陶瓷粘土滲透特性試驗研究*

趙 蔚 顧 凱

(湖北工業大學土木建筑與環境學院 武漢 430068)

前言

研究表明土樣的滲透系數與其孔隙大小的分布情況成正相關，土骨架受力會產生形變，進而導致土體的孔隙被壓縮，大孔數量減少。在圍壓的作用下，孔隙同樣會被壓縮導致滲透性能的降低，事實上，圍壓對滲透系數的影響主要是通過對孔隙尺度的影響來達成的，圍壓與滲透系數之間存在著一定的規律。

1 粘土在陶瓷生產過程中的作用

粘土所具有的工藝牲能是陶瓷生產過程中陶瓷成型、燒結的基礎。因此，粘土在陶瓷生產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。

(2)粘土的結合性可以合理地將各種原料結合在一起，是設計和實現多種原料有效配合、成型的基礎。

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

(4)粘土所具有的離子交換能力，使得可以通過添加電解質而獲得流動性好、含水量適當的漿料。

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

(6)粘土原料中Al2O3系陶瓷坯體生成莫來石晶體的主要成分。通過莫來石的形成及其含量的調控，可以獲得機械強度、介電性能、熱穩定性和化學穩定性等性能均較好的陶瓷制品。

1 試驗方案及設備

為了研究土體滲透系數與圍壓的變化關系，本次試驗采用柔性壁GDS滲透系控制頂部與底部壓力差不變，通過逐級增大圍壓的試驗方法來研究湖南粘土滲透系數與圍壓的關系。本次試驗采用湖南邵陽某地的紅粘土，其基本物理性質如表1所示。

表1 湖南粘土基本物理參數指標

1.1 柔性壁GDS滲透儀

柔性壁GDS滲透儀；該儀器由采集器、三臺控制器、壓力室組成。三臺控制器分別為：頂部壓力控制器、底部壓力控制器、圍壓控制器，試驗所需的壓力環境主要由控制器提供。滲透倉主要負責裝載試樣進行試驗。

1.2 試樣制備

將配置完成后的土樣烘干，測定所配置的含水率，測得初始含水率為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的重塑環刀試樣。將試樣小心從環刀中推出，置于扎孔的保鮮膜中抽真空進行飽和。按規范抽氣4 h，純水浸潤8 h使其飽和度在95%以上。

1.3 裝樣與調試

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空隙。利用水泵將純水注入滲透倉中利用水泵通過注/排水管往滲透倉中并排除三臺控制器中的氣泡，三臺控制器量程均為1 MPa。檢查接口處無漏水發生后設置反壓飽和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 粘土滲透系數分析

對三種不同干密度的湖南粘土重塑試樣在反壓飽和48 h后進行恒定壓力差下的變圍壓試驗。本次試驗方案如表2。

表2 試驗控制方案

所設定的圍壓分別為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。其總體滲透系數與圍壓的關系大致表現為：不同干密度下滲透系數隨圍壓變化的趨勢大致相同，共同表現為，隨著圍壓的增大，滲透系數呈現減小的趨勢，忽略誤差影響不同干密度下的圍壓-滲透系數的變化趨勢大致表現為類似反比例函數。且不同干密度下隨著圍壓的增大滲透系數均呈現為減幅放緩的趨勢。其內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，進而導致土體孔隙的減小進而阻礙了水在孔隙內的流動導致滲透系數的減小。

3 結論

通過對同種干密度的湖南粘土試樣進行變圍壓的滲透試驗發現，同種干密度下湖南粘土的滲透系數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。通過對不同干密度下的湖南粘土進行變圍壓試驗發現，不同干密度下湖南粘土的滲透系數與圍壓的變化趨勢大致相同，表現為類似反比例函數。滲透系數在圍壓作用下呈現為上述特征的內在原因在于，圍壓作用下孔隙被壓縮，導致干密度增大，阻礙了土中水的流動，進而導致滲透系數的減少。