高岭土颗粒的絮凝沉降试验研究

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1、高岭土颗粒的絮凝沉降试验研究李芳1金鹰2刘曙光1(1同济大学水利工程系上海200092;2河海大学交通学院、海洋学院南京210098)摘要粘性细颗粒泥沙在盐水中会产生絮凝。影响其絮凝的因素很多,矿物组成是其中的一个重要因素。选取高岭土作为研究对象,通过一系列试验得出所研究的高岭土的中值粒径为0.0084mm,最佳絮凝盐度为13‰,起动流速为8.5cm/s～10cm/s,由试验数据分析得出高岭土在不同流速条件下的淤积量以及淤积百分比,既而确定其不淤流速为40cm/s。关键词絮凝高岭土静水沉降动水沉降环形水槽我国的河口与海岸多属

2、于淤泥质类型,泥沙淤积现象严重。在落淤的泥沙中粘性细颗粒泥沙占很大比例。粘性细颗粒泥沙一般并不是以单颗粒的形式存在,往往同附近其它大量的颗粒结合在一起,产生絮凝[1]。这种絮凝作用加速泥沙沉积,导致拦门沙的形成和发育,继而造成河口、航道等处的淤积,给航运、排涝等带来诸多不便。由此可见,进行粘性细颗粒泥沙絮凝沉降特性的研究是十分必要的。河口细颗粒泥沙的絮凝机理主要有三个方面[2]:盐絮凝、桥联絮凝、网捕作用。影响絮凝沉降的因素包括矿物组成、盐度、有机物、泥沙粒径、水流紊动[3～6]等,其中的矿物组成是主要影响因素之一。高岭土是

3、一种常见的粘土矿物,它是我国河口泥沙的组成成份之一。本文选取高岭土作为研究对象。本次试验的目的是首先通过静水沉降试验来研究分析高岭土在不同盐度静水中的絮凝沉降情况,找出其最佳絮凝盐度,而后在不同流速条件下的动水试验中找出高岭土的起动流速,计算高岭土在不同流速时的淤积百分比等,分析其落淤情况,从而确定高岭土的不淤流速。1.2样品处理为了是试验的样品处于分散的单颗粒的原始状态,需要进行下列处理:加蒸馏水洗盐;加入适量的双氧水去除有机质,打破其网状结构,使其恢复单颗粒状态;加分散计[NaPO3]6分散,静置过夜;作超声波震荡处理。

4、试验研究表明,使用化学分散剂并结合物理手段对沙样进行分散处理,可以有效的分散泥沙样本[7]。2试验方法、设备及现象2.1不同盐度条件下的静水沉降试验2.1.1颗粒分析2.1.1.1试验目的及方法:颗粒分析试验的目的是确定所研究高岭土的中值粒径。由于高岭土颗粒粒径一般小于0.01mm,试验采用间接方法,即清水沉降法,根据已有的沉速公式,由沉降时间推算泥沙的粒径。2.1.1.2试验仪器:主要仪器是粒径计。粒径计为内径4cm,长103cm,底端逐渐收缩至内径为0.8cm的内壁光滑,内径均匀的玻璃管。此外,还有加沙器、接沙杯、秒表、

5、烘箱等仪器。1试验样品及处理1.1试验样品试验所用的高岭土(Al2O3.SiO2.2H2O,258.16)是中国医药(集团)上海化学试剂公司生产的,为白色或类似白色细软粉末或易碎的块。有特殊的粘土味。收稿日期:2007-04-23第一作者简介:李芳(1982—),女,黑龙江省富裕县人,硕士研究生。上海地质ShanghaiGeology总第104期·38·2.1.2试验用水:静水沉降试验是高岭土颗粒在不同盐度静止海水中的沉降试验,试验用水的选择是一个关键。标准海水是理想选择,但其价格昂贵,并不适用于物理模型试验。如果单纯使用食

6、盐水,泥沙的絮凝沉降将偏小[7]。试验采用人工配制的海水来代替标准海水。研究表明,试验采用Subow配方的人工海水,其絮凝效果与中国标准海水是一致的[8]。2.1.3不同盐度条件下静水沉降试验2.1.3.1试验目的:通过对高岭土在不同盐度的海水中沉降试验的观察分析,确定其最佳絮凝盐度。2.1.3.2试验现象:当加沙器把分散处理后的泥沙加入粒径计中,浑水立即下沉,到达一定长度后向管壁四周扩散,在此长度范围内出现剧烈紊动,水色逐渐由浑浊变透明,絮团逐渐形成。在原浑水和咸水的交界面处有一部分絮团首先下沉,随后不断被从上部落下的更大

7、的絮团赶上和超过。上部的絮团大量迅速下沉,使下部咸水加剧向上补充,于是管内建立起紊动的垂直环流。在环流作用下,原来随大絮团尾迹下降的小絮团,到达粒径计出口附近,又被向上的水流夹带着向上运动。细小的絮团在向上运动的过程中,不断与其它颗粒碰撞而增大体积,当体积增大到不能为上升的水流所继续支持时,便又开始其下降过程,在下降时又与其它絮团碰撞增大体积。在进行试验过程中观察高岭土在不同盐度海水中的沉降现象。盐度较低时,高岭土颗粒沉降缓慢。随着盐度的增加,絮团逐渐增大,沉降速度加快,絮凝现象越来越明显。然而当盐度超过某一浓度值时,絮凝沉

8、降速率随盐度的增加变化不大。2.2不同流速条件下动水沉降试验河口泥沙总是处在不断运动的水体环境中,因此还有必要对流动水体中的泥沙沉降规律进行研究。2.2.1试验目的:通过动水沉降试验得到泥沙的起动流速,淤积百分比以及不淤流速等特征值。2.2.2试验仪器:淤泥质泥沙颗粒沉降速度很小。在实验室