電滲力

電滲加固機(jī)理要從土的微觀結(jié)構(gòu)說起。土是固—液—?dú)馊喾稚⑾?。土的固相即土顆粒，其表面通常帶有負(fù)電荷，在外加電場作用下，向電勢高處運(yùn)動，此現(xiàn)象稱為電泳；土的液相即土中水，它極易和被溶解的物質(zhì)如水中的陽離子結(jié)合成水化陽離子，在外加電場作用下，向電勢低處運(yùn)動，此現(xiàn)象稱為電滲。土中水分為結(jié)合水和自由水。自由水是指在雙電層影響以外的水，排水固結(jié)法排出的的水是自由水。結(jié)合水是受雙電層影響， 吸附于土粒表面的水，可分為強(qiáng)結(jié)合水和弱結(jié)合水。強(qiáng)結(jié)合水很難排出， 但其性質(zhì)已接近固體，因此不對土體加固產(chǎn)生影響；弱結(jié)合水因為受土粒靜電場的影響，一般的排水固結(jié)法很難將其排出，但在外加直流電場的作用下，部分弱結(jié)合水可以擺脫靜電場的束縛被排出，這是電滲力的優(yōu)勢所在，即電滲不僅可以排出自由水，還可以排出弱結(jié)合水。

針對現(xiàn)今電滲力所存在的若干問題，許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究。主要分為兩個方面：一是改變電滲條件，二是加入其它物質(zhì)。

電滲力改變電滲條件

針對傳統(tǒng)電滲固結(jié)理論與實際工程相差較大的問題， 2010 年胡黎明根據(jù)相關(guān)理論綜合考慮了位移場、滲流場和電場的多場耦合作用下建立了電滲固結(jié)過程多場耦合控制方程，開發(fā)了有限元軟件，并與理論結(jié)果進(jìn)行對比分析，試驗結(jié)果比較吻合。電滲加固過程中，前期加固效果顯著，隨著土體中水的排出，土體電阻增大，電滲加固效果越來越小，為解決這個問題，2014 年劉飛禹采用陽極跟進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行電滲試驗，發(fā)現(xiàn)陽極跟進(jìn)辦法能夠降低陽極區(qū)的電阻，提高了電滲加固效果，且第 1 次陽極跟進(jìn)作用效果最明顯。陽極跟進(jìn)技術(shù)能夠在一定程度上提高電滲加固效果，但對實際工程的環(huán)境條件要求較高，不易操作，如何才能應(yīng)用于實際工程，還要繼續(xù)探索。大連理工大學(xué)的萬勇等人以海相淤泥為試驗對象，研究電勢梯度對電滲效果的影響，發(fā)現(xiàn)高電勢梯度電滲加固效果較好，但電滲耗能增加，電極腐蝕嚴(yán)重。劉飛禹等人則采用逐級增加電壓的方式進(jìn)行電滲試驗，試驗表明合理的逐級增加電壓能夠降低電能消耗，提高電滲排水效率。

電滲力加入其它物質(zhì)

電滲后期土體開裂，電阻增大，導(dǎo)致電滲耗能增加，增大了工程成本。宋忠強(qiáng)和閆雪梅等人 對電滲過程中形成的裂縫采用活性炭進(jìn)行處理，提高了土體的排水量，減輕了電極的腐蝕程度，這也為提高電滲效率提供了一種新的思路。李聰?shù)热藢⒓{米蒙脫土拌入土體中進(jìn)行電滲試驗， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)納米蒙脫土可以提高土體抗剪強(qiáng)度， 但不利于土中水的排出，可能是由于蒙脫土遇水膨脹，堵塞了土中的排水孔道。拌入納米蒙脫土的方式難以應(yīng)用于實際工程，其可行性需要進(jìn)一步的研究。另一方面，電場驅(qū)動納米材料修復(fù)混凝土的報道對巖土工程很有啟發(fā)意義，由于土體和混凝土一樣都是多相多孔介質(zhì)，如果往土體中注入帶電的納米材料，應(yīng)該可以降低土體電阻，增大電流，加快土中水的排出速率。 2100433B

電滲力是一種利用電能對地基進(jìn)行加固的地基處理方法，電滲力的歷史可以追溯至 1809 俄國學(xué)者 Reuss 的研究工作，后來各國學(xué)者在其加固機(jī)理與應(yīng)用方面開展了大量的研究工作。電滲力具有加固速度快，對細(xì)顆粒、低滲透性土有良好的加固效果等優(yōu)點(diǎn)。由于電滲力需要消耗大量的電能，因此，在很長一段時間內(nèi)，對電滲力的研究是以室內(nèi)實驗研究為主，而現(xiàn)場應(yīng)用卻不多見。隨著我國港口建設(shè)的飛速發(fā)展，利用港池和航道疏浚土吹填造陸工程如雨后春筍般地不斷涌現(xiàn)。疏浚土往往具有細(xì)顆粒、高塑性、低滲透等特性，采用常規(guī)排水固結(jié)法加固這種地基時，初期效果比較顯著，但后期加固效果明顯下降，表現(xiàn)為后期沉降緩慢，加固后的強(qiáng)度值較小，加固效果并非十分理想。電滲加固效果對土顆粒大小并不敏感，而且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)水平的提高，電滲力很可能成為此類土的一種高效且造價可以承受的地基加固方法。

電滲力土體種類

由電滲加固機(jī)理可知，電滲水流速度主要由電滲系數(shù)決定，與土體顆粒大小無關(guān)，而電滲透系數(shù)受到土體礦物種類、土體中離子的含量、土體含水量及土體固液交界面的動電電位等因素的影響。不同種類的土體電滲系數(shù)也不同。

電滲力電壓梯度

1996 年shang和 Dunlap研究發(fā)現(xiàn)，電流是電滲排水固結(jié)的驅(qū)動力，單位土體界面上電流的大小直接決定了電滲加固效果的好壞。2011 年國內(nèi)焦丹和龔曉楠等人在不同初始條件及通電條件下進(jìn)行電滲試驗發(fā)現(xiàn)：高電壓下土體排水量大于低電壓，用時也比低電壓短;增大電壓可以提高電滲加固效果，電壓增高也會導(dǎo)致能耗增大、電極腐蝕嚴(yán)重等問題。如何合理地提高電壓，李瑛等在綜合考慮電滲耗能、電極腐蝕等因素，得出最佳的電勢梯度為1.25 V/cm。

電滲力電極腐蝕

隨著電滲固結(jié)的進(jìn)行，電極的腐蝕程度逐漸加重，造成電極材料腐蝕剝落，降低了電極與土體的接觸面積；再者，腐蝕生成了新的物質(zhì)附著在電極表面，形成了新的電阻層，不利于土體的電滲排水固結(jié)。除此之外，電滲加固效果還與通電方式(如間歇通電、電極反轉(zhuǎn)等)、電極材料(如銅、鐵 EKG等)、電極布置形式(如梅花形、平行錯位、1根陰極多根陽極等)及是否與其他工法結(jié)合等因素有關(guān)。

通過不同電極、不同粘土的電滲試驗，進(jìn)一步探明了電滲的礦物學(xué)機(jī)理，研究表明，電滲的效果取決于土體中可運(yùn)移離子的遷移能力，而非取決于吸力引起的反向水力梯度和電勢梯度作用的平衡，因此提高電滲排水固結(jié)效果應(yīng)該從維持土體中離子的運(yùn)移能力著手。 本項目研究把EKG材料從概念變成現(xiàn)實，是電滲排水固結(jié)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。EKG材料同時解決了之前一直困擾電滲法的兩大問題——電極腐蝕和電滲能耗過高的問題，激起了國內(nèi)對電滲研究的極大熱情。 電滲能級梯度理論，以土體能級密度代替吸力，構(gòu)建了全新的排水固結(jié)理論框架，并為電滲理論研究提供了新的視角?；陔姖B能級梯度理論，提出了電滲排水固結(jié)的設(shè)計方法，該方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)Esrig理論無法給出電學(xué)設(shè)計參數(shù)的不足。 研發(fā)的EKG材料、建立的電滲能級梯度理論、提出的電滲排水固結(jié)設(shè)計方法，通過現(xiàn)場試驗得到了驗證?，F(xiàn)場試驗場地面積為19m×15m，淤泥吹填深度為5.8m，經(jīng)過36 天的電滲排水固結(jié)，含水量從62%降低到36%，承載力從0提高到70kPa，取得了良好的效果。 隨著本項目研究的推進(jìn)，目前電滲法面臨的新的挑戰(zhàn)包括：1）大面積應(yīng)用時需要很大功率的電源；2）電勢沿深度方向損失，5m以上吹填淤泥的排水固結(jié)仍然是個挑戰(zhàn)；3）EKG材料的成本很高。這些新的挑戰(zhàn)是下一步研究的重點(diǎn)。 2100433B

在污泥處理、尾礦治理、軟土固結(jié)等工程中，常需要加速排水固結(jié)。傳統(tǒng)的堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓等技術(shù)難以滿足工程的需要，而對低水力滲透性細(xì)顆粒介質(zhì)排水固結(jié)具有 明顯優(yōu)勢的電滲法，因電極腐蝕和能耗問題，在工程中的應(yīng)用受到了很大的限制。開展電滲機(jī)理的研究，具有明確的工程應(yīng)用背景和重要的學(xué)術(shù)價值。.本項目擬采用三種代表性單組分礦物及其組合，以及添加有機(jī)質(zhì)的人工混合土進(jìn)行電滲試驗，將粘土礦物學(xué)與巖土力學(xué)相結(jié)合，探明電滲的礦物學(xué)機(jī)理。結(jié)合土體礦物特性、吸力和電滲能耗三方面的試驗研究，建立以土體能級密度為主要參數(shù)的電滲本構(gòu)模型，使其既適用于非飽和土又可不必量測復(fù)雜的吸力參數(shù)。通過軟粘土地基排水固結(jié)和淤泥堆填排水固結(jié)電滲模型試驗，對該本構(gòu)模型進(jìn)行試驗驗證。.通過本項目的研究，將進(jìn)一步探明電滲的微觀機(jī)理，并為電滲工程領(lǐng)域研制新型防腐電極材料- - 電動土工合成材料、降低電滲能耗以及電滲排水設(shè)計提供理論依據(jù)。

電滲析是膜分離技術(shù)的一種，它是在外加直流電場作用下，以電位差為推動力，利用離子交換膜的選擇透過性(即陽膜只允許陽離子透過，陰膜只允許陰離子透過)，使水中陰、陽離子作定向遷移，從而達(dá)到離子從水中分離的一種物理化學(xué)過程。用電滲析法能夠把電解質(zhì)從溶液中分離出來，從而實現(xiàn)溶液的淡化、濃縮、精制或純化的目的。

電滲析技術(shù)主要包括:倒極電滲析(EDR)、液膜電滲析(EDLM)、填充床電滲析(EDI)、雙極性膜電滲析(EDMB)、無極水電滲析和高溫電滲析等。

電滲析技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是:能量消耗低;藥劑耗量少，環(huán)境污染小;對原水含鹽量變化適應(yīng)性強(qiáng);操作簡單，易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化;設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡單;水的利用率高。電滲析也有它自身的缺點(diǎn):在運(yùn)行過程中易發(fā)生濃差化極而產(chǎn)生結(jié)垢;與反滲透相比，脫鹽率較低。

毛細(xì)電滲析以集成電 路為基礎(chǔ)的毛細(xì)電滲析，通過添加少量溶解聚合物，可明顯提高肽縮氨酸和氨基 酸的溶解與分離。毛細(xì)電滲析已成為一種應(yīng)用廣泛的分離大范圍多種類無機(jī)或有 機(jī)化合物的方法。因為它的高分離效率，它可以與傳統(tǒng)的色譜分離方法相媲美。