng)劇烈而此時(shí)水化反應(yīng)已停止，但水泥摻量10%的膠結(jié)鈣質(zhì)砂由于水泥含量適中，這個(gè)時(shí)期水化反應(yīng)仍在繼續(xù)進(jìn)行，仍有水化膠凝物產(chǎn)生，此階段水泥摻量10%的膠結(jié)鈣質(zhì)砂核磁信號(hào)最強(qiáng)。區(qū)域III 內(nèi)核磁信號(hào)隨著Ps的增大而減少，表明水泥膠凝物逐步填充了鈣質(zhì)砂孔隙，膠結(jié)鈣質(zhì)砂樣內(nèi)部的孔隙率減小，密度變大；Ps越大，效果越顯著。這與上文中對(duì)水泥摻量Ps對(duì)膠結(jié)鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)λ的影響機(jī)理的解釋一致。

為了將NMR 試驗(yàn)結(jié)果定量化，以便更好地反映膠結(jié)鈣質(zhì)砂的孔隙結(jié)構(gòu)變化情況，將圖7 中各區(qū)域的核磁信號(hào)幅度與T2圍成的面積進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表6 所示。

表6 不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的T2曲線面積Table 6 T2 curve areas of cemented calcareous sand with different cement contents

由表6 可知，隨著水泥摻量Ps的增大，區(qū)域I 的微孔隙數(shù)量逐步增加，區(qū)域II 中水泥摻量10%的膠結(jié)鈣質(zhì)砂小孔隙數(shù)量最多，區(qū)域III 的大孔隙數(shù)量逐漸減少。膠結(jié)鈣質(zhì)砂中總孔隙數(shù)量越來越少，當(dāng)水泥摻量由5%變化到10%時(shí)，總孔隙數(shù)量減少最顯著，減幅高達(dá)12.7%，隨著水泥摻量的增大，減少幅度逐漸變緩，Ps=10%和Ps=15%時(shí)，兩者的總孔隙數(shù)量變化甚微，這與前面的宏觀分析一致。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

2.3.1 膠結(jié)鈣質(zhì)砂的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化 上述分析表明，由于測(cè)試原理不同，SEM、MIP、NMR 技術(shù)對(duì)膠結(jié)鈣質(zhì)砂微觀孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)方法不一樣，但是各自的統(tǒng)計(jì)參數(shù)均能反映出不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂微觀孔隙結(jié)構(gòu)的變化特征。為了更充分說明這一問題，將上述3 種試驗(yàn)中相同（或相近）的統(tǒng)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖8 為3 種水泥摻量（5%、10%、15%）膠結(jié)鈣質(zhì)砂的總孔隙面積變化曲線。由圖8 可知，SEM、MIP、NMR 試驗(yàn)反映的總孔隙面積均呈現(xiàn)出統(tǒng)一的變化趨勢(shì)：水泥摻量Ps由5%增加到10%時(shí)，總孔隙面積呈直線遞減；Ps由10%增加到15%時(shí)，總孔隙面積呈緩慢遞增趨勢(shì)。SEM 和MIP 試驗(yàn)反映的不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的孔隙率變化曲線（圖9）也呈類似的變化規(guī)律。

圖8 不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的總孔隙面積變化曲線Fig.8 Total pore area curves of cemented calcareous sand with different cement content

圖9 不同水泥摻量膠結(jié)鈣質(zhì)砂的孔隙率變化曲線Fig.9 Void ratio change curves of cemented calcareous sand with different cement content

綜上，隨著水泥摻量Ps的增大，膠結(jié)鈣質(zhì)砂中孔隙數(shù)量越來越少，孔隙占比下降明顯，隨著水泥摻量的增大，下降幅度逐漸變緩，Ps=10%和Ps=15%時(shí)，總孔隙面積、孔隙數(shù)量、孔隙率等參數(shù)均變化甚微，與前文的宏觀分析一致。

2.3.2 膠結(jié)鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)與微觀孔隙變化 對(duì)比分析圖3 和圖8、圖9 可知，隨著水泥摻量Ps的增大，膠結(jié)鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ先線性遞增后緩慢增長(zhǎng)，其內(nèi)部微觀孔隙先線性遞減后緩慢減少，二者之間表現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，根本原因在于：隨著水泥摻量Ps遞增，膠結(jié)鈣質(zhì)砂中孔隙不斷被水化產(chǎn)生的膠凝物填充，引起孔隙率下降，膠結(jié)程度提高，促進(jìn)了熱量傳遞，宏觀上表現(xiàn)為導(dǎo)熱系數(shù)λ不斷增大。隨著Ps增大到某一值，水化膠凝產(chǎn)物將膠結(jié)鈣質(zhì)砂內(nèi)的孔隙全部填充，上述因素對(duì)鈣質(zhì)砂導(dǎo)熱系數(shù)的影響效果逐漸變?nèi)?，因此，λ隨Ps的增長(zhǎng)趨勢(shì)也減緩。

3 結(jié)論

1）膠結(jié)鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ隨水泥摻量Ps的增大而遞增，呈正相關(guān)關(guān)系；Ps由5%變化到10%時(shí)，λ呈線性遞增趨勢(shì)；Ps大于10%后，λ隨Ps呈緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)。

2）綜合分析SEM、MIP 和NMR 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著水泥摻量Ps的增大，膠結(jié)鈣質(zhì)砂中孔隙數(shù)量越來越少，孔隙占比下降明顯，隨著Ps的增大，下降幅度逐漸變緩，Ps增大到10%后，總孔隙面積、孔隙數(shù)量、孔隙率等微孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)均變化甚微。

3）隨著水泥摻量Ps的增大，膠結(jié)鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ與微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化呈負(fù)相關(guān)，原因在于：隨著水泥水化膠結(jié)過程的發(fā)展，凝膠狀水化產(chǎn)物連續(xù)填充在膠結(jié)鈣質(zhì)砂孔隙中，導(dǎo)致其孔隙率降低，改善了砂樣內(nèi)部傳熱，宏觀表現(xiàn)為膠結(jié)鈣質(zhì)砂的導(dǎo)熱系數(shù)λ隨著膠結(jié)程度的提高而遞增，這些宏觀現(xiàn)象都可從膠結(jié)鈣質(zhì)砂的微觀孔隙結(jié)構(gòu)變化得到合理解釋。