電場作用下水的粘性試驗分析

丁凱

(1.華南理工大學土木與交通學院,廣東廣州510641;2.亞熱帶建筑科學國家重點實驗室,廣東廣州510641)

土體是由固體顆粒、孔隙液、孔隙氣三相組成的多相物質,黏土通常具有孔徑小、比表面積大[1-2]、表面帶電現象非常顯著等特點。土顆粒表面附有電荷并產生微電場、電位可達數十至數百mV,在其電場作用下顆粒表面可形成較厚的結合水膜,增加了孔隙水的粘度,同時又影響孔隙水中的離子運動規律而產生滲流離子效應,這兩方面的影響將顯著改變土體微孔隙的滲流特性[3]。

由此可見,電場對水的粘度的影響尤為顯著。本文通過室內試驗,研究了垂直于水流方向的電場對水的粘度特性的影響,在數字直流電源產生的強電場中進行常水頭滲流試驗,并觀察在電場作用下,水的粘度與所含離子濃度、滲流速度等因素的關系,從而為“粘土水合機制”的進一步研究提供有力的依據。

1 微孔隙電場滲流試驗

1.1 試樣制備及儀器介紹

本次試驗是在強電場下直接對水的滲流特性進行試驗,屬于水的單相滲流試驗。試樣的滲流特性采用常水頭滲流法進行試驗,通過改變滲透儀與水箱的相對高度獲得不同的試驗水頭,試驗裝置如圖1所示。本試驗采用數顯直流極化電源提供高電壓,儀器型號為RKS-D5060,本儀器的測試電壓通過升壓變壓器產生交流電壓,經整流濾波,產生直流測試電壓。電場系統儀器的電壓量程是50kV,可通過電壓調試螺旋調節電壓大小,電流量程是2A,可通過電流表讀出。本試驗采用自制的微縫滲流器,密封不漏水,內置電極板,可為滲流試驗提供高強電場,場強方向與孔隙水滲流的方向垂直。

對于微孔隙滲流試驗,滲流量小,試驗時間長,微小流量的外泄都會引起可觀的試驗誤差。為此對本試驗使用滲透儀進行了防泄漏處理,在進水口接頭加裝了O型密封圈,并纏繞數層防水生料帶后將其旋緊在滲透儀底座上,在進水軟膠管與銅管的連接處加設一道套箍,對排氣口也作了同樣處理,防泄漏處理后能夠做到滴水不漏。另外,試驗過程中水分的蒸發和溫度環境也會對試驗結果造成一定的影響,所以試驗過程對水分蒸發量進行了嚴格的補償,并對不同溫度下的滲透系數也進行了修正。

1.2 水的粘度特性與外加電場強度的關系

采用常水頭滲流法進行試驗,試驗操作步驟按照GB／T 50123-1999中的相關規定進行。在試驗過程中,試驗水頭始終保持在1m不變,并保持各試樣的試驗條件一致。為了分析外加電場對水的粘度的影響,主要通過水在微縫滲流器中的滲透系數來反映。試驗按所加電壓為0kV→5kV→10kV→15kV→20kV→30kV→40kV的順序垂直于水流方向施加的電場,對不同時段各試驗電壓下的滲流量及其歷時進行三次測試,將各次試驗所得的滲透系數平均值作為該試驗電壓下的滲透系數,列于表1之中。圖2為水在不同電壓下進行滲流試驗得到的滲透系數-電壓關系曲線。

表1 1m水頭下水在不同電壓作用下的滲透系數Tab.1 Permeability coefficient of water at differentvoltages under 1m flood peak

1.3 水的粘度特性與剪切速率的關系

為了觀察在不同的水頭作用下,即不同的剪切速率下,電場對水的粘度特性的影響程度,分別在試驗水頭為0.5m→1m→3m下,進行以上試驗操作。對各試驗水頭不同電壓下的滲流量及其歷時進行三次測試,將各次試驗所得的滲透系數平均值作為該試驗電壓下的滲透系數,列于表2表3之中。圖3為在不同的水頭作用下水在不同電壓下進行滲流試驗得到的滲透系數-電壓關系曲線。

表2 H=0.5m水頭下水在不同電壓作用下的滲透系數Tab.2 Permeability coefficient of water at different voltages under 0.5m flood peak

表3 H=3m水頭下水在不同電壓作用下的滲透系數Tab.3 Permeability coefficient of water at different voltages under 3m flood peak

(Kd表示各電場下滲透系數;K0表示無電場下滲透系數)

1.4 水的粘度特性與離子濃度的關系

為了觀察在不同的離子濃度下,電場對溶液的粘度特性的影響程度,在試驗水頭為1m下,分別在離子濃度為0 mol／L→8.3E-3mol／L下進行以上試驗操作。將各次試驗所得的滲透系數平均值作為該試驗電壓下的滲透系數,列于表4之中。圖4為在不同的離子濃度下溶液在不同電壓下進行滲流試驗得到的滲透系數-電壓關系曲線。

表4 n=8.3E-3mol／L下水在不同電壓作用下的滲透系數Tab.4 Permeability coefficient of water at different voltages under n=8.3E-3mol／L

2 試驗結果分析

本文的試驗結果顯現了水的粘度特性與外加電場、剪切速率、離子濃度有著密切的聯系。如圖2所示,隨著電場強度增加,水的粘度呈減小的趨勢。如圖3所示在相同的電場強度下,水的粘度與實驗水頭成反比關系,水頭越高,剪切速率越大,對水的粘度的影響越不明顯。如圖4所示,在不同的離子濃度下,電場對水的粘度影響程度不同,離子濃度越高,對水的粘度影響越明顯。

水分子是由兩個氫(H)和一個氧(O)組成的,氫原子間彼此成約105“存在,這樣的排列造成電荷不平衡,正電荷中心在一端,而負電荷中心在另一端,因而水分子是極性分子。就液態水而言,每個水分子周圍有四個水分子,只是水分子與水分子之間的結合比較弱、柔軟,容易變形,排列得不整齊,它是以四面體相連結的連續體,有一定的流動性,但是,當將其置于電場中,水分子就有一種定向排列的趨勢,形成一定的電極偶,使得水的粘性受到改變[4-5]。

由于水分子是極性分子,當水溶液中出現離子時,離子與水偶極的局部電荷的相互靜電作用,水分子就以配位的形式而云集于離子周圍,成為離子的“溶劑化水”,使離子變成水合離子。在電場的作用下,溶液中的水合離子被電場力強烈吸引,向兩電極板運動,較內一層A表示水分子吸附區,它含有緊密的、電縮的和不活動的水分子,被電場有力地束縛著,沒有流動性,具有似固體的性質,具有一定的抗剪強度。在距離子較遠的范圍的C區,水的結構是“正?！钡?。B區被稱為結構破壞區,在B區中電場還較強,足以斷裂液態水中的“正常結構”,但尚不能重新改變水的取向而形成象A區那樣的新構型,所以B區是一個過渡區,水的活動能力較C區弱,但較A區強[6]。

因此,在電場的作用下,水的粘度呈減小的趨勢,當離子濃度變大時,溶液中離子的含量增多,在電場的作用下活動更加活躍,因此,離子濃度越高,對水的粘度影響越明顯。另外,當實驗的水頭較高時,水的剪切速率比較大,根據以往的研究表明,水雖然被電場力所吸附,但也具備一定的抗剪強度,當水的剪切速率足夠大時,超過了水的抗剪強度,使得水的流動性變大,因此,在高水頭下,電場對水的粘性的影響并不十分明顯。

3 結論

1)外加電場對水的粘度有明顯的影響,隨著電場強度增加,水的粘度呈減小的趨勢,隨著外加電場時間的增長,水的滲透性趨于穩定。

2)在電場作用下,水的粘度與剪切速率成反比,水頭越高,剪切速率越大,水的流動性也越大,水的粘度減小。

3)其他條件相同的情況下,溶液中離子濃度高,電場對溶液的粘度影響也越明顯。這種溶液在電場作用下的離子效應有待進一步的研究,為沿海地區淤泥和淤泥質土地基加固以及污染土的處理等領域提供良好的理論依據。

[1]楊亞提,張一平,張興福.恒電荷土壤膠體表面的電荷特征[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2002,30(1):47-51.

[2]MITCHELL J K.Fundamentals of soil behavior[M].New York:John Wiley&Sons,Inc.,1976.

[3]VAN OLPHEN H.粘土膠體化學導論[M].北京:農業出版社,1982.

[4]魏宸官.電流變技術[M].北京:北京理工大學出版社,2000.

[5]SHEARD L,OLSEN H W,NELSON K R.Effects of desiccation on the hydraulic conductivity versus void ratio relationship for a natural clay[R].Transportation research record,NRC,National academy press,Washington D C,1993,1365-1370.

[6]梁健偉,房營光,谷任國.極細顆粒黏土滲流的微電場效應[J].長江科學院院報,2009,26(6):47-51.