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粉煤灰固结起动特性

发布时间：2011/1/2 阅读次数：1003 字体大小: 【小】【中】【大】

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粉煤灰固结起动特性

严军¹，殷瑞兰²
(1.中国水利水电科学研究院；2.长江科学院)

摘要：在前人研究的基础上，通过对青山热电厂粉煤灰起动流速、干容重、物理化学特性及细观结构等的系统研究，分析了固结的机理，提出了固结的控制措施。

关键词：模型沙；粉煤灰；固结；起动流速；干容重

基金项目：国家自然科学基金和长江水利委员会联合资助项目：洪水特性与减灾方法研究(50099620)。
作者简介：严军(1971-)，男，中国水科院博士生。

1 前言

泥沙起动流速是河流动力学的基本理论问题之一，在动床河工模型试验中，模型沙的起动相似对于正确复演、预报原型河道的演变特性具有极其重要的作用。常用的模型沙，特别是细颗粒模型沙，随着试验时间不同、床面铺设工艺、水质差异、干容重、含水量等的变化，其起动流速会发生变化。随着时间的延长或外力的作用，模型沙的孔隙率往往变小，沙粒之间更为密实，此现象称为模型沙的固结。由此导致起动流速增大，起动相似发生偏离。如何保证冲淤相似，并使试验成果具有较好的重复性，对于动床河工模型试验，尤其是要求冲刷相似的游荡性河道模型，是一个十分重要的问题。本文研究了青山热电厂粉煤灰的物理化学特性及起动流速变化规律，揭示了固结机理及其对起动流速的影响，提出了固结的控制措施，以保证模型沙起动相似，提高试验成果的准确性。

2 试验研究方法

2.1 起动流速试验

试验玻璃水槽长20m、宽60cm、高90cm；铺沙段长约15m。试验用沙为经过水选、级配较均匀的青山热电厂粉煤灰(干灰)，其中值粒径分别为0.11mm、0.07mm、0.027mm、0.0135mm。各粒径组沙样(本文所用粒径均为中值粒径)铺置时间分别为0、1、3、5天，然后再放水试验，其中0.07mm粒径组还做了铺置5天后削去面层的起动试验。此外，0.11mm的粗粒径组无明显板结现象，因此未再做铺置5天后的试验。0.0135mm的细颗粒，极易板结，其起动流速变化规律受固结影响，因此试验组次亦仅为铺置0、1、3天的三组。

2.2 干容重、含水量试验

采用环刀法与沉淀法进行干容重试验研究，观察时间从半小时直至18天，部分沉淀法试验达50天之多，以弄清其变化规律。

环刀法：

铺置四块样沙，中值粒径分别为0.14mm、0.10mm、0.03mm和0.02mm(这四种粒径是南水北调中线穿黄工程模型现场铺制地形的上、中、下游典型断面和回水渠中泥沙淤积体的粒径)，每块样沙长约4m、宽约3m、厚约10cm。每天用环刀在每块沙样上取样三份，做干容重试验，直到干容重相对稳定。水槽起动流速试验每次铺沙完毕和放水之前，也用环刀取样，每次取三处沙样，测定其干容重。

沉淀法：

(1)用中值粒径分别为0.14mm、0.10mm和0.02mm的粉煤灰(干灰)，每组分别取200g、300g、400g置入量筒，加水至100ml，充分搅拌后静置至粉煤灰体积相对稳定，观测干容重；

(2)以上每种粒径的粉煤灰各取300g置入量筒，分别加水至500ml、1000ml、1500ml、2000ml，充分搅拌后静置，直至粉煤灰体积相对稳定，观测干容重变化；

(3)将称取的粉煤灰充分浸泡，重复上述两组试验。每组试验均观察18天以上，以研究不同的粒径、沉降厚度和浓度对干容重的影响。

2.3 粉煤灰的物理、化学特性

在200倍光学显微镜下观察筛分法和移液管法得到的各粒径组粉煤灰的形状、颜色以及它们与针状物体相互吸引的情况；用频谱仪分析不同粉煤灰的主要化学成分及其性能。

3 试验成果分析

3.1 起动流速的变化规律

除0.0135mm外，各粒径组粉煤灰的起动流速随时间增长而增加(见图1，8cm、10cm、12cm、15cm为水槽水深)：0.11mm组，铺制1天后起动流速变化不大，已基本稳定；0.07mm组的起动流速随时间延续有逐渐增大的趋势，但时间愈长，起动流速的增值愈小，铺置5天后的起动流速基本稳定，铺制5天削去面层后的起动流速大于铺置5天的粉煤灰表层起动流速；0.027mm组的起动流速随时间增加而增大的变化趋势更为明显。后两组铺置3天与5天的起动流速已较为接近，可以认为铺置5天后模型沙已基本稳定。

图1 起动流速与时间
Fig.1 Relation between incipient velocity and time

0.0135mm粒径组粉煤灰极易板结。这种细颗粒粉煤灰一经铺制，干燥的粉煤灰表面立即出现厚约1mm的薄水层，其下为2～3mm厚的疏松细沙层。铺制3天后仍有薄水层，而且面层无明显变化。放水后，表面疏松细沙层极易起动，但表层很快消失，床面相应地变得光滑、平整，显露出固结的特性，特别是在流速相对稳定的情况下，本已起动的粉煤灰随着时间的延续、冲刷的发展，运动状况明显地逐渐减弱，甚至不再起动；加大流速，会发生相应的冲刷，但很快又停止。有时，从开始起动到停止起动，一个完整的状态转换过程只需5分钟。此粒径组的起动流速的变化规律已为固结程度所决定，与其它几个粒径组截然不同。

为了探讨青山热电厂粉煤灰的起动特性，点绘各粒径组起动流速与半径的关系(见图2)，可见：粒径大于0.027mm时，起动流速随粒径增大而增大；0.0135mm粒径组粉煤灰的起动流速略大于相同条件下0.027mm粒径组的起动流速。与天然沙情况相类似，青山热电厂粉煤灰起动流速与粒径的关系也为下凹曲线，相对于最小起动流速的粒径约为0.0135～0.02mm，而天然沙相对于最小起动流速的粒径为0.15～0.20mm，由此可见，粉煤灰的粘滞力远小于天然沙。

3.2 干容重、含水量的变化规律

　　沉淀法试验中，由于粉煤灰充分浸泡在水中，本试验粒径范围内一般2～4小时就已基本稳定，以后干容重几乎无变化，但它与水体的浓度有密切的关系。在本次试验的浓度范围内(15%～60%)，各粒径组的粉煤灰干容重随着浓度的增大而增大(见图3)。

图2 起动流速与粒径
Fig.2 Relation between incipient velocity and
grain size

环刀法干容重试验中，中值粒径大于0.10mm时，干容重随时间的变化很小，干容重与含水量无明显关系，比较稳定；中值粒径为0.10mm～0.02mm时，随时间的增长，含水量逐渐减小而干容重相应增大并趋于稳定，且粒径越小，干容重随时间的变化越明显，达到稳定所需的时间也越长；中值粒径约为0.10mm时，粉煤灰的干容重出现最小值(见图3)。

沉淀法所反映的干容重随时间的变化情况与悬沙试验中淤积物干容重随时间的变化情况类似。环刀法所反映的干容重随时间的变化情况则类似动床试验中铺制河床干容重随时间的变化。环刀法测得的干容重一般大于沉淀法测得的干容重，这是由于沉淀法中泥沙颗粒有一个沉降过程，泥沙颗粒不仅受水体的阻力作用，还受水压力的分散作用，而环刀法中沙样会或多或少受到人为压密。

图3 干容重与浓度
Fig.3 Relation between dry-density and concentration

3.3 起动流速与干容重的关系

表1为0.027mm、0.07mm、0.11mm粒径组粉煤灰的起动流速、干容重随时间的变化规律(U_c0为即铺即放水的起动流速，U_c1、U_c3、U_c5分别为铺置1、3、5天时的起动流速)。本次试验中因量测原因，未能及时、准确地测定动水作用下0.0135mm粒径组粉煤灰的干容重。由表1可见，起动流速随时间的增长、干容重的增大而增大。铺置时间为0～5天时，粒径愈小，起动流速愈小、干容重愈大。由图4可见，粒径愈小，模型沙的起动流速和干容重受铺沙时间的影响愈明显。铺沙5天后与刚铺时相比，各粒径组干容重相对增加值为0%～7.5%，起动流速相对增加值为0.8%～4%，在此粒径范围内起动流速与干容重的变化均较小。可以认为，只要充分浸泡、分散，无结块现象，铺沙时严格控制其干容重，则固结的影响不大。上述粒径范围正是长江科学院南水北调中线工程穿黄河段泥沙模型用沙范围^[1]；粒径太小的粉煤灰，如0.0135mm，固结明显，不宜作为模型沙。

表1 不同粒径的粉煤灰起动流速、干容重沿时变化(水深为14cm)

Table 1 Temporal variations of incipient velocity and dry-density versus different grain size


	起动流速U_C(cm/s)				ΔU_C	ΔU_C/U_c0	干容量γ'(g/cm³)				Δγ'	Δγ'/γ′₀
d₅₀(cm)
	U_c0	U_c1	U_c3	U_c5	U_c5-U_c0	(%)	γ'₀	γ'₁	γ'₃	γ'₅	γ'₅-γ'₀	(%)

0.11	13.25	13.34	13.35	13.35	0.1	0.75%	0.821	0.821	0.821	0.821	0	0
0.07	11.85	11.96	12.11	12.21	0.36	3.04%	0.821	0.828	0.843	0.857	0.036	4.38%
0.027	10.42	10.64	10.80	10.84	0.42	4.03%	0.978	0.992	1.021	1.051	0.073	7.46%

图4 不同粒径的粉煤灰起动流速变化率和干容重变化率
Fig.4 Rates of incipient velocity and dry-density versus different grain size

3.4 粉煤灰的细观结构及物理化学特性

3.4.1 粉煤灰的细观结构及物理化学特性

在200倍光学显微镜下观察各粒径组粉煤灰，发现：0.2mm>d>0.105mm时，大部分颗粒表面粗糙、多棱角、多孔隙、不规则，少量颗粒表面光滑、致密、坚硬。颗粒中有白色的、深褐色的(主要是碳粒)，还有个别是黄色的；0.105mm>d>0.076mm时，颗粒多为浅色球状玻璃质，少量为深褐色，表面较光滑、微孔少，颗粒之间有较弱的相互吸引作用；0.076mm>d>0.048mm时，颗粒多为浅色球状玻璃质，表面较光滑、微孔少，深褐色的颗粒已明显少于上一粒径组；0.048mm>d>0.01mm时，颗粒基本上是浅色球状玻璃质，表面光滑、致密、无微孔；d<0.01mm时，颗粒相互吸引并结成团状。用电子扫描电镜分析粉煤灰，得到了类似的结论^[2，3]。

曾用大头针、铅笔尖、照相胶片角及相纸纤维等物体的尖角接近粉煤灰颗粒，在显微镜下观察其反应，发现粉煤灰颗粒不易被物体吸附，随着粒径的减小，吸附现象与颗粒之间的相互作用越来越明显，当粒径d<0.01mm时，粉煤灰颗粒及易被吸附，并结成小团。

3.4.2 粉煤灰的物理化学特性

粉煤灰是原煤经电厂锅炉燃烧后的产品，各地电厂所用的原煤来自不同的煤矿，煤中各组成物质的含量不同，而且各个电厂炉膛结构有别，受炉温、空气含氧量等的影响，原煤的燃烧方式不同，因而燃烧后煤灰的比重及成分不同。用频谱仪分析可知：粉煤灰的主要成分是氧化硅、氧化铝和氧化铁，约占粉煤灰总量的80%左右，还有一定量的氧化钙、氧化镁等(见表2)。

与天然沙相比，粉煤灰中的氧化钙约占50%，而在天然沙中却占60%～70%；粉煤灰中的氧化铝超过20%，最大达28%，而天然沙中只占10%，这是粉煤灰略轻于天然沙的原因。

表2 不同电厂粉煤灰化学成分测定结果(%)^[4]

Table 2 Chemical composition of fly ash at different power plants


灰名	SiO₂	Al₂O₃	Fe₂O₃	CaO	MgO	烧失量	d₅₀(mm)

青山热电厂干灰	59.82	26.66	4.95	2.42	0.90	0.93	0.035
青山热电厂湿灰	57.28	24.24	7.48	3.48	0.31	3.47	0.029
汉川电厂干灰	57.50	26.70	4.10	2.72	0.95	4.81	0.031
汉川电厂湿灰	59.95	28.72	4.71	3.53	1.16	3.43	0.076
阳逻电厂干灰	54.54	24.48	5.05	2.68	0.95	4.29	0.027
阳逻电厂湿灰	56.31	23.50	7.79	4.16	1.09	3.59	0.083
郑州热电厂	50.37	21.28	4.19	3.24	1.30	4.30	0.061
郑州火电厂	52.86	22.88	4.09	3.52	1.38	11.0	0.027

4 粉煤灰的固结机理及控制

4.1 粉煤灰的固结机理

颗粒表面吸附有水，这些水分子整齐紧密地排列在颗粒周围，形成吸附水膜，它包含吸着水与薄膜水：吸着水处于近似固体的状态，在颗粒表面以很高的压力(10000～20000个大气压)被吸持着，其密度显著地高于自由水的密度而达到1.5～1.8，它具有极大的粘滞性、弹性和抗剪强度，不能各向传压，仅能单向传压；薄膜水的偶极体定向程度和固着程度远小于吸着水的定向程度和固着程度，保持薄膜水的压力为1～10个大气压，薄膜水处于粘滞—液体形态，基本上也仅能单向传压^[5]。试验用水往往或多或少地带有一些电解质，泥沙颗粒表层束缚水会形成双电层或反离子层^[6，7]。束缚水能使颗粒以多种方式缔合，甚至会发展成多层次的复杂结构^[8，9]。当颗粒间薄膜水接触时，同时也产生了粘着力，颗粒之间的相互作用增强，使颗粒起动相对困难；泥沙颗粒愈细，其比表面积愈大，表面活性愈强，当粒径小到一定程度时，颗粒表面的物理化学作用可使颗粒之间产生较强的相互作用，从而改变泥沙的水力学特性，使起动流速相似受到一定的影响。河床上的泥沙在水压力和土压力等外力作用下，沙体压缩、密度增大，发生固结。当粒径小到一定程度时，仅在动水压力下就会固结。由于沙体压缩，颗粒之间的距离减小，颗粒之间束缚水产生的吸着力对相临颗粒所起的作用增大，粘性力增大，从而使颗粒起动的阻力增大，起动流速出现附加值，即发生不同程度的固结。固结程度随粒径的减小而增强。

4.2 粉煤灰的固结特性

粉煤灰干容重与粒径关系呈下凹的曲线，曲线最低点相应的粒径为0.10mm。此特殊规律是由粉煤灰细观结构造成的。观察表明：d≥0.10mm的粗颗粒中，深色、多孔、不规则形状的颗粒较多，故随着粒径的增大，干容重增大；d=0.10mm的颗粒中疏松多孔物最多，不少颗粒能浮于水面，从而使其干容重偏小；d<0.10mm颗粒中，多为浅色球状颗粒，放大1 000倍时，可以清楚地看到，随着粒径的减小，颗粒微孔的尺度及微孔数量及尺度均减少，致密球状颗粒愈来愈多；d<0.01mm的颗粒表面已看不到微孔。因此，d<0.10mm时，干容重随粒径的减小而增大。粉煤灰的细观结构和颗粒组成使其干容重与粒径的关系为下凹曲线，d=0.10mm时干容重最小。

粉煤灰干容重变幅较小的主要原因是：粉煤灰颗粒多为球体，级配较为均匀，颗粒间隙中的填充物较少；与其它形状的颗粒相比，级配较为均匀的粉煤灰球状颗粒在受压后，颗粒间距以及孔隙的缩减程度都较小。

0.0135mm粒径组的粉煤灰虽然粒径很小，但在铺制沙样时，面层始终有水且多为相对较粗并具有一定微孔结构的粉煤灰颗粒，它们的粘滞力较小，极易起动，在水流作用下，质轻、多孔的面层粗颗粒很快被冲走，该层以下为致密细颗粒，这些颗粒很细，粘滞力较大，极易固结。

由于重力与粘滞力的综合作用，天然沙相对于最小起动流速的粒径为0.15mm～0.2mm，小于此粒径，粘滞力占主导地位，反之，重力占主导地位^[6，7]。粉煤灰相对于最小起动流速的粒径约为0.0135mm～0.02mm。由于粉煤灰颗粒较为均匀，且多为球状，与其它形状的颗粒相比，其外层带电量相对较小；球状颗粒的点接触形式，使得其粘滞力也相对较弱；颗粒间隙在外力作用下，缩减程度较小，因此与天然沙相比，同粒径的粉煤灰固结程度较弱。此外，粉煤灰的微孔结构不仅使重力作用减弱，而且使颗粒受水流紊动影响更大，因此更易于起动。但是，粒径太小的粉煤灰，如0.0135mm，因其细观结构的不同和物理化学特性，极易固结。

4.3 固结的控制

通过对粉煤灰干容重的系统研究可知，在自然条件下，中值粒径为0.02mm～0.11mm的粉煤灰固结影响并不严重，其干容重在5天内随时间的变化率为0%～7.5%，相应的起动流速相对增加值为0.8%～4%。因此，采用青山热电厂粉煤灰进行动床模型试验时，铺制模型地形应根据各河段模型沙粒径的不同，分别控制其干容重：粒径为0.02mm～0.03mm时，干容重应控制在1.0g/cm³左右；粒径为0.05mm～0.08mm时，干容重应控制在0.90g/cm³左右；粒径为0.09mm～0.11mm时，干容重应控制在0.80g/cm³左右。地形铺制完毕后，应立即或尽快放水试验，以减少板结影响，在模型水深和流速范围内，保证模型沙起动相似。

在强调按粒径控制干容重的同时，还应十分重视干容重的均一化，这就需要在铺制地形之前充分浸泡模型沙，使之完全分散，在沙体中不允许有结块现象，否则结块体在试验过程中会起节点的控制作用，使得模型试验过程中难以冲动或发生崩岸等剧烈的河道变形，导致模型冲刷不相似。

5 结论

(1)青山热电厂粉煤灰起动流速与粒径的关系呈一下凹曲线，相应最小起动流速的粒径为0.0135～0.02mm左右，远小于天然沙，这是粉煤灰作为模型沙的优势所在。粒径太小的粉煤灰，如0.0135mm，粘滞力占主导地位，极易固结，不宜用作模型沙。

(2)青山热电厂粉煤灰干容重与粒径的关系呈一下凹曲线，曲线最低点相应的粒径为0.10mm，与天然沙直线变化规律截然不同，是粉煤灰细观结构及物理化学特性使然。

(3)在采用粉煤灰作模型沙进行动床试验时，为了保证起动相似，在铺制地形前应充分浸泡模型沙，使之完全分散，在沙体中不应有结块现象；在铺制模型地形时应根据各河段模型沙粒径的不同，分别控制其相应的干容重；地形铺制完毕后，应立即或尽快放水试验，避免固结对泥沙起动的影响。

参考文献

[1] 周宜林等。南水北调中线工程穿黄河段动床模型设计及验证研究报告。长江科学院，1996年12月。

[2] 张九蓉，毛玉琴。粉煤灰的主要物理性质。长江科学院，1997年5月。

[3] 吴超寰等。高掺粉煤灰胶材和碾压混凝土的长期性能研究。长江科学院，1998年9月。

[4] 师哲等。粉煤灰的物理化学特性。长江科学院，1997年。

[5] 张瑞瑾等。河流泥沙动力学。水利电力出版社，1989年6月。

[6] 钱宁，万兆惠。泥沙运动力学。科学出版社，1983年。

[7] 柯夫达(苏).土壤学原理.科学出版社，1981年11月。

[8] H.Van.Olphen.粘土胶体化学导论。农业出版社，1982年.

[9] 杨美卿，钱宁。紊动对细泥沙浆液絮凝结构的影响。水利学报，1985，(3).

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