透明土中孔隙液體折射率、黏度系數與穩定性

孔綱強,張鑫蕊,許文儐,孫學謹

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098)

?

透明土中孔隙液體折射率、黏度系數與穩定性

孔綱強1,2,張鑫蕊1,2,許文儐2,孫學謹1,2

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098; 2.河海大學土木與交通學院,江蘇 南京 210098)

為了探討溶液作為制配透明土材料的可行性與穩定性,并為相關模型試驗選用提供參考依據,針對二水溴化鈣、焦磷酸鉀、磷酸鉀、六水氯化鎂4種水溶型無機溶液和一種油溶型有機溶液(15號白油與正12烷混合物),系統測定折射率、黏度系數與溶液質量比之間的關系;采用目前模型試驗中常用的溴化鈣溶液、15號白油與正12烷混合物兩種典型孔隙液體進行了孔隙液體對橡皮膜變形和抗拉強度、孔隙液體對透明土中固體顆粒材料的影響試驗。試驗結果表明,無機溶液折射率隨質量比的增大呈線性增長,而黏度系數隨著質量比的增大呈非線性增長;相同條件下溴化鈣溶液和15號白油與正12烷混合物浸泡后橡皮膜長度變化率約分別為0.47%和37.81%,寬度變化率約分別為-1.09%和40.50%,抗拉強度分別降低約14.0%和89.4%;孔隙液體對熔融石英砂的影響較對無定形二氧化硅的影響要小,15號白油與正12烷混合物對固體顆粒的影響與溴化鈣溶液基本相當。

透明土;孔隙液體;折射率;黏度系數;浸泡試驗

近年來,基于透明土材料的可視化模型試驗方法逐漸得到重視與應用,相關研究人員開展了沉樁貫入與樁-土相互作用[1-4]、隧道開挖[5]、植物根系生長[6]、土工格柵與土體拉拔特性[7-8]等土體內部位移場問題,污染物遷移[9]、注漿[10]等滲流場問題,能量樁特性[11-12]等溫度場問題以及透明巖體特性[13]的試驗研究,并取得了良好的應用效果。

人工合成透明土材料由透明固體顆粒模擬的“土”顆粒和與透明固體顆粒折射率一致的孔隙液體模擬的“土”中孔隙水兩相介質組成[14]。目前制配透明土的固體顆粒主要有無定形二氧化硅(amorphous silica)、硅膠(silica gel)、水族珠(hydrogel (aquabeads))、熔融石英砂(fused quartz)和硅酸鎂鋰(laponite)等5種[15],且其固體顆粒折射率分布在1.333～1.458之間。制配透明土的孔隙液體主要可以分為水溶型無機溶液和油溶型有機溶液兩大類[16]。Iskander等[17]最早采用白礦物油與烷烴混合物(油溶型有機溶液)、溴化鈣溶液(水溶型無機溶液)模擬孔隙水。白礦物油與烷烴混合物在沉樁貫入、土工格柵與土體拉拔試驗、能量樁等模型試驗中得到大量運用[1-5, 7-8];溴化鈣溶液也在透明巖石注漿模型試驗中得到應用[10]。針對孔隙液體的制配難易和黏度系數問題,隋旺華等[18]測定了溴化鈣溶液的折射率;Zhao等[16]測定了多種不同組合的油溶型有機溶液黏度系數,并進行了與乳膠膜相互作用試驗研究,發現了兩種新的低黏度系數油溶型有機溶液;張儀萍等[19]測定分析了溴化鈣、氯化鈣、15號與3號白礦物油的折射率、黏度系數、平均色散值以及熱敏感性等參數。

透明土試樣制配中,選擇孔隙液體要遵守3條主要準則:①折射率與固體顆粒相匹配且不與固體顆粒發生化學反應;②孔隙液體的黏度系數與天然土體中水的黏度系數相近;③對試驗人員、模型槽及橡皮膜等影響小。已有研究表明部分孔隙液體對橡皮膜影響顯著[20-21],但針對透明土中孔隙液體對橡皮膜及透明土中固體顆粒影響的研究卻相對較少。本文選擇可模擬透明土孔隙液體的二水溴化鈣、焦磷酸鉀、磷酸鉀、六水氯化鎂4種水溶型無機溶液和15號白油與正12烷混合而成的1種油溶型有機溶液(以下簡稱混合油),系統測定折射率、黏度系數與溶液質量比之間的關系,探討其作為制配透明土材料的可行性并為相關模型試驗選用提供參考依據;結合目前模型試驗中常用的二水溴化鈣溶液、混合油兩種孔隙液體,開展孔隙液體對橡皮膜變形及抗拉強度、對透明土中固體顆粒材料的影響規律研究,分析孔隙液體在制配透明土過程中的穩定性。

1 試驗方法

1.1 孔隙液體選擇

參照透明土試樣制配中孔隙液體選擇的3條準則,同時滿足可溶解性,溶液為無色、安全穩定、無毒或者低毒且價格實惠、容易獲得的要求,從溶液折射率盡量大的角度出發,選擇二水溴化鈣、焦磷酸鉀、磷酸鉀和六水氯化鎂4種水溶型無機溶液作為試驗測定對象,并以目前模型試驗中常用的混合油進行對比分析,4種飽和溶液最大折射率見表1[22]。

表1 飽和溶液最大折射率

1.2 折射率與黏度系數測定

折射率測定試驗采用上海物理光學儀器廠制造的2WAJ 型阿貝折射儀,其技術參數如下:折射率測定范圍1.300～1.700,折射率測定準確度0.000 2,折射率最小分度值0.000 5,糖量質量比測定范圍0～95%,糖量質量比最小分度值0.25%。試驗參照JJG 981—2014《阿貝折射儀標準塊檢定規程》進行。

黏度系數測定試驗采用上海君翼儀器設備有限公司生產的國際上使用相對較廣的1840芬氏黏度計(即改良奧氏黏度計),參照GB/T 22235—2008《液體黏度的測定》進行;去掉不正常數據,每組試驗測定3次取平均值。

1.3 浸泡試驗與拉拔試驗

選擇目前模型試驗中最常用的無定形二氧化硅和熔融石英砂兩種固體顆粒、最常用的溴化鈣溶液和混合油兩種孔隙液體進行浸泡試驗,測試固體顆粒與孔隙液體、橡皮模與孔隙液體之間的反應。浸泡試驗中,二氧化硅在兩種溶液中浸泡時溶液折射率均為1.447 5,熔融石英砂和橡皮膜在兩種溶液中浸泡時溶液折射率均為1.458 5。

透明土試樣制配中,需先進行三軸試驗測試透明土材料的基本物理力學性質,圖1給出了三軸試驗熔融石英砂顆粒、變形后的橡皮膜及試驗前后裝在橡皮膜內的試樣實物照片。浸泡試驗橡皮膜采用南京巖石土壤儀器廠生產的廣泛用于室內土工試驗的三軸乳膠膜。浸泡試驗前,先按設計尺寸(長(56.4±1.0)mm、寬(15.2±0.8)mm)裁剪橡皮膜并測量實際尺寸,稱重固體顆粒質量,在容器內注入相應的孔隙液體;再將橡皮膜和固體顆粒分別浸泡入孔隙液體內,待達到設計的浸泡時間(48 h)后,取出、擦干并測量橡皮模尺寸,進行拉拔試驗,將試驗結果與預留的未浸泡的橡皮膜拉拔試驗結果進行對比,獲得強度降低率;取出固體顆粒并利用烘箱烘干,再稱重。橡皮膜尺寸測量采用南京哈聯工具有限公司生產的50分度格游標卡尺,拉拔試驗采用法國安德洛TY10 CNR FT 500數顯測力計;固體顆粒和孔隙液體電子質量稱重精度為0.01 g。

圖1 透明土三軸試驗實物

2 試驗結果與分析

2.1 折射率

圖2 孔隙液體折射率與水溶型無機溶液質量比關系曲線

圖3 孔隙液體折射率與混合油質量比關系曲線

實驗室溫度(25℃)下,二水溴化鈣、焦磷酸鉀、磷酸鉀和六水氯化鎂4種水溶型溶液的折射率與溶液質量比關系曲線如圖2所示,作為對比分析,圖中給出了張儀萍等[19]實驗得到的溴化鈣和二水氯化鈣溶液的折射率與溶液質量比關系曲線(實驗溫度30℃)。由圖2可見,水溶型無機溶液折射率隨著溶液質量比的增大而近似呈線性增長,當溶液達到飽和時,其相應的折射率也達到最大值。混合油在不同質量比(15號白油與正12烷的質量比值)情況下的折射率如圖3所示。目前制配透明土的4種常用固體顆粒(水族珠、氟化鈣、無定形二氧化硅、熔融石英砂)折射率分別為1.333、1.336、1.447和1.458。結合圖2和圖3可見,僅從折射率制配難易程度角度考慮時,當采用固體折射率相對較低的材料時,利用水溶型無機溶液相對比較容易制配;當采用固體折射率相對較高的材料時,利用油溶型有機溶液相對比較容易制配。

對于水溶型無機溶液,提高該溶液折射率的最大問題是該溶質溶解度問題(即溶液的飽和度限制了無機溶液的最大折射率值);然而,在一種溶質的水溶液達到飽和狀態時,溶液還能溶解其他類型的溶質,從而可以提高整體溶液的折射率值。以磷酸鉀溶液為例,當磷酸鉀溶液達到折射率最大值時,分別添加苯甲酸鈉、六偏磷酸鈉、乙酸氨、硫酸氫氨、磷酸二氫鈉和磷酸二氫氨等無機溶質,其折射率可以得到提高,具體可增加溶解的溶質類型、質量比以及所提高的折射率值見表2。可見，在制配透明土孔隙液體時,水溶型無機溶液也可以選擇一種或者多種溶質混合制配,這可以有效拓展水溶型無機溶液的制配范圍。

表2 飽和磷酸鉀溶液中添加其他溶質引起的折射率提高值

圖4 孔隙液體黏度系數與水溶型無機溶液質量比關系曲線

2.2 黏度系數

4種水溶型無機溶液的黏度系數與溶液質量比關系曲線如圖4所示。由圖4可見,溶液質量比對黏度系數有明顯的影響,孔隙液體的黏度系數隨溶液質量比增大而呈非線性增長,質量比越大,黏度系數增加得越快;相同質量比下,二水溴化鈣溶液的黏度系數最小、焦磷酸鉀溶液最大。實驗室溫度(25℃)下,15號白油和正12烷的黏度系數分別為29.1 mPa·s和1.8 mPa·s，較天然純凈水的黏度系數(0.89 mPa·s)要大。

2.3 孔隙液體與橡皮膜的反應

孔隙液體的化學穩定性是選擇模擬“土樣”中孔隙液體的重要因素。透明土物理力學特性試驗(如靜三軸、動三軸以及共振柱等)過程中發現,橡皮膜與孔隙液體會發生化學反應,而且對于不同的孔隙液體,橡皮膜反應的劇烈程度及變形程度也存在差異,會影響試驗的精度[16, 20]。因此,本文以目前模型試驗中最常用的溴化鈣溶液(代表水溶型無機溶液)和混合油(代表油溶型有機溶液)為例,開展橡皮膜在孔隙液體中浸泡前后(48 h)尺寸變化以及抗拉強度變化試驗。

表3 浸泡試驗前后橡皮膜尺寸與強度測試結果

表4 浸泡試驗前后固體顆粒質量變化

圖5為浸泡試驗前后橡皮模實物照片,測試結果見表3。由表3可知,油溶型有機溶液與橡皮膜反應最為劇烈,橡皮膜長度和寬度增加到原來的1.4倍左右(長度和寬度平均變化率約為37.81%和40.50%),浸泡后強度降低約89.4%。而水溶型溴化鈣溶液與橡皮膜反應程度相對較小,浸泡后尺寸變化率最大值為2.30%(長度和寬度平均變化率約為0.47%和-1.09%),強度降低平均值約為14.0%。這也部分解釋了三軸試驗過程中發現混合油配制的透明土抗剪強度比其他孔隙液體配制的透明土抗剪強度要低的現象[20-21]。

圖5 浸泡試驗前后橡皮膜對比

2.4 孔隙液體與固體顆粒的反應

將溴化鈣溶液和混合油兩種典型孔隙液體與無定形二氧化硅和熔融石英砂兩種典型固體顆粒交叉混配,靜置48 h后,烘干稱重,并與浸泡之前的質量進行對比分析,結果見表4。由表4可知,孔隙液體對熔融石英砂的影響較對無定形二氧化硅的影響要小;混合油對固體顆粒的影響與溴化鈣溶液基本相當(混合油影響值略高)。浸泡48 h后,熔融石英砂和無定形二氧化硅固體顆粒在溴化鈣溶液孔隙液體中浸泡后質量變化率分別為-1.50%和21.38%,在混合油孔隙液體中浸泡后質量變化率分別為-0.20%和24.40%。

3 結 論

a. 水溶型無機溶液折射率隨溶液質量比增大近似呈線性增長,而黏度系數隨溶液質量比的增大呈非線性增長,溶液質量比越大,黏度系數增長越快。

b. 水溶型的溴化鈣無機溶液對橡皮膜的形狀及抗拉強度影響相對較小;油溶型有機溶液對橡皮膜形狀及抗拉強度影響相對較大。相同條件下橡皮膜在溴化鈣溶液和混合油中浸泡后橡皮膜長度變化率約分別為0.47%和37.81%,寬度變化率約分別為-1.09%和40.50%,抗拉強度約分別降低14.0%和89.4%。因此,在進行相關透明土材料基本特性試驗時,應考慮這一因素的影響。

c. 在一種溶質的水溶液達到飽和狀態時,溶液中還能溶解其他類型的溶質,從而可以提高整體溶液的折射率。因此,在制配透明土孔隙液體時,水溶型無機溶液也可以選擇一種或者多種溶質混合制配,這可以有效拓展水溶型無機溶液的制配范圍。

d. 孔隙液體對熔融石英砂的影響較對無定形二氧化硅的影響要小,混合油對固體顆粒的影響與溴化鈣溶液基本相當。

[ 1 ] HOVER E D,NI Q,GUYMER I.Investigation of centerline strain path during tube penetration using transparent soil and particle image velocimetry[J].Geotechnique Letter,2013,3(2):37-41.

[ 2 ] 曹兆虎,孔綱強,劉漢龍,等.基于透明土的管樁貫入特性模型試驗研究[J].巖土工程學報,2014,36(8):1564-1568.(CAO Zhaohu,KONG Gangqiang,LIU Hanlong,et al.Model tests on pipe pile penetration by using transparent soils[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2014,36(8):1564-1568.(in Chinese))

[ 3 ] 齊昌廣,陳永輝,王新泉,等.細長樁屈曲的透明土物理模型試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2015,34(4):828-838.(QI Changguang,CHEN Yonghui,WANG Xinquan,et al.Physical modeling study on buckling of slender pile using transparent soil[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2015,34(4):828-838.(in Chinese))

[ 4 ] KONG Gangqiang,CAO Zhaohu,ZHOU Hang, et al.Analysis of pile under oblique pullout load using transparent soil models[J].Geotechnical Testing Journal,2015,38(5):725-738.

[ 5 ] SUN J L,LIU J Y.Visualization of tunneling-induced ground movement in transparent sand[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,40:236-240.

[ 6 ] DOWNIE H,HOLDEN N,OTTEN W,et al.Transparent soil for imaging the rhizosphere[J].Plos One,2012,7(9):1-6.

[ 7 ] EZZEIN F M,BATHURST R J.A transparent sand for geotechnical laboratory modeling[J].Geotechnical Testing Journal,2011,34(6):590-601.

[ 8 ] BATHURST R J,EZZEIN F M.Geogrid and soil displacemnt observations during pullout using a transparent granular soil[J].Geotechnical Testing Journal,2015,38(5):673-685.

[ 9 ] LO H,TABE K,ISKANDER M,et al.A transparent water-based polymer for simulating multiphase flow[J].Geotechnical Testing Journal,2010,33(1):1-13.

[10] GAO Y,SUI W H,LIU J Y.Visualization of chemical grout permeation in transparent soil[J].Geotechnical Testing Journal,2015,38(5):774-786.

[11] BLACK J A,TATARI A.Transparent soil to model thermal processes:an energy pile example[J].Geotechnical Testing Journal,2015,38(5):752-764.

[12] SIEMENS G A,MUMFORD K G,KUCHARCZUK D.Characterization of transparent soil for use in heat transport experiments[J].Geotechnical Testing Journal,2015,38(5):620-630.

[13] 李元海,林志斌.透明巖體相似物理模擬試驗新方法研究[J].巖土工程學報,2015,37(11):2030-2039.(LI Yuanhai,LIN Zhibin.Innovative experimental method based on development of transparent rock mass materials for physical tests[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2015,37(11):2030-2039.(in Chinese))

[14] 陳永輝,齊昌廣,王新泉,等.透明土及其在巖土工程模型試驗中的應用研究進展[J].水利水電科技進展,2011,31(6):69-73.(CHEN Yonghui,QI Changguang,WANG Xinquan,et al.Overview on transparent soil and its application in model tests in geotechnical engineering[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31(6):69-73.(in Chinese))

[15] ISKANDER M,BATHURST R J,OMIDVAR M.Past,present,and future of transparent soils[J].Geotechnical Testing Journal,2015,38(5):557-573.

[16] ZHAO H H,GE L,LUNA R.Low viscosity pore fluid to manufacture transparent soil[J].Geotechnical Testing Journal,2010,33(6):1-6.

[17] ISKANDER M,LAI J,OSWALD C,et al.Development of a transparent material to model the geotechnical properties of soils[J].Geotechnical Testing Journal,1994,17(4):425-433.

[18] 隋旺華,高岳,劉金元.透明土實驗技術現狀與展望[J].煤炭學報,2011,36(4):577-582.(SUI Wanghua,GAO Yue,LIU Jinyuan.Status and prospect of transparent soil experimental technique[J].Journal of China Coal Society,2011,36(4):577-582.(in Chinese))

[19] 張儀萍,李亮,王思照.透明土中孔隙流體的實驗研究[J].浙江大學學報(工學版),2014,48(10):1828-1834.(ZHANG Yiping,LI Liang,WANG Sizhao.Experimental study on pore fluid for forming transparent soil[J].Journal of Zhejiang University (Engineering Science),2014,48(10):1828-1834.(in Chinese))

[20] GUZMAN I L,ISKANDER M,SUESCUN-FLOREZ E,et al.A transparent aqueous-saturated sand surrogate for use in physical modeling[J].Acta Geotechnica,2014,9(2):187-206.

[21] 孔綱強,孫學謹,李輝,等.孔隙液體對玻璃砂透明土力學特性影響研究[J].巖土工程學報,2016,38(2):377-384.(KONG Gangqiang,SUN Xuejin,LI Hui,et al.Effect of pore fluid on strength properties of transparent soil[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2016,38(2):377-384.(in Chinese))

[22] 許文儐,孔綱強,高乾,等.人工合成透明土的孔隙流體折射率試驗研究[J].水利學報,2015,46(增刊1):360-365.(XU Wenbin,KONG Gangqiang,GAO Qian,et al.Experimental study on refractive index of pore fluid in transparent soil manufacture[J].Journal of Hydraulic Engineering,2015,46(Sup1):360-365.(in Chinese))

Refractive index, viscosity coefficient and stability of pore fluids in transparent soil

KONG Gangqiang1,2, ZHANG Xinrui1,2, XU Wenbin2, SUN Xuejin1,2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

In order to verify the feasibility and stability of pore fluids used to manufacture transparent soil and provide references for relevant transparent soil model tests, the relationships of the refractive index and viscosity coefficient with the mass ratio of the solution were determined for four water-based inorganic solutions (calcium bromide, potassium pyrophosphate, potassium phosphate, and magnesium chloride hexahydrate) and one oil-based organic solution (the mixture of mineral oil No.15 and dodecane). The calcium bromide solution and the mixture of mineral oil No.15 and dodecane are two typical pore fluids in model tests. Experiments on the influence of the two pore fluids on the size deformation and tensile strength of latex membrane and solid granular particles were carried out. The results show that the refractive indices of the water-based inorganic solutions linearly increase with the mass ratio of the solution, and the viscosity coefficients nonlinearly increase with the mass ratio. Under the same conditions, the length change rates of the latex membranes after being immersed in the calcium bromide solution and the mixture of mineral oil No.15 and dodecane are 0.47% and 37.81%, respectively, their width change rates are -1.09% and 40.50%, respectively, and their tensile strengths decrease by 13.5% and 89.4%, respectively. The effect of the pore fluids on the fused silica sand is smaller than that on the amorphous silica. The effect of the mixture of mineral oil No.15 and dodecane on the solid particles is basically the same as that of the calcium bromide solution.

transparent soil; pore fluid; refractive index; viscosity coefficient; immersion test

國家自然科學基金(51478165)

孔綱強(1982—),男,教授,博士,主要從事樁-土相互作用及能量樁技術研究。E-mail: gqkong1@163.com

10.3880/j.issn.1006-7647.2017.04.005

TU473；TU502

A

1006-7647(2017)04-0025-05

2016-08-08 編輯：熊水斌)