典型因素對(duì)泥沙特性影響的試驗(yàn)研究

張宇卓　張根廣　安維宇　付志　史志鵬

摘要 泥沙顆粒在不同的濃度、顆粒大小以及絮凝劑的影響下，其絮凝結(jié)構(gòu)以及沉降速度存在一定的差異，這些差異性對(duì)于研究泥沙特性來(lái)說(shuō)具有重要的意義。為了直觀演示其差異性，自行設(shè)計(jì)了試驗(yàn)，采用控制變量的方法，分為5組對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，上述3種因素對(duì)其絮凝結(jié)構(gòu)以及沉降速度有顯著影響。

關(guān)鍵詞 絮凝劑；沉降速度；絮凝結(jié)構(gòu)；泥沙

中圖分類號(hào) S277.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2015）19-212-02

泥沙絮凝以及泥沙沉降對(duì)于研究泥沙特性來(lái)說(shuō)具有重要的意義。筆者研究了典型因素對(duì)泥沙特性的影響，典型因素包括不同粒徑的泥沙、絮凝劑的組成成分以及泥沙顆粒的大小。不同的因素影響下，泥沙沉降速度以及絮凝情況不同。研究泥沙絮凝機(jī)理和沉降特性，對(duì)于海岸工程、航道輸運(yùn)等具有重要意義[1]。泥沙絮凝機(jī)理是以膠體穩(wěn)定性理論為基礎(chǔ)。由于泥沙顆粒表面的物理化學(xué)特性，海水中的鹽離子往往會(huì)吸附在泥沙顆粒表面，這會(huì)形成所謂的雙電層結(jié)構(gòu)，顆粒間存在靜電排斥作用[2]。另一方面，膠體顆粒間存在的van der Waals 力，吸引顆粒相互靠近。這兩種作用力的

共同作用構(gòu)成膠體穩(wěn)定性的DLVO 理論[3]。黏性泥沙的絮

凝沉降對(duì)細(xì)顆粒泥沙構(gòu)成的淤泥質(zhì)河口海岸地形及環(huán)境演化有重要影響，而絮凝沉降本身又受到顆粒大小、泥沙濃度、絮凝劑濃度等多種因素的影響。對(duì)于處于不斷運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水體而言，顆粒大小、泥沙濃度是影響泥沙絮凝沉降的重要影響因素[4]。

1 試驗(yàn)方法

為了顯示泥沙在多種因素的作用下沉降速度與絮凝的結(jié)果，以及為了試驗(yàn)的真實(shí)與可靠性，筆者自行設(shè)計(jì)沉降量筒進(jìn)行試驗(yàn)。沉降量筒是由5個(gè)量筒為一組，分別為50、100、250、500、1 000 ml，一共有5組對(duì)比試驗(yàn)。其具體試驗(yàn)沙子與絮凝劑添加情況如表1所示，編號(hào)如表2所示。

首先利用電子天平稱量出所要試驗(yàn)的泥沙細(xì)顆粒與粗顆粒的質(zhì)量，將其放入攪拌量筒中充分?jǐn)嚢韬蟮谷氩煌砍痰牧客仓?，量筒量程分別為50、100、250、500、1 000 ml，一共有5組對(duì)比試驗(yàn)。待將其充分?jǐn)噭蚝箝_始計(jì)時(shí)，當(dāng)量筒底部出現(xiàn)均勻沉淀后停止計(jì)時(shí)，記錄時(shí)間后可以得出泥沙的沉降速度。待將量筒靜置一段時(shí)間后，看到量筒底部出現(xiàn)均勻的絮凝結(jié)構(gòu)后，用移液管將底部的均勻絮凝沉淀取出，放置在事先準(zhǔn)備好并標(biāo)號(hào)的培養(yǎng)皿與載玻片當(dāng)中。重復(fù)上述步驟將不同濃度的泥沙攪拌，并令其充分沉淀，將沉淀全部取出后轉(zhuǎn)移到培養(yǎng)皿與載玻片上，待載玻片與培養(yǎng)皿中的水分完全蒸發(fā)后，便留下了泥沙絮凝結(jié)構(gòu)，以便后續(xù)用顯微鏡對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，分析其結(jié)構(gòu)孔隙比等。

分析對(duì)比該次試驗(yàn)與傳統(tǒng)的泥沙研究方法與過(guò)程，可知傳統(tǒng)方法對(duì)泥沙絮凝結(jié)構(gòu)的研究并沒(méi)有更深層次地，更仔細(xì)地觀察到泥沙在不同的因素影響情況下形成的絮凝結(jié)構(gòu)，也并沒(méi)有看到絮凝結(jié)構(gòu)放大后的相互粘結(jié)的情況。該次試驗(yàn)使用顯微鏡將其固結(jié)在載玻片上的絮凝結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，可以清楚地看到泥沙形成的絮凝結(jié)構(gòu)，并可以對(duì)其在不同條件下形成的絮凝結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀的對(duì)比與比較，還可對(duì)其放大后的絮凝結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍照。后期通過(guò)對(duì)絮凝結(jié)構(gòu)的圖片處理，可得出不同條件下的泥沙顆粒絮凝后的面積與孔隙面積之比，通過(guò)對(duì)比面積比可以直觀反映泥沙絮凝結(jié)構(gòu)的組成情況。20倍顯微鏡下的泥沙絮凝孔隙比如表3所示。從表3可知，泥沙濃度、顆粒大小與絮凝劑的添加量3種因素對(duì)其泥沙絮凝后的孔隙比均有顯著影響，其孔隙比均在0.02～0.55之間。

2 結(jié)果與分析

2.1 泥沙濃度對(duì)泥沙沉降速度的影響 為了反映泥沙濃度對(duì)于泥沙沉降速度的影響，筆者選取了細(xì)顆粒泥沙作為研究對(duì)象。如表1和表2所示，筆者選取了編號(hào)為111～135的這15組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，這15組試驗(yàn)數(shù)據(jù)按泥沙濃度的不同劃分為3組：11、12、13。在每一個(gè)組里面按量筒刻度及細(xì)土添加質(zhì)量的不同設(shè)置了5組平行試驗(yàn)，每個(gè)組里5組平行試驗(yàn)細(xì)土的濃度均相同，而不同的組細(xì)土的濃度不同。在每個(gè)組的試驗(yàn)中，筆者根據(jù)5組平行試驗(yàn)量筒刻度及各平行試驗(yàn)細(xì)土濃度一致的原則，給每組平行試驗(yàn)所添加的細(xì)土的質(zhì)量也不同。接著，筆者按照表1的各樣品的配量，配制好各個(gè)組的泥沙溶液。具體配制方法：稱取對(duì)應(yīng)質(zhì)量細(xì)土放到燒杯中，倒入一定量的去離子水進(jìn)行攪拌，攪拌的過(guò)程中加入微量分散劑，以便細(xì)土顆粒在水溶液中能夠充分分散開來(lái)。然后將配制好的溶液倒入對(duì)應(yīng)刻度的量筒中，攪拌均勻直至筒底不出現(xiàn)明顯的泥沙層時(shí)，停止攪拌，并用秒表計(jì)時(shí)，記錄量筒中泥沙從渾濁的溶液狀態(tài)到能明顯看到量筒底部出現(xiàn)泥沙層這段時(shí)間t。15組數(shù)據(jù)記錄完畢后，將各組之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向比較，可知泥沙濃度確實(shí)對(duì)泥沙沉降速度有影響。在其他變量條件一致的情況下，泥沙濃度越大，泥沙沉降速度越??；泥沙濃度越小，泥沙沉降速度越大[5]。

2.2 顆粒大小對(duì)泥沙沉降速度的影響 為了反映顆粒大小對(duì)泥沙沉降速度的影響，筆者需引用絮凝劑，其作用是使其吸附泥沙顆粒，使反映現(xiàn)象更加明顯。如表1，在第三大組中，課題組加入了適量的粗顆粒，并加入了少量的絮凝劑。為了比較顆粒大小對(duì)沉降速度的影響，需控制單一的變量，在第二大組中也加入少量的絮凝劑，兩組中都加入絮凝劑故可單獨(dú)比較顆粒大小這一個(gè)變量因素。由其沉降速度的時(shí)間可知，在其他變量因素一致的條件下，顆粒越大，泥沙沉降速度越大；顆粒越小，泥沙沉降速度越小。

2.3 絮凝作用對(duì)泥沙沉降速度的影響 在探討絮凝作用是否對(duì)泥沙沉降速度有影響時(shí)，筆者也選取了細(xì)顆粒泥沙作為研究對(duì)象。如表1，第二大組與第一大組相比較，各組試驗(yàn)除了加入細(xì)沙外，還加入了一定濃度的絮凝劑，并且同一平行組絮凝劑濃度一致，縱向各組，從上往下，絮凝劑濃度依次增大。具體各組式樣的配制方法大體上與上面提到的方法一致。通過(guò)對(duì)一、二大組各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的縱向?qū)Ρ炔浑y看出，絮凝劑確實(shí)對(duì)泥沙沉降速度有影響，有絮凝劑的二大組沉降速度明顯快于沒(méi)加絮凝劑的一大組，并且在二大組中，隨著絮凝劑濃度的增加，泥沙沉降的速度越來(lái)越快。由此可知，在其他變量因素一致的條件下，絮凝劑濃度越大，泥沙沉降速度越大。

3 結(jié)論

通過(guò)以上的試驗(yàn)研究可知，泥沙濃度、顆粒大小以及絮凝劑的添加量確實(shí)對(duì)泥沙的沉降與絮凝結(jié)構(gòu)有顯著的影響，具體可以總結(jié)為：

（1）在其他變量條件一致的情況下，泥沙濃度越大，泥沙沉降速度越?。荒嗌碀舛仍叫?，泥沙沉降速度越大。

（2）在其他變量因素一致的條件下，顆粒越大，泥沙沉降速度越大；顆粒越小，泥沙沉降速度越小。

（3）在其他變量因素一致的條件下，絮凝劑濃度越大，泥沙沉降速度越大。

（4）泥沙在不同因素的作用下雖然沉降速度與絮凝結(jié)構(gòu)不同，但是絮凝的孔隙比均在0.02～0.55之間。

參考文獻(xiàn)

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