電滲的礦物學機理及電滲吸力和能耗問題研究

通過不同電極、不同粘土的電滲試驗，進一步探明了電滲的礦物學機理，研究表明，電滲的效果取決于土體中可運移離子的遷移能力，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。基于電滲能級梯度理論，提出了電滲排水固結(jié)的設(shè)計方法，該方法彌補了傳統(tǒng)Esrig理論無法給出電學設(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，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。 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)的堆載預壓、真空預壓等技術(shù)難以滿足工程的需要，而對低水力滲透性細顆粒介質(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。開展電滲機理的研究，具有明確的工程應(yīng)用背景和重要的學術(shù)價值。.本項目擬采用三種代表性單組分礦物及其組合，以及添加有機質(zhì)的人工混合土進行電滲試驗，將粘土礦物學與巖土力學相結(jié)合，探明電滲的礦物學機理。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)模型進行試驗驗證。.通過本項目的研究，將進一步探明電滲的微觀機理，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)。

本項目從微觀和宏觀兩個層次對電滲機理進行了研究，通過電流和能量將微觀和宏觀聯(lián)系起來，建立了可用于指導工程實踐的電滲設(shè)計理論，并進行了現(xiàn)場試驗驗證。 微觀層次的電滲機理研究主要包括電滲的離子運移、礦物學機理分析、土體的導電特性及水分遷移機理研究。研究結(jié)果表明，電滲的離子遷移和累積使得土體顯示出介于電阻和電容之間的導電特性，該機理對電滲電源設(shè)計具有重要意義；電滲離子運移及水分遷移在土體表面大于土體深部，該機理指導提出了分級式的深層土體電滲排水固結(jié)方法；電滲引起的zeta電位及層間離子的變化可使土體膨脹性減弱，為電滲法治理膨脹土提供了理論依據(jù)。 宏觀層次的電滲機理研究主要是電滲的能級梯度理論研究，提出了電滲排水固結(jié)設(shè)計的理論和方法，并對能級梯度理論的參數(shù)模型尺寸效應(yīng)進行了研究，給出了參數(shù)的確定方法及取值范圍。通過三個現(xiàn)場試驗，對上述理論研究中提出的分級式電滲排水固結(jié)方法、分布式電源設(shè)計、輪詢通電方法、電滲離子運移、電滲設(shè)計理論以及參數(shù)模型尺寸效應(yīng)等問題進行了試驗驗證。 本項目研究成果拓展并活躍了電滲領(lǐng)域的科學及應(yīng)用研究，極大提高了電滲法實際工程應(yīng)用的可能性，研究成果將在巖土和環(huán)境領(lǐng)域得到應(yīng)用，目前研究成果的應(yīng)用已處于現(xiàn)場中試階段。本項目研究成果也為電滲領(lǐng)域的理論研究拓展了更多的方向，例如：土體的導電特性、EKG材料電極特性、電滲電源設(shè)計理論和方法、電動方法土體改性等。 2100433B

電滲加固機理要從土的微觀結(jié)構(gòu)說起。土是固—液—氣三相分散系。土的固相即土顆粒，其表面通常帶有負電荷，在外加電場作用下，向電勢高處運動，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，可分為強結(jié)合水和弱結(jié)合水。強結(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，許多學者進行了相關(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的技術(shù)進行電滲試驗，發(fā)現(xiàn)陽極跟進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 次陽極跟進作用效果最明顯。陽極跟進技術(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，電極腐蝕嚴重。劉飛禹等人則采用逐級增加電壓的方式進行電滲試驗，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，導致電滲耗能增加，增大了工程成本。宋忠強和閆雪梅等人 對電滲過程中形成的裂縫采用活性炭進行處理，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，其可行性需要進一步的研究。另一方面，電場驅(qū)動納米材料修復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