新型透明黏土的配制及其基本特性研究

吴跃东; 陈明建; 周云峰; 刘坚

doi:10.11779/CJGE2020S1028

新型透明黏土的配制及其基本特性研究 English Version

吴跃东^{1, 2,},
陈明建^{1, 2},
周云峰^{1, 2},
刘坚^{1, 2}

1.
河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏　南京　210098
2.
河海大学岩土工程科学研究所,江苏　南京　210098

详细信息

作者简介:
吴跃东（1969— ）,男,福建省云霄县人,教授,博士生导师,主要从事软基处理与基础工程和岩土工程测试技术的教学和科研。E-mail：hhuwyd@163.com

中图分类号: TU470
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出版历程
- 收稿日期: 2020-06-02
- 网络出版日期: 2022-12-07
- 刊出日期: 2020-10-31

Distribution and basic characteristics of new transparent clay

WU Yue-dong^{1, 2,},
CHEN Ming-jian^{1, 2},
ZHOU Yun-feng^{1, 2},
LIU Jian^{1, 2}

1.
Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China
2.
Geotechnical Research Institute, Hohai University, Nanjing 210098, China

摘要

摘要: 人工合成透明土是研究土体内部的变形及渗流情况的良好工具,传统透明土多针对砂土,且在量化透明度方面尚未形成统一的评价系统。针对上述问题,提出一种新型透明黏土——AVC透明土的配制方法,和一种透明土的透明度量化评价方法,并用该方法对比分析AVC透明土与传统透明土的透明度；开展固结试验与微型十字板剪切试验,得到该透明土的压缩固结特性与强度影响因素。试验结果表明：AVC透明黏土具有250 mm可视厚度,透明度优于传统透明土；压缩特性与天然黏土十分相似,固结系数与淤泥相似；2.5%浓度AVC透明土比4.5%浓度LAPONITERD透明土的峰值强度更高。
- 透明黏土 /
- 配制 /
- 透明度 /
- 强度 /
- 压缩特性
Abstract: The synthetic transparent soil is a good tool to study deformation and seepage inside the soil. The traditional transparent soil is mostly aimed at sand, and a unified evaluation system has been not yet formed in terms of quantitative transparency. In view of the above problems, a new type of transparent clay, AVC transparent soil formulation method, and a transparent soil transparency quantitative evaluation method are propesed to compare and analyze the transparency of AVC transparent soil and traditional transparent soil. The compression and solidification characteristics and strength factors of the transparent soil are obtained. The test results show that the AVC transparent clay has visual thickness of 250 mm, and the transparency is better than that of the traditional transparent soil. The compression characteristic is very similar to that of the natural clay, and the solidification coefficient is similar to that of the silt. The peak strength of AVC transparent soil of 2.5% is higher than that of the concentration of LAPONITERD transparent soil of 4.5%.
- transparent clay /
- preparation /
- transparency /
- strength /
- compression characteristics

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0. 引言

为了研究土体内部的变形及渗流情况,传统的方法是采用X射线衍射、CT扫描、核磁共振等方法,但这些方法步骤繁琐、价格昂贵,直到1982年,Allersma^[1]采用碎玻璃和具有一定折射率的流体制备出的透明土模拟天然土,为上述问题提供了新的解决思路。此后,国内外学者对透明土的研究集中于配制一种性质上与天然土体相近而透明度满足观测要求的透明土及其应用。Sadek等^[2]采用工业无定型硅粉和具有相当折射率的流体来制配透明土,试验结果表明其基本性质与黏土非常接近,而硅胶合成透明土的基本物理力学性质与砂土相似。孔刚强等使用玻璃砂配制透明土,通过试验研究不同孔隙液体对其强度的影响,对比分析了以玻璃砂和无定形硅粉为原料配制的透明土与标准砂的变形特性^[3-5]。李亮^[6]通过测量几种常用材料的折射率,总结出3种折射率能够与玻璃砂相匹配且安全性高的孔隙液体。此外,亦有不少对透明黏土材料的关注,主要采用无定形二氧化硅、LAPONITERD以及Gelita材料等^[7-9],但这些透明黏土材料的透明度相对较低,无法用于大尺寸的模型试验,且物理力学性质与天然黏土之间仍存在较大差距,配制成本也相对较高。

因此,本文提出了一种AVC透明黏土及其配制方法,并采用一种新的透明度评价方法,对比分析AVC透明土与传统透明土的透明度。通过固结压缩试验和微型十字板剪切试验,进一步研究其基本物理力学性质,并将该AVC透明黏土与天然黏土进行对比。

1. AVC透明黏土的配制

1.1 试验材料及试验仪器

（1）AVC透明黏土试验材料

主要成分采用的是Aristoflex AVC（如图1（a））,学名为丙烯酰二甲基牛磺酸铵/VP 共聚物,其基本物理性质见表1。AVC具有较好的流变性,在高剪切力作用下具有较高的稳定性。溶剂温度对AVC的影响较小,机械搅拌可以加速其溶解,大约4 h之后即可形成无色透明凝胶。AVC与甘油等有机溶剂有较好的相容性与折射率。但AVC为胶体材料,对于电解质非常敏感,溶剂中金属离子的含量将降低AVC胶体的强度,因此在实际配制过程中需要采用去离子水。

图 1 透明土配制材料

Figure 1. Preparation of materials of transparent soil

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表 1 Aristoflex AVC物理力学性质

Table 1. Physical and mechanical of properties Aristoflex AVC

外观(20℃)	含水率/%	Ph 值(1%浓度)	黏度/MPa(1%水溶液)	气味
白色粉末	7.53	4.0~6.0	48000~80000	特征性气味

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（2）示踪粒子材料

AVC胶体在激光照射下并不能产生清晰的散斑场,无法单独用于变形场的观测,因此本文采用多壁碳纳米管作为示踪粒子,实物图见图1（b）。

多壁碳纳米管在经过近红外光照射之后产生荧光,满足产生清晰的散斑场的观测需求。且其主要化学成分为碳,与AVC透明土之间不发生化学反应。一般使用量为0.5%,搅拌均匀即可。

1.2 试验步骤

AVC透明黏土的配制主要包括以下步骤：①称取所需的去离子水,转移到一个干燥整洁的密封桶中；②在干燥条件下称取AVC聚合物,迅速转移到准备好的去离子水中；③采用大功率搅拌机快速搅拌约20 min后盖上密封桶盖,放置于阴凉处静置8 h,确保AVC聚合物完全水解形成胶体；④称取多壁碳纳米管转移到AVC胶体中,将大功率搅拌机调至低档,缓慢搅拌均匀；⑤利用真空泵抽去透明黏土中的气泡后,静置4～8 h后即完成配制。

配制完成的AVC透明黏土试样如图2所示。

图 2 AVC透明黏土试样

Figure 2. AVC transparent clay sample

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2. 透明度量化分析

在透明土的透明度评价方法方面,国内外学者提出的不少方法^[10-11],但是尚未形成统一的量化评价系统。为了定量、客观地评价透明土的透明度,本文引入单位灰度损失（GSL）的方法。

2.1 试验原理

单位灰度损失法测试原理如图3,其中,单位灰度损失（GSL）计算公式如下：

图 3 单位灰度损失（GSL）测试原理

Figure 3. Principle of unit gray scale loss (GSL)

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$GSL = \frac{I_{i} - I_{0}}{t}$ ,

(1)

式中,GSL为单位灰度损失（px/mm）；I_i为观测目标在透明土i深度处的灰度值（px）；I₀为观测目标在透明土0 mm深度处的灰度值（px）；t为光线穿透的透明土厚度（mm）。

2.2 试验方案与结果分析

在距离透明土模型槽50 cm处设置一台具有2020万像素的相机（佳能70D）,采用控制变量法,开展如表2所示试验,分析AVC透明土的透明度（即单位灰度损失）与浓度、时间的关系,并采用单位灰度损失法对比分析AVC透明土与碎玻璃、玻璃砂等传统透明土材料的透明度,试验结果见图4～6。

表 2 透明度量化试验方案

Table 2. Schemes of transparency quantitative pilot

编号	浓度/%	厚度/mm	时间/d
TQ1-1	1.00	100	7
TQ1-2	1.50	100	7
TQ1-3	2.00	100	7
TQ1-4	2.50	100	7
TQ2-2	2.50	100	14
TQ2-3	2.50	100	21
TQ2-4	2.50	100	28
TQ3-1	2.50	50	7
TQ3-2	2.50	150	7
TQ3-3	2.50	200	7
TQ3-4	2.50	250	7
TQ3-5	2.50	300	7

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图 4 单位灰度损失与透明土浓度的关系

Figure 4. Relationship between unit gray scale loss and transparent soil concentration

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图 5 单位灰度损失与时间的关系

Figure 5. Relationship between unit gray scale loss and time

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图 6 不同透明土单位灰度损失与厚度的关系

Figure 6. Relationship between unit gray scale loss and thickness of different transparent soils

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如图4所示,AVC透明黏土在试验常用浓度范围内的单位灰度损失（GSL）与浓度基本呈现较好的线性对应关系,2.5%透明黏土单位灰度损失为0.71 px/mm,对应的实测图中透明土透明度较高,可以用于土体内部变形观测。

图5为2.5%浓度透明黏土单位灰度损失（GSL）与时间的关系曲线,100 mm厚度AVC透明黏土单位灰度损失值经过21 d之后仅增加了7.0%,说明AVC透明黏土性质稳定,可以用于周期相对较长的模型试验。

不同透明土单位灰度损失与厚度的关系曲线如图6。从图中可以看出,2.5%浓度AVC透明土灰度损失与厚度之间呈现线性递减的关系。当透明土厚度为0 mm时,由于空气以及模型槽对于光强的吸收作用,灰度损失值为0.44 px/mm；当透明土厚度为300 mm时,灰度损失值为1.40 px/mm,超过1.275 px/mm为半透明状态,实际的观测结果也与之吻合。相同厚度下,所测传统透明土材料透明度均低于AVC透明土。

3. AVC透明黏土压缩固结特性研究

3.1 试验方案

试验方案见表3。

表 3 压缩试验加载路径

Table 3. Load paths of compression tests

土样编号	浓度/%	加载等级/ kPa
CT-1	1.0	6.25→12.50→18.75→25.00→31.25→37.50→43.75→50.00→56.25 kPa
CT-2	1.5	6.25→12.50→18.75→25.00→31.25→37.50→43.75→50.00→56.25 kPa
CT-3	2.0	25.00 kPa 下预压8h,卸载至6.25 kPa 持续8 h,稳定后加载
CT-4	2.5	25.00 kPa 下预压8h,卸载至6.25 kPa 持续8 h,稳定后加载

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3.2 试验结果与分析

图7为不同浓度透明黏土的e-lgp曲线。从图中可以看出,随着荷载的增加,AVC透明黏土的孔隙比逐渐降低,当压力高于25 kPa时,e-lgp成一直线,卸载时回弹曲线与再压缩曲线构成一个“回滞环”,与天然黏土相似。在相同的压力范围内,回弹和再压曲线比初始压缩曲线平缓,表明土的压缩性大大降低。

图 7 不同浓度透明黏土e-lgp曲线

Figure 7. e-lgp curves of different concentrations of transparent clay

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由表4可知,AVC透明黏土的压缩指数均大于0.4,且孔隙比大于1.5,因此本透明黏土为高压缩性土,性质与淤泥相似。

表 4 不同浓度AVC透明黏土压缩试验参数

Table 4. Parameters of compression tests of different concentrations of AVC transparent soil

参数	e₀	C_c	C_s	C_y/(cm²·s^-1)
CT1-1	52.5	16.3	0.7970	1.13×10^-3
CT1-2	34.8	7.6	0.5480	1.09×10^-3
CT1-3	26.0	4.4	0.4820	9.90×10^-4
CT1-4	20.7	2.6	0.2998	8.04×10^-4

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如图8,采用时间平方根法计算得的不同试样的固结系数依次为8.04×10^-4,9.90×10^-4,1.09×10^-3,1.13×10^-3 cm²/s。研究表明^[12~14]天然淤泥的固结系数为10^-2～10^-4 cm²/s,因此本文试验配制的透明土固结系数与天然淤泥和黏土基本相似,进一步说明该透明黏土可用于模拟天然淤泥。

图 8 AVC透明黏土固结曲线

Figure 8. Solidification curves of AVC transparent clay

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4. AVC透明土十字板剪切强度分析

4.1 试验方案

试验采用电测式微型十字板剪切仪,精度40 Pa,十字板板头宽度D=20 mm,高度H=40 mm。通过如表5所示12组试验,36个独立试样,研究上部荷载、固结时间和浓度对AVC透明黏土不排水强度的影响。试样的固结在100 mm×100 mm×150 mm的模型槽中完成。

表 5 AVC透明黏土十字板剪切试验方案

Table 5. Schemes of crossboard shear tests on AVC transparent clay

试验编号	浓度/%	附加荷载/ kPa	静置时间/d
VST1-1	1.5	0	7
VST1-2	2.0	0	7
VST1-3	2.5	0	7
VST2-1	1.5	1	7
VST2-2	2.0	1	7
VST2-3	2.5	1	7
VST3-1	1.5	2	7
VST3-2	2.0	2	7
VST3-3	2.5	2	7
VST4-1	2.5	2	7
VST4-2	2.5	2	1
VST4-3	2.5	2	10
VST4-4	2.5	2	14

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4.2 试验结果分析

如图9,AVC透明黏土固结7 d后强度为0.19～0.51 kPa,随浓度的增加而增加。以2 kPa固结压力下各浓度透明黏土为例,浓度为1.5%,2.0%和2.5%的透明黏土不排水剪切强度分别为0.38,0.4,0.51 kPa。此外,通过增加固结压力能加速透明土体的排水固结,提高透明黏土强度,这与天然黏土性质相似。

图 9 固结7 d透明黏土十字板剪切强度与浓度的关系

Figure 9. Relationship between shear strength and concentration of transparent clay crossboard shear for 7 days of solidification

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图10为2.5%浓度AVC透明黏土与4.5%浓度LAPONITERD透明黏土的强度对比曲线。两种透明黏土的不排水强度均随着时间增加,均在10 d左右达到最大峰值强度,AVC透明黏土的峰值强度为0.51 kPa,比之天然黏土依然有较大差距,但比之4.5%LAPONITERD黏土,强度有一定的提高。

图 10 AVC透明黏土与LAPONITERD强度对比曲线图

Figure 10. Comparison of strengths of AVC transparent clay with LAPONITERD transparent clay

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5. 结论

本文采用Aristoflex AVC聚合物制配了一种新型透明黏土材料,并且开展了一系列基本物理力学特性试验,得到如下4点结论。

（1）单位灰度损失（GSL）法通过描述不同透明土中光强损失的大小,定量地表征了透明土的光学清晰度,该方法能可靠地、定量地对材料光学清晰度做出评价,是一种有效的实用性测试方法。

（2）与传统透明土相比,AVC透明黏土在呈半透明状态下具有250 mm的可视厚度；21 d透明度仅下降了7%,表明AVC透明黏土性质稳定,适用于周期相对较长的模型试验。

（3）AVC透明黏土e-lgp曲线与天然黏土十分相似,是一种高压缩性土体,25 kPa固结压力下的固结系数为10^-3～10^-4 cm²/s,与淤泥相似,可以尝试用于模拟模型试验中的淤泥土。

（4）基于微型十字板剪切试验,1.5%～2.5%浓度范围的新型透明黏土的不排水剪切强度为0.19～0.51 kPa,比传统LAPONITE RD透明土的强度高。

图 1 透明土配制材料

Figure 1. Preparation of materials of transparent soil

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图 2 AVC透明黏土试样

Figure 2. AVC transparent clay sample

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图 3 单位灰度损失（GSL）测试原理

Figure 3. Principle of unit gray scale loss (GSL)

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图 4 单位灰度损失与透明土浓度的关系

Figure 4. Relationship between unit gray scale loss and transparent soil concentration

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图 5 单位灰度损失与时间的关系

Figure 5. Relationship between unit gray scale loss and time

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图 6 不同透明土单位灰度损失与厚度的关系

Figure 6. Relationship between unit gray scale loss and thickness of different transparent soils

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图 7 不同浓度透明黏土e-lgp曲线

Figure 7. e-lgp curves of different concentrations of transparent clay

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图 8 AVC透明黏土固结曲线

Figure 8. Solidification curves of AVC transparent clay

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图 9 固结7 d透明黏土十字板剪切强度与浓度的关系

Figure 9. Relationship between shear strength and concentration of transparent clay crossboard shear for 7 days of solidification

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图 10 AVC透明黏土与LAPONITERD强度对比曲线图

Figure 10. Comparison of strengths of AVC transparent clay with LAPONITERD transparent clay

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表 1 Aristoflex AVC物理力学性质

Table 1 Physical and mechanical of properties Aristoflex AVC

外观(20℃)	含水率/%	Ph 值(1%浓度)	黏度/MPa(1%水溶液)	气味
白色粉末	7.53	4.0~6.0	48000~80000	特征性气味

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表 2 透明度量化试验方案

Table 2 Schemes of transparency quantitative pilot

编号	浓度/%	厚度/mm	时间/d
TQ1-1	1.00	100	7
TQ1-2	1.50	100	7
TQ1-3	2.00	100	7
TQ1-4	2.50	100	7
TQ2-2	2.50	100	14
TQ2-3	2.50	100	21
TQ2-4	2.50	100	28
TQ3-1	2.50	50	7
TQ3-2	2.50	150	7
TQ3-3	2.50	200	7
TQ3-4	2.50	250	7
TQ3-5	2.50	300	7

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表 3 压缩试验加载路径

Table 3 Load paths of compression tests

土样编号	浓度/%	加载等级/ kPa
CT-1	1.0	6.25→12.50→18.75→25.00→31.25→37.50→43.75→50.00→56.25 kPa
CT-2	1.5	6.25→12.50→18.75→25.00→31.25→37.50→43.75→50.00→56.25 kPa
CT-3	2.0	25.00 kPa 下预压8h,卸载至6.25 kPa 持续8 h,稳定后加载
CT-4	2.5	25.00 kPa 下预压8h,卸载至6.25 kPa 持续8 h,稳定后加载

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表 4 不同浓度AVC透明黏土压缩试验参数

Table 4 Parameters of compression tests of different concentrations of AVC transparent soil

参数	e₀	C_c	C_s	C_y/(cm²·s^-1)
CT1-1	52.5	16.3	0.7970	1.13×10^-3
CT1-2	34.8	7.6	0.5480	1.09×10^-3
CT1-3	26.0	4.4	0.4820	9.90×10^-4
CT1-4	20.7	2.6	0.2998	8.04×10^-4

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表 5 AVC透明黏土十字板剪切试验方案

Table 5 Schemes of crossboard shear tests on AVC transparent clay

试验编号	浓度/%	附加荷载/ kPa	静置时间/d
VST1-1	1.5	0	7
VST1-2	2.0	0	7
VST1-3	2.5	0	7
VST2-1	1.5	1	7
VST2-2	2.0	1	7
VST2-3	2.5	1	7
VST3-1	1.5	2	7
VST3-2	2.0	2	7
VST3-3	2.5	2	7
VST4-1	2.5	2	7
VST4-2	2.5	2	1
VST4-3	2.5	2	10
VST4-4	2.5	2	14

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参考文献(14)

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