论文部分内容阅读
摘要 泥沙颗粒在不同的浓度、颗粒大小以及絮凝剂的影响下，其絮凝结构以及沉降速度存在一定的差异，这些差异性对于研究泥沙特性来说具有重要的意义。为了直观演示其差异性，自行设计了试验，采用控制变量的方法，分为5组对比试验。结果表明，上述3种因素对其絮凝结构以及沉降速度有显著影响。
关键词 絮凝剂；沉降速度；絮凝结构；泥沙
中图分类号 S277.7 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）19-212-02
泥沙絮凝以及泥沙沉降对于研究泥沙特性来说具有重要的意义。笔者研究了典型因素对泥沙特性的影响，典型因素包括不同粒径的泥沙、絮凝剂的组成成分以及泥沙颗粒的大小。不同的因素影响下，泥沙沉降速度以及絮凝情况不同。研究泥沙絮凝机理和沉降特性，对于海岸工程、航道输运等具有重要意义[1]。泥沙絮凝机理是以胶体稳定性理论为基础。由于泥沙颗粒表面的物理化学特性，海水中的盐离子往往会吸附在泥沙颗粒表面，这会形成所谓的双电层结构，颗粒间存在静电排斥作用[2]。另一方面，胶体颗粒间存在的van der Waals 力，吸引颗粒相互靠近。这两种作用力的
共同作用构成胶体稳定性的DLVO 理论[3]。黏性泥沙的絮
凝沉降对细颗粒泥沙构成的淤泥质河口海岸地形及环境演化有重要影响，而絮凝沉降本身又受到颗粒大小、泥沙浓度、絮凝剂浓度等多种因素的影响。对于处于不断运动状态的水体而言，颗粒大小、泥沙浓度是影响泥沙絮凝沉降的重要影响因素[4]。
1 试验方法
为了显示泥沙在多种因素的作用下沉降速度与絮凝的结果，以及为了试验的真实与可靠性，笔者自行设计沉降量筒进行试验。沉降量筒是由5个量筒为一组，分别为50、100、250、500、1 000 ml，一共有5组对比试验。其具体试验沙子与絮凝剂添加情况如表1所示，编号如表2所示。
首先利用电子天平称量出所要试验的泥沙细颗粒与粗颗粒的质量，将其放入搅拌量筒中充分搅拌后倒入不同量程的量筒中，量筒量程分别为50、100、250、500、1 000 ml，一共有5组对比试验。待将其充分搅匀后开始计时，当量筒底部出现均匀沉淀后停止计时，记录时间后可以得出泥沙的沉降速度。待将量筒静置一段时间后，看到量筒底部出现均匀的絮凝结构后，用移液管将底部的均匀絮凝沉淀取出，放置在事先准备好并标号的培养皿与载玻片当中。重复上述步骤将不同浓度的泥沙搅拌，并令其充分沉淀，将沉淀全部取出后转移到培养皿与载玻片上，待载玻片与培养皿中的水分完全蒸发后，便留下了泥沙絮凝结构，以便后续用显微镜对其结构进行观察，分析其结构孔隙比等。
分析对比该次试验与传统的泥沙研究方法与过程，可知传统方法对泥沙絮凝结构的研究并没有更深层次地，更仔细地观察到泥沙在不同的因素影响情况下形成的絮凝结构，也并没有看到絮凝结构放大后的相互粘结的情况。该次试验使用显微镜将其固结在载玻片上的絮凝结构进行观察，可以清楚地看到泥沙形成的絮凝结构，并可以对其在不同条件下形成的絮凝结构进行直观的对比与比较，还可对其放大后的絮凝结构进行拍照。后期通过对絮凝结构的图片处理，可得出不同条件下的泥沙颗粒絮凝后的面积与孔隙面积之比，通过对比面积比可以直观反映泥沙絮凝结构的组成情况。20倍显微镜下的泥沙絮凝孔隙比如表3所示。从表3可知，泥沙浓度、颗粒大小与絮凝剂的添加量3种因素对其泥沙絮凝后的孔隙比均有显著影响，其孔隙比均在0.02～0.55之间。
2 结果与分析
2.1 泥沙浓度对泥沙沉降速度的影响 为了反映泥沙浓度对于泥沙沉降速度的影响，笔者选取了细颗粒泥沙作为研究对象。如表1和表2所示，笔者选取了编号为111～135的这15组试验数据，这15组试验数据按泥沙浓度的不同划分为3组：11、12、13。在每一个组里面按量筒刻度及细土添加质量的不同设置了5组平行试验，每个组里5组平行试验细土的浓度均相同，而不同的组细土的浓度不同。在每个组的试验中，笔者根据5组平行试验量筒刻度及各平行试验细土浓度一致的原则，给每组平行试验所添加的细土的质量也不同。接着，笔者按照表1的各样品的配量，配制好各个组的泥沙溶液。具体配制方法：称取对应质量细土放到烧杯中，倒入一定量的去离子水进行搅拌，搅拌的过程中加入微量分散剂，以便细土颗粒在水溶液中能够充分分散开来。然后将配制好的溶液倒入对应刻度的量筒中，搅拌均匀直至筒底不出现明显的泥沙层时，停止搅拌，并用秒表计时，记录量筒中泥沙从浑浊的溶液状态到能明显看到量筒底部出现泥沙层这段时间t。15组数据记录完毕后，将各组之间的数据进行纵向比较，可知泥沙浓度确实对泥沙沉降速度有影响。在其他变量条件一致的情况下，泥沙浓度越大，泥沙沉降速度越小；泥沙浓度越小，泥沙沉降速度越大[5]。
2.2 颗粒大小对泥沙沉降速度的影响 为了反映颗粒大小对泥沙沉降速度的影响，笔者需引用絮凝剂，其作用是使其吸附泥沙颗粒，使反映现象更加明显。如表1，在第三大组中，课题组加入了适量的粗颗粒，并加入了少量的絮凝剂。为了比较颗粒大小对沉降速度的影响，需控制单一的变量，在第二大组中也加入少量的絮凝剂，两组中都加入絮凝剂故可单独比较颗粒大小这一个变量因素。由其沉降速度的时间可知，在其他变量因素一致的条件下，颗粒越大，泥沙沉降速度越大；颗粒越小，泥沙沉降速度越小。
2.3 絮凝作用对泥沙沉降速度的影响 在探讨絮凝作用是否对泥沙沉降速度有影响时，笔者也选取了细颗粒泥沙作为研究对象。如表1，第二大组与第一大组相比较，各组试验除了加入细沙外，还加入了一定浓度的絮凝剂，并且同一平行组絮凝剂浓度一致，纵向各组，从上往下，絮凝剂浓度依次增大。具体各组式样的配制方法大体上与上面提到的方法一致。通过对一、二大组各组试验数据的纵向对比不难看出，絮凝剂确实对泥沙沉降速度有影响，有絮凝剂的二大组沉降速度明显快于没加絮凝剂的一大组，并且在二大组中，随着絮凝剂浓度的增加，泥沙沉降的速度越来越快。由此可知，在其他变量因素一致的条件下，絮凝剂浓度越大，泥沙沉降速度越大。
3 结论
通过以上的试验研究可知，泥沙浓度、颗粒大小以及絮凝剂的添加量确实对泥沙的沉降与絮凝结构有显著的影响，具体可以总结为：
（1）在其他变量条件一致的情况下，泥沙浓度越大，泥沙沉降速度越小；泥沙浓度越小，泥沙沉降速度越大。
（2）在其他变量因素一致的条件下，颗粒越大，泥沙沉降速度越大；颗粒越小，泥沙沉降速度越小。
（3）在其他变量因素一致的条件下，絮凝剂浓度越大，泥沙沉降速度越大。
（4）泥沙在不同因素的作用下虽然沉降速度与絮凝结构不同，但是絮凝的孔隙比均在0.02～0.55之间。
参考文献
[1] 王龙，李家春，周济福.黏性泥沙絮凝沉降的数值研究[J].物理学报，2010，59（5）：3315-3323.
[2] 乔光全，张金凤，张庆河，等.紊动对黏性泥沙絮凝沉降影响的试验研究[J].天津大学学报，2014，47（9）：811-816.
[3] 葛雄，张根广，颜婷，等.牛顿流体和非牛顿流体教学演示仪器的开发研究[J].现代科学仪器，2011（3）：31-33，39.
[4] 郭超，何青.长江中下游洪枯季泥沙絮凝研究[J].泥沙研究，2014（5）：59-64.
[5] 钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，2003.
关键词 絮凝剂；沉降速度；絮凝结构；泥沙
中图分类号 S277.7 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）19-212-02
泥沙絮凝以及泥沙沉降对于研究泥沙特性来说具有重要的意义。笔者研究了典型因素对泥沙特性的影响，典型因素包括不同粒径的泥沙、絮凝剂的组成成分以及泥沙颗粒的大小。不同的因素影响下，泥沙沉降速度以及絮凝情况不同。研究泥沙絮凝机理和沉降特性，对于海岸工程、航道输运等具有重要意义[1]。泥沙絮凝机理是以胶体稳定性理论为基础。由于泥沙颗粒表面的物理化学特性，海水中的盐离子往往会吸附在泥沙颗粒表面，这会形成所谓的双电层结构，颗粒间存在静电排斥作用[2]。另一方面，胶体颗粒间存在的van der Waals 力，吸引颗粒相互靠近。这两种作用力的
共同作用构成胶体稳定性的DLVO 理论[3]。黏性泥沙的絮
凝沉降对细颗粒泥沙构成的淤泥质河口海岸地形及环境演化有重要影响，而絮凝沉降本身又受到颗粒大小、泥沙浓度、絮凝剂浓度等多种因素的影响。对于处于不断运动状态的水体而言，颗粒大小、泥沙浓度是影响泥沙絮凝沉降的重要影响因素[4]。
1 试验方法
为了显示泥沙在多种因素的作用下沉降速度与絮凝的结果，以及为了试验的真实与可靠性，笔者自行设计沉降量筒进行试验。沉降量筒是由5个量筒为一组，分别为50、100、250、500、1 000 ml，一共有5组对比试验。其具体试验沙子与絮凝剂添加情况如表1所示，编号如表2所示。
首先利用电子天平称量出所要试验的泥沙细颗粒与粗颗粒的质量，将其放入搅拌量筒中充分搅拌后倒入不同量程的量筒中，量筒量程分别为50、100、250、500、1 000 ml，一共有5组对比试验。待将其充分搅匀后开始计时，当量筒底部出现均匀沉淀后停止计时，记录时间后可以得出泥沙的沉降速度。待将量筒静置一段时间后，看到量筒底部出现均匀的絮凝结构后，用移液管将底部的均匀絮凝沉淀取出，放置在事先准备好并标号的培养皿与载玻片当中。重复上述步骤将不同浓度的泥沙搅拌，并令其充分沉淀，将沉淀全部取出后转移到培养皿与载玻片上，待载玻片与培养皿中的水分完全蒸发后，便留下了泥沙絮凝结构，以便后续用显微镜对其结构进行观察，分析其结构孔隙比等。
分析对比该次试验与传统的泥沙研究方法与过程，可知传统方法对泥沙絮凝结构的研究并没有更深层次地，更仔细地观察到泥沙在不同的因素影响情况下形成的絮凝结构，也并没有看到絮凝结构放大后的相互粘结的情况。该次试验使用显微镜将其固结在载玻片上的絮凝结构进行观察，可以清楚地看到泥沙形成的絮凝结构，并可以对其在不同条件下形成的絮凝结构进行直观的对比与比较，还可对其放大后的絮凝结构进行拍照。后期通过对絮凝结构的图片处理，可得出不同条件下的泥沙颗粒絮凝后的面积与孔隙面积之比，通过对比面积比可以直观反映泥沙絮凝结构的组成情况。20倍显微镜下的泥沙絮凝孔隙比如表3所示。从表3可知，泥沙浓度、颗粒大小与絮凝剂的添加量3种因素对其泥沙絮凝后的孔隙比均有显著影响，其孔隙比均在0.02～0.55之间。
2 结果与分析
2.1 泥沙浓度对泥沙沉降速度的影响 为了反映泥沙浓度对于泥沙沉降速度的影响，笔者选取了细颗粒泥沙作为研究对象。如表1和表2所示，笔者选取了编号为111～135的这15组试验数据，这15组试验数据按泥沙浓度的不同划分为3组：11、12、13。在每一个组里面按量筒刻度及细土添加质量的不同设置了5组平行试验，每个组里5组平行试验细土的浓度均相同，而不同的组细土的浓度不同。在每个组的试验中，笔者根据5组平行试验量筒刻度及各平行试验细土浓度一致的原则，给每组平行试验所添加的细土的质量也不同。接着，笔者按照表1的各样品的配量，配制好各个组的泥沙溶液。具体配制方法：称取对应质量细土放到烧杯中，倒入一定量的去离子水进行搅拌，搅拌的过程中加入微量分散剂，以便细土颗粒在水溶液中能够充分分散开来。然后将配制好的溶液倒入对应刻度的量筒中，搅拌均匀直至筒底不出现明显的泥沙层时，停止搅拌，并用秒表计时，记录量筒中泥沙从浑浊的溶液状态到能明显看到量筒底部出现泥沙层这段时间t。15组数据记录完毕后，将各组之间的数据进行纵向比较，可知泥沙浓度确实对泥沙沉降速度有影响。在其他变量条件一致的情况下，泥沙浓度越大，泥沙沉降速度越小；泥沙浓度越小，泥沙沉降速度越大[5]。
2.2 颗粒大小对泥沙沉降速度的影响 为了反映颗粒大小对泥沙沉降速度的影响，笔者需引用絮凝剂，其作用是使其吸附泥沙颗粒，使反映现象更加明显。如表1，在第三大组中，课题组加入了适量的粗颗粒，并加入了少量的絮凝剂。为了比较颗粒大小对沉降速度的影响，需控制单一的变量，在第二大组中也加入少量的絮凝剂，两组中都加入絮凝剂故可单独比较颗粒大小这一个变量因素。由其沉降速度的时间可知，在其他变量因素一致的条件下，颗粒越大，泥沙沉降速度越大；颗粒越小，泥沙沉降速度越小。
2.3 絮凝作用对泥沙沉降速度的影响 在探讨絮凝作用是否对泥沙沉降速度有影响时，笔者也选取了细颗粒泥沙作为研究对象。如表1，第二大组与第一大组相比较，各组试验除了加入细沙外，还加入了一定浓度的絮凝剂，并且同一平行组絮凝剂浓度一致，纵向各组，从上往下，絮凝剂浓度依次增大。具体各组式样的配制方法大体上与上面提到的方法一致。通过对一、二大组各组试验数据的纵向对比不难看出，絮凝剂确实对泥沙沉降速度有影响，有絮凝剂的二大组沉降速度明显快于没加絮凝剂的一大组，并且在二大组中，随着絮凝剂浓度的增加，泥沙沉降的速度越来越快。由此可知，在其他变量因素一致的条件下，絮凝剂浓度越大，泥沙沉降速度越大。
3 结论
通过以上的试验研究可知，泥沙浓度、颗粒大小以及絮凝剂的添加量确实对泥沙的沉降与絮凝结构有显著的影响，具体可以总结为：
（1）在其他变量条件一致的情况下，泥沙浓度越大，泥沙沉降速度越小；泥沙浓度越小，泥沙沉降速度越大。
（2）在其他变量因素一致的条件下，颗粒越大，泥沙沉降速度越大；颗粒越小，泥沙沉降速度越小。
（3）在其他变量因素一致的条件下，絮凝剂浓度越大，泥沙沉降速度越大。
（4）泥沙在不同因素的作用下虽然沉降速度与絮凝结构不同，但是絮凝的孔隙比均在0.02～0.55之间。
参考文献
[1] 王龙，李家春，周济福.黏性泥沙絮凝沉降的数值研究[J].物理学报，2010，59（5）：3315-3323.
[2] 乔光全，张金凤，张庆河，等.紊动对黏性泥沙絮凝沉降影响的试验研究[J].天津大学学报，2014，47（9）：811-816.
[3] 葛雄，张根广，颜婷，等.牛顿流体和非牛顿流体教学演示仪器的开发研究[J].现代科学仪器，2011（3）：31-33，39.
[4] 郭超，何青.长江中下游洪枯季泥沙絮凝研究[J].泥沙研究，2014（5）：59-64.
[5] 钱宁，万兆惠.泥沙运动力学[M].北京：科学出版社，2003.