陶瓷粘土滲透特性試驗(yàn)研究*

趙 蔚 顧 凱

(湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院 武漢 430068)

前言

研究表明土樣的滲透系數(shù)與其孔隙大小的分布情況成正相關(guān)，土骨架受力會(huì)產(chǎn)生形變，進(jìn)而導(dǎo)致土體的孔隙被壓縮，大孔數(shù)量減少。在圍壓的作用下，孔隙同樣會(huì)被壓縮導(dǎo)致滲透性能的降低，事實(shí)上，圍壓對(duì)滲透系數(shù)的影響主要是通過(guò)對(duì)孔隙尺度的影響來(lái)達(dá)成的，圍壓與滲透系數(shù)之間存在著一定的規(guī)律。

1 粘土在陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中的作用

粘土所具有的工藝牲能是陶瓷生產(chǎn)過(guò)程中陶瓷成型、燒結(jié)的基礎(chǔ)。因此，粘土在陶瓷生產(chǎn)中起著十分重要的作用。

(1)粘土的可塑性是陶瓷制品得以成型的基礎(chǔ)。

(2)粘土的結(jié)合性可以合理地將各種原料結(jié)合在一起，是設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)多種原料有效配合、成型的基礎(chǔ)。

(3)加入適量粘土的注漿料以及釉料，呈現(xiàn)較好的懸浮性和穩(wěn)定性，使得漿料組成均勻，不至于發(fā)生沉淀分層和成分偏析。

(4)粘土所具有的離子交換能力，使得可以通過(guò)添加電解質(zhì)而獲得流動(dòng)性好、含水量適當(dāng)?shù)臐{料。

(5)粘土中Al2O3以及雜質(zhì)的含量是確定陶瓷坯體的燒結(jié)程度、燒結(jié)溫度和軟化溫度的主要因素指標(biāo)。

(6)粘土原料中Al2O3系陶瓷坯體生成莫來(lái)石晶體的主要成分。通過(guò)莫來(lái)石的形成及其含量的調(diào)控，可以獲得機(jī)械強(qiáng)度、介電性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等性能均較好的陶瓷制品。

1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

為了研究土體滲透系數(shù)與圍壓的變化關(guān)系，本次試驗(yàn)采用柔性壁GDS滲透系控制頂部與底部壓力差不變，通過(guò)逐級(jí)增大圍壓的試驗(yàn)方法來(lái)研究湖南粘土滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系。本次試驗(yàn)采用湖南邵陽(yáng)某地的紅粘土，其基本物理性質(zhì)如表1所示。

表1 湖南粘土基本物理參數(shù)指標(biāo)

1.1 柔性壁GDS滲透儀

柔性壁GDS滲透儀；該儀器由采集器、三臺(tái)控制器、壓力室組成。三臺(tái)控制器分別為：頂部壓力控制器、底部壓力控制器、圍壓控制器，試驗(yàn)所需的壓力環(huán)境主要由控制器提供。滲透?jìng)}主要負(fù)責(zé)裝載試樣進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試樣制備

將配置完成后的土樣烘干，測(cè)定所配置的含水率，測(cè)得初始含水率為24.24%。采用油壓千斤頂制取干密度分別為1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3的直徑70 mm，高20 mm的重塑環(huán)刀試樣。將試樣小心從環(huán)刀中推出，置于扎孔的保鮮膜中抽真空進(jìn)行飽和。按規(guī)范抽氣4 h，純水浸潤(rùn)8 h使其飽和度在95%以上。

1.3 裝樣與調(diào)試

將飽和后的試樣從保鮮膜中取出按照濾石、濾紙、試樣、濾紙、濾石的順序裝入柔性壁中使其與滲透底座之間無(wú)空隙。利用水泵將純水注入滲透?jìng)}中利用水泵通過(guò)注/排水管往滲透?jìng)}中并排除三臺(tái)控制器中的氣泡，三臺(tái)控制器量程均為1 MPa。檢查接口處無(wú)漏水發(fā)生后設(shè)置反壓飽和48 h。其中控制圍壓為35 KPa，頂部及底部壓力均控制在15 KPa。

2 粘土滲透系數(shù)分析

對(duì)三種不同干密度的湖南粘土重塑試樣在反壓飽和48 h后進(jìn)行恒定壓力差下的變圍壓試驗(yàn)。本次試驗(yàn)方案如表2。

表2 試驗(yàn)控制方案

所設(shè)定的圍壓分別為50 KPa、100 KPa、150 KPa、200 KPa、250 KPa、300 KPa,頂部與底部控制器的壓力差控制為20 KPa。其總體滲透系數(shù)與圍壓的關(guān)系大致表現(xiàn)為：不同干密度下滲透系數(shù)隨圍壓變化的趨勢(shì)大致相同，共同表現(xiàn)為，隨著圍壓的增大，滲透系數(shù)呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，忽略誤差影響不同干密度下的圍壓-滲透系數(shù)的變化趨勢(shì)大致表現(xiàn)為類似反比例函數(shù)。且不同干密度下隨著圍壓的增大滲透系數(shù)均呈現(xiàn)為減幅放緩的趨勢(shì)。其內(nèi)在原因在于圍壓的作用下土體被壓縮，壓縮量隨著圍壓的增大而增大，進(jìn)而導(dǎo)致土體孔隙的減小進(jìn)而阻礙了水在孔隙內(nèi)的流動(dòng)導(dǎo)致滲透系數(shù)的減小。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)同種干密度的湖南粘土試樣進(jìn)行變圍壓的滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同種干密度下湖南粘土的滲透系數(shù)隨著圍壓的增大而減小，其減小幅度隨著干密度的增大而放緩。通過(guò)對(duì)不同干密度下的湖南粘土進(jìn)行變圍壓試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同干密度下湖南粘土的滲透系數(shù)與圍壓的變化趨勢(shì)大致相同，表現(xiàn)為類似反比例函數(shù)。滲透系數(shù)在圍壓作用下呈現(xiàn)為上述特征的內(nèi)在原因在于，圍壓作用下孔隙被壓縮，導(dǎo)致干密度增大，阻礙了土中水的流動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致滲透系數(shù)的減少。