电渗的矿物学机理及电渗吸力和能耗问题研究

通过不同电极、不同粘土的电渗试验，进一步探明了电渗的矿物学机理，研究表明，电渗的效果取决于土体中可运移离子的迁移能力，而非取决于吸力引起的反向水力梯度和电势梯度作用的平衡，因此提高电渗排水固结效果应该从维持土体中离子的运移能力着手。 本项目研究把EKG材料从概念变成现实，是电渗排水固结领域的重大进展。EKG材料同时解决了之前一直困扰电渗法的两大问题——电极腐蚀和电渗能耗过高的问题，激起了国内对电渗研究的极大热情。 电渗能级梯度理论，以土体能级密度代替吸力，构建了全新的排水固结理论框架，并为电渗理论研究提供了新的视角。基于电渗能级梯度理论，提出了电渗排水固结的设计方法，该方法弥补了传统Esrig理论无法给出电学设计参数的不足。 研发的EKG材料、建立的电渗能级梯度理论、提出的电渗排水固结设计方法，通过现场试验得到了验证。现场试验场地面积为19m×15m，淤泥吹填深度为5.8m，经过36 天的电渗排水固结，含水量从62%降低到36%，承载力从0提高到70kPa，取得了良好的效果。 随着本项目研究的推进，目前电渗法面临的新的挑战包括：1）大面积应用时需要很大功率的电源；2）电势沿深度方向损失，5m以上吹填淤泥的排水固结仍然是个挑战；3）EKG材料的成本很高。这些新的挑战是下一步研究的重点。 2100433B

在污泥处理、尾矿治理、软土固结等工程中，常需要加速排水固结。传统的堆载预压、真空预压等技术难以满足工程的需要，而对低水力渗透性细颗粒介质排水固结具有 明显优势的电渗法，因电极腐蚀和能耗问题，在工程中的应用受到了很大的限制。开展电渗机理的研究，具有明确的工程应用背景和重要的学术价值。.本项目拟采用三种代表性单组分矿物及其组合，以及添加有机质的人工混合土进行电渗试验，将粘土矿物学与岩土力学相结合，探明电渗的矿物学机理。结合土体矿物特性、吸力和电渗能耗三方面的试验研究，建立以土体能级密度为主要参数的电渗本构模型，使其既适用于非饱和土又可不必量测复杂的吸力参数。通过软粘土地基排水固结和淤泥堆填排水固结电渗模型试验，对该本构模型进行试验验证。.通过本项目的研究，将进一步探明电渗的微观机理，并为电渗工程领域研制新型防腐电极材料- - 电动土工合成材料、降低电渗能耗以及电渗排水设计提供理论依据。

本项目从微观和宏观两个层次对电渗机理进行了研究，通过电流和能量将微观和宏观联系起来，建立了可用于指导工程实践的电渗设计理论，并进行了现场试验验证。 微观层次的电渗机理研究主要包括电渗的离子运移、矿物学机理分析、土体的导电特性及水分迁移机理研究。研究结果表明，电渗的离子迁移和累积使得土体显示出介于电阻和电容之间的导电特性，该机理对电渗电源设计具有重要意义；电渗离子运移及水分迁移在土体表面大于土体深部，该机理指导提出了分级式的深层土体电渗排水固结方法；电渗引起的zeta电位及层间离子的变化可使土体膨胀性减弱，为电渗法治理膨胀土提供了理论依据。 宏观层次的电渗机理研究主要是电渗的能级梯度理论研究，提出了电渗排水固结设计的理论和方法，并对能级梯度理论的参数模型尺寸效应进行了研究，给出了参数的确定方法及取值范围。通过三个现场试验，对上述理论研究中提出的分级式电渗排水固结方法、分布式电源设计、轮询通电方法、电渗离子运移、电渗设计理论以及参数模型尺寸效应等问题进行了试验验证。 本项目研究成果拓展并活跃了电渗领域的科学及应用研究，极大提高了电渗法实际工程应用的可能性，研究成果将在岩土和环境领域得到应用，目前研究成果的应用已处于现场中试阶段。本项目研究成果也为电渗领域的理论研究拓展了更多的方向，例如：土体的导电特性、EKG材料电极特性、电渗电源设计理论和方法、电动方法土体改性等。 2100433B

电渗加固机理要从土的微观结构说起。土是固—液—气三相分散系。土的固相即土颗粒，其表面通常带有负电荷，在外加电场作用下，向电势高处运动，此现象称为电泳；土的液相即土中水，它极易和被溶解的物质如水中的阳离子结合成水化阳离子，在外加电场作用下，向电势低处运动，此现象称为电渗。土中水分为结合水和自由水。自由水是指在双电层影响以外的水，排水固结法排出的的水是自由水。结合水是受双电层影响， 吸附于土粒表面的水，可分为强结合水和弱结合水。强结合水很难排出， 但其性质已接近固体，因此不对土体加固产生影响；弱结合水因为受土粒静电场的影响，一般的排水固结法很难将其排出，但在外加直流电场的作用下，部分弱结合水可以摆脱静电场的束缚被排出，这是电渗力的优势所在，即电渗不仅可以排出自由水，还可以排出弱结合水。

针对现今电渗力所存在的若干问题，许多学者进行了相关的研究。主要分为两个方面：一是改变电渗条件，二是加入其它物质。

电渗力改变电渗条件

针对传统电渗固结理论与实际工程相差较大的问题， 2010 年胡黎明根据相关理论综合考虑了位移场、渗流场和电场的多场耦合作用下建立了电渗固结过程多场耦合控制方程，开发了有限元软件，并与理论结果进行对比分析，试验结果比较吻合。电渗加固过程中，前期加固效果显著，随着土体中水的排出，土体电阻增大，电渗加固效果越来越小，为解决这个问题，2014 年刘飞禹采用阳极跟进的技术进行电渗试验，发现阳极跟进办法能够降低阳极区的电阻，提高了电渗加固效果，且第 1 次阳极跟进作用效果最明显。阳极跟进技术能够在一定程度上提高电渗加固效果，但对实际工程的环境条件要求较高，不易操作，如何才能应用于实际工程，还要继续探索。大连理工大学的万勇等人以海相淤泥为试验对象，研究电势梯度对电渗效果的影响，发现高电势梯度电渗加固效果较好，但电渗耗能增加，电极腐蚀严重。刘飞禹等人则采用逐级增加电压的方式进行电渗试验，试验表明合理的逐级增加电压能够降低电能消耗，提高电渗排水效率。

电渗力加入其它物质

电渗后期土体开裂，电阻增大，导致电渗耗能增加，增大了工程成本。宋忠强和闫雪梅等人 对电渗过程中形成的裂缝采用活性炭进行处理，提高了土体的排水量，减轻了电极的腐蚀程度，这也为提高电渗效率提供了一种新的思路。李聪等人将纳米蒙脱土拌入土体中进行电渗试验， 结果发现纳米蒙脱土可以提高土体抗剪强度， 但不利于土中水的排出，可能是由于蒙脱土遇水膨胀，堵塞了土中的排水孔道。拌入纳米蒙脱土的方式难以应用于实际工程，其可行性需要进一步的研究。另一方面，电场驱动纳米材料修复混凝土的报道对岩土工程很有启发意义，由于土体和混凝土一样都是多相多孔介质，如果往土体中注入带电的纳米材料，应该可以降低土体电阻，增大电流，加快土中水的排出速率。 2100433B