高嶺土顆粒的絮凝沉降試驗研究

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1、高嶺土顆粒的絮凝沉降試驗研究李芳1金鷹2劉曙光1(1同濟大學水利工程系上海200092;2河海大學交通學院、海洋學院南京210098)摘要粘性細顆粒泥沙在鹽水中會產(chǎn)生絮凝。影響其絮凝的因素很多,礦物組成是其中的一個重要因素。選取高嶺土作為研究對象,通過一系列試驗得出所研究的高嶺土的中值粒徑為0.0084mm,最佳絮凝鹽度為13‰,起動流速為8.5cm/s～10cm/s,由試驗數(shù)據(jù)分析得出高嶺土在不同流速條件下的淤積量以及淤積百分比,既而確定其不淤流速為40cm/s。關(guān)鍵詞絮凝高嶺土靜水沉降動水沉降環(huán)形水槽我國的河口與海岸多屬

2、于淤泥質(zhì)類型,泥沙淤積現(xiàn)象嚴重。在落淤的泥沙中粘性細顆粒泥沙占很大比例。粘性細顆粒泥沙一般并不是以單顆粒的形式存在,往往同附近其它大量的顆粒結(jié)合在一起,產(chǎn)生絮凝[1]。這種絮凝作用加速泥沙沉積,導致攔門沙的形成和發(fā)育,繼而造成河口、航道等處的淤積,給航運、排澇等帶來諸多不便。由此可見,進行粘性細顆粒泥沙絮凝沉降特性的研究是十分必要的。河口細顆粒泥沙的絮凝機理主要有三個方面[2]:鹽絮凝、橋聯(lián)絮凝、網(wǎng)捕作用。影響絮凝沉降的因素包括礦物組成、鹽度、有機物、泥沙粒徑、水流紊動[3～6]等,其中的礦物組成是主要影響因素之一。高嶺土是

3、一種常見的粘土礦物,它是我國河口泥沙的組成成份之一。本文選取高嶺土作為研究對象。本次試驗的目的是首先通過靜水沉降試驗來研究分析高嶺土在不同鹽度靜水中的絮凝沉降情況,找出其最佳絮凝鹽度,而后在不同流速條件下的動水試驗中找出高嶺土的起動流速,計算高嶺土在不同流速時的淤積百分比等,分析其落淤情況,從而確定高嶺土的不淤流速。1.2樣品處理為了是試驗的樣品處于分散的單顆粒的原始狀態(tài),需要進行下列處理:加蒸餾水洗鹽;加入適量的雙氧水去除有機質(zhì),打破其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),使其恢復單顆粒狀態(tài);加分散計[NaPO3]6分散,靜置過夜;作超聲波震蕩處理。

4、試驗研究表明,使用化學分散劑并結(jié)合物理手段對沙樣進行分散處理,可以有效的分散泥沙樣本[7]。2試驗方法、設備及現(xiàn)象2.1不同鹽度條件下的靜水沉降試驗2.1.1顆粒分析2.1.1.1試驗目的及方法:顆粒分析試驗的目的是確定所研究高嶺土的中值粒徑。由于高嶺土顆粒粒徑一般小于0.01mm,試驗采用間接方法,即清水沉降法,根據(jù)已有的沉速公式,由沉降時間推算泥沙的粒徑。2.1.1.2試驗儀器:主要儀器是粒徑計。粒徑計為內(nèi)徑4cm,長103cm,底端逐漸收縮至內(nèi)徑為0.8cm的內(nèi)壁光滑,內(nèi)徑均勻的玻璃管。此外,還有加沙器、接沙杯、秒表、

5、烘箱等儀器。1試驗樣品及處理1.1試驗樣品試驗所用的高嶺土(Al2O3.SiO2.2H2O,258.16)是中國醫(yī)藥(集團)上海化學試劑公司生產(chǎn)的,為白色或類似白色細軟粉末或易碎的塊。有特殊的粘土味。收稿日期:2007-04-23第一作者簡介:李芳(1982—),女,黑龍江省富?？h人,碩士研究生。上海地質(zhì)ShanghaiGeology總第104期·38·2.1.2試驗用水:靜水沉降試驗是高嶺土顆粒在不同鹽度靜止海水中的沉降試驗,試驗用水的選擇是一個關(guān)鍵。標準海水是理想選擇,但其價格昂貴,并不適用于物理模型試驗。如果單純使用食

6、鹽水,泥沙的絮凝沉降將偏小[7]。試驗采用人工配制的海水來代替標準海水。研究表明,試驗采用Subow配方的人工海水,其絮凝效果與中國標準海水是一致的[8]。2.1.3不同鹽度條件下靜水沉降試驗2.1.3.1試驗目的:通過對高嶺土在不同鹽度的海水中沉降試驗的觀察分析,確定其最佳絮凝鹽度。2.1.3.2試驗現(xiàn)象:當加沙器把分散處理后的泥沙加入粒徑計中,渾水立即下沉,到達一定長度后向管壁四周擴散,在此長度范圍內(nèi)出現(xiàn)劇烈紊動,水色逐漸由渾濁變透明,絮團逐漸形成。在原渾水和咸水的交界面處有一部分絮團首先下沉,隨后不斷被從上部落下的更大

7、的絮團趕上和超過。上部的絮團大量迅速下沉,使下部咸水加劇向上補充,于是管內(nèi)建立起紊動的垂直環(huán)流。在環(huán)流作用下,原來隨大絮團尾跡下降的小絮團,到達粒徑計出口附近,又被向上的水流夾帶著向上運動。細小的絮團在向上運動的過程中,不斷與其它顆粒碰撞而增大體積,當體積增大到不能為上升的水流所繼續(xù)支持時,便又開始其下降過程,在下降時又與其它絮團碰撞增大體積。在進行試驗過程中觀察高嶺土在不同鹽度海水中的沉降現(xiàn)象。鹽度較低時,高嶺土顆粒沉降緩慢。隨著鹽度的增加,絮團逐漸增大,沉降速度加快,絮凝現(xiàn)象越來越明顯。然而當鹽度超過某一濃度值時,絮凝沉

8、降速率隨鹽度的增加變化不大。2.2不同流速條件下動水沉降試驗河口泥沙總是處在不斷運動的水體環(huán)境中,因此還有必要對流動水體中的泥沙沉降規(guī)律進行研究。2.2.1試驗目的:通過動水沉降試驗得到泥沙的起動流速,淤積百分比以及不淤流速等特征值。2.2.2試驗儀器:淤泥質(zhì)泥沙顆粒沉降速度很小。在實驗室