钙质砂是一种分布在热带海洋中的特殊的岩土介质。其颗粒形状不规则、海洋生物成因、碳酸钙含量在50%以上,钙质砂主要分布在我国的南海海域。近十几年来,随着南海石油资源、岛礁旅游业的开发及军事防范的需求,海上岛礁的现代化工程日益增多。因此开展钙质砂的理论与实验研究,对于南海钙质砂实际工程设计、施工、安全性检查,以及促进经济水平的提高,都有十分重要的意义。据目前研究表明,钙质砂具有多孔隙、多棱角、易破碎等特点。由于钙质砂的成因与结构上的特点,导致其物理性能区别于普通的陆源砂。相较与石英砂,其质脆且在较低的应力水平下会发生破碎。颗粒的孔隙度、形态与钙质砂颗粒破碎之间的关系对了解其工程力学性能有重要的意义。然而,它们之间的关系尚未建立。本文的主要工作如下:(1)使用XRD、EDS、SEM对钙质砂颗粒进行表征分析(物相、结构和形貌);采用基于同步X射线的计算机断层扫描技术,对颗粒的形貌及其多孔结构进行三维表征。对颗粒的孔隙度及形状进行量化,钙质砂颗粒的形状主要为椭球状为主。随着颗粒孔隙度的增加,用盒维数法计算所得的颗粒孔隙分形维数也随之而增加,但增加的趋势并不相同。(2)对20个1 mm左右的钙质砂进行单颗粒压缩试验,颗粒为近球状。采用Weibull强度统计方法,计算Weibull模量m和颗粒的特征强度。微孔的Weibull模量m进行预测,预测值与实验测量值基本吻合。结果表明,孔隙结构的复杂性是导致钙质砂颗粒强度变化的主要原因。(3)本次实验首次对钙质砂在机械载荷作用下的颗粒破碎过程进行原位CT表征。使用微型拉-压试验机配合显微CT对颗粒内孔隙及尺寸演变进行量化。钙质砂颗粒的三维图像清晰地揭示了碳酸盐岩砂的结构-性质关系。从断裂颗粒中提取的三维裂纹网络表明,裂纹明显地沿着颗粒的内孔隙进行开裂且在碎片中存在残余裂纹。裂纹网络具有分形特征,随着外载荷的增加,颗粒裂纹的分形维数也随之增加,并导致颗粒的碎片尺寸也呈分形分布。