电极材料对电渗过程作用机理的试验研究

分别采用铁、石墨、铜和铝电极开展室内电渗试验,从宏观和微观层面对试验结果进行分析,比较电势损失和离子迁移过程对电渗效果的贡献,并基于微观机理对电渗宏观规律作出合理解释.Fe2+和Cu2+迁移能力较差,大多聚集在阳极附近无法移动,Al3+迁移能力较强,在电场作用下易运移到阴极随水排出;电极材料通过电极反应生成离子进入土壤对电渗的促进甚小,其主要作用在于通过电极腐蚀、钝化、氧化以及电极与土体部分脱离引起电势损失,这是不同电极材料电渗效果差异的根本原因,同时表明电渗排水依赖于土壤中其他离子类型;电能利用率与土体本身性质密切相关,受电极材料影响不大.该研究可进一步揭示电渗机理,为电渗法的工程应用提供指导.     

蒙脱石电渗微观机理试验研究

为了在微观上探究电渗的作用机理,以单一矿物成分的蒙脱石为电渗对象,采用自制金属电极和EKG电极,设计4组平行试验,探讨土体离子迁移、电学参数、膨胀性能等物理化学方面的变化.试验结果表明,Al~(3+)迁移能力远大于Cu~(2+)和Fe~(2+),后两者难以在电场力的作用下移动,电极反应生成的金属离子对电渗排水基本没有促进作用;电渗削弱了蒙脱石的乙二醇膨胀性,且除铜电极外,铝、铁、EKG电极下电渗对靠近阴极的土的膨胀性抑制作用更强;电渗作用降低了蒙脱石的zeta电位绝对值;铝电极下Al~(3+)的渗入严重降低了Ca~(2+)的排出量,铁电极下Fe~(3+)和Fe~(2+)的渗入束缚了阳极附近土体中Na~+的迁移;铁电极和EKG电极对土体有酸化作用,而铜电极、铝电极则不然.     

电渗作用下软土细观孔隙结构

软土细观孔隙结构变化是其宏观变形的根本原因。为了探索电渗中软土细观孔隙结构变化以及与宏观变形之间的关联机制,采用杭州软土开展电渗试验,监测了电渗中土体孔隙结构分布特征和含水量,从定性和定量两个方面对试验结果进行分析。研究发现,电渗过程中,粘土颗粒重新排列形成面面接触的片堆结构,土体孔隙比降低,孔隙空间形态变光滑,结构复杂性减弱。通过含水量计算所得孔隙比较实测孔隙比小,说明电渗排水量大于土体收缩量,这是因为,电渗本质为离子带动水分子的迁移,不能直接引起土骨架压缩。实际工程中,电渗法应与堆载、真空预压等联合使用。     

电渗模型电阻测量技术

本文对电渗模型中电阻测量方法进行了改良,提出串联法代替当前的电势测针法和夹具法,并提出了适用于测量EKG电极电阻的走线法。串联不同长度的电渗土体测量电极与土体间的接触电阻消除了电势测针法中测针与电极之间一段土体电阻值的误差影响,同时避免了电势测针插入土壤对土壤电流分布的影响;串联不同长度的电渗电极测量电极电阻率时消除了夹具法测量时夹具和电极之间接触电阻的误差影响。经试验结果表明：电势测针法所得的接触电阻与串联法得到的接触电阻比值大多在1.3~1.4之间,验证了电势测针法将测针与电极间的一段土体值计入了接触电阻造成所测得的接触电阻偏大,该值的大小取决于该段土体电阻值;串联法对于当前应用广泛的EKG电极并不适用,提出了走线法来测量EKG电极电阻率消除电极板内因嵌入铜制导线电流分布不均的影响,走线法测量结果基本不受电极长度的影响,具有良好的可靠性和稳定性,走线法测量便捷,方便应用于EKG电极生产工艺中,有比较广阔的应用前景;走线法测量EKG电极所得的电阻率与夹具法得到电阻率的比值大多在8%~10%之间,该比值主要与夹具电极板间的接触电阻相关,夹具和电极板之间的接触电阻仅取决于夹具和电极板,故可利用该比值对先前使用夹具法的测量结果进行修正,在许多室内试验和工程中均用到了EKG电极,考虑EKG电极电阻率对整个试验和工程的能耗影响时可参考电阻率比值0.08~0.1进行修正。     

电极反转对电渗加固效果的试验研究

采用自制模型箱,针对杭州软黏土进行一维电渗试验来探讨电极反转对电渗加固的影响.根据反转周期将试验分为4组：1 、5 、15 h、不反转.观察不同反转周期下电渗的特点,并与常规电渗效果进行对比,进而探讨电极反转的有效性.定期测量试验过程中的电流和排水量,计算土体电阻和界面电阻随时间的变化;并给出试验结束时的含水量、抗剪强度空间分布图.试验过程中发现,每次反转电极,电流均呈现略微上升之后又迅速降低,同时排水不会马上继续而需要等待时间,这使得电极反转组的排水效果要较常规电渗差.试验结果表明：电极反转虽然使得土体固结变形较为均匀,但是平均抗剪强度却较常规电渗差;反转周期越短,效果越差,其主要原因是电极反转会导致界面电阻急剧增大,电流降低过快,从而影响电渗效率.     

电渗模型电阻测量技术

本文对电渗模型中电阻测量方法进行了改良,提出串联法代替当前的电势测针法和夹具法,并提出适用于测量EKG电极电阻的走线法。串联不同长度的电渗土体测量电极与土体间的接触电阻,消除了电势测针法中测针与电极之间一段土体电阻值的误差影响,同时避免了电势测针插入土壤对土壤电流分布的影响;串联不同长度的电渗电极测量电极电阻率时,消除了夹具法测量时夹具和电极之间接触电阻的误差影响。结果表明:电势测针法所得的接触电阻与串联法得到的接触电阻的比值大多为1.3～1.4,验证了电势测针法将测针与电极间的一段土体值计入了接触电阻,造成测得的接触电阻偏大,故该比值的大小取决于该段土体的电阻值;串联法对于当前应用广泛的EKG电极并不适用,提出的走线法测量EKG电极电阻率能消除电极板内因嵌入铜制导线而电流分布不均的影响,测量结果基本不受电极长度的影响,具有良好的可靠性和稳定性,且测量便捷,方便应用于EKG电极生产工艺中,有比较广阔的应用前景;走线法测量EKG电极所得的电阻率与夹具法得到电阻率的比值大多为0.08～0.10,该比值主要与夹具和电极板间的接触电阻相关,该接触电阻仅取决于夹具和电极板,故可利用该比值对使用夹具法的测量结果进行修正;在许多室内试验和工程中均应用到了EKG电极,考虑EKG电极电阻率对整个试验和工程的能耗影响时,可参考电阻率比值0.08～0.10进行修正。     

生活源污染土电渗加固试验

为了研究生活源污染土的电渗加固特性,在改进的Miller Soil Box中进行生活源污染土电渗排水试验.分析含水量降低百分比、单位排水量能耗、抗剪强度、土体沉降4个参数,得出影响生活源污染土电渗排水加固效果的主次因素顺序:电源电压通电时间初始含水量CaCl2添加量电极材料.结果表明:电源电压极差最大,对生活源污染土电渗加固处理效果起到主要作用;考虑经济成本和电渗效率,通电时间不宜过长,否则能耗系数会急剧增大;CaCl2添加量越高则初始电流越大,但CaCl2含量过高反而会导致排水量减少;铁和铜电极排水效果最好,铝电极的能耗最小,石墨电极的电渗效果最差,建议在实际工作中选用铁电极.最后验证了电渗加固的最优组合及水平,并与普通土的加固效果进行对比分析.     

真空预压联合间歇电渗加固疏浚淤泥试验研究

沿海地区的疏浚工程产生了大量疏浚淤泥。为了研究疏浚淤泥的处理方法,通过室内模型试验,对温州地区的疏浚淤泥进行了分级真空预压联合间歇电渗的加固处理,并对间歇通电的时间及间歇逐级加压电渗进行了研究。试验过程中监测了真空压力、电流、排水量和土表的沉降;试验之后,对土体含水率、十字板剪切强度以及电极腐蚀质量进行了测量。试验结果表明,虽然间歇通电时间越长,土体固结效果越好,但是间歇通电时长超过24 h时,土体加固效果开始减弱;然而,电极腐蚀质量和间歇电渗的平均能耗系数却依然与间歇通电时长呈正相关。此外,分级真空预压联合间歇逐级加压电渗法相比于分级真空预压联合间歇电渗法获得了更佳的土体加固效果,并且其电极腐蚀质量和间歇电渗的平均能耗系数也显著降低。     

阳极跟进作用下软黏土电渗固结室内试验研究

在等电势梯度的前提下,针对电渗法加固软黏土地基提出了阳极跟进技术,设计了8组电渗对比试验,对不同阳极跟进方案作用下电渗试验的电流、抗剪强度、排水量、含水率、pH值和土体电导率等指标进行了监测,分析了不同方案下的电渗加固效果。试验结果表明：采用阳极跟进技术时,第1次阳极跟进作用效果最为显著;在电流密度处于高位时进行阳极跟进会在一定程度上降低电渗效率,在电流密度处于低位时进行阳极跟进能够促进电渗作用;针对阴极区土体开展阳极跟进无法获得显著的加固效果。研究结果表明,阳极跟进技术能够降低电路中的阳极区电阻,有效提高电渗加固效果。     

电渗排水法加固湖相软粘土的试验研究

采用不锈钢管、铜管和铝管3种金属材料自制不同电极,在一45 cm×45 cm×60 cm的地基加固模型箱内,施加2种电压梯度(100 V/m和200 V/m),对湖相软粘土进行了4组电渗排水固结试验。对电渗固结过程中土体的含水量、抗剪强度、沉降量等土力学参数以及电流等电学参数的分布与变化和电化学现象的监测结果表明,电渗排水法加固湖相软粘土速度快、效果好,而极性转换技术的采用使土体固结更为均匀。此外,试验中还观察到电渗的电荷累积现象。采用金属电极所获得的电渗试验成果为作者正在进行的新型电极——EKG电极材料的研制提供了非常有用的对比资料。     

电渗的能级梯度理论

从能量的角度出发,提出了土体电渗固结的能级梯度理论,并结合试验,对电渗过程中的电学问题进行较为详细的分析,给出了土体电渗过程中的电流、电势、电势差以及土体电阻率的分布和变化规律. 基于能级梯度理论,还给出了电渗流量、孔隙水压力、固结沉降以及电渗能耗的表达式,并对照传统的Esrig理论,分析和讨论了二者之间的异同点.     

碳化混凝土模拟再碱化过程锂离子的物料传递

通过检测不同条件下Li+离子在混凝土中的浓度变化和滞留量,考察了再碱化过程中物料的传递方式及其在该过程中的作用.结果表明:在电场作用下,锂离子通过电渗和电迁移由溶液向混凝土迁移;再碱化过程前期主要靠扩散实现,后期则主要由电渗和电迁移来完成.     

立体排水-电极联合体处理高含水率废弃土的试验研究

针对高含水率废弃土的自身特点,提出了一种适用于超软土加固的可回收立体排水-电极联合体,并根据立体排水-电极联合体空间布置情况,试验设计从过程中排水量、含水率与抗剪强度、沉降变化、电势分布、电流变化以及能耗情况出发,对比分析不同条件下的土体电渗固结性状,结果表明：（1）立体排水-电极联合体增加了横向排水通道之后,缩短了排水固结路径,使土体中部维持着一个较高的电势水平,相对于传统竖向电极排水量最大提高38%;（2）增加横向排水体后抗剪强度单层式与双层式联合体分别提高3.0倍和1.5倍,且土体强度更加均匀;（3）引入了统一能耗系数概念,增加横向排水体后能耗系数从0.163降低到0.154,体现了立体排水-电极联合体的优越性。     

电渗法加固地基试验及应用研究进展

对于高塑性、低渗透性的细颗粒土,常规的排水固结法加固效果不佳,电渗法具有工期短、设备安装方便等优点,相关研究逐渐兴起并得到了初步工程推广.为进一步理解电渗法加固机理并为工程设计提供参考,综述电渗法加固地基方面的研究工作,包括电渗加固机理与土体性质的关系、试验研究方法和控制因素对电渗的影响、电渗联合其他方式处理等主要成果.研究中的问题包括如何确定控制因素实施规范和准则、如何先考虑机理后设计试验以及如何强化单因素试验等.提出未来的研究方向:开发新测试技术、改进计算方法以及新材料的电渗处理.     

间歇通电联合电极移动作用下电渗法加固滩涂淤泥试验研究

基于海涂围垦形势的驱动下,针对电渗法处理滩涂淤泥地基存在沉降不均等缺陷,提出了间歇通电联合阳极移动法.为验证该法的有效性,利用自制模型开展了间歇通电联合阳极移动条件下电渗法加固滩涂淤泥室内试验研究.试验分为两个阶段,第一阶段固定通电时间,研究不同通断时间比对电渗试验的影响,同时与连续通电对比,确定最佳通断时间比;第二阶段,在最佳通断时间比下,将电极间距减半以研究靠近阴极土体的加固效果.通过研究发现:间歇通电处理后的加固效果与通断时间比密切相关;间歇通电联合电极移动可以减小两极土体沉降和抗剪强度的差异性.通过上述结论,以期对沿海地区滩涂淤泥处理提供科学依据.     

粘性土的电阻计算模型

电阻是土体电渗中的重要参数,为了对电渗现场土体电阻进行研究,提出了粘性土的电阻计算模型.电阻率是土体的基本参数,它受土体的含水率、孔隙比和饱和度等因素的影响.建立了粘土三相并联电阻率模型,并给出了电阻率的计算式,根据电阻率与电阻的关系,推导出排形电极、环形电极和六边形电极下土体电阻的计算式.室内试验结果表明,对于含水率大于25%且饱和度大于50%的杭州粘土,计算结果和实测结果较为吻合.粘性土电阻计算为实际工程中土体电阻的估算提供了一种简单便捷的方法.     

基于多级电迁的混凝土内氯离子动态控制效果

为了高效排除钢筋附近与保护层内的氯离子,预埋碳纤维网作为内置电极对氯盐环境下的混凝土试件进行多级电迁的试验,研究其除氯效果. 利用碘离子迁移特征试验对离子迁移过程作直观效果反映,评价多级电迁对离子的迁移功能. 通过设置不同层数内置电极,定量研究电迁后试件内残余氯离子质量分数与空间分布. 结合既有结构氯离子质量分数调研数据,讨论基于多级电迁的混凝土结构长寿命防护策略. 结果表明：多级电迁对氯离子控制效果更显著,三级电迁作用下保护层除氯效果分别是两级电迁和单级电迁的1.20倍与2.26倍.     

不同增压方式下电渗法加固滩涂淤泥试验研究

针对电渗法处理滩涂淤泥能耗高、后期排水效率低的问题,利用自制的试验装置进行4种不同增压方式下电渗试验.通过监测电渗过程中电流、排水量和阴极水p H,以及试验结束后检测土体的含水率和抗剪强度,研究不同的增压方式对电渗法加固滩涂淤泥效果的影响.试验结果表明:不同的增压方式明显影响电渗效果;相对于稳压输入,电源采用逐级增压可以减缓电流的衰减;合适的增压方式不仅可以降低能耗、提高后期排水速率,还可以有效地提高土体抗剪强度和降低含水率.     

复合混凝土最优配合比设计及其抗冻性能研究

为了探讨在混凝土中掺入钢渣、粉煤灰、矿渣等材料对混凝土冻融破坏的作用机理,采用宁夏地区工业废料作为混凝土的掺合料,通过正交试验及混凝土抗冻性能试验,确定出了混凝土最优配合比为A1B2C3D3E3.由宏观和微观试验结果表明:优化钢渣、粉煤灰、矿渣掺量后制备的复合混凝土强度增长显著;经100次的冻融试验,抗冻效果比基准混凝土显著.     

点状电极单元在有效电势衰减下的固结计算与试验

有效电势衰减导致电渗后期效果较差,经典电渗固结理论无法考虑有效电势变化带来的影响。针对该问题,以点状电极单元为研究模型,围绕有效电势衰减与虚量引入时的限制条件之间的矛盾关系,引入黎曼求和形式对有效电势衰减进行多态分割,保证了黎曼状态段内虚量方程的成立;考虑有效电势衰减与电渗固结在时间维度上的统一性,采用初始条件继承策略进行非稳态的迭代计算,将全时间域上的非稳态求解转化为状态段之间初始条件的更新迭代,并基于Galerkin法给出了方法的有限元形式,并利用Python进行了编程实现。同时进行了电渗模型试验用于理论方法可靠性的验证,研究表明：(1)非对称点状电极单元在电渗过程中,阳极处有效电势的变化受到渗流路径长短的影响,较远处阳极有效电势在增加,其余两处处于衰减状态;(2)多态算法下的结果能够反映出有效电势对孔压分布的影响,与经典结果相比变化主要集中在单元中部。(3)初始条件继承带来的孔压幅值突变现象,随着状态段数的增加而减小,在孔压曲线较为平滑后,继承增加状态段数量对于计算精度的提升有限。该方法实现思路简洁、清晰,更加符真实情况。