極細(xì)顆粒黏土滲透系數(shù)隨電壓變化的內(nèi)在機(jī)制探討

谷任國(guó)，梁建勛，房營(yíng)光，丁凱

(1.華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué) 亞熱帶建筑科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510641，3.中海地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，香港 999077)

0 引 言

黏土顆粒帶電現(xiàn)象早在1809年就被俄國(guó)科學(xué)家Reuss發(fā)現(xiàn)，極細(xì)顆粒黏土本身帶有一定量的負(fù)電荷，在電場(chǎng)作用下向正極移動(dòng)，這種現(xiàn)象叫電泳；水分子隨著水化陽(yáng)離子向負(fù)極移動(dòng)，這種現(xiàn)象叫電滲[1]。20世紀(jì)30年代，I.L.Casagrande等[2-3]將電滲應(yīng)用于實(shí)際加固工程后，電滲加固理論和方法不斷得到豐富和發(fā)展。其中M.I.Esrig等[4]、R.W.Lewis等[5]、S.Banerjee等[6]提出一維固結(jié)理論及其改進(jìn)完善；為了提高電滲加固處理的有效性，WANG J等[7]、符洪濤等[8]、胡平川等[9]、S.C.Chien等[10]、C.Y.Ou等[11]研究了電滲加固法與其他方法的聯(lián)合應(yīng)用；龔曉南等[12]、K.R.Reddy等[13]、TAO J等[14]研究了間歇通電下軟黏土的電滲固結(jié)性狀和電極布置對(duì)其影響。雖然這些年不乏有對(duì)電滲固結(jié)的試驗(yàn)研究，但是關(guān)于電場(chǎng)對(duì)軟土滲透特性的影響，主要集中在電滲技術(shù)的發(fā)展上，對(duì)內(nèi)在機(jī)制變化研究不夠。

為了研究軟黏土滲流的內(nèi)在機(jī)制，以探索黏土顆粒微細(xì)觀性質(zhì)為目的，對(duì)軟黏土進(jìn)行了各種試驗(yàn)研究[15-17]，發(fā)現(xiàn)礦物顆粒表面的荷電性和帶電量能顯著影響軟土的微孔隙滲流特性，且黏土顆粒表面電荷微電場(chǎng)作用是影響軟土顆粒滲流特性的內(nèi)在原因之一，房營(yíng)光等[17]開始嘗試從微細(xì)觀角度解釋外電場(chǎng)對(duì)軟土顆粒滲流特性的影響，但其未考慮不同水力梯度下試樣在外電場(chǎng)作用下滲透系數(shù)變化情況，而且“電場(chǎng)鏈化效應(yīng)”不能很好解釋試驗(yàn)中滲透系數(shù)k出現(xiàn)的先減小后增大現(xiàn)象。

本文在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的ST55-2滲透儀，對(duì)質(zhì)量比1∶2的膨潤(rùn)土與高嶺土制成的軟土試樣進(jìn)行外加強(qiáng)電場(chǎng)下的蒸餾水和NaCl溶液的滲透特性試驗(yàn)，外電場(chǎng)強(qiáng)度通過施加電壓值反映。本文通過在外加強(qiáng)電場(chǎng)作用下本身帶負(fù)電的黏土顆粒朝陽(yáng)極電極板移動(dòng)壓縮并且在陰極電極板產(chǎn)生微縫隙，從微細(xì)觀角度解釋外加強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)極細(xì)顆粒黏土滲流特性的影響。本文研究期望對(duì)發(fā)現(xiàn)電滲固結(jié)內(nèi)在機(jī)制變化、完善電滲固結(jié)理論有幫助。

1 蒸餾水條件下黏土滲流受外強(qiáng)電場(chǎng)影響試驗(yàn)

1.1 儀器改進(jìn)及滲流試驗(yàn)過程

本試驗(yàn)采用ST55-2型滲透儀進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1所示。極細(xì)顆粒黏土滲透試驗(yàn)的滲流量小，試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，為了試驗(yàn)順利進(jìn)行，需要保證儀器密封，因此在進(jìn)水口銅管接頭處加裝O型密封圈，纏繞數(shù)層防水生料帶，然后在滲透儀底座上旋緊，針對(duì)排氣口采用同樣的密封措施，經(jīng)處理后試驗(yàn)中不會(huì)漏水。同時(shí)為了考察外加強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)試樣滲透特性的影響，對(duì)ST55-2型滲透儀進(jìn)行改進(jìn)，如圖2～3所示，裝樣口尺寸25 mm×25 mm×40 mm，土樣環(huán)刀為自制環(huán)刀,尺寸20 mm×20 mm×40 mm，其中PVC電工塑料厚5 mm，用于隔離環(huán)刀與電極板，外部是絕緣材料，防止導(dǎo)電，內(nèi)部設(shè)置兩平行電極板為試驗(yàn)提供高外加強(qiáng)電場(chǎng)。環(huán)刀取土樣后，放置于電極板之間，保證試驗(yàn)時(shí)電場(chǎng)方向與孔隙水滲流方向垂直。

試驗(yàn)前，先安裝試樣，排除管中氣泡后進(jìn)行測(cè)試，然后按照常水頭滲透試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，為了盡可能反映外電場(chǎng)對(duì)土體滲透特性影響，避免水中離子等物質(zhì)對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，采用蒸餾水進(jìn)行滲透試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器及操作步驟按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50123—1999)中的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，維持各試樣的試驗(yàn)條件一致。為了分析外加強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)極細(xì)顆粒黏土滲流特性的影響，采用5，10，15，20，30，40 kV，按遞增方式進(jìn)行試驗(yàn)，每級(jí)電壓下維持2 h，記錄數(shù)據(jù)后施加下一級(jí)電壓。

1.2 人工土試樣制備及其滲流試驗(yàn)

選用的人工土試樣由高純度膨潤(rùn)土和高嶺土按質(zhì)量比1∶2均勻混合而成。試樣主要物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖2 改進(jìn)滲透儀示意圖

本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)試樣，水力梯度設(shè)3組，每組由2個(gè)試樣組成，取2個(gè)試樣的滲透系數(shù)平均值作為對(duì)應(yīng)電壓值的滲透系數(shù)。試驗(yàn)變量為25，75和125水力梯度(對(duì)應(yīng)水頭高度1，3，5 m)；以擊樣法制作試樣，每一試樣擊實(shí)功率均相同，并對(duì)試樣進(jìn)行飽和處理。

圖3 改進(jìn)滲透儀實(shí)物

表1 人工土試樣主要物理力學(xué)參數(shù)

由圖4可知，隨著施加電壓值增大，試樣的滲透系數(shù)先減小后增大。

圖4 人工土試樣滲透系數(shù)與施加電壓值的關(guān)系曲線

1.3 天然土試樣制備及其滲流試驗(yàn)

為了考察天然黏土是否出現(xiàn)滲透系數(shù)隨著外加電場(chǎng)增大出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，選取廣東省厚德地區(qū)的天然黏土進(jìn)行試驗(yàn)。

天然黏土主要物理力學(xué)參數(shù)見表2，孔隙比保持在2.10左右。

同樣，試驗(yàn)共設(shè)計(jì)6個(gè)試樣，分別取2個(gè)試樣的滲透系數(shù)的平均值作為對(duì)應(yīng)電壓值的滲透系數(shù)。保證制樣和試驗(yàn)條件與人工土試樣制作部分一致。

表3 天然黏土主要物理力學(xué)參數(shù)

圖5 天然土試樣滲透系數(shù)與施加電壓的關(guān)系曲線

1.4 結(jié)果與分析

本節(jié)試驗(yàn)結(jié)果顯示在孔隙液為蒸餾水時(shí)，隨著施加電壓值U增大，在不同水力梯度作用下，試樣的滲透系數(shù)k都呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì)。

外加強(qiáng)電場(chǎng)不僅對(duì)極性水分子有很強(qiáng)的牽引作用，而且對(duì)黏土顆粒也有很強(qiáng)的牽引作用，反映為黏土顆粒雙電層在外電場(chǎng)作用下發(fā)生極化，同時(shí)本身帶負(fù)電的黏土顆粒朝著電極板陽(yáng)極移動(dòng)壓縮。在外加強(qiáng)電場(chǎng)作用下，倘若外加強(qiáng)電場(chǎng)間無土樣，根據(jù)電黏效應(yīng)，水分子極化成鏈，如圖6(a)所示，黏度增大，流速減慢，流量降低。但在外加強(qiáng)電場(chǎng)中有土體試樣時(shí)，根據(jù)電流變效應(yīng)，黏度增大體現(xiàn)在黏土顆粒雙電層極化中，即黏土顆粒雙電層結(jié)構(gòu)分為吸附層和擴(kuò)散層，見圖7。擴(kuò)散層分為不切變層和可流動(dòng)層，不切變層以內(nèi)的液體在粒子與孔隙液產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)流動(dòng)，而可流動(dòng)層則會(huì)隨孔隙液流動(dòng)而變化。在施加外加強(qiáng)電場(chǎng)時(shí)候，雙電層會(huì)沿電場(chǎng)方向發(fā)生橢圓形變形(假定顆粒為球形粒子)，如圖6(b)所示。當(dāng)粒子在外電場(chǎng)作用下一層層排列時(shí)，變厚的擴(kuò)散層首尾相連，黏度增大，孔隙液流動(dòng)受到阻擋，滲透系數(shù)k減小，從而產(chǎn)生“電流變效應(yīng)”。

對(duì)于圖4～5中試樣滲透系數(shù)隨著外加電場(chǎng)的增大而出現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象，原因如下：據(jù)“微電場(chǎng)效應(yīng)”，當(dāng)孔隙液為蒸餾水時(shí)，土顆粒結(jié)合水膜很厚，試樣本身黏度極大，受到外電場(chǎng)作用時(shí)，結(jié)合水膜的變化對(duì)孔隙液黏度影響不大，表現(xiàn)為滲透系數(shù)降幅較小。在外電場(chǎng)作用下，為抵消外電場(chǎng)影響達(dá)到靜電平衡，黏土顆粒向正極移動(dòng)壓縮，在負(fù)極電極板處會(huì)形成“微縫隙”，見圖6(c)，由微縫隙出現(xiàn)引起的滲透系數(shù)增大現(xiàn)象稱為“微縫隙效應(yīng)”。隨著外加強(qiáng)電場(chǎng)增大，當(dāng)外加電壓U增大到UL(滲透系數(shù)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的外加電壓值)時(shí)，滲透系數(shù)k減小到最小，表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨外電場(chǎng)增大而減小到最少，同時(shí)，Q=QL(單位時(shí)間通過的最低流量)，此時(shí)Q1(通過“微縫隙區(qū)”流量)瞬時(shí)增量等于Q2(通過雙電層極化區(qū)流量)瞬時(shí)增量；隨著外加強(qiáng)電場(chǎng)繼續(xù)增大，微縫隙出現(xiàn)擴(kuò)張，導(dǎo)致Q1的瞬時(shí)增量大于Q2的瞬時(shí)減量，結(jié)果表現(xiàn)為滲透系數(shù)隨外加強(qiáng)電場(chǎng)增大而增大，見圖4和圖5。

圖6 土體受外電場(chǎng)影響示意圖

Fig.6 Schematic diagram of soil affected by external electric field

圖7 土粒雙電層結(jié)構(gòu)

2 不同孔隙液時(shí)外強(qiáng)電場(chǎng)下黏土滲透試驗(yàn)

為比較外強(qiáng)電場(chǎng)作用下黏土顆粒在不同離子濃度孔隙液中的滲流特性和在蒸餾水條件下的滲流特性，選取蒸餾水、8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液進(jìn)行制樣和試驗(yàn)。

2.1 試樣制備和試驗(yàn)結(jié)果

試樣物理力學(xué)參數(shù)同表1，共設(shè)計(jì)6個(gè)試樣，按不同孔隙液離子濃度分為3組，每組由2個(gè)試樣組成，并取同組2個(gè)試樣的滲透系數(shù)平均值作為對(duì)應(yīng)電壓值的滲透系數(shù)。保證試驗(yàn)條件和試驗(yàn)操作流程與前面一致，試驗(yàn)結(jié)果見表3，圖8為試樣滲透系數(shù)與外加電壓關(guān)系曲線圖。

2.2 結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果再一次驗(yàn)證了在孔隙液為蒸餾水時(shí)(即很低的離子濃度孔隙液)，試樣中存在“微縫隙效應(yīng)”。而當(dāng)孔隙液為8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液時(shí)(即孔隙液存在一定離子濃度時(shí))，試驗(yàn)未出現(xiàn)微縫隙效應(yīng)。說明滲流的微縫隙效應(yīng)只有在孔隙液離子濃度很低時(shí)才會(huì)發(fā)生，當(dāng)孔隙液離子濃度較大時(shí)，黏土顆粒雙電層極化引起的土體滲流量減小量大于微縫隙引起的土體滲流量增加量，土體滲透系數(shù)不會(huì)出現(xiàn)微縫隙效應(yīng)。

表4 不同孔隙液外加電場(chǎng)下試樣滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)“微電場(chǎng)效應(yīng)”，孔隙液為8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液時(shí)的土顆粒雙電層厚度較蒸餾水時(shí)的要薄，孔隙液黏度有所降低，表現(xiàn)為滲透系數(shù)k有較大提高，即在U=0 kV時(shí)，8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液時(shí)的k分別是蒸餾水條件下的14倍和228倍。結(jié)合“電流變效應(yīng)”，外加電場(chǎng)對(duì)孔隙液離子有牽引作用，一方面土顆粒因外電場(chǎng)作用，顆粒表面吸附的部分陽(yáng)離子電荷受吸引離開顆粒表面，顆粒表面微電場(chǎng)增強(qiáng)，使得吸附的結(jié)合水膜變厚，增大孔隙液黏度；另一方面，可流動(dòng)層則隨孔隙液流動(dòng)，在施加外加電場(chǎng)時(shí)候，顆粒雙電層發(fā)生極化，同樣也增大了孔隙液黏度，見圖6(b)和(c)。變形程度隨著外加電場(chǎng)增大而增大，所以隨著外加電場(chǎng)增大，孔隙液黏度不斷增大，表現(xiàn)為滲透系數(shù)不斷減小，而“微縫隙”引起的Q1增量不能改變滲透系數(shù)隨外加電場(chǎng)增大而減小的趨勢(shì)。因此在NaCl溶液條件下，試驗(yàn)不會(huì)表現(xiàn)出“微縫隙效應(yīng)”。

圖8 不同孔隙液試樣滲透系數(shù)與施加電壓值關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

(1)極細(xì)顆粒黏土滲透系數(shù)隨施加電壓值U的增大而出現(xiàn)先減小后增大的特性可解釋為：隨著場(chǎng)強(qiáng)度增大，“微縫隙”逐漸增大，Q2增量先大于Q1增量后小于Q1增量，從而出現(xiàn)滲透系數(shù)先減小后增大的情況。但是對(duì)土體滲流“微縫隙”的真實(shí)情況需要更多的試驗(yàn)和進(jìn)一步的研究證實(shí)。

(2)當(dāng)孔隙液離子濃度較大時(shí)，因 “電流變效應(yīng)”相對(duì)于“微縫隙”影響要大，所以不會(huì)產(chǎn)生“微縫隙效應(yīng)”，因此試樣滲透系數(shù)隨外加電場(chǎng)增加而降低，不會(huì)出現(xiàn)增大現(xiàn)象。

(3)“微縫隙效應(yīng)”是由黏土顆粒在外加強(qiáng)電場(chǎng)作用下發(fā)生移動(dòng)壓縮而引起的，可解釋為帶負(fù)電的顆粒在外加強(qiáng)電場(chǎng)作用下向電極板陽(yáng)極移動(dòng)壓縮，在電極板陰極處產(chǎn)生細(xì)微縫隙，引起的滲透系數(shù)增大的現(xiàn)象。本文試驗(yàn)結(jié)果對(duì)進(jìn)一步研究電滲固結(jié)內(nèi)在機(jī)制和完善電滲固結(jié)理論有幫助。