极细颗粒黏土渗透系数随电压变化的内在机制探讨

2020-03-25谷任国梁建勋房营光丁凯

河南理工大学学报(自然科学版) 2020年3期

谷任国，梁建勋，房营光，丁凯

(1.华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510641；2.华南理工大学亚热带建筑科学国家重点实验室，广东广州 510641，3.中海地产集团有限公司，香港 999077)

0 引言

黏土颗粒带电现象早在1809年就被俄国科学家Reuss发现，极细颗粒黏土本身带有一定量的负电荷，在电场作用下向正极移动，这种现象叫电泳；水分子随着水化阳离子向负极移动，这种现象叫电渗[1]。20世纪30年代，I.L.Casagrande等[2-3]将电渗应用于实际加固工程后，电渗加固理论和方法不断得到丰富和发展。其中M.I.Esrig等[4]、R.W.Lewis等[5]、S.Banerjee等[6]提出一维固结理论及其改进完善；为了提高电渗加固处理的有效性，WANG J等[7]、符洪涛等[8]、胡平川等[9]、S.C.Chien等[10]、C.Y.Ou等[11]研究了电渗加固法与其他方法的联合应用；龚晓南等[12]、K.R.Reddy等[13]、TAO J等[14]研究了间歇通电下软黏土的电渗固结性状和电极布置对其影响。虽然这些年不乏有对电渗固结的试验研究，但是关于电场对软土渗透特性的影响，主要集中在电渗技术的发展上，对内在机制变化研究不够。

为了研究软黏土渗流的内在机制，以探索黏土颗粒微细观性质为目的，对软黏土进行了各种试验研究[15-17]，发现矿物颗粒表面的荷电性和带电量能显著影响软土的微孔隙渗流特性，且黏土颗粒表面电荷微电场作用是影响软土颗粒渗流特性的内在原因之一，房营光等[17]开始尝试从微细观角度解释外电场对软土颗粒渗流特性的影响，但其未考虑不同水力梯度下试样在外电场作用下渗透系数变化情况，而且“电场链化效应”不能很好解释试验中渗透系数k出现的先减小后增大现象。

本文在试验基础上，采用改进的ST55-2渗透仪，对质量比1∶2的膨润土与高岭土制成的软土试样进行外加强电场下的蒸馏水和NaCl溶液的渗透特性试验，外电场强度通过施加电压值反映。本文通过在外加强电场作用下本身带负电的黏土颗粒朝阳极电极板移动压缩并且在阴极电极板产生微缝隙，从微细观角度解释外加强电场对极细颗粒黏土渗流特性的影响。本文研究期望对发现电渗固结内在机制变化、完善电渗固结理论有帮助。

1 蒸馏水条件下黏土渗流受外强电场影响试验

1.1 仪器改进及渗流试验过程

本试验采用ST55-2型渗透仪进行，试验装置如图1所示。极细颗粒黏土渗透试验的渗流量小，试验时间较长，为了试验顺利进行，需要保证仪器密封，因此在进水口铜管接头处加装O型密封圈，缠绕数层防水生料带，然后在渗透仪底座上旋紧，针对排气口采用同样的密封措施，经处理后试验中不会漏水。同时为了考察外加强电场对试样渗透特性的影响，对ST55-2型渗透仪进行改进，如图2～3所示，装样口尺寸25 mm×25 mm×40 mm，土样环刀为自制环刀,尺寸20 mm×20 mm×40 mm，其中PVC电工塑料厚5 mm，用于隔离环刀与电极板，外部是绝缘材料，防止导电，内部设置两平行电极板为试验提供高外加强电场。环刀取土样后，放置于电极板之间，保证试验时电场方向与孔隙水渗流方向垂直。

试验前，先安装试样，排除管中气泡后进行测试，然后按照常水头渗透试验的方法进行试验，为了尽可能反映外电场对土体渗透特性影响，避免水中离子等物质对试验产生影响，采用蒸馏水进行渗透试验，试验仪器及操作步骤按照《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)中的相关规定进行，维持各试样的试验条件一致。为了分析外加强电场对极细颗粒黏土渗流特性的影响，采用5，10，15，20，30，40 kV，按递增方式进行试验，每级电压下维持2 h，记录数据后施加下一级电压。

1.2 人工土试样制备及其渗流试验

选用的人工土试样由高纯度膨润土和高岭土按质量比1∶2均匀混合而成。试样主要物理力学参数见表1。

图2 改进渗透仪示意图

本试验共设计6个试样，水力梯度设3组，每组由2个试样组成，取2个试样的渗透系数平均值作为对应电压值的渗透系数。试验变量为25，75和125水力梯度(对应水头高度1，3，5 m)；以击样法制作试样，每一试样击实功率均相同，并对试样进行饱和处理。

图3 改进渗透仪实物

表1 人工土试样主要物理力学参数

由图4可知，随着施加电压值增大，试样的渗透系数先减小后增大。

图4 人工土试样渗透系数与施加电压值的关系曲线

1.3 天然土试样制备及其渗流试验

为了考察天然黏土是否出现渗透系数随着外加电场增大出现先减小后增大的现象，选取广东省厚德地区的天然黏土进行试验。

天然黏土主要物理力学参数见表2，孔隙比保持在2.10左右。

同样，试验共设计6个试样，分别取2个试样的渗透系数的平均值作为对应电压值的渗透系数。保证制样和试验条件与人工土试样制作部分一致。

表3 天然黏土主要物理力学参数

图5 天然土试样渗透系数与施加电压的关系曲线

1.4 结果与分析

本节试验结果显示在孔隙液为蒸馏水时，随着施加电压值U增大，在不同水力梯度作用下，试样的渗透系数k都呈现先减小后增大趋势。

外加强电场不仅对极性水分子有很强的牵引作用，而且对黏土颗粒也有很强的牵引作用，反映为黏土颗粒双电层在外电场作用下发生极化，同时本身带负电的黏土颗粒朝着电极板阳极移动压缩。在外加强电场作用下，倘若外加强电场间无土样，根据电黏效应，水分子极化成链，如图6(a)所示，黏度增大，流速减慢，流量降低。但在外加强电场中有土体试样时，根据电流变效应，黏度增大体现在黏土颗粒双电层极化中，即黏土颗粒双电层结构分为吸附层和扩散层，见图7。扩散层分为不切变层和可流动层，不切变层以内的液体在粒子与孔隙液产生相对运动时不会流动，而可流动层则会随孔隙液流动而变化。在施加外加强电场时候，双电层会沿电场方向发生椭圆形变形(假定颗粒为球形粒子)，如图6(b)所示。当粒子在外电场作用下一层层排列时，变厚的扩散层首尾相连，黏度增大，孔隙液流动受到阻挡，渗透系数k减小，从而产生“电流变效应”。

对于图4～5中试样渗透系数随着外加电场的增大而出现先减小后增大的现象，原因如下：据“微电场效应”，当孔隙液为蒸馏水时，土颗粒结合水膜很厚，试样本身黏度极大，受到外电场作用时，结合水膜的变化对孔隙液黏度影响不大，表现为渗透系数降幅较小。在外电场作用下，为抵消外电场影响达到静电平衡，黏土颗粒向正极移动压缩，在负极电极板处会形成“微缝隙”，见图6(c)，由微缝隙出现引起的渗透系数增大现象称为“微缝隙效应”。随着外加强电场增大，当外加电压U增大到UL(渗透系数最小时对应的外加电压值)时，渗透系数k减小到最小，表现为渗透系数随外电场增大而减小到最少，同时，Q=QL(单位时间通过的最低流量)，此时Q1(通过“微缝隙区”流量)瞬时增量等于Q2(通过双电层极化区流量)瞬时增量；随着外加强电场继续增大，微缝隙出现扩张，导致Q1的瞬时增量大于Q2的瞬时减量，结果表现为渗透系数随外加强电场增大而增大，见图4和图5。

图6 土体受外电场影响示意图

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

图7 土粒双电层结构

2 不同孔隙液时外强电场下黏土渗透试验

为比较外强电场作用下黏土颗粒在不同离子浓度孔隙液中的渗流特性和在蒸馏水条件下的渗流特性，选取蒸馏水、8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液进行制样和试验。

2.1 试样制备和试验结果

试样物理力学参数同表1，共设计6个试样，按不同孔隙液离子浓度分为3组，每组由2个试样组成，并取同组2个试样的渗透系数平均值作为对应电压值的渗透系数。保证试验条件和试验操作流程与前面一致，试验结果见表3，图8为试样渗透系数与外加电压关系曲线图。

2.2 结果分析

试验结果再一次验证了在孔隙液为蒸馏水时(即很低的离子浓度孔隙液)，试样中存在“微缝隙效应”。而当孔隙液为8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液时(即孔隙液存在一定离子浓度时)，试验未出现微缝隙效应。说明渗流的微缝隙效应只有在孔隙液离子浓度很低时才会发生，当孔隙液离子浓度较大时，黏土颗粒双电层极化引起的土体渗流量减小量大于微缝隙引起的土体渗流量增加量，土体渗透系数不会出现微缝隙效应。

表4 不同孔隙液外加电场下试样渗透系数试验结果

根据“微电场效应”，孔隙液为8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液时的土颗粒双电层厚度较蒸馏水时的要薄，孔隙液黏度有所降低，表现为渗透系数k有较大提高，即在U=0 kV时，8.5×10-2mol·L-1NaCl溶液和8.5×10-1mol·L-1NaCl溶液时的k分别是蒸馏水条件下的14倍和228倍。结合“电流变效应”，外加电场对孔隙液离子有牵引作用，一方面土颗粒因外电场作用，颗粒表面吸附的部分阳离子电荷受吸引离开颗粒表面，颗粒表面微电场增强，使得吸附的结合水膜变厚，增大孔隙液黏度；另一方面，可流动层则随孔隙液流动，在施加外加电场时候，颗粒双电层发生极化，同样也增大了孔隙液黏度，见图6(b)和(c)。变形程度随着外加电场增大而增大，所以随着外加电场增大，孔隙液黏度不断增大，表现为渗透系数不断减小，而“微缝隙”引起的Q1增量不能改变渗透系数随外加电场增大而减小的趋势。因此在NaCl溶液条件下，试验不会表现出“微缝隙效应”。