人工合成透明砂含水率研究

王 兴， 席培胜， 余 闯， 赵 骁

（1．安徽建筑大学 土木工程学院，合肥 230601；2．温州大学 建筑与土木工程学院，温州 325035）

透明砂是一种人工合成的性质与自然砂相似的透明材料。透明砂由于其独特的透明特性和相对低廉的成本已经成为岩土工程中研究问题的有力手段。目前，模拟透明土的主要颗粒材料［1－4］有无定形硅石凝胶和无定形硅石粉末，孔隙流体材料主要有一定浓度的溴化钙溶液和由正构烷烃类溶剂与白矿油按质量分数为1:1混合而成的液体。由于熔融石英砂和具有相同折射率的溴化钙溶液混合配制而成的透明砂在相同相对密度和围压下其应力应变趋势与天然砂基本一致，且熔融石英砂内部没有大量孔隙而性态更稳定，因此此类透明砂是目前透明砂土的主要模拟材料。

目前，与此类透明砂特性相关的一些研究试验主要有:Fawzy和Richard［5］研究了透明砂的水力学特性、固结压缩特性、直剪和三轴试验的强度特性，首次比较全面的对其力学性质做了较全面的研究；Sadek等［6］对比了该类透明砂与渥太华标准砂的压缩性，结果证明其压缩性比天然砂土要大，室内模型试验室必须考虑高压缩性对结果的影响；吴明喜［7］对此类透明砂也做了相关的三轴试验，比较全面的说明了其岩土工程性质。孔纲强［8］研究了利用玻璃砂和由正构烷烃与矿物油混液体配置的透明砂的特性。

以上关于透明砂的试验中，主要针对的是此类透明砂的水力学特性、刚度特性、强度特性等力学性质，而关于物理参数无深入研究。一般砂土的物理参数主要有:密度、重度、孔隙率、含水率等。其中含水率对于土中的有效应力、孔隙水压等有重要影响。人工合成透明砂的含水率不同于一般砂土，由于溴化钙溶液充满整个孔隙而其密度远大于水，因此准确认识人工合成透明砂的含水率是全面分析试验模型误差以及提高试验可信度的基础，具有一定的实际意义。

1 试验简介

本试验所用配置透明砂的颗粒材料为工业生产的融熔石英砂，是由石英在熔炼炉中经过高温熔炼再经破碎或超细粉磨后得到的产品。孔隙流体为质量分数为61%的溴化钙溶液，其中溴化钙的纯度大于等于99%。熔融石英砂和溴化钙溶液在室温25℃时参数指标分别如表1和表2；石英砂和溴化钙溶液实物如图1。

表1 熔融石英砂参数指标

表2 溴化钙溶液参数指标

图1 不同粒径熔融石英砂和溴化钙溶液

透明砂的制备方法如下:首先将适量某一粒径的熔融石英砂在配置好浓度为61%的溴化钙溶液中分散；其次采用真空泵对悬浮液进行抽真空，直到悬浮液透明为止；然后将悬浮液装入一维固结仪中进行不排水固结，从而获得试验用的饱和透明砂。按此方法制备粒径分别为0．1－0．5mm、0．5－1．0mm、1．0－1．5mm 三种粒径的透明砂和对应的石英砂，石英砂即水与熔融石英砂混合而成的不透明砂。

试验中制备的粒径为1．0－1．5mm的饱和透明砂实物图见图2，土体厚度约为5cm，可以较清晰的看到土层下面的网格。

图2 饱和人工合成透明砂

2 等效含水率和含溶液率计算公式

把消除溴化钙对含水率的影响后得出的含水率记为等效含水率w′，把透明砂中溶液质量与土颗粒质量之比记为含溶液率w″。等效含水率的计算原理主要是考虑了透明砂中溴化钙溶液在烘干过程中水分蒸发，溴化钙被析出导致的误差。含溶液率即透明砂中溶液质量与土颗粒质量之比。计算公式推导如下:

设ω为透明砂含水率；mw为透明砂试样中水的质量；mc为透明砂试样中溴化钙的质量；c为透明砂试样溴化钙溶液的浓度；m1为透明砂试样烘干前质量；m2为透明砂试样烘干后质量；ω′为等效含水率；ω″为含溶液率。

将（2）式、（3）式带入到（4）式，简化变形可得出等效含水率为:

等效含水率与含水率关系为，

溶液质量与固体颗粒质量比即含溶液率w″为:

经简化变形可得含溶液率计算公式为，

3 试验结果及分析

按《土工试验规程》［9］分别测定饱和透明砂和饱和石英砂的含水率，并按上述推导公式（5）、（8）计算其等效含水率和含溶液率；然后将饱和透明砂分别装入固结仪中在100kPa压力下排水固结24h然后再次测定含水率并计算其等效含水率和含溶液率。

测量和计算结果如表3、表4。图3是以透明砂平均粒径为x轴，透明砂含水率等为y轴做的图像，反映了含水率等参数随粒径增大时的变化趋势，图4是不同粒径透明砂的参数对比。

表3 固结前试验参数指标

表4 固结后试验参数指标

图3 含水率随粒径变化曲线

图4 不同粒径透明砂参数对比

由表3和图3可以看出:测得不同粒径透明砂的含水率约为11%，含溶液率约为35%，石英砂的含水率约为15%。透明砂的含水率比石英砂的含水率低27%，透明砂的含溶液率比石英砂含水率高133%，透明砂的等效含水率与石英砂含水率最接近。随着石英砂粒径的增大含水率、等效含水率、含溶液率都呈现逐渐减小的趋势，即粒径越大透明砂保水性越差，石英砂含水率与粒径大小基本没有关系。对比固结前后透明砂的各个指标发现固结对其影响都很小，这主要是由砂土的性质和溴化钙的粘性共同作用的结果。

不同粒径透明砂的含水率比对应同粒径的石英砂的含水率低很多是主要是由于透明砂中的溴化钙溶液引起的。透明砂中的溴化钙溶液相当于石英砂中的水，而溴化钙溶液的质量分数为61%，即每100g溶液中就含有61g。在测定含水率时采用的是微波烘干法，而烘干前后溴化钙存在状态不同。在透明砂烘干以前溴化钙是溶解在水中的，即溴化钙是溶液的一部分。在烘干后水分蒸发，溴化钙从溶液中析出变成固体颗粒吸附在土颗粒上，这样在称量烘干后土颗粒质量时就误将溴化钙颗粒计算为土颗粒，导致土颗粒的质量增加，且溴化钙在空气中容易潮解导致土颗粒质量增加，从而导致含水率减小。0．1～0．5mm的透明砂等效含水率与石英砂含水率相差比另外两组大，说明当土颗粒较小时，由于溴化钙的粘性影响使透明砂水分更加难以烘干。按常规方法计算出来的含水率虽然是真实值但比实际意义上的含水率要小。

经过修正后的透明砂等效含水率与实测含水率差别较大与石英砂含水率较接近，说明等效含水率修正效果是很明显的，但仍与石英砂的含水率存在一些差异，这些差异来源于溴化钙本身的物理和化学性质，上述修正计算公式并没有消除由于溴化钙潮解等因素导致的误差，而实际由于溴化钙质量相对较大其潮解导致的误差也是很明显的，要对此影响做定量的描述还需要更多的试验研究。

4 结论

通过以上试验和分析，得出以下结论:

（1）人工合成透明砂的含水率比对应石英砂的含水率小。在相同条件下透明砂中土颗粒的粒径越大含水率、含溶液率和石英砂含水率都越小，固结对含水率等有一定影响但不明显。

（2）本文得出的计算人工合成透明砂等效含水率的公式主要消除了溴化钙的影响，修正效果明显但与实际值仍然有差别，此误差主要是由溴化钙在空气中容易潮解而无法完全蒸干导致的。

（3）人工合成透明砂中三个表示液相的参数均有以下大小关系。即实测含水率＜等效含水率＜含溶液率，其中对应石英砂的含水率介于等效含水率和含溶液率之间。

1 隋旺华，高岳．透明土实验技术现状与展望［J］．煤炭学报．2011，4（4）:577－581．

2 王秀华，宰金珉，蒋刚，等．用于透视图体内部变形的透明材料的研究［J］．常州工学院学报，2008，10（21）:270－273．

3 Iskander M．A transparent material to model the geotechnical properties of soil［A］．Proceeding of ICSMFE［C］．Hambug，germany，1997:315－319．

4 Iskander M．Transparent soil to image 3Dflow＆deformation［A］．Proc．2nd Int．Conf．On Imaging Technologies and Application in Civil Engineering［C］．New York:ASCE，1998:255－264．

5 Fawzy M．Ezzein and Richard J．Bathurst．A transparent sand for geotechnical laboratory modeling．［J］Geotechnical Testing Journal，34（6）:1－12．

6 Sadeksc，Liu J Iskander M，Liu J．Geotechnical properties of transparent silica［J］Canadian Geotechnical Journal，2002，39（1）:111－124．

7 吴明喜．人工合成透明砂土及其三轴试验研究 ［D］．大连:大连理工大学，2006．

8 孔钢强，刘璐，刘汉龙，等．玻璃砂透明土变形特性三轴试验研究 ［J］岩土工程学报，2012，34（9）:1－8．

9 SL237－1999，土工试验规程［S］．北京:中国水利水电出版社，1999．