電場作用下水的粘性試驗(yàn)分析

丁凱

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣東廣州510641;2.亞熱帶建筑科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣東廣州510641)

土體是由固體顆粒、孔隙液、孔隙氣三相組成的多相物質(zhì),黏土通常具有孔徑小、比表面積大[1-2]、表面帶電現(xiàn)象非常顯著等特點(diǎn)。土顆粒表面附有電荷并產(chǎn)生微電場、電位可達(dá)數(shù)十至數(shù)百mV,在其電場作用下顆粒表面可形成較厚的結(jié)合水膜,增加了孔隙水的粘度,同時(shí)又影響孔隙水中的離子運(yùn)動(dòng)規(guī)律而產(chǎn)生滲流離子效應(yīng),這兩方面的影響將顯著改變土體微孔隙的滲流特性[3]。

由此可見,電場對水的粘度的影響尤為顯著。本文通過室內(nèi)試驗(yàn),研究了垂直于水流方向的電場對水的粘度特性的影響,在數(shù)字直流電源產(chǎn)生的強(qiáng)電場中進(jìn)行常水頭滲流試驗(yàn),并觀察在電場作用下,水的粘度與所含離子濃度、滲流速度等因素的關(guān)系,從而為“粘土水合機(jī)制”的進(jìn)一步研究提供有力的依據(jù)。

1 微孔隙電場滲流試驗(yàn)

1.1 試樣制備及儀器介紹

本次試驗(yàn)是在強(qiáng)電場下直接對水的滲流特性進(jìn)行試驗(yàn),屬于水的單相滲流試驗(yàn)。試樣的滲流特性采用常水頭滲流法進(jìn)行試驗(yàn),通過改變滲透儀與水箱的相對高度獲得不同的試驗(yàn)水頭,試驗(yàn)裝置如圖1所示。本試驗(yàn)采用數(shù)顯直流極化電源提供高電壓,儀器型號為RKS-D5060,本儀器的測試電壓通過升壓變壓器產(chǎn)生交流電壓,經(jīng)整流濾波,產(chǎn)生直流測試電壓。電場系統(tǒng)儀器的電壓量程是50kV,可通過電壓調(diào)試螺旋調(diào)節(jié)電壓大小,電流量程是2A,可通過電流表讀出。本試驗(yàn)采用自制的微縫滲流器,密封不漏水,內(nèi)置電極板,可為滲流試驗(yàn)提供高強(qiáng)電場,場強(qiáng)方向與孔隙水滲流的方向垂直。

對于微孔隙滲流試驗(yàn),滲流量小,試驗(yàn)時(shí)間長,微小流量的外泄都會(huì)引起可觀的試驗(yàn)誤差。為此對本試驗(yàn)使用滲透儀進(jìn)行了防泄漏處理,在進(jìn)水口接頭加裝了O型密封圈,并纏繞數(shù)層防水生料帶后將其旋緊在滲透儀底座上,在進(jìn)水軟膠管與銅管的連接處加設(shè)一道套箍,對排氣口也作了同樣處理,防泄漏處理后能夠做到滴水不漏。另外,試驗(yàn)過程中水分的蒸發(fā)和溫度環(huán)境也會(huì)對試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響,所以試驗(yàn)過程對水分蒸發(fā)量進(jìn)行了嚴(yán)格的補(bǔ)償,并對不同溫度下的滲透系數(shù)也進(jìn)行了修正。

1.2 水的粘度特性與外加電場強(qiáng)度的關(guān)系

采用常水頭滲流法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)操作步驟按照GB／T 50123-1999中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。在試驗(yàn)過程中,試驗(yàn)水頭始終保持在1m不變,并保持各試樣的試驗(yàn)條件一致。為了分析外加電場對水的粘度的影響,主要通過水在微縫滲流器中的滲透系數(shù)來反映。試驗(yàn)按所加電壓為0kV→5kV→10kV→15kV→20kV→30kV→40kV的順序垂直于水流方向施加的電場,對不同時(shí)段各試驗(yàn)電壓下的滲流量及其歷時(shí)進(jìn)行三次測試,將各次試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)平均值作為該試驗(yàn)電壓下的滲透系數(shù),列于表1之中。圖2為水在不同電壓下進(jìn)行滲流試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)-電壓關(guān)系曲線。

表1 1m水頭下水在不同電壓作用下的滲透系數(shù)Tab.1 Permeability coefficient of water at differentvoltages under 1m flood peak

1.3 水的粘度特性與剪切速率的關(guān)系

為了觀察在不同的水頭作用下,即不同的剪切速率下,電場對水的粘度特性的影響程度,分別在試驗(yàn)水頭為0.5m→1m→3m下,進(jìn)行以上試驗(yàn)操作。對各試驗(yàn)水頭不同電壓下的滲流量及其歷時(shí)進(jìn)行三次測試,將各次試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)平均值作為該試驗(yàn)電壓下的滲透系數(shù),列于表2表3之中。圖3為在不同的水頭作用下水在不同電壓下進(jìn)行滲流試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)-電壓關(guān)系曲線。

表2 H=0.5m水頭下水在不同電壓作用下的滲透系數(shù)Tab.2 Permeability coefficient of water at different voltages under 0.5m flood peak

表3 H=3m水頭下水在不同電壓作用下的滲透系數(shù)Tab.3 Permeability coefficient of water at different voltages under 3m flood peak

(Kd表示各電場下滲透系數(shù);K0表示無電場下滲透系數(shù))

1.4 水的粘度特性與離子濃度的關(guān)系

為了觀察在不同的離子濃度下,電場對溶液的粘度特性的影響程度,在試驗(yàn)水頭為1m下,分別在離子濃度為0 mol／L→8.3E-3mol／L下進(jìn)行以上試驗(yàn)操作。將各次試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)平均值作為該試驗(yàn)電壓下的滲透系數(shù),列于表4之中。圖4為在不同的離子濃度下溶液在不同電壓下進(jìn)行滲流試驗(yàn)得到的滲透系數(shù)-電壓關(guān)系曲線。

表4 n=8.3E-3mol／L下水在不同電壓作用下的滲透系數(shù)Tab.4 Permeability coefficient of water at different voltages under n=8.3E-3mol／L

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本文的試驗(yàn)結(jié)果顯現(xiàn)了水的粘度特性與外加電場、剪切速率、離子濃度有著密切的聯(lián)系。如圖2所示,隨著電場強(qiáng)度增加,水的粘度呈減小的趨勢。如圖3所示在相同的電場強(qiáng)度下,水的粘度與實(shí)驗(yàn)水頭成反比關(guān)系,水頭越高,剪切速率越大,對水的粘度的影響越不明顯。如圖4所示,在不同的離子濃度下,電場對水的粘度影響程度不同,離子濃度越高,對水的粘度影響越明顯。

水分子是由兩個(gè)氫(H)和一個(gè)氧(O)組成的,氫原子間彼此成約105“存在,這樣的排列造成電荷不平衡,正電荷中心在一端,而負(fù)電荷中心在另一端,因而水分子是極性分子。就液態(tài)水而言,每個(gè)水分子周圍有四個(gè)水分子,只是水分子與水分子之間的結(jié)合比較弱、柔軟,容易變形,排列得不整齊,它是以四面體相連結(jié)的連續(xù)體,有一定的流動(dòng)性,但是,當(dāng)將其置于電場中,水分子就有一種定向排列的趨勢,形成一定的電極偶,使得水的粘性受到改變[4-5]。

由于水分子是極性分子,當(dāng)水溶液中出現(xiàn)離子時(shí),離子與水偶極的局部電荷的相互靜電作用,水分子就以配位的形式而云集于離子周圍,成為離子的“溶劑化水”,使離子變成水合離子。在電場的作用下,溶液中的水合離子被電場力強(qiáng)烈吸引,向兩電極板運(yùn)動(dòng),較內(nèi)一層A表示水分子吸附區(qū),它含有緊密的、電縮的和不活動(dòng)的水分子,被電場有力地束縛著,沒有流動(dòng)性,具有似固體的性質(zhì),具有一定的抗剪強(qiáng)度。在距離子較遠(yuǎn)的范圍的C區(qū),水的結(jié)構(gòu)是“正?！钡摹區(qū)被稱為結(jié)構(gòu)破壞區(qū),在B區(qū)中電場還較強(qiáng),足以斷裂液態(tài)水中的“正常結(jié)構(gòu)”,但尚不能重新改變水的取向而形成象A區(qū)那樣的新構(gòu)型,所以B區(qū)是一個(gè)過渡區(qū),水的活動(dòng)能力較C區(qū)弱,但較A區(qū)強(qiáng)[6]。

因此,在電場的作用下,水的粘度呈減小的趨勢,當(dāng)離子濃度變大時(shí),溶液中離子的含量增多,在電場的作用下活動(dòng)更加活躍,因此,離子濃度越高,對水的粘度影響越明顯。另外,當(dāng)實(shí)驗(yàn)的水頭較高時(shí),水的剪切速率比較大,根據(jù)以往的研究表明,水雖然被電場力所吸附,但也具備一定的抗剪強(qiáng)度,當(dāng)水的剪切速率足夠大時(shí),超過了水的抗剪強(qiáng)度,使得水的流動(dòng)性變大,因此,在高水頭下,電場對水的粘性的影響并不十分明顯。

3 結(jié)論

1)外加電場對水的粘度有明顯的影響,隨著電場強(qiáng)度增加,水的粘度呈減小的趨勢,隨著外加電場時(shí)間的增長,水的滲透性趨于穩(wěn)定。

2)在電場作用下,水的粘度與剪切速率成反比,水頭越高,剪切速率越大,水的流動(dòng)性也越大,水的粘度減小。

3)其他條件相同的情況下,溶液中離子濃度高,電場對溶液的粘度影響也越明顯。這種溶液在電場作用下的離子效應(yīng)有待進(jìn)一步的研究,為沿海地區(qū)淤泥和淤泥質(zhì)土地基加固以及污染土的處理等領(lǐng)域提供良好的理論依據(jù)。

[1]楊亞提,張一平,張興福.恒電荷土壤膠體表面的電荷特征[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2002,30(1):47-51.

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[6]梁健偉,房營光,谷任國.極細(xì)顆粒黏土滲流的微電場效應(yīng)[J].長江科學(xué)院院報(bào),2009,26(6):47-51.