淤泥流變特性試驗(yàn)影響因素研究

張瑞波，龐啟秀

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300456)

淤泥的流變特性是指粘性泥沙或淤泥在受到外部動(dòng)力作用時(shí)表現(xiàn)出的較為復(fù)雜的變形和流動(dòng)行為[1]，它受到很多因素的影響，如淤泥顆粒密度、粒徑級配、礦物化學(xué)成分、顆粒的比表面積、顆粒表面的物理化學(xué)特性、環(huán)境中的離子種類、數(shù)量、淤泥的含砂量和水質(zhì)特性等[2]。

在研究粘性細(xì)顆粒泥沙的基本特性時(shí)，通常需要選擇一種流變模型(如牛頓體、粘彈性體、粘塑性體以及粘彈塑性體等)來描述淤泥的流變特性[3]。為了選擇合適的流變模型，一般先通過對粘性淤泥進(jìn)行流變試驗(yàn)，然后對流變曲線進(jìn)行分析，從而選擇流變模型。但是對于自然沉積的底泥，到目前為止還沒有很好的方法進(jìn)行現(xiàn)場測量而不使其產(chǎn)生擾動(dòng)。目前，對于底泥流變特性的測量一般通過現(xiàn)場采樣，實(shí)驗(yàn)室測試的方法[4]。為了解底泥的流變特性，對底泥進(jìn)行流變試驗(yàn)已經(jīng)被研究者廣泛采用。然而，實(shí)驗(yàn)室流變特性試驗(yàn)所采用的剪切模式、樣品在測量杯中的靜置時(shí)間及試驗(yàn)時(shí)樣品的溫度等都可能會對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響[5-6]，造成流變試驗(yàn)測量結(jié)果與自然沉積底泥的流變參數(shù)出現(xiàn)偏差。但目前對這些影響因素的研究成果相對較少，因此，本文就剪切模式、樣品靜置時(shí)間和樣品的溫度對流變試驗(yàn)結(jié)果的影響開展了一些研究工作，以期為規(guī)范淤泥流變特性試驗(yàn)的操作方式提供參考。

表1 試驗(yàn)?zāi)鄻恿椒植己勘鞹ab.1 Particle size distribution of the mud for the experiment

1 泥樣制備

本文試驗(yàn)采用的泥樣為連云港主航道現(xiàn)場采集的淤泥。

試驗(yàn)?zāi)鄻宇w粒粒徑分布含量如表1所示，粒級級配曲線如圖1所示。所用試驗(yàn)?zāi)鄻訛榉凵迟|(zhì)粘土，中值粒徑D50=0.008 4 mm，粒徑小于0.004 mm的粘土含量為43.85%。所用泥樣的泥沙顆粒較細(xì)，粘土含量較高，整體表現(xiàn)出較強(qiáng)的粘性。

圖1 試驗(yàn)?zāi)鄻恿＜壖壟淝€Fig.1 Particle size distribution curve of the mud for the tests

利用上述泥樣配制成密度分別為1 098、1 200和1 296 kg/m3的三組樣品，密度測量方法采用物理稱重法，測量三次取平均值。配制過程中考慮現(xiàn)場水環(huán)境固有因素的影響，含鹽度配制成與連云港港區(qū)一致的26‰。配制完成后，將其分別保存在塑料桶中，貼好標(biāo)簽并密封防止水分蒸發(fā)引起密度變化。

2 試驗(yàn)方法

本文試驗(yàn)采用美國博勒飛(Brookfield)公司生產(chǎn)的R/S plus 流變儀開展，如圖2所示。試驗(yàn)時(shí)，流變儀的測量轉(zhuǎn)子在裝有試驗(yàn)?zāi)鄻拥臏y量杯中轉(zhuǎn)動(dòng)，對泥樣進(jìn)行剪切。測量轉(zhuǎn)子受到的阻礙轉(zhuǎn)動(dòng)的切應(yīng)力與泥樣受到的剪切應(yīng)力為作用力和反作用力，二者相互平衡。因此，儀器測得的測量轉(zhuǎn)子受到的切應(yīng)力即為試驗(yàn)?zāi)鄻邮芗羟袝r(shí)的剪切應(yīng)力[7]。

試驗(yàn)正式開始前先進(jìn)行儀器重復(fù)性檢測，取密度為1 200 kg/m3的泥樣以控制剪切率模式重復(fù)測量兩次，驗(yàn)證測量結(jié)果的穩(wěn)定性，以在試驗(yàn)時(shí)消除儀器本身不穩(wěn)定問題對試驗(yàn)結(jié)果的影響。

正式試驗(yàn)按照以下組次開展。

(1)不同密度淤泥的流變曲線研究，對3組樣品分別采用“控制剪切率”和“控制剪應(yīng)力”模式測量剪應(yīng)力隨剪切率的變化曲線。

(2)剪切模式的影響研究，取3組樣品分別采用“控制剪切率”和“控制剪應(yīng)力”模式測量泥樣在不同剪切速度時(shí)對應(yīng)的剪應(yīng)力。

(3)靜置時(shí)間的影響研究，將樣品加注到測量杯后，分別靜置0、15、30、45、60、120 min后再進(jìn)行試驗(yàn)，靜置過程中，將測量杯封口以防止水分蒸發(fā)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。

(4)溫度的影響研究，取3組樣品利用流變儀配套的溫控器分別調(diào)控溫度到2、10、20、30℃并攪拌均勻后測量泥樣在不同剪切速度時(shí)對應(yīng)的剪應(yīng)力。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 測量結(jié)果的穩(wěn)定性驗(yàn)證

圖3給出了同一密度的泥樣，以控制剪切率和控制剪應(yīng)力兩種模式重復(fù)測量兩次的對比曲線。無論是控制剪切率模式還是控制剪應(yīng)力模式，兩次重復(fù)測量得到的剪應(yīng)力隨剪切率變化曲線重合度很好，這說明儀器的測量結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性。

3.2 不同密度淤泥的流變曲線

流變曲線一般是指淤泥剪應(yīng)力τ和剪切率γ之間的關(guān)系曲線，它反映出淤泥的流變特性[8]。不同剪切率模式下不同密度淤泥的流變曲線對比如圖4所示。不論是控制剪切率模式還是控制剪應(yīng)力模式，剪應(yīng)力跟淤泥密度有很好的對應(yīng)關(guān)系，在相同剪切率情況下，密度越大，對應(yīng)的剪應(yīng)力越大。

圖3 兩次重復(fù)測量結(jié)果對比曲線Fig.3 Comparison curves of two repeated measurements

3.3 剪切模式的影響

采用“控制剪切率模式”和“控制剪應(yīng)力模式”對3組不同密度的泥樣測量的流變曲線如圖6所示。可以看出，對于同一種密度的淤泥樣品，不同剪切模式下的流變曲線有所不同。

圖4 不同密度淤泥的流變曲線Fig.4 Rheological curve of mud with different densities

(1)采用控制剪應(yīng)力模式測得的數(shù)據(jù)相對稀少，當(dāng)剪切率小于1 s-1時(shí)甚至沒有數(shù)據(jù)，特別是對密度較小的淤泥樣品，小剪切率時(shí)沒能測量出數(shù)據(jù)；而采用控制剪切率模式，在高剪切率和低剪切率時(shí)測得的數(shù)據(jù)都是均勻分布的。因此，對小密度淤泥施加低剪切作用時(shí)，選擇采用控制剪切率模式將會更適合，而在確定淤泥樣品的低剪切率對應(yīng)的屈服應(yīng)力[9]時(shí)宜采用控制剪應(yīng)力模式。

圖5 不同剪切模式的流變曲線Fig.5 Rheological curve of mud tested under different shear modes

(2)在相同剪切率情況下，不同剪切模式對應(yīng)的剪切力也有一定差別。以密度為1 296 kg/m3的淤泥為例，當(dāng)剪切率大于1.0 s-1時(shí)，采用控制剪應(yīng)力模式測得的剪應(yīng)力均大于采用控制剪切率模式測得的剪應(yīng)力；而當(dāng)剪切率小于1.0 s-1時(shí)，控制剪應(yīng)力模式測得的剪應(yīng)力則小于采用控制剪切率模式得到的剪應(yīng)力。因此，在對比不同淤泥樣品的流變特性時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用相同的剪切模式，以消除剪切模式對流變試驗(yàn)結(jié)果的影響。

3.4 泥樣靜置時(shí)間的影響

采用控制剪切率模式，對三種密度的淤泥樣品分別開展試驗(yàn)，得到不同靜置時(shí)間條件下的流變曲線對比圖，見圖6。得到泥樣靜置時(shí)間的影響結(jié)論如下。

(1)密度為1 098 kg/m3的小密度淤泥經(jīng)歷不同靜置時(shí)間對應(yīng)的流變曲線差別最大，而密度為1 296 kg/m3的大密度淤泥的流變曲線相對變化較小。因此，小密度淤泥的流變受靜置時(shí)間影響更大。

6-a ρ=1 098 kg/m36-b ρ=1 200 kg/m36-c ρ=1 296 kg/m3圖6 各組泥樣不同靜置時(shí)間的流變曲線Fig.6 Rheological curve of mud with different standing time

(2)剪切率較低時(shí)，靜置時(shí)間對剪應(yīng)力有較大的影響，而隨著剪切率不斷升高至超過某一臨界剪切率時(shí)，流變曲線的差別則逐漸變小。密度為1 098 kg/m3的淤泥對應(yīng)的臨界剪切率超過100 s-1，而1 200 kg/m3、1 296 kg/m3兩種密度的淤泥對應(yīng)的臨界剪切率約為10 s-1。因此，低剪切率時(shí)，受靜置時(shí)間的影響更大，淤泥密度越小，受靜置時(shí)間影響的臨界剪切率越大。

3.5 泥樣溫度的影響

不同溫度條件下采用控制剪應(yīng)力模式試驗(yàn)的流變曲線如圖7所示。

7-a ρ=1 098 kg/m3控制剪應(yīng)力 7-b ρ=1 200 kg/m3控制剪應(yīng)力 7-c ρ=1 296 kg/m3控制剪應(yīng)力圖7 不同溫度下各密度泥樣的流變曲線Fig.7 Rheological curve of mud at different temperatures

從不同溫度下各密度泥樣的流變曲線可以看出，溫度對流變特性影響較大。對于同一密度的泥樣在相同剪切率時(shí)，隨著溫度的升高，對應(yīng)的剪應(yīng)力逐漸減小，并且剪應(yīng)力減小的速度逐漸變慢，這說明，低溫條件下溫度偏差對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度大于高溫條件下溫度偏差的影響。

4 結(jié)論

本文針對淤泥流變特性試驗(yàn)結(jié)果的影響因素開展了專門的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，淤泥樣品的密度、靜置時(shí)間、溫度和采用的剪切模式等都會對淤泥流變特性產(chǎn)生較大的影響。

(1)不論是采用控制剪切率模式還是控制剪應(yīng)力模式進(jìn)行試驗(yàn)，剪應(yīng)力跟淤泥密度有很好的對應(yīng)關(guān)系，在相同剪切率情況下，密度越大，對應(yīng)的剪應(yīng)力越大。因此，流變試驗(yàn)操作時(shí)，測定樣品的密度須采用多次測量取平均值的方法，以保證淤泥樣品密度的準(zhǔn)確性。

(2)淤泥樣品的靜置時(shí)間不同時(shí)，小密度淤泥的流變受靜置時(shí)間影響比密度較大的樣品更大。剪切率較低時(shí)，靜置時(shí)間對剪應(yīng)力有較大的影響，而隨著剪切率不斷升高至超過某一臨界剪切率時(shí)，流變曲線的差別則逐漸變小，淤泥密度越小，受靜置時(shí)間影響的臨界剪切率越大。這就要求，在流變試驗(yàn)操作時(shí)，不同組次淤泥樣品的靜置時(shí)間應(yīng)保持一致，且每組試驗(yàn)結(jié)束后都應(yīng)重新裝泥，以保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(3)對于同一密度的泥樣在相同剪切率時(shí)，隨著溫度的升高，對應(yīng)的剪應(yīng)力逐漸減小，并且剪應(yīng)力減小的速度逐漸變慢，這說明，低溫條件下溫度偏差對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度大于高溫條件下溫度偏差的影響。這表明，在流變試驗(yàn)操作時(shí)，應(yīng)保證不同組次樣品的溫度一致，特別是低溫條件下的試驗(yàn)，更要嚴(yán)格控制樣品的溫度偏差。

(4)采用控制剪應(yīng)力模式測得的數(shù)據(jù)相對稀少，當(dāng)剪切率小于1 s-1時(shí)甚至沒有數(shù)據(jù)，特別是對密度較小的淤泥樣品，小剪切率時(shí)沒能測量出數(shù)據(jù)；而采用控制剪切率模式，在高剪切率和低剪切率時(shí)測得的數(shù)據(jù)都是均勻分布的。當(dāng)剪切率較大時(shí)，采用控制剪應(yīng)力模式測得的剪應(yīng)力均大于采用控制剪切率模式測得的剪應(yīng)力；而當(dāng)剪切率較小時(shí)，控制剪應(yīng)力模式測得的剪應(yīng)力則小于采用控制剪切率模式得到的剪應(yīng)力。因此，對密度較小的淤泥施加低剪切作用時(shí)，采用控制剪切率模式將會更適合，而在確定淤泥樣品的低剪切率對應(yīng)的屈服應(yīng)力時(shí)宜采用控制剪應(yīng)力模式。在對比不同淤泥樣品的流變特性時(shí)，應(yīng)當(dāng)采用相同的剪切模式，以消除剪切模式對流變試驗(yàn)結(jié)果的影響。