淤泥流变特性试验影响因素研究

张瑞波，庞启秀

(交通运输部天津水运工程科学研究所 港口水工建筑技术国家工程实验室 工程泥沙交通行业重点实验室， 天津 300456)

淤泥的流变特性是指粘性泥沙或淤泥在受到外部动力作用时表现出的较为复杂的变形和流动行为[1]，它受到很多因素的影响，如淤泥颗粒密度、粒径级配、矿物化学成分、颗粒的比表面积、颗粒表面的物理化学特性、环境中的离子种类、数量、淤泥的含砂量和水质特性等[2]。

在研究粘性细颗粒泥沙的基本特性时，通常需要选择一种流变模型(如牛顿体、粘弹性体、粘塑性体以及粘弹塑性体等)来描述淤泥的流变特性[3]。为了选择合适的流变模型，一般先通过对粘性淤泥进行流变试验，然后对流变曲线进行分析，从而选择流变模型。但是对于自然沉积的底泥，到目前为止还没有很好的方法进行现场测量而不使其产生扰动。目前，对于底泥流变特性的测量一般通过现场采样，实验室测试的方法[4]。为了解底泥的流变特性，对底泥进行流变试验已经被研究者广泛采用。然而，实验室流变特性试验所采用的剪切模式、样品在测量杯中的静置时间及试验时样品的温度等都可能会对试验结果产生影响[5-6]，造成流变试验测量结果与自然沉积底泥的流变参数出现偏差。但目前对这些影响因素的研究成果相对较少，因此，本文就剪切模式、样品静置时间和样品的温度对流变试验结果的影响开展了一些研究工作，以期为规范淤泥流变特性试验的操作方式提供参考。

表1 试验泥样粒径分布含量表Tab.1 Particle size distribution of the mud for the experiment

1 泥样制备

本文试验采用的泥样为连云港主航道现场采集的淤泥。

试验泥样颗粒粒径分布含量如表1所示，粒级级配曲线如图1所示。所用试验泥样为粉沙质粘土，中值粒径D50=0.008 4 mm，粒径小于0.004 mm的粘土含量为43.85%。所用泥样的泥沙颗粒较细，粘土含量较高，整体表现出较强的粘性。

图1 试验泥样粒级级配曲线Fig.1 Particle size distribution curve of the mud for the tests

利用上述泥样配制成密度分别为1 098、1 200和1 296 kg/m3的三组样品，密度测量方法采用物理称重法，测量三次取平均值。配制过程中考虑现场水环境固有因素的影响，含盐度配制成与连云港港区一致的26‰。配制完成后，将其分别保存在塑料桶中，贴好标签并密封防止水分蒸发引起密度变化。

2 试验方法

本文试验采用美国博勒飞(Brookfield)公司生产的R/S plus 流变仪开展，如图2所示。试验时，流变仪的测量转子在装有试验泥样的测量杯中转动，对泥样进行剪切。测量转子受到的阻碍转动的切应力与泥样受到的剪切应力为作用力和反作用力，二者相互平衡。因此，仪器测得的测量转子受到的切应力即为试验泥样受剪切时的剪切应力[7]。

试验正式开始前先进行仪器重复性检测，取密度为1 200 kg/m3的泥样以控制剪切率模式重复测量两次，验证测量结果的稳定性，以在试验时消除仪器本身不稳定问题对试验结果的影响。

正式试验按照以下组次开展。

(1)不同密度淤泥的流变曲线研究，对3组样品分别采用“控制剪切率”和“控制剪应力”模式测量剪应力随剪切率的变化曲线。

(2)剪切模式的影响研究，取3组样品分别采用“控制剪切率”和“控制剪应力”模式测量泥样在不同剪切速度时对应的剪应力。

(3)静置时间的影响研究，将样品加注到测量杯后，分别静置0、15、30、45、60、120 min后再进行试验，静置过程中，将测量杯封口以防止水分蒸发对实验结果产生影响。

(4)温度的影响研究，取3组样品利用流变仪配套的温控器分别调控温度到2、10、20、30℃并搅拌均匀后测量泥样在不同剪切速度时对应的剪应力。

3 试验结果

3.1 测量结果的稳定性验证

图3给出了同一密度的泥样，以控制剪切率和控制剪应力两种模式重复测量两次的对比曲线。无论是控制剪切率模式还是控制剪应力模式，两次重复测量得到的剪应力随剪切率变化曲线重合度很好，这说明仪器的测量结果具有很好的稳定性。

3.2 不同密度淤泥的流变曲线

流变曲线一般是指淤泥剪应力τ和剪切率γ之间的关系曲线，它反映出淤泥的流变特性[8]。不同剪切率模式下不同密度淤泥的流变曲线对比如图4所示。不论是控制剪切率模式还是控制剪应力模式，剪应力跟淤泥密度有很好的对应关系，在相同剪切率情况下，密度越大，对应的剪应力越大。

图3 两次重复测量结果对比曲线Fig.3 Comparison curves of two repeated measurements

3.3 剪切模式的影响

采用“控制剪切率模式”和“控制剪应力模式”对3组不同密度的泥样测量的流变曲线如图6所示。可以看出，对于同一种密度的淤泥样品，不同剪切模式下的流变曲线有所不同。

图4 不同密度淤泥的流变曲线Fig.4 Rheological curve of mud with different densities

(1)采用控制剪应力模式测得的数据相对稀少，当剪切率小于1 s-1时甚至没有数据，特别是对密度较小的淤泥样品，小剪切率时没能测量出数据；而采用控制剪切率模式，在高剪切率和低剪切率时测得的数据都是均匀分布的。因此，对小密度淤泥施加低剪切作用时，选择采用控制剪切率模式将会更适合，而在确定淤泥样品的低剪切率对应的屈服应力[9]时宜采用控制剪应力模式。

图5 不同剪切模式的流变曲线Fig.5 Rheological curve of mud tested under different shear modes

(2)在相同剪切率情况下，不同剪切模式对应的剪切力也有一定差别。以密度为1 296 kg/m3的淤泥为例，当剪切率大于1.0 s-1时，采用控制剪应力模式测得的剪应力均大于采用控制剪切率模式测得的剪应力；而当剪切率小于1.0 s-1时，控制剪应力模式测得的剪应力则小于采用控制剪切率模式得到的剪应力。因此，在对比不同淤泥样品的流变特性时，应当采用相同的剪切模式，以消除剪切模式对流变试验结果的影响。

3.4 泥样静置时间的影响

采用控制剪切率模式，对三种密度的淤泥样品分别开展试验，得到不同静置时间条件下的流变曲线对比图，见图6。得到泥样静置时间的影响结论如下。

(1)密度为1 098 kg/m3的小密度淤泥经历不同静置时间对应的流变曲线差别最大，而密度为1 296 kg/m3的大密度淤泥的流变曲线相对变化较小。因此，小密度淤泥的流变受静置时间影响更大。

6-a ρ=1 098 kg/m36-b ρ=1 200 kg/m36-c ρ=1 296 kg/m3图6 各组泥样不同静置时间的流变曲线Fig.6 Rheological curve of mud with different standing time

(2)剪切率较低时，静置时间对剪应力有较大的影响，而随着剪切率不断升高至超过某一临界剪切率时，流变曲线的差别则逐渐变小。密度为1 098 kg/m3的淤泥对应的临界剪切率超过100 s-1，而1 200 kg/m3、1 296 kg/m3两种密度的淤泥对应的临界剪切率约为10 s-1。因此，低剪切率时，受静置时间的影响更大，淤泥密度越小，受静置时间影响的临界剪切率越大。

3.5 泥样温度的影响

不同温度条件下采用控制剪应力模式试验的流变曲线如图7所示。

7-a ρ=1 098 kg/m3控制剪应力 7-b ρ=1 200 kg/m3控制剪应力 7-c ρ=1 296 kg/m3控制剪应力图7 不同温度下各密度泥样的流变曲线Fig.7 Rheological curve of mud at different temperatures

从不同温度下各密度泥样的流变曲线可以看出，温度对流变特性影响较大。对于同一密度的泥样在相同剪切率时，随着温度的升高，对应的剪应力逐渐减小，并且剪应力减小的速度逐渐变慢，这说明，低温条件下温度偏差对试验结果的影响程度大于高温条件下温度偏差的影响。

4 结论

本文针对淤泥流变特性试验结果的影响因素开展了专门的试验研究，试验结果表明，淤泥样品的密度、静置时间、温度和采用的剪切模式等都会对淤泥流变特性产生较大的影响。

(1)不论是采用控制剪切率模式还是控制剪应力模式进行试验，剪应力跟淤泥密度有很好的对应关系，在相同剪切率情况下，密度越大，对应的剪应力越大。因此，流变试验操作时，测定样品的密度须采用多次测量取平均值的方法，以保证淤泥样品密度的准确性。

(2)淤泥样品的静置时间不同时，小密度淤泥的流变受静置时间影响比密度较大的样品更大。剪切率较低时，静置时间对剪应力有较大的影响，而随着剪切率不断升高至超过某一临界剪切率时，流变曲线的差别则逐渐变小，淤泥密度越小，受静置时间影响的临界剪切率越大。这就要求，在流变试验操作时，不同组次淤泥样品的静置时间应保持一致，且每组试验结束后都应重新装泥，以保证试验结果的准确性。

(3)对于同一密度的泥样在相同剪切率时，随着温度的升高，对应的剪应力逐渐减小，并且剪应力减小的速度逐渐变慢，这说明，低温条件下温度偏差对试验结果的影响程度大于高温条件下温度偏差的影响。这表明，在流变试验操作时，应保证不同组次样品的温度一致，特别是低温条件下的试验，更要严格控制样品的温度偏差。

(4)采用控制剪应力模式测得的数据相对稀少，当剪切率小于1 s-1时甚至没有数据，特别是对密度较小的淤泥样品，小剪切率时没能测量出数据；而采用控制剪切率模式，在高剪切率和低剪切率时测得的数据都是均匀分布的。当剪切率较大时，采用控制剪应力模式测得的剪应力均大于采用控制剪切率模式测得的剪应力；而当剪切率较小时，控制剪应力模式测得的剪应力则小于采用控制剪切率模式得到的剪应力。因此，对密度较小的淤泥施加低剪切作用时，采用控制剪切率模式将会更适合，而在确定淤泥样品的低剪切率对应的屈服应力时宜采用控制剪应力模式。在对比不同淤泥样品的流变特性时，应当采用相同的剪切模式，以消除剪切模式对流变试验结果的影响。