電滲力電滲力加固機(jī)理

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(chǎng)作用下，向電勢(shì)高處運(yùn)動(dòng)，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(yáng)離子結(jié)合成水化陽(yáng)離子，在外加電場(chǎng)作用下，向電勢(shì)低處運(yùn)動(dòng)，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(duì)土體加固產(chǎn)生影響；弱結(jié)合水因?yàn)槭芡亮ｌo電場(chǎng)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(chǎng)的作用下，部分弱結(jié)合水可以擺脫靜電場(chǎng)的束縛被排出，這是電滲力的優(yōu)勢(shì)所在，即電滲不僅可以排出自由水，還可以排出弱結(jié)合水。

電滲力是一種利用電能對(duì)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(guó)學(xué)者 Reuss 的研究工作，后來各國(guó)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(duì)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(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，對(duì)電滲力的研究是以室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究為主，而現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用卻不多見。隨著我國(guó)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(shí)，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(duì)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(jià)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(dòng)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(dòng)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(guó)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(yàn)發(fā)現(xiàn)：高電壓下土體排水量大于低電壓，用時(shí)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(huì)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(shì)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(cuò)位、1根陰極多根陽(yáng)極等)及是否與其他工法結(jié)合等因素有關(guān)。

針對(duì)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(gè)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(duì)傳統(tǒng)電滲固結(jié)理論與實(shí)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(chǎng)、滲流場(chǎng)和電場(chǎng)的多場(chǎng)耦合作用下建立了電滲固結(jié)過程多場(chǎng)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(duì)比分析，試驗(yàn)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(gè)問題，2014 年劉飛禹采用陽(yáng)極跟進(jìn)的技術(shù)進(jìn)行電滲試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極跟進(jìn)辦法能夠降低陽(yáng)極區(qū)的電阻，提高了電滲加固效果，且第 1 次陽(yáng)極跟進(jìn)作用效果最明顯。陽(yáng)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(duì)實(shí)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(shí)際工程，還要繼續(xù)探索。大連理工大學(xué)的萬(wàn)勇等人以海相淤泥為試驗(yàn)對(duì)象，研究電勢(shì)梯度對(duì)電滲效果的影響，發(fā)現(xiàn)高電勢(shì)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(jí)增加電壓的方式進(jìn)行電滲試驗(yàn)，試驗(yàn)表明合理的逐級(jí)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(duì)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(yàn)， 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(shí)際工程，其可行性需要進(jìn)一步的研究。另一方面，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)納米材料修復(fù)混凝土的報(bào)道對(duì)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

通過不同電極、不同粘土的電滲試驗(yàn)，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(shì)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(xiàng)目研究把EKG材料從概念變成現(xiàn)實(shí)，是電滲排水固結(jié)領(lǐng)域的重大進(jìn)展。EKG材料同時(shí)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(guó)內(nèi)對(duì)電滲研究的極大熱情。 電滲能級(jí)梯度理論，以土體能級(jí)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(jí)梯度理論，提出了電滲排水固結(jié)的設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)的不足。 研發(fā)的EKG材料、建立的電滲能級(jí)梯度理論、提出的電滲排水固結(jié)設(shè)計(jì)方法，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了驗(yàn)證?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)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(xiàng)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(shí)需要很大功率的電源；2）電勢(shì)沿深度方向損失，5m以上吹填淤泥的排水固結(jié)仍然是個(gè)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(duì)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(shì)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(jià)值。.本項(xiàng)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(yàn)，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(yàn)研究，建立以土體能級(jí)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(cè)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(yàn)，對(duì)該本構(gòu)模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。.通過本項(xiàng)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(dòng)土工合成材料、降低電滲能耗以及電滲排水設(shè)計(jì)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(chǎng)作用下，以電位差為推動(dòng)力，利用離子交換膜的選擇透過性(即陽(yáng)膜只允許陽(yáng)離子透過，陰膜只允許陰離子透過)，使水中陰、陽(yáng)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(shí)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(duì)原水含鹽量變化適應(yīng)性強(qiáng);操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化;設(shè)備緊湊耐用，預(yù)處理簡(jiǎn)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?yàn)樗母叻蛛x效率，它可以與傳統(tǒng)的色譜分離方法相媲美。