3D particle aggregation in consolidated clay systems: Insights from phase-contrast nano-holo-tomography
Angela Casarella*, Gustavo Pinzón, Vijayshree Sadasivan, Olga Stamati, Julie Villanova, Bratislav Lukić, Jelke Dijkstra
Keywords: Clay microstructure; X-ray nano-tomography; Fabric; Kaolin; Pore fluid pH; Orientation
DOI: 10.1016/j.partic.2026.02.002
黏土微观颗粒的排列方式直接决定其宏观力学性能。然而，饱和固结黏土的颗粒级三维观测一直是业界难题。本文采用同步辐射x射线相位衬度纳米全息断层扫描成像技术，对饱和固结黏土进行无损三维表征。试验以市售高岭土为分析样品，通过固结重塑处理后，又分别经酸性（pH=4.1）和碱性（pH=9.1）两种孔隙液处理，用于考察电化学环境下黏土中颗粒间相互作用与空间排列的结构特征。
研究结果表明，x射线相位衬度纳米CT可精准解析单个高岭土片层结构及其空间排列特征，首次实现对饱和高岭土黏土结构的无损三维成像。试验进一步揭示，酸性与碱性孔隙液诱导的不同颗粒聚集（堆叠）模式主要体现在宏观结构上存在显著差异，而微观织构则相似。酸性环境下颗粒以“边-面”堆叠为主导，宏观上结构无序且孔隙更大；碱性环境下颗粒则为“面-面”堆叠，最终形成结构紧密、具有高度各向异性的聚集体。这一差异源于不同pH下高岭土表面电荷的变化。
本研究结合高分辨3D成像技术、自相关函数（ACF）分析及三维局部取向表征，无需进行图像分割处理即可获取相关结构参数，实现了黏土材料多尺度各向异性结构的高效表征。该研究成果深化了对高岭土微观结构特征的科学认知，为阐明孔隙液pH对黏土体系中颗粒间相互作用、结构的多尺度演变提供了直接的试验证据，填补了该领域的技术与理论缺口，充分验证了同步辐射X射线3D纳米成像技术在黏土类材料微观特性表征领域的应用潜力。
相关研究成果发表于PARTICUOLOGY（Volume 112）。欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！
编辑、排版：《颗粒学报》编辑部
文章信息
Casarella, A., Pinzón, G., Sadasivan, V., Stamati, O., Villanova, J., Lukić, B., & Dijkstra, J. (2026). 3D particle aggregation in consolidated clay systems: Insights from phase-contrast nano-holo-tomography. Particuology, 112, 271-283. https://doi.org/10.1016/j.partic.2026.02.002