陶瓷粘土渗透特性试验研究*

赵 蔚 顾 凯

(湖北工业大学土木建筑与环境学院 武汉 430068)

前言

研究表明土样的渗透系数与其孔隙大小的分布情况成正相关，土骨架受力会产生形变，进而导致土体的孔隙被压缩，大孔数量减少。在围压的作用下，孔隙同样会被压缩导致渗透性能的降低，事实上，围压对渗透系数的影响主要是通过对孔隙尺度的影响来达成的，围压与渗透系数之间存在着一定的规律。

1 粘土在陶瓷生产过程中的作用

粘土所具有的工艺牲能是陶瓷生产过程中陶瓷成型、烧结的基础。因此，粘土在陶瓷生产中起着十分重要的作用。

(1)粘土的可塑性是陶瓷制品得以成型的基础。

(2)粘土的结合性可以合理地将各种原料结合在一起，是设计和实现多种原料有效配合、成型的基础。

(3)加入适量粘土的注浆料以及釉料，呈现较好的悬浮性和稳定性，使得浆料组成均匀，不至于发生沉淀分层和成分偏析。

(4)粘土所具有的离子交换能力，使得可以通过添加电解质而获得流动性好、含水量适当的浆料。

(5)粘土中Al2O3以及杂质的含量是确定陶瓷坯体的烧结程度、烧结温度和软化温度的主要因素指标。

(6)粘土原料中Al2O3系陶瓷坯体生成莫来石晶体的主要成分。通过莫来石的形成及其含量的调控，可以获得机械强度、介电性能、热稳定性和化学稳定性等性能均较好的陶瓷制品。

1 试验方案及设备

为了研究土体渗透系数与围压的变化关系，本次试验采用柔性壁GDS渗透系控制顶部与底部压力差不变，通过逐级增大围压的试验方法来研究湖南粘土渗透系数与围压的关系。本次试验采用湖南邵阳某地的红粘土，其基本物理性质如表1所示。

表1 湖南粘土基本物理参数指标

1.1 柔性壁GDS渗透仪

柔性壁GDS渗透仪；该仪器由采集器、三台控制器、压力室组成。三台控制器分别为：顶部压力控制器、底部压力控制器、围压控制器，试验所需的压力环境主要由控制器提供。渗透仓主要负责装载试样进行试验。

1.2 试样制备

将配置完成后的土样烘干，测定所配置的含水率，测得初始含水率为24.24%。采用油压千斤顶制取干密度分别为1.5 g/cm3、1.6 g/cm3、1.7 g/cm3的直径70 mm，高20 mm的重塑环刀试样。将试样小心从环刀中推出，置于扎孔的保鲜膜中抽真空进行饱和。按规范抽气4 h，纯水浸润8 h使其饱和度在95%以上。

1.3 装样与调试

将饱和后的试样从保鲜膜中取出按照滤石、滤纸、试样、滤纸、滤石的顺序装入柔性壁中使其与渗透底座之间无空隙。利用水泵将纯水注入渗透仓中利用水泵通过注/排水管往渗透仓中并排除三台控制器中的气泡，三台控制器量程均为1 MPa。检查接口处无漏水发生后设置反压饱和48 h。其中控制围压为35 KPa，顶部及底部压力均控制在15 KPa。

2 粘土渗透系数分析

对三种不同干密度的湖南粘土重塑试样在反压饱和48 h后进行恒定压力差下的变围压试验。本次试验方案如表2。

表2 试验控制方案

所设定的围压分别为50 KPa、100 KPa、150 KPa、200 KPa、250 KPa、300 KPa,顶部与底部控制器的压力差控制为20 KPa。其总体渗透系数与围压的关系大致表现为：不同干密度下渗透系数随围压变化的趋势大致相同，共同表现为，随着围压的增大，渗透系数呈现减小的趋势，忽略误差影响不同干密度下的围压-渗透系数的变化趋势大致表现为类似反比例函数。且不同干密度下随着围压的增大渗透系数均呈现为减幅放缓的趋势。其内在原因在于围压的作用下土体被压缩，压缩量随着围压的增大而增大，进而导致土体孔隙的减小进而阻碍了水在孔隙内的流动导致渗透系数的减小。

3 结论

通过对同种干密度的湖南粘土试样进行变围压的渗透试验发现，同种干密度下湖南粘土的渗透系数随着围压的增大而减小，其减小幅度随着干密度的增大而放缓。通过对不同干密度下的湖南粘土进行变围压试验发现，不同干密度下湖南粘土的渗透系数与围压的变化趋势大致相同，表现为类似反比例函数。渗透系数在围压作用下呈现为上述特征的内在原因在于，围压作用下孔隙被压缩，导致干密度增大，阻碍了土中水的流动，进而导致渗透系数的减少。