泥漿體在不同環境條件下(如含水量、溫度、pH 值等)，其流變特性會受到一定之 影響，進而影響泥漿體的流動特性。由前人文獻中可知，許多學者曾探討不同的泥漿 濃度、礦物成份、漿體pH 值、溫度或電離子類型及濃度等因子對泥漿體流變特性之 影響(O’Brien and Julien，1988；Tsutsumi and Yoshida，1987；Coussot and Piau，1994；
Nitakawi et al.，1981)。這些研究中，大多討論漿體已逹平衡狀態下之流變特性，較 少進一步探討泥漿體流變特性隨受剪時間之變動影響。本章針對不同泥漿濃度、溫度 O’Brien and Julien (1988) 及 Major and Pierson (1992)之研究結果類似。本文進一步迴 歸出高嶺土漿體總屈服應力與體積濃度之關係，其迴歸線如圖4.1所示；其迴歸方程
同體積濃度條件下所分析出之標準偏差均介於0.25 Pa ~ 0.89 Pa之間，顯示不同體積濃
* ( ) /t t
表4.1 不同體積濃度、溫度及 pH 值之泥漿體所分析出的流變參數
0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36
Yield stress (Pa)
Total yield stress τyt
Balance yield stress τyB τyt = 1,721,296Cvf10.22
圖4.1 泥漿體總屈服應力及平衡屈服應力與體積濃度之關係圖
0 40 80 120 160
Sheared time (s) 0
Dimentionless yield stress
Cvf = 25%
Total viscosity μt Balance viscosity μΒ μt = 861Cvf4.1 μB = 227Cvf5.6
圖4.3 泥漿體總黏滯度及平衡黏滯度與體積濃度之關係圖
0 40 80 120 160 Sheared time (s)
0 d=335exp(-33.9Cvf) e = 5.0<Cvf - 1.2
圖4.5 不同濃度泥漿體之時變參數d及時變參數e變動情況
0 4 8 12 16 20
Shear rate (1/s) 0
40 80 120
Shear stress (Pa)
Time = 5s (Cvf=25%) Time = 5s (Cvf=30%) Time = 200s (Cvf=25%) Time = 200s (Cvf=30%)
圖4.6 不同濃度漿體於不同受剪時間下固定受剪時間流型曲線變化圖
4.2 不同溫度漿體之時變性流變特性 (1) 屈服應力項之時變特性
為了探討不同溫度條件下泥漿體之流變參數之時變性，本文進一步藉由不同溫度 漿體所量測到之剪應力-剪切率-受剪時間曲面資料，分析出不同溫度條件下泥漿體的 屈服應力參數，其分析結果詳如表4.1所示。圖4.7為不同溫度下泥漿體之總屈服應力 及平衡屈服應力比較圖。由圖4.7可看出，不同溫度漿體之總屈服應力τyt均介於9.99 Pa
~ 10.92 Pa之間，不同溫度漿體屈服應力之差值約僅 1 Pa，若相較於不同漿體溫度條 件下之標準偏差(介於± 0.22 Pa ~ ± 0.55 Pa之間)，則不同溫度漿體之屈服應力差量僅 略大於其標準偏差(± 0.55 Pa)，顯示不同溫度漿體於起始受剪時之總屈服應力影響並 不大。
在平衡屈服應力τyB方面，則可看出泥漿體之平衡屈服應力隨著漿體溫度的減少 而增加，其變化範圍介於1.45 Pa ~ 0.01 Pa之間。可能發生原因為較低溫度之泥漿體，
於受剪時間較長時，其於低剪切率條件下之剪應力值較大，因而使得所推估出屈服應 力較大；此一現象亦與Coussot and Piau (1994)之研究結果類似。此外，費(1983)研究 認為當泥漿體的屈服應力大於0.5 Pa以上時，即可認定流體為賓漢流體。因此根據費 (1983)之定義，在溫度較低之情況下，高嶺土漿體在受剪時間極長下之流變特性則具 有較明顯之屈服應力，亦反應出溫度對於泥漿體流變特性可能之影響。
在屈服應力隨受剪時間而遞減變化特性方面，本文根據前節所定義之無因次屈服 應力，計算出不同溫度下泥漿體無因次屈服應力隨受剪時間之變化情況，詳如圖4.8 所示。由圖4.8可看出除了溫度20 oC漿體之屈服應力遞減速率明顯較慢以外，其餘漿 體溫度之之遞減情況則差異不大，而溫度25 oC漿體則因有較大之平衡屈服應力，因 而遞減至平衡屈服應力後，便不再遞減。
(2) 黏滯度項之時變特性
在黏滯度項方面，圖4.9為不同溫度漿體之總黏滯度及平衡黏滯度比較圖，由圖 4.9可看出不同溫度下之泥漿體總黏滯度μt約介於4.5 ~ 5.4 Pa.s之間，而平衡黏滯度 μB則介於0.15 ~ 0.24 Pa.s之間，顯示不同溫度漿體之總黏滯度及平衡黏滯度雖然仍略 有差異，然而若相較於其標準偏差(介於0.13 Pa.s ~ 0.86 Pa.s之間)，不同溫度漿體之最
大總黏滯度差異(0.93 Pa.s)及最大平衡黏滯度差異(0.09 Pa.s)與其標準偏差差異不大，
顯示不同溫度對於泥漿體之黏滯度影響較不明顯。
此外，本文依據前述所定義之無因次黏滯度，計算出不同溫度下泥漿體無因次黏 滯度與受剪時間之遞減關係圖，關係圖如圖4.10所示。由圖4.10可約略看出，不同溫 度漿體之黏滯度遞減速度雖略有差異，然而若與屈服應力之遞減速率相較，不同溫度 漿體的黏滯度遞減情況相當緩慢，甚至其法明顯看出其差異。整體而言，不同漿體溫 度下黏滯度之遞減情況差異不大。
(3) 剪應力隨剪切率變動特性之時變特性
在剪應力隨剪切率變動的特性因子方面，本文根據所分析出之時變係數d和係數 e，繪製時變係數d和係數e與漿體溫度之關係圖，如圖4.11所示。由圖4.11可看出不同 漿體溫度與係數d之關係較不明顯，顯示不同漿體於起始受剪時之流型曲線差異不 大。在溫度漿體之係數e方面，由圖4.11可看出係數e會隨著溫度的增加而約略地增加，
其變動範圍介於0.155 ~ 0.341之間，顯示隨著漿體溫度的增加，不同受剪時間下泥漿 體剪應力隨剪切率增加的幅度也會較大；也就是說，溫度較高條件下，在受剪時間較 長時，其固定受剪時間流型曲線會較為彎曲。本文進一步根據所迴歸出之流變參數，
計算出受剪時間為5秒及200秒時之固定受剪時間流型曲線，其分析結果詳如圖4.12所 示。由圖4.12可看出，不同溫度漿體於不同受剪時間下之流型曲線雖略有差異，然而 整體而言其差異不大。
18 21 24 27 30 33 36 Temperature (oC)
0 4 8 12 16
Yield stress (Pa)
Total yield stress τyt
Balance yield stress τyB
圖4.7 泥漿體總屈服應力及平衡屈服應力與漿體溫度之關係圖
0 40 80 120 160
Sheared time (s) 0
Dimentionless yield stress
T = 20oC
Temperature (oC) 0
Total viscosity μt
Balance viscosity μΒ
圖4.9 泥漿體起始屈黏滯度及平衡黏滯度與漿體溫度之關係圖
0 40 80 120 160
Sheared time (s)
0
Temperature (oC) 0
Shear rate (1/s) 0
40 80 120
Shear stress (Pa)
Time = 5s (T =20oC) Time = 5s (T =30oC) Time = 200s (T =20oC) Time = 200s (T =30oC)
圖4.12 不同溫度漿體於不同受剪時間之固定受剪時間流型曲線變化圖
4.3 不同 pH 值漿體之時變性流變特性
為了解不同pH值所造成之時變性流變關係影響，本文考量酸雨物質對土石流體 可能造成之pH值變化影響。根據行政院環境保護署台灣酸雨資訊網之相關資料顯 示，大氣中一般雨水因含有二氧化碳，因此雨水之pH值約為5.6。而在降雨過程中，
若空氣中因人為影響而含有其他酸性物質，如硫酸或硝酸等，這些酸性物質將溶解於 雨水之中，因而使得雨水之pH值將可能下降至5.0以下，此時之雨水統稱之為酸雨。
而使雨水之pH值下降之許多之化學成份中，NO3-為主要之致酸物質之一。NO3-在空 中與H20結合後，便形成硝酸(HNO3)。因此，本研究以不同pH值(pH = 4、5、6及7) 之硝酸溶液與高嶺土調配出體積濃度
C =30%之泥漿體，並進行一系列固定剪切率之vf
實驗，以了解不同pH值之硝酸對高嶺土泥漿體流變特性之影響。
(1) 屈服應力項之時變特性
為了探討不同pH值條件下泥漿體之觸變特性變動趨勢，本研究藉由硝酸混合漿 體所量測到之剪應力-剪切率-受剪時間資料，分析出不同pH值條件下硝酸混合漿體之 流變參數，其分析結果詳如表4.1所示。藉由表4.1，本文繪製硝酸混合漿體之總服應 力及平衡屈服應力與其pH值之關係圖，詳如圖4.13所示。由圖4.13可看出，硝酸混合 漿體之總屈服應力及平衡屈服應力均會遞減至零，其可能原因為硝酸漿體於低剪切率 時之剪應力較小，而在高剪切率時之剪應力則明顯增大，因而使得所推估出之屈服應 力均接近零。
(2) 黏滯度項之時變特性
在黏滯度項方面，不同pH值條件下硝酸混合漿體之總黏滯度及平衡黏滯度關係 圖4.14所示。由圖4.14可看出，硝酸混合漿體之總黏滯度μt明顯隨著pH值的減小而大 幅增加；其pH = 4之泥漿體總黏滯度(μt= 12.51 Pa.s)約達pH = 7泥漿體總黏滯度(μt= 5.99 Pa.s)的二倍，顯示不同pH值之硝酸混合漿體於起始受剪時之黏滯度差異十分明 顯。在平衡黏滯度μB方面，由圖4.14可看出，平衡黏滯度μB雖仍有隨著pH值的減小 而增加之趨勢，不同pH值之平衡黏滯度差異約僅0.06 Pa.s (平衡黏滯度介於0.33 Pa.s ~
0.27 Pa.s之間)，然而相較於其標準偏差(介於0.19 Pa.s ~ 0.33 Pa.s之間)，其差異均小於 其標準偏差，顯示不同pH值對於泥漿體平衡黏滯度所造成之影響較小。
在黏滯度隨著受剪時間遞減方面，本文依據前所定義之無因次黏滯度，計算出不 同pH值泥漿體之無因次黏滯度隨受剪時間遞減情況，如圖4.15所示。由圖4.15中可看 出不同pH值漿體無因次黏滯度的遞減速度雖略有差異，但均相當緩慢。整體而言，
不同pH值泥漿體黏滯度隨受剪時間之遞減差異不大。
(3) 剪應力隨剪切率變動特性之時變特性
在剪應力隨剪切率變動的特性因子方面，不同pH值泥漿體之係數d及係數e與pH 值之關係圖如圖4.16所示。由圖4.16中可看出除了pH = 7泥漿體之時變係數d略小之外 (d=0.019)，其他pH值泥漿體之係數d(如圓形資料點所示)之變動不大(d = 0.023 ~ 0.029)。此外，在時變係數e方面，可看出隨著pH值的遞減，時變係數e於pH=7時先遞 減，而後於pH=6時，反而又隨著pH值的遞減而略為上昇，表示其關係較不明確，不 同pH值漿體之係數e介於0.13 ~ 0.26之間。
本文進一步計算出pH = 4及pH = 7硝酸混合漿體於起始受剪 5 s時及受剪時間 200 s時之固定受剪時間流型曲線，如圖4.17。由圖4.17可看出不同pH值泥漿體於起始 受剪時之剪應力值差異很大，而且pH值較小泥漿體之固定受剪時間流型曲線，其剪 應力增率會隨著剪切率增大而明顯變小的現象。在不同受剪時間之比較方面，不同pH 值硝酸漿體之剪應力遞減之速率差異不大，顯示不同pH值硝酸漿體流型曲線隨受剪 時間之遞減速率差異不大。
3 4 5 6 7 8
pH 0
2 4 6 8 10 12 14
Yield stress (Pa)
Total yield stress τyt Balance yield stress τyB
圖4.13 硝酸混合漿體於不同pH值下之總屈服應力及平衡屈服應力
3 4 5 6 7 8
Total viscosity μt Balance viscosity μΒ
圖4.14 硝酸混合漿體於不同pH值下之總黏滯度及平衡黏滯度
0 40 80 120 160
Sheared time (s)
0
0 4 8 12 16 20
Shear rate (1/s)
0 30 60 90 120 150 180
Shear stress (Pa)
Time = 5s (pH=4) Time = 5s (pH=7) Time = 200s (pH=4) Time = 200s (pH=7)
圖4.17 硝酸混合漿體(pH=4和7)於不同受剪時間下之固定受剪時間流型曲線
4.4 細泥漿體時變性流變特性之探討
4.4 細泥漿體時變性流變特性之探討