新型透明土材料的GDS柔性壁滲透試驗研究*

李 奕 王 清

(湖北工業大學 武漢 430068 )

前言

透明土具有模擬天然巖土的內部滲流、觀測土體變形等優點，針對于不同的天然土壤，不同類型的透明土材料被挖掘出來模擬不同類型的土壤。常用的透明土材料有:用于模擬砂土的熔融石英砂，硅膠；用于模擬黏土的無定型二氧化硅；用于模擬海洋沉積物的水晶珠(Aquabeads)；用于模擬臨海地區軟黏土的硅酸鎂鋰粉末(Laponite RD)。Laponite RD作為一種新型透明土材料，其化學物質成分主要是硅酸鎂鋰。自然狀態下硅酸鎂鋰處于白色粉末狀，與水按照一定比例混合會形成透明狀的膠凝混合物。硅酸鎂鋰透明土常常被用于模擬海相軟黏土，這種材料最早被Alvarez和Mauricio[1]提出用于模擬地下水沉積物。Gidley 和 Gidley[2]以Laponite RD為原材料配制了透明土用于模擬海相軟黏土，并且對于土體中的流體運動路徑和滑移面進行了觀察。 Wallace和Rutherford[3]經過對Laponite RD的研究發現，這種材料的性能與Aquabeads的特性較為相似。Beemer和Aubeny[4]以此配制成的透明土研究了安裝拖拽錨的運動軌跡。

由于軟黏土基本物理特性與普通土壤的差異性，這決定了其位于地質工程中的特殊地位。近年來，透明土被廣泛應用于模擬試驗研究[5-7]。但對于硅酸鎂鋰(Laponite RD)這種新型材料的研究仍然較少，其被作為模擬軟黏土的可行性研究還不夠，因此筆者以硅酸鎂鋰為基本材料制備了不同固液質量比的透明軟黏土試樣，對其進行GDS柔性壁滲透試驗，對該種新型材料的滲透機理進行了深入研究。

1 試驗材料

圖1 硅酸鎂鋰(Laponite RD)粉末狀

試驗基本材料為硅酸鎂鋰(Laponite RD)粉末狀，其實物圖如圖1所示。該種粉末又被稱為鋰皂石，化學式為Li2Mg2O9Si3。該種粉末在空氣中呈白色，具有明顯的觸變性和增稠性，并且該種白色粉末吸附能力較強，具有無毒、無刺激性氣味等特性。鋰皂石在自然界中較為稀缺，因此，通常情況下鋰皂石被分為人工合成鋰皂石和天然鋰皂石。本次試驗采用的是人工合成鋰皂石，屬于一種片狀硅酸鹽。根據已有的文獻，該種材料的粉末顆粒屬于圓片類型，高度約為1 nm，直徑約為25 nm[3]。硅酸鎂鋰是以納米為單位的微小片狀結構，與水混合后，形成層面和端面，層面帶負電荷，端面帶正電荷，且以Na+等陽離子為主，薄片端面的正電荷與另一薄片的層面負電荷就結合形成了三維空間形式的膠體結構，這一結構也被稱為卡片宮結構。這一結構的形成也使得混合膠凝體系的粘度增大，又因為低質量比下的硅酸鎂鋰RD粉能水形成良好透明效果的膠體。因此，這些獨特的物理特性使得硅酸鎂鋰(Laponite RD)被廣泛應用于工業當中，如：增稠劑、膏體觸變劑、乳膠及油墨穩定劑等。

2 試驗方案及方法

2.1 試驗方案

本實驗擬制備固液質量比為3%、4%、5%的環刀試樣進行GDS柔性壁滲透試驗，設置滲透壓力差分別為5 kPa、10 kPa、15 kPa，試驗時長設置為12 h，擬得到不同壓力差和不同固液質量比透明軟黏土的滲透系數變化圖。

2.2 試驗方法

首先完成試樣的制備，準備一定質量的蒸餾水和硅酸鎂(Laponite RD)粉末，用攪拌機進行攪拌。充分攪拌完成后，進行抽真空處理8 h，待抽真空后無明顯氣泡，將其靜置8 h。待其完全無氣泡，便制樣成功，如果氣泡含量依舊較多，則制樣失敗。配制完成的試樣如圖2所示，可以看出透過試樣，紙質紋路依舊清晰，則此次制樣較為成功，之后用環刀法進行取樣，裝樣。運用GDS柔性壁滲透儀進行壓差試驗。

圖2 透明土試樣

3 試驗結果及分析

圖3 不同質量比在不同壓力差下的滲透系數對比圖

3.1 滲流實驗結果及分析

此次試驗得到不同壓力差下的滲透系數變化圖如圖3所示。從圖3可以看出，處于前6 h區間段內，3種不同質量比試樣的滲透系數隨著時間的增加而減小，且變化幅度較大，質量比為5%的試樣的滲透系數在前半段時間內的變化幅度明顯小于其余兩種質量比試樣滲透系數的變化幅度。處于第6～12 h內，3種不同質量比試樣的滲透系數隨著時間的增加而出現微小的變化，總體變化幅度均小于前半段時間段下滲透系數的變化幅度。當滲透系數處于變化幅度明顯的階段時，質量比為5%的試樣的滲透系數最小；質量比為3%和4%，兩者的滲透系數較為接近。當滲透系數變化趨于平穩時，不同質量比下試樣滲透系數的大小關系為：質量比為5%的滲透系數最小；質量比為4%的滲透系數次之；質量比為3%的滲透系數最大，即試樣滲透系數隨著質量比的減小而增大。

4 結論

通過上述試驗及滲透系數變化結果分析，可以得到如下結論：

(1)進行GDS柔性壁滲透試驗的Laponite RD透明土試樣，滲透系數總體上隨著時間的增加而減小。

(2)當透明土試樣的質量比不同時，滲透系數隨著質量比的增加而減小。

(3)在滲透試驗的12 h試驗周期里，滲透系數在前6 h變化較大，后6 h變化區域平穩。位于平穩階段的滲透系數大小與質量比大小成反比。