淤泥流變特性試驗影響因素研究

張瑞波，龐啟秀

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 港口水工建筑技術(shù)國家工程實驗室 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室， 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力作用時表現(xiàn)出的較為復(fù)雜的變形和流動行為[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]。

在研究粘性細顆粒泥沙的基本特性時，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行流變試驗，然后對流變曲線進行分析，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行現(xiàn)場測量而不使其產(chǎn)生擾動。目前，對于底泥流變特性的測量一般通過現(xiàn)場采樣，實驗室測試的方法[4]。為了解底泥的流變特性，對底泥進行流變試驗已經(jīng)被研究者廣泛采用。然而，實驗室流變特性試驗所采用的剪切模式、樣品在測量杯中的靜置時間及試驗時樣品的溫度等都可能會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響[5-6]，造成流變試驗測量結(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、樣品靜置時間和樣品的溫度對流變試驗結(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的操作方式提供參考。

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

1 泥樣制備

本文試驗采用的泥樣為連云港主航道現(xiàn)場采集的淤泥。

試驗?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?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，粘土含量較高，整體表現(xiàn)出較強的粘性。

圖1 試驗?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，貼好標簽并密封防止水分蒸發(fā)引起密度變化。

2 試驗方法

本文試驗采用美國博勒飛(Brookfield)公司生產(chǎn)的R/S plus 流變儀開展，如圖2所示。試驗時，流變儀的測量轉(zhuǎn)子在裝有試驗?zāi)鄻拥臏y量杯中轉(zhuǎn)動，對泥樣進行剪切。測量轉(zhuǎn)子受到的阻礙轉(zhuǎn)動的切應(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?zāi)鄻邮芗羟袝r的剪切應(yīng)力[7]。

試驗正式開始前先進行儀器重復(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，驗證測量結(jié)果的穩(wěn)定性，以在試驗時消除儀器本身不穩(wěn)定問題對試驗結(jié)果的影響。

正式試驗按照以下組次開展。

(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對應(yīng)的剪應(yīng)力。

(3)靜置時間的影響研究，將樣品加注到測量杯后，分別靜置0、15、30、45、60、120 min后再進行試驗，靜置過程中，將測量杯封口以防止水分蒸發(fā)對實驗結(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對應(yīng)的剪應(yīng)力。

3 試驗結(jié)果

3.1 測量結(jié)果的穩(wěn)定性驗證

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?？梢钥闯觯瑢τ谕环N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，當剪切率小于1 s-1時甚至沒有數(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，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，當剪切率大于1.0 s-1時，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；而當剪切率小于1.0 s-1時，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，應(yīng)當采用相同的剪切模式，以消除剪切模式對流變試驗結(jié)果的影響。

3.4 泥樣靜置時間的影響

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，得到不同靜置時間條件下的流變曲線對比圖，見圖6。得到泥樣靜置時間的影響結(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間的流變曲線Fig.6 Rheological curve of mud with different standing time

(2)剪切率較低時，靜置時間對剪應(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，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，受靜置時間的影響更大，淤泥密度越小，受靜置時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，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結(jié)果的影響因素開展了專門的試驗研究，試驗結(jié)果表明，淤泥樣品的密度、靜置時間、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)力模式進行試驗，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，流變試驗操作時，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確性。

(2)淤泥樣品的靜置時間不同時，小密度淤泥的流變受靜置時間影響比密度較大的樣品更大。剪切率較低時，靜置時間對剪應(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，流變曲線的差別則逐漸變小，淤泥密度越小，受靜置時間影響的臨界剪切率越大。這就要求，在流變試驗操作時，不同組次淤泥樣品的靜置時間應(yīng)保持一致，且每組試驗結(jié)束后都應(yīng)重新裝泥，以保證試驗結(jié)果的準確性。

(3)對于同一密度的泥樣在相同剪切率時，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，在流變試驗操作時，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，更要嚴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，當剪切率小于1 s-1時甚至沒有數(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測得的數(shù)據(jù)都是均勻分布的。當剪切率較大時，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；而當剪切率較小時，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，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，應(yīng)當采用相同的剪切模式，以消除剪切模式對流變試驗結(jié)果的影響。