水化學環境對天然土流變特性的影響

何佳璐,陳 盼,馬田田*,郝豐富

(1.桂林理工大學 a.土木與建筑工程學院;b.廣西巖土力學與工程重點實驗室,廣西 桂林 541004;2.廣州工商學院 工學院,廣東 廣州 510850;3.中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室,湖北 武漢 430071)

深海軟粘土一般存在于海平面以下1 000 m的海底表層土壤中。由于特殊的沉積環境和物質成分,深海軟土宏觀表現出含水量高、孔隙率大、高生物質含量、低抗剪強度等特點[1]。通常,深海土中的含水量高于液限,會形成一種粘土懸浮液的狀態。在該狀態下,粘土的流變特性便決定了海底沉積物的力學和水力學行為。粘土的流變行為取決于粘土的類型和質量分數、粘土顆粒的尺寸和形狀、粘土顆粒的靜電特性、可交換離子以及分散體中電解質的濃度、溫度等因素。深海作業時,大型器械運行散發出的熱量會對深海土流變特性產生影響;同時深海中存在的陽離子元素和氯化鈉對土壤也具有一定的影響。

一定質量分數下,顆粒越細,顆粒與顆粒之間的連接越強,屈服應力更高[2]。Torrance等[3]觀察到海洋粘土懸浮液的屈服應力隨著離子價位增加而增大;Kelessidis等[4]發現鹽溶液濃度增大,粘土的屈服應力會降低。粘土的流變行為是由顆粒間的斥力和顆粒與顆粒之間的結構排列控制。由于同型替代,粘土顆粒帶有一定數量的負電荷,與水相互作用時會形成雙電層。雙電層重疊后產生的斥力便是膨潤土分散體形成凝膠的原因。隨著鹽溶液濃度增大,雙電層厚度降低,斥力減弱,深海沉積物更易形成絮凝,顆粒之間的結構排列發生調整[5]。因此,斥力和結構調整對接觸狀態和非接觸狀態下的粘土會產生不一致的結果:非接觸狀態下,由于雙電層的壓縮,膨潤土顆粒的網絡結構會破壞,使得屈服應力降低;接觸狀態下,鹽溶液濃度增大,斥力降低,粒間應力增大,強度會增大[6]。此外,粘土狀態的區分又和粘土種類及顆粒尺寸有關,使粘土懸浮液的流變行為變得異常復雜。

綜上所述,本文在不同鹽濃度、溫度及粘土質量分數下,采用旋轉流變儀對天然土開展物理和力學規律的試驗研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗土樣的基本特性

選用3種天然粘土,分別為濱海粘土(BH)、龍勝粘土(LS)、三門峽粘土(SMX),過0.25 mm篩。土樣的物性參數見表1,礦物組成見表2,粒徑分布如圖1所示。

圖1 土樣的粒徑分布

表1 土樣的物性參數

表2 土樣的礦物組成 %

1.2 試驗設備及方法

旋轉流變儀(安東帕,MCR302)轉子是十字板葉片,通過記錄電流、光柵計數獲得扭矩、轉速和偏轉角度,推出剪切應力、剪切速率和剪切應變,最后得到粘度及模量[7]。表示為:

(1)

(2)

(3)

將風干土與不同濃度的鹽溶液以一定的質量比混合攪拌均勻,制備成1.5、3、5倍液限的流態土樣品。海洋中鹽濃度約為0.5 mol/L,考慮到海底復雜的賦存環境,有土體中的鹽溶液分布不均勻的現象發生,因此將鹽溶液濃度設為0、0.5、1 mol/L。參照海底溫度及海底管道內的運輸溫度,將溫度設置為4 ℃,增設45 ℃的對照組。流變實驗前樣品密封儲存24 h,使水分在土體內部分布均勻。同時使用100 s-1的恒定剪切速率進行預剪切,使土水混合物更為均勻。正式剪切階段的剪切速率設置為對數變化,即-10-5～103s-1。

2 結果和討論

2.1 質量分數對流變行為的影響

質量分數C表示為:

C=ms/(ms+mw)

(4)

式(4)中,ms為土顆粒質量,g;mw為水土混合物總質量,g。

一般假設流變性質Y與土顆粒的質量分數C間存在指數關系:

Y=kyCn

(5)

式(5)中,Y可以表征粘土懸浮液的屈服應力δy,或者彈性模型G＇;ky為擬合系數;n通常與粘土懸液的穩定性或絮凝程度有關,對于絮凝強烈的懸液來說,n=2～5,對于穩定或弱絮凝的懸液來說,n=5～8。

濱海土在不同質量分數下的剪切應力變化如圖2所示。從圖2可以看出,剪切應力與剪切速率曲線被2個拐點切分成3段。在初始階段,隨著剪切速率增大,剪切應力迅速增大,達到一個穩定值后,不再增加。當剪切速率進一步增大時,剪切應力又迅速增大。剪切應力不變時(第1個拐點處),即為屈服應力[5]。當保持其他因素不變時,可以發現隨著含水率升高,濱海土的屈服應力迅速降低。

圖2 濱海土在不同質量分數下的剪切應力變化

屈服應力與質量分數模型擬合參數見表3。屈服應力與質量分數的關系如圖3所示。

從圖3可以看出,土顆粒的質量分數相同時,三門峽土的屈服應力明顯低于其他2種土。這主要是因為粒徑分布曲線不一致,三門峽土的粘粒含量較小,相同質量分數下。形成的懸液更接近于純水,因此屈服強度較低。龍勝粘土和濱海土二者顆分曲線雖然相似,但屈服應力的變化曲線并不相同。這主要是因為二者的粘土礦物成分不同,龍勝粘土中含量較多的是高嶺石,濱海土則是以伊利石/蒙脫石混層居多。當質量分數大于0.53時,3種土的屈服應力迅速增加[6]。這可以歸因于顆粒以高于 0.53的質量分數相互接觸的事實。在懸浮狀態(C<0.53)中,排斥力在控制屈服應力方面占主導地位。 然而,在接觸狀態(C>0.53)中,與排斥力相比,吸引力也很重要。

2.2 溫度對屈服應力的影響

相同質量分數不同溫度下3種土的屈服應力見表4。由表4可知,溫度對3種土屈服應力的影響一致,溫度升高屈服應力增大。

表4 相同質量分數不同溫度下3種天然土的屈服應力

由于屈服應力與顆粒間的相互作用力有關,根據DLVO理論,粒子間相互作用勢有2個貢獻,即靜電勢和范德華勢。

W(D)=Wvdw(D)+We(D)

(6)

(7)

(8)

式(6)～(8)中,D為顆粒間距,μm;a為顆粒半徑,μm;AH為Hamaker常數;εr和ε0為空間的介電常數和介質的介電常數,其中εr=78.54;ψ5為粘土顆粒的表面靜電勢,V;K-1為Debye長度,μm,隨著電層增大而減小。

因此,屈服應力可以表示為:

(9)

由于本文的粘土懸浮液中顆粒間距離相對較大,范德華引力的影響可以忽略不計。因此,靜電排斥力成為主導,且對屈服應力具有主要控制作用。雙電層的斥力依賴于表面靜電勢,其大小與溫度有關,雙電層斥力隨著溫度增大而增大,相應的屈服應力也增大。

2.3 濃度對屈服應力的影響

相同質量分數不同鹽濃度下3種天然土的屈服應力見表5。從表5可以看出,鹽溶液濃度增大,龍勝粘土的屈服應力也增大,而濱海土和三門峽土的屈服應力減小。

表5 相同質量分數不同鹽濃度下3種土的屈服應力

粘土的屈服應力與顆粒間的斥力和顆粒之間的排列有關。由于粘土顆粒表面帶負電,吸引溶液中的陽離子。NaCl的加入使溶液中Na+濃度升高,Na+更易吸附在帶負電的粘粒表面,使熱力學電位降低,雙電層壓縮,形成絮凝結構。劉青青等[8]將土的分散狀態分為接觸狀態和懸浮狀態,懸浮狀態表示顆粒的質量分數很小,土壤顆粒之間沒有接觸,接觸狀態是指顆粒的質量分數很大,土顆粒相互接觸。當樣品的含水率大于臨界含水率時即為土顆粒的接觸狀態,反之則為懸浮狀態。對于接觸狀態來講,絮凝結構的形成會增大屈服應力;對于非接觸狀態,絮凝結構的形成會破壞粘土顆粒之間的排列,使得粘土懸液更為不接觸,更接近于純溶液的流變特性。相同質量分數下,龍勝粘土為接觸狀態,另外2種粘土則為非接觸狀態。龍勝粘土具有較高的粘粒含量,高嶺石居多,因此使其從接觸狀態變為非接觸狀態需要更多的含水量。

3 結論

1)粘土質量分數增大,粘土懸浮液的屈服應力迅速增大,符合流變性質與土顆粒質量分數存在的指數關系。

2)溫度升高,屈服應力增大。由于屈服應力與顆粒間斥力有關,溫度升高,雙電層斥力增大,相應的屈服應力也增大。

3)在相同質量分數和溫度作用下,3種天然土懸浮液的屈服應力與鹽溶液濃度的關系不一致。鹽溶液濃度增大,龍勝粘土屈服應力增大,而濱海土和三門峽土的屈服應力減小。這主要與顆粒間的結構排列有關,在該質量分數下,粘粒含量較高的龍勝粘土處于接觸狀態;而另外2種土則處于非接觸狀態。