非饱和土力学试验技术-压汞测试方法简介

孔隙度测定法（Porosimetry）通常用于测量材料的孔径大小、体积、分布、密度和其他与孔隙相关的特性。孔隙度对于理解许多物质的形成、结构和潜在用途尤为重要。材料的孔隙度会影响其物理性质，进而影响到材料的性能，如吸附性、渗透性及强度等。

压汞法（Mercury Intrusion Porosimetry，MIP）又称汞孔隙率法，是孔隙度测定法中常用的一种方法，主要用于测定材料中中孔和大孔的孔径分布规律。压汞法具有原理简单、试验速度快、测量孔隙半径范围宽等优点，已经逐渐应用于土体微观孔隙测试及机制研究中（Delage和Lefebvre，1984；Simms和Yanful，2001；闫小庆等，2011；张先伟和孔令伟，2013）。

1.试验原理

汞是一种液态金属，由于其特殊的原子间距，汞与很多物质不能浸润，岩土体就是与汞不浸润的一种混合物。而且，汞具有很高的表面张力，不会自发地通过毛细作用进入到孔隙中，如图B.1所示，必须在外部压力作用下才能将其压入土的孔隙中。因此，对于微观孔隙空间的探测，汞无疑是最合适的材质。

在给定的压力p下，将常温下的汞压入被测多孔材料的毛细孔中，而当汞进入毛细孔中时，毛细管与汞的接触面会产生与外界压力方向相反的毛细管力，阻碍汞进入毛细管。根据力的平衡原理，当外压力大到足以克服毛细管力时，汞就会侵入孔隙。因此，由外界施加的压力值便可度量相应孔径的大小，进而可得多孔材料中孔隙大小分布情况。假设多孔材料所有孔都是圆柱形，则压汞法原理可以表述为Washburn方程，即

图B.1　汞的非亲水性

式中 Tm——汞的表面张力；

　　 d——毛细孔孔径，μm；

　　 θm——汞与多孔材料的接触角；

　　 p——外界施加压力，×106N/m2。

在20℃时，Tm＝0.483N/m，θm＝140°。式（B.1）反映了所需的平衡压力与孔的大小成反比，将汞注入大孔中，仅需要微小的压力，而要使汞进入小孔则需要很大的压力。

图B.2　压汞计（Mercury Penetrometer）及其剖视图

压汞法是在精准控制压力下使汞逐渐侵入多孔材料的一种方法。压汞仪可以通过不同压力下的进汞量测算孔的大小、数量等。压汞计（Mercury Penetrometer）是压汞仪中一个重要元件，如图B.2所示，主要由带有电触点（Electrical Contact）的金属盖（Cap）、样品杯（Sealed Sample Cup）和毛细管（Capillary Tube/Stem）组成。样品的尺寸则由样品杯的大小决定，不同型号的压汞计适用于不同大小的样品。例如：Micromeritics公司生产的13-0767 03-15型压汞计，样品杯体积为3.385cm3，毛细管体积为0.412cm3，压汞计常数（Pen.Constant）为11.117μL/pF，样品的干质量约为1.2～1.8g。

样品杯和毛细管一体化制成，均为玻璃材质。金属盖盖在样品杯上缘，并通过一个带内螺纹的塑料圆环将两者压紧密封，如图B.2所示的实物照片。毛细管外壁有一层金属镀层（Metal Plating）。

毛细管中注汞后与外侧金属镀层形成电容器（Electrical Capacitance Dilatometer）。测量开始时，汞充满压汞计，随着压力的增大，汞被压入样品中，毛细管中的汞柱高度下降，电容板的表面积减小，电容器的电容值也相应减小，即相同电压下所容纳的电荷量减小。传感器能够检测到电荷量的变化并输出信号，由计算机程序完成电荷量变化与汞变化量间的转化。压汞计量测汞体积变化的精度非常高，可以检测到0.1μL的汞体积变化量。

压汞法通过测量每级压力变化时压汞计中汞的体积变化量，然后由Washburn方程得到相应孔径等级的孔隙体积，从而得到多孔材料的孔径分布规律。

2.试验步骤

（1）样品的干燥。压汞仪是精密仪器，对样品的质量要求较高，样品尺寸（Hearn和Hooton，1992）、制样方法及干燥方法对测试结果均有一定的影响。样品的尺寸由样品杯的大小决定。进行压汞试验前，测试样品必须是干燥的，在试验前要对样品进行干燥处理。

干燥的方法有多种，如风干法、烘干法、化学干燥法和冷冻干燥法（Freeze Drying）等。用风干法或烘干法干燥制样会导致样品发生显著的收缩，孔隙含量减少。化学干燥法利用乙醇或丙酮等化学药品置换样品中的水分对其进行干燥，平衡时间较长，而且置换时因置换液本身也具有一定的表面张力，同样会使样品产生一定程度的变形。冷冻干燥法是目前针对岩土土样最适宜的干燥方法，对土样的微观结构扰动较小，土体的微观结构基本可以保持。

液氮冻干法（Liquid Nitrogen Freeze-drying Method）是较常用的冷冻干燥法，它的原理是使土样先在低压液氮（沸点-196℃）环境中快速冻结，使土样孔隙中的水分直接变成不具膨胀性的非结晶态冰，然后在低压环境下，通过真空升华（Sublimation）对冻结土样进行干燥，从而保证土中孔隙不因脱水发生收缩。冻干制样时，首先让土样在液氮冻干容器中进行快速冻结2～3min，然后将冻结的土样快速放置到冷冻升华机中进行低压升华，用时24～36h。冻干、升华装置如图B.3所示。升华结束后，取出土样，用纸巾将土样轻轻包裹，放置在装有干燥剂的小盒中静置、备用。

图B.3　冻干、升华装置（法国国立路桥学校，CERMES实验室）

（2）压汞试验。图B.4为美国Micromeritics公司生产的型号为AutoporeⅣ9510的全自动孔径分布压汞仪，可测定的孔径范围为3nm～363.6μm。

图B.4　AutoporeⅣ9500压汞仪

压汞试验的操作步骤如下：

1）将压汞计的金属板、玻璃部分洗净、吹干，放入60℃烘箱内烘干5～10min。拧开低压舱，用低压替代杆取出舱内多余硅脂，之后将低压替代杆放置一边。(www.xing528.com)

2）将压汞计的金属板、玻璃部分从烘箱中取出，待冷却至室温，天平上放置一柱托，将玻璃部分竖直置于柱托上，称量玻璃部分质量，记为m1。

3）将玻璃部分从天平上取出，用镊子小心将土样放入样品杯内，再次置于天平的柱托上，称重，记为m2。

4）取下玻璃部分，在样品杯上缘均匀涂上薄薄一层高真空密封性硅脂，将金属盖覆盖样品杯，用塑料圆环箍紧金属盖与样品杯，如图B.5所示，放置于天平的柱托上，称重，记为m3。

图B.5　样品杯与金属盖的连接

5）在压汞计毛细管的下半部涂高密封硅脂用以密封，套上有机玻璃圈，将压汞计放入低压舱拧紧，并罩上外盖，低压装样完成。

6）计算土样质量ms＝m2-m1，压汞计的质量为m3-ms＝m3-（m2-m1）。

7）打开AutoporeⅣ9500软件，依次点击File/Open/Sample information，输入土样基本信息；点击Unit2/Low pressure，创建File name；输入土样ID，输入土样质量ms，压汞计型号（例如：13-0767 03-15 0.412cm3Constant＝11.117μL/pF）；设置低压阶段加压时间间隔（如10s）以及高压加压时间间隔（如120s）；输入压汞计的质量。

8）开始低压试验，低压范围为0～220kPa。首先抽真空，使低压舱内的压汞计内达到真空状态，如图B.6（a）所示，利用该真空负压将汞导入压汞计内，如图B.6（b）所示。低压试验时，在毛细管末端施加注汞压力。压汞计内汞被压入土样中部分相对较大的孔隙，如图B.6（c）所示。

9）低压结束后，取出压汞计，进汞端朝上放置，避免汞流出，用纸巾从内向外沿一个方向擦净外层的硅脂，然后放置在天平上称重，记为m4。用低压替代管取出低压舱内多余硅脂，然后将替代管插入低压舱，此时不需要有机玻璃圈，旋紧外盖。

10）将高压舱的顶盖装置抬起，观察高压舱中高压油（High Pressure Fluid）的量，如不足需补充，将压汞计底朝下放入高压舱内的卡槽内，将顶盖装置放低、顺时针旋紧，同时，旋紧顶盖装置上面的黑色旋钮，高压装样完成。在AutoporeⅣ9500软件中输入质量m4，然后单击OK按钮，开始高压试验。

图B.6　压汞试验中整个注汞过程示意图

11）高压注入时靠压力泵（Pump）加压，如图B.7所示，高压压力为0.23～200MPa，在高压舱内充满高压油，通过压力泵向高压油施加压力，将压汞计内的汞压入试样中相对较小的孔隙，如图B.6（d）所示。高压结束后单击“保存”按钮并清理仪器。

3.影响因素

温度高，汞会挥发，因此进行压汞试验的实验室温度应控制在20℃±0.5℃。

压汞试验的影响因素一般来源于材料中孔隙的类型、加载速度、土样的压缩和退汞角的变化等，具体说明如下：

（1）孔的类型。土样中孔的类型如图B.8所示。压汞仪可以检测到连通孔、贯通孔、盲孔，不能检测封闭的孔隙。

图B.7　高压阶段工作原理示意图

图B.8　孔的类型

压汞试验假设样品内所有孔隙都是经由大孔延续到样品表面，不满足这样假设的孔称为墨水瓶孔（Ink-bottle Pore），即大孔是经由小孔连接到样品表面的，在注汞时，小孔先被汞填满，随后汞进入大孔，这部分大孔的体积被误认为是小孔体积，从而使小孔体积的测量值比实际值偏大，造成误差。另外，在退汞时，当外界压力小于小孔的毛细管力，小孔中的汞会退出，但是此时大孔内的毛细管力不足以克服外界压力，只有当外界压力继续减小到小于大孔的毛细管力，大孔中的汞才会退出，而有时由于“瓶颈效应”或者小孔在试验过程中坍塌，汞会被滞留在大孔中（汤永净等，2015）。墨水瓶孔是造成汞滞留在样品内部的主要原因。

（2）加载速度。压汞仪采用分级加压的方式注汞，某一级压力的加载是按照一定的速率并在一定的平衡时间内完成，不是瞬间完成的，如试验步骤7中所述，需设置低压或高压加压时间间隔。实验加载的速度太快，可能会导致某一级压力对应孔隙未被汞全部充满就进入下一级注汞压力，造成误差；若加载的速度太慢，则会导致实验耗费时间太长，成本太高。

（3）材料的压缩性和结构性。对冻干后结构比较脆弱的样品或孔隙率很大的样品，在注汞过程中，样品有可能会被压缩而发生变形，或是在一定压力下发生崩塌，导致孔结构被完全破坏。也就是说，材料的压缩性、结构性会在一定程度影响压汞试验的结果。

4.典型的压汞试验结果

压汞试验可以配合多数土工实验，如三轴试验、压缩实验、渗透实验等，试验完成后可以取样进行MIP测试，研究土样中孔径的分布规律。由MIP试验导出的原始数据包含进汞压力、对应的等效孔径和注汞量等。利用Washburn方程对数据进行处理，可以得到累积进汞曲线及孔径分布曲线（Pore Size Distribution，PSD），如图B.9所示，累积进汞曲线显示了进汞孔隙比eMIP与对应的侵入孔径d在半对数坐标中的关系，以三角形“Δ”标识。孔径分布曲线（PSD）反映了δeMIP/δlg d与对应的侵入孔径d在半对数坐标中的关系，在图中以方形“□”标识，PSD曲线是对eMIP-d曲线的对数微分。

图B.9　累积进汞曲线与孔径分布曲线