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柴肇云 著

图书标签:

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• 岩石力学
• 工程地质
• 钻井工程
• 地质工程

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030543783

版次：1

商品编码：12241964

包装：平装

丛书名： 博士后文库

开本：16开

出版时间：2017-09-01

用纸：胶版纸

页数：188

字数：240000

正文语种：中文

内容简介

《泥岩物性与改性》系统论述我国煤系地层泥岩的物理力学性质及通过电化学和有机硅材料改性技术实现其工程特性强化的理论与方法。《泥岩物性与改性》详细介绍煤系泥岩的典型工程危害及矿物学特征、表面性质与孔裂隙特征、力学性质、泥化与崩解以及胀缩性等与工程特性密切相关的物理力学性质，系统阐述采用电化学和有机硅材料改性技术强化泥岩工程特性的研究思路方法及软岩巷道围岩的改性加固技术等。

目录

《博士后文库》序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 泥岩的工程特征 2
1.1.1 泥岩的强度特性 2
1.1.2 泥岩的变形特性 3
1.1.3 泥岩的水理特性 4
1.2 软岩工程稳定性控制方法及局限性 7
1.3 泥岩改性的基本思路 8
1.3.1 电化学改性技术的发展 9
1.3.2 有机硅材料改性技术的发展 10
参考文献 12
第2章 泥岩的典型工程危害及矿物学特征 16
2.1 泥岩的工程危害 16
2.2 煤系地层泥岩的成因 20
2.2.1 泥岩所含黏土矿物 20
2.2.2 黏土矿物成因分析 23
2.3 泥岩的物质组成 25
参考文献 32
第3章 泥岩的表面性质与孔裂隙特征 34
3.1 泥岩的表面凹凸形貌特征 34
3.2 泥岩的表面性质 38
3.2.1 表面润湿性 38
3.2.2 表面能 41
3.2.3 表面官能团 42
3.2.4 表面电性 42
3.3 泥岩的孔裂隙特征 45
3.3.1 孔隙分类与测定方法 45
3.3.2 显微孔裂隙形态特征 46
3.3.3 孔裂隙分布特征 49
3.4 孔裂隙与吸水性的关系 50
参考文献 51
第4章 泥岩的力学性质 53
4.1 泥岩的单轴压缩 53
4.1.1 单轴压缩的全程应力-应变曲线 53
4.1.2 单轴压缩的破坏形式 55
4.1.3 峰后残余强度与支护的相互关系 55
4.2 泥岩的巴西劈裂 56
4.2.1 巴西劈裂的载荷-位移曲线 56
4.2.2 巴西劈裂的破坏形式 57
4.3 泥岩的压剪破坏 58
4.3.1 变角剪切压模试验 58
4.3.2 压剪破坏的裂隙演化规律 62
4.3.3 压剪破坏破裂块体的分形特征 64
参考文献 67
第5章 泥岩的泥化与崩解 68
5.1 泥岩的泥化特性 68
5.2 泥岩的耐崩解性 69
5.2.1 实验样品与方法 69
5.2.2 崩解循环对岩样形态的影响 71
5.2.3 崩解循环对耐崩解性指数的影响 72
5.2.4 耐崩解性差异产生机理分析 75
5.3 泥岩的泥化崩解机理 75
5.3.1 泥岩的泥化机理 75
5.3.2 泥岩的崩解机理 77
参考文献 79
第6章 泥岩的胀缩性 80
6.1 试验岩样与方法 81
6.1.1 试验岩样 81
6.1.2 试样制备 81
6.1.3 试验装置 82
6.1.4 试验方案 83
6.2 泥岩膨胀各向异性 84
6.2.1 膨胀变形随层理面方位的变化规律 84
6.2.2 膨胀各向异性形成机理 85
6.3 水化学环境变化对膨胀性的影响 87
6.3.1 溶液浓度变化 87
6.3.2 阳离子价位变化 88
6.3.3 化学路径 93
6.4 泥岩的循环胀缩特性 94
6.4.1 胀缩变形随循环次数的变化规律 94
6.4.2 泥岩循环胀缩特性的形成机理 96
6.5 关于泥岩胀缩性的讨论 97
参考文献 98
第7章 泥岩的电化学改性 100
7.1 改性前后泥岩的零电荷点与电荷密度 100
7.1.1 电位滴定(PT)法 100
7.1.2 电位滴定法测定零电势点的理论探讨 101
7.1.3 零电势点的测定结果与分析 102
7.2 改性前后泥岩的ζ电位和等电点 105
7.3 改性前后泥岩颗粒沉降与体积膨胀性 106
7.3.1 试验岩样与方法 106
7.3.2 试验现象及其机理解释 108
7.3.3 蒸馏水中电化学作用对泥岩颗粒沉降与膨胀性的影响 109
7.3.4 溶液浓度对泥岩颗粒沉降与膨胀性的影响 111
7.3.5 加电时机对泥岩颗粒沉降与膨胀性的影响 113
7.3.6 电位梯度对泥岩颗粒沉降与膨胀性的影响 114
7.3.7 电化学作用过程中岩样电流强度和温度的变化 115
7.4 改性前后泥岩矿物成分含量与晶体结构 116
7.4.1 溶液浓度变化对泥岩矿物成分含量的影响 117
7.4.2 溶液浓度变化对泥岩新生矿物及其含量的影响 119
7.4.3 溶液浓度变化对泥岩矿物晶层间距的影响 119
7.4.4 溶液浓度变化对泥岩矿物晶粒大小的影响 120
7.5 改性前后泥岩孔裂隙与强度 122
7.5.1 试验岩样与方法 122
7.5.2 典型试验现象 123
7.5.3 温度变化 125
7.5.4 孔隙变化 127
7.5.5 显微结构变化 129
7.5.6 单轴抗压强度变化 132
7.6 泥岩电化学改性的物理模拟 133
7.6.1 试验装置与试验过程 133
7.6.2 试验现象 135
7.6.3 电极腐蚀与新生矿物 136
7.6.4 电流变化与电流降低率 138
7.6.5 电阻率变化 138
7.6.6 单轴抗压强度变化 140
7.6.7 泥岩电化学作用机理分析 142
7.6.8 电阻率与单轴抗压强度的相关性 143
7.6.9 存在问题与讨论 143
7.7 电化学改性巷道围岩电极布置方式 144
7.7.1 现有电极布置方式及存在问题 144
7.7.2 改进后的电极布置方式及合理性分析 146
参考文献 148
第8章 泥(砂)岩的有机硅材料改性 150
8.1 有机硅材料改性软岩思路的递进演化 150
8.2 有机硅材料改性泥岩的物性演化规律 151
8.2.1 试验岩样与改性材料 151
8.2.2 改性前后泥岩物性变化规律 151
8.2.3 改性机理分析 158
8.2.4 讨论 158
8.3 有机硅材料改性砂岩的强度与ζ电位变化规律 159
8.3.1 改性材料与试验岩样及方案 159
8.3.2 改性前后砂岩强度变化规律 160
8.3.3 改性前后砂岩ζ电位变化规律 164
8.3.4 改性机理分析与讨论 166
8.4 有机硅材料改性软岩的工业试验 166
8.4.1 试验巷道的基本情况 166
8.4.2 巷道变形破坏特征及机理分析 168
8.4.3 巷道支护方案 169
8.4.4 效果检验与经济效益分析 170
参考文献 174
编后记 175

泥岩物性与改性 导言：深层地质环境的挑战与机遇 在现代土木工程、油气开采以及地质灾害防治领域，对深层地质材料，尤其是泥岩的理解和有效管理，是决定工程成败的关键因素之一。泥岩，作为沉积岩中的重要组成部分，其独特的物理化学性质——如高含水率、低渗透性、遇水敏感性（膨胀或软化）、以及在应力作用下的蠕变与失稳特性——对地下结构物的长期稳定性构成了严峻的挑战。 本书《泥岩物性与改性》并非聚焦于单一的实验方法论或纯理论推导，而是致力于构建一个从微观结构到宏观工程响应，再到工程应用解决方案的完整知识体系。它深刻认识到，传统的岩土工程方法在面对复杂、非均质的泥岩地层时往往捉襟见肘。因此，本书旨在提供一套前瞻性的、综合性的工具箱，用以解析泥岩的行为模式，并提供切实可行的工程控制与优化策略。 第一部分：泥岩的精细化表征——从矿物学到流变学 泥岩的复杂性源于其多相结构。本书摒弃了将泥岩视为“均质”土体的传统观点，而是深入挖掘其内在的异质性。 第一章：矿物学与微观结构控制 本章详细阐述了泥岩中粘土矿物（如伊利石、蒙脱石、高岭石）的种类、比例及其在水化过程中的反应活性。重点分析了这些矿物在特定温度、压力和离子强度下的晶格结构变化，以及这些变化如何直接影响整体岩石的工程力学参数。通过高分辨率扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）的图像分析，读者将清晰地看到泥岩孔隙网络的连通性、孔隙度分布以及颗粒间的接触关系，这些微观特征是理解渗透性和强度变化的基础。 第二章：水-岩相互作用的动力学 泥岩的工程特性极易受水环境影响。本章侧重于描述水在泥岩内部的迁移机制，包括吸附水、胶结水和孔隙水的区别。引入了非饱和土力学的概念，探讨了基质吸力和孔隙水压力耦合作用下的有效应力原理在泥岩中的适用性与局限性。特别关注了“遇水敏感性”——泥岩在浸泡或渗透水流作用下，粘土颗粒的溶胀、分散和结构破坏过程的动力学模型。 第三章：非常规力学行为的量化分析 泥岩在地下深处的应力状态往往是长期、低应变率的。本章集中研究了泥岩的蠕变、松弛和应力松弛行为。利用三轴蠕变试验和时间-应变速率耦合模型，量化了黏塑性变形对隧道、深基坑和井壁稳定性的长期影响。此外，对泥岩的动态响应，如在地震或爆破载荷下的非线性弹性与弹塑性转变，也进行了深入的探讨，为动态风险评估提供了基础数据。 第二部分：工程挑战与地质环境的耦合分析 泥岩的工程响应并非孤立的材料特性，而是与具体的工程环境和地质背景紧密耦合的结果。 第四章：钻探与井壁稳定性问题 在油气和地热开发中，泥岩井壁的坍塌和卡钻是普遍难题。本章系统分析了钻井液的侵入深度、滤饼的力学性能，以及泥岩在井筒压力波动下的失稳机理。提出了基于“钻井窗口”理论的优化策略，考虑了地层应力、岩石脆性以及钻井液pH值对井壁完整性的协同控制。 第五章：地下水动力对边坡与基坑的影响 对于大型基础设施项目，泥岩边坡和深基坑的长期稳定性依赖于对地下水位的精确控制。本章探讨了渗流作用如何诱发泥岩的浸润软化、滑移面形成以及孔隙水压力积累。通过耦合渗流-应力分析（FEA），模拟了在降雨或抽水条件下，泥岩体内部的应力重分布和潜在失稳模式。 第六章：深层隧道掘进的特殊响应 穿越厚层、高应力状态下的泥岩，隧道围岩的收敛和支护应力是设计重点。本书详细剖析了泥岩的“应力松弛”效应，即围岩在开挖后会经历一个较长的应力松弛过程，从而导致支护结构受力持续增加。针对性地介绍了超前支护技术、注浆加固技术在控制泥岩初期变形中的应用效果评估。 第三部分：泥岩的工程化改性技术 认识泥岩的缺陷后，工程的关键在于如何对其进行有效、可持续的改性，以提高其耐久性和承载能力。本书的改性部分强调“因地制宜，多措并举”。 第七章：化学稳定化与固化技术 本章深入研究了通过化学手段提高泥岩抗水性和强度的技术。这包括： 1. 水泥基固化体系的优化： 针对泥岩中不同粘土矿物对水泥水化的影响，提出了新型掺合料（如粉煤灰、硅灰）的配比设计，以提高浆体的致密性和长期强度。 2. 无机化学固化剂（如石灰、硅酸盐）： 重点分析了石灰与泥岩中活性二氧化硅、氧化铝的反应机理（类似火山灰反应），并给出了不同类型泥岩的最佳固化剂量和养护条件。 3. 新型有机/无机复合稳定剂： 探讨了聚合物（如丙烯酰胺基团）与无机材料的复合应用，用于降低泥岩的渗透性和可压缩性，尤其适用于地下水控制。 第八章：物理约束与结构重构 改性不只是化学变化，也包括物理结构的优化。本章介绍了： 1. 应力场调控技术： 如何通过预应力锚固、衬砌设计等手段，主动控制围岩应力场，使泥岩始终处于受压状态，从而抑制其失稳和蠕变。 2. 注浆加固与渗透阻隔： 详细介绍了微细裂隙注浆、填充注浆的技术流程和浆液选择，特别是针对高压、高渗透性泥岩的“封堵”策略。对注浆体与原泥岩的界面粘结性能进行了力学评估。 3. 加筋复合材料应用： 探讨了纤维、土工格栅等材料在提高泥岩边坡或地基的抗剪强度和整体性方面的潜力。 第九章：环境可持续性与长期监测 现代工程改性必须考虑环境影响。本章评估了不同改性剂对地下水质的潜在影响（如pH值、离子析出）。最后，强调了实施改性工程后的长期健康监测体系的重要性，包括使用光纤传感、地电化学监测等技术，实时追踪改性效果、应力变化和地下水动态，确保工程的长期安全性和服务寿命。 结语 《泥岩物性与改性》旨在为地质工程师、岩土专家、油气工程师和科研工作者提供一个深入、务实的研究平台。通过对泥岩复杂行为的剖析，以及对前沿改性技术的整合应用，本书力求将泥岩这一“令人头疼”的工程介质，转化为可控、可预测的工程基础。本书的价值在于，它不仅仅描述了泥岩会发生什么，更重要的是，它提供了如何主动地去影响和控制这些发生的可能性。

评分☆☆☆☆☆

我一直觉得，大自然中的许多事物都隐藏着不为人知的奥秘，《泥岩物性与改性》这个书名，恰恰点燃了我对泥岩这种常见却又复杂的岩石的探索欲望。我脑海中描绘的，是一本从宏观到微观，层层深入的科学著作。首先，我期待它能详细介绍泥岩的多样性，不是所有泥岩都长一个样子，它们在不同的地质环境下，会形成怎样千变万化的物理特性？例如，它的颗粒大小分布、矿物成分、含水量等，这些看似细微的差异，又会对泥岩的力学行为、渗透性等产生怎样的影响？而“改性”部分，则是我最为好奇的。这是否意味着我们可以“驯服”泥岩，让它变得更加服帖，更加符合我们的工程需求？我设想，书中可能会介绍一些先进的改性技术，或许是利用聚合物来增强其强度，又或者是通过改变其孔隙结构来提高其阻水性能。这本书，在我看来，不只是关于泥岩的知识，更是一种关于“人与自然”和谐共处的智慧，如何理解并利用自然赋予我们的宝贵资源。

评分☆☆☆☆☆

我一直对那些在地下深处默默工作的材料很感兴趣，《泥岩物性与改性》这个书名立刻勾起了我的好奇心。我脑海中勾勒出一幅画面：本书仿佛是一本详尽的“泥岩百科全书”，不仅仅是简单地罗列泥岩的物理特性，而是要深入到其最微观的层面，去探究那些肉眼无法看见的细枝末节。我设想，书中会详细介绍泥岩的颗粒组成，是哪些微小的矿物晶体构成了它，它们的大小、形状、表面电荷又会有怎样的差异？这些差异又如何影响着泥岩的整体表现？然后，关于“改性”的部分，我充满了遐想。这究竟是一种怎样的过程？是通过改变泥岩的湿度，让它变得更坚固？还是通过添加一些神奇的化学物质，来赋予它新的生命力？我设想，或许会介绍一些现代化的实验技术，比如扫描电子显微镜下的精细观察，或是各种光谱分析手段，来揭示泥岩内部的奥秘。我期待这本书能够像一位经验丰富的地质向导，带领我一步步揭开泥岩那神秘的面纱，让我明白，这些看似普通的地下岩石，是如何通过科学的力量，焕发出令人惊叹的性能。

评分☆☆☆☆☆

《泥岩物性与改性》这个书名，真的让我产生了一种想要深入了解的冲动。我脑海中浮现的，不是枯燥的科学公式，而是一部关于“变废为宝”的传奇故事。泥岩，在很多人看来可能只是土壤的一种，但这本书似乎暗示着它蕴藏着巨大的潜力。我设想，书中会从泥岩最基本的物理属性入手，比如它的密度、硬度、压缩性等等，但更让我感兴趣的是，它将如何阐述这些属性是如何形成的，是哪些内在的因素决定了泥岩的“个性”。而“改性”这个词，更是激发了我无限的想象。我猜测，这可能涉及到一系列的科学技术，比如通过加热、加压，或者掺入特定的添加剂，来改变泥岩的结构和性能。我设想，这些改性后的泥岩，或许能够在建筑领域扮演更重要的角色，例如作为高性能的填筑材料，或者用于加固不稳定的地基。这本书，在我看来，更像是一份关于如何“点石成金”的宝典，它不仅揭示了泥岩的潜能，更提供了实现这些潜能的方法，让我对接下来的内容充满了期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的书名着实吸引了我，《泥岩物性与改性》。作为一名对地质材料和工程应用充满好奇心的普通读者，我立刻联想到那些在地底深处默默承载着巨大压力的岩石，以及它们如何能够通过某种神奇的“改性”手段，变得更加稳定、可靠，甚至焕发新生。我设想，这本书或许会带领我穿越时空，从泥岩最原始的状态开始，细致地剖析它那复杂的内部结构，像是那些微小的颗粒是如何堆积、相互作用，从而赋予了泥岩独特的“性格”——是它的孔隙度、渗透性，还是它的粘土矿物成分，共同谱写了泥岩的物理篇章。接着，我期待书中能深入探讨“改性”这个概念，它可能涉及到改变泥岩的化学组成，注入某种特殊的物质，或者通过物理手段来重塑其微观结构。我设想，这些改性技术或许能够大大提升泥岩的承载能力，改善其防水性，甚至使其在建筑、隧道施工、地下工程等领域发挥更重要的作用。我脑海中浮现出工程师们如何巧妙地运用这些知识，解决工程难题的场景，仿佛置身于一个充满智慧与创新的知识殿堂。总而言之，这本书的书名让我产生了一种强烈的探索欲，我迫切地想知道，那些看似平凡的泥岩，是如何通过科学的研究，变得如此“神通广大”的。

评分☆☆☆☆☆

《泥岩物性与改性》这个书名，听起来就有一种沉甸甸的科学分量，让我联想到那些在地质勘探和工程建设中至关重要的地下信息。我设想，这本书会像一位经验丰富的地质学家，带领我走进泥岩的世界，从最基础的物理性质讲起。它会如何剖析泥岩的构成？是那些细小的粘土颗粒，是如何像乐高积木一样堆叠起来，形成复杂的内部结构？而这些结构，又如何影响着泥岩的压缩性、膨胀性，以及它在不同应力下的表现？我更感兴趣的是“改性”这一部分。在我看来，这不仅仅是简单的物理处理，更是一种“化腐朽为神奇”的科学艺术。书中会介绍哪些创新的改性方法？是化学的手段，还是物理的调整？它们又是如何作用于泥岩，使其性能得到质的飞跃？我设想，这本书或许会提供一些实际的案例，展示这些改性技术在解决实际工程问题中的应用，比如在软土路基的加固，或是地下空间的稳定。总而言之，这本书对我来说，就像是打开了一扇通往地下世界的大门，让我对泥岩有了更深刻、更全面的认识，也看到了人类如何通过智慧去改造和利用自然。