塑料板電極和鋼管電極電滲試驗(yàn)性能對(duì)比研究

高成躍，龔明星，王檔良

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引言

自俄國(guó)學(xué)者Reuss 于1809 年發(fā)現(xiàn)電滲現(xiàn)象后，人類對(duì)電滲研究已進(jìn)行了 200 多年；1939 年 L.Casagrand[1]首次將電滲排水法應(yīng)用到鐵路挖方工程后，電滲逐漸應(yīng)用到實(shí)際工程；隨著M.I.Esrig[2]1968 年電滲一維固結(jié)理論的首次提出，人們開始了對(duì)電滲的理論研究；Wan 等[3]提出了堆載-電滲聯(lián)合作用下的電滲固結(jié)理論；Lewis[4]考慮了電流變化并在Esrig 一維固結(jié)理論基礎(chǔ)上做了修正；近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)電滲理論也做了大量的研究，申矯健，羅嗣海[5]等提出了成層軟粘土一維固結(jié)理論；蘇金強(qiáng)和王釗[6]在Esrig 的電滲一維固結(jié)理論的基礎(chǔ)上提出了電滲二維固結(jié)理論，就陰極排水，陽(yáng)極不排水；陰極不排水，陽(yáng)極排水；陰極排水，陽(yáng)極排水三種情況進(jìn)行了二維固結(jié)理論的解析，進(jìn)一步細(xì)化了不同邊界條件的電滲固結(jié)理論；莊燕峰，王釗[7-8]等又分別從不同角度推導(dǎo)了電滲的電荷累積理論、電滲的能級(jí)梯度理論等理論，使電滲理論體系進(jìn)一步豐富。

影響電滲排水的因素有多種，電壓，土類型，電極材料，電極布置位置等都是決定電滲效果的關(guān)鍵因素，其中電極材料直接決定著電滲的周期，能耗和工程材料成本，國(guó)內(nèi)對(duì)電滲的電極材料研究較少。陶艷麗等[9]對(duì)鐵和銅電極的電滲效果進(jìn)行了研究，結(jié)果表明鐵電極的排水效果更好，其他學(xué)者也對(duì)電極材料進(jìn)行了少量的研究，但大都集中在金屬電極方面。無(wú)論何種金屬材料作為電極，都存在電腐蝕現(xiàn)象，只不過(guò)電腐蝕快與慢的問(wèn)題，惰性材料如Ti、Pt 等耐電腐蝕能力強(qiáng)，但材料造價(jià)高，工程中應(yīng)用性較低；工程中常用鐵電極作為電滲的電極材料，但鐵電極極易電腐蝕破壞，大面積的電滲排水工程，電滲周期往往數(shù)十天，電腐蝕嚴(yán)重影響了施工成本。塑料板電極具有價(jià)格低廉，無(wú)腐蝕的特點(diǎn)，能否用塑料板電極代替鋼電極作為電滲材料，兩電極電滲性能有何差異，本試驗(yàn)對(duì)塑料板電極和鋼管電極的電滲對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行了描述，從電流、排水、含水量、排水量、系統(tǒng)穩(wěn)定性及電腐蝕情況、沉降、能耗六方面對(duì)比分析了兩種電極的電滲效果。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主體裝置為兩個(gè)長(zhǎng)×寬×高為 500 mm× 300 mm×300 mm 的塑料槽，直流電源箱(0～80 V)，手握式電流計(jì)（0.01 A），抽水筒，量筒，溫度計(jì)，塑料板電極和鋼管電極。電滲系統(tǒng)布局如圖1 所示；塑料板電極結(jié)構(gòu)如圖2（a），中間與導(dǎo)線相連的為兩根內(nèi)嵌銅絲的電線，電線兩側(cè)由板狀塑料固定形成塑料板電極。鋼管電極如圖2（b），為Φ20 的鋼管，鋼管外為沿鋼管長(zhǎng)度方向環(huán)繞的導(dǎo)線，共同構(gòu)成鋼管電極。

圖1 電滲系統(tǒng)布局圖 Fig.1 Electro-osmosis system layout

圖2 塑料板電極和鋼管電極結(jié)構(gòu)圖 Fig. 2 Structure diagram of the plastic plate electrode and steel tube electrode

表1 土的物理指標(biāo) Table 1 The physical indexes of soil

1.2 試驗(yàn)步驟

（1）取適當(dāng)天然粘土，加水用手持?jǐn)嚢铏C(jī)攪拌均勻至流動(dòng)狀態(tài)，取土樣測(cè)含水量。

（2）將土倒入塑料槽中，土高度控制為260 mm，陰極附近均設(shè)置寬40 mm 排水溝。

（3）安裝電極，連接導(dǎo)線，用防水膠布纏繞固定導(dǎo)線和電極連接處，導(dǎo)線并聯(lián)。

（4）打開電源，調(diào)節(jié)電壓為70 V，記錄電滲開始時(shí)間。

（5）每1 h 測(cè)一次電流；每2 h 測(cè)一次排水量，并測(cè)量土的溫度；每4 h 分別在A、B 陽(yáng)極附近取土樣，測(cè)土樣的含水量，含水量取圖1 中九測(cè)量點(diǎn)的平均值；每6 h 測(cè)一次沉降量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

A 代表塑料板電極，B 代表鋼管電極。

2.1 電流

A 和B 電流變化情況如圖3 所示，B 在0～4 h電流上升，由2.7 A 上升至4.2 A，4～10 h 電流穩(wěn)中有降，10～14 h 電流急劇下降，14 h 后趨于穩(wěn)定；A在0～3 h 電流小幅度上升，3～10 h 電流下降，10～14 h電流上升，14 h 后電流趨于穩(wěn)定?？傮w來(lái)看，鋼管電極平均電流遠(yuǎn)高于塑料板電極，但兩者14 h 后均穩(wěn)定在1.0 A 附近。

圖3 電流變化曲線 Fig. 3 Curves of current variation

2.2 排水

A、B 排水量隨時(shí)間變化情況如圖4 所示，B的排水主要集中在0～14 h，該時(shí)間段累計(jì)排水量為2212 ml，14～20 h 排水量為113 ml，說(shuō)明B 在14 h 后電滲排水已經(jīng)比較困難。A 的平均排水速率小于B，但14 h 后排水速率超過(guò)B，說(shuō)明A 后期排水能力超過(guò) B。A，B 在 20 h 最終排水分別為1059 ml 和2325 ml，20 h 內(nèi)B 的累計(jì)排水量為A的2.19 倍。

圖4 排水量變化曲線 Fig. 4 Curves of drainage volume variation

2.3 含水量

A 和B 含水量變化情況如圖5 所示，0～16 h，B 含水量從58.22%降至35.79%，而16～20 h 僅從35.79%下降到35.38%，表明B 經(jīng)過(guò)16 h 后，再繼續(xù)通過(guò)電滲排水，對(duì)含水率下降影響已經(jīng)非常微弱；A 含水量下降速率變化不大，0～20 h，A 從58.22%下降至44.85%。A 與B 的最終含水率分別為44.85%和35.38%, B 較A 偏低9.47%。A 和B 電滲效果見圖6。

圖5 含水量變化曲線 Fig. 5 Curves of moisture content variation

2.4 導(dǎo)線燒壞及鋼管腐蝕情況

電滲過(guò)程中，A 觀察到1 次導(dǎo)線燒壞情況，B觀察到11 次導(dǎo)線燒壞情況，說(shuō)明B 電滲系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如A 系統(tǒng)穩(wěn)定；電腐蝕現(xiàn)象如圖7 所示，B 電極 在電滲后觀察到大量紅褐色Fe3O4，鋼管電極管壁明顯變薄，稍微用力即能折彎，說(shuō)明鋼管電極在電滲過(guò)程中電腐蝕情況嚴(yán)重。

圖6 A、B 電滲試驗(yàn)后排水效果 Fig. 6 Drainage effect after the A, B electro-osmotic experiment

圖7 鋼管腐蝕現(xiàn)象 Fig. 7 Steel tube electrode corrosion phenomenon

2.5 沉降

A、B 沉降變化情況如圖8 所示。B 的沉降主要集中在0～12 h，說(shuō)明土孔隙中的自由水在該時(shí)間段內(nèi)已幾乎全部排出，土在自重應(yīng)力下因孔隙水排出的固結(jié)已基本結(jié)束，后期排水主要為結(jié)合水和少部分自由水。而A 的沉降速率比較接近，說(shuō)明A在20 h 內(nèi)一直在排出自由水，電滲結(jié)束時(shí)孔隙水仍未完全排出。A，B 在20 h 的最終沉降量分別為29 mm 和40 mm。

圖8 沉降變化曲線 Fig. 8 Curves of settlement variation

2.6 能耗

為探究?jī)呻姌O的電滲能耗效率，引入能耗系數(shù)C[10-11]，即每排出1 mL 水需要消耗的電能：

式中：U 是電源電壓（V），12I 為t1到t2時(shí)間內(nèi)土中的平均電流（A），V1,V2分別為土在t1到t2時(shí)間內(nèi)排出水的累計(jì)體積（mL）；1t ,2t 均為通電時(shí)刻。

圖9 能耗系數(shù)變化曲線 Fig. 9 Curves of The coefficient of energy consumption variation

電滲能耗系數(shù)變化情況如圖9 所示，2～16 h B能耗系數(shù)在1.5 W·mL-1上下起伏變化，16 h 后能耗 系數(shù)迅速增大，結(jié)合圖4 的排水變化曲線，B 在14 h后電滲排水速率明顯下降，說(shuō)明B 在16 h 后繼續(xù)電滲排水已經(jīng)極不經(jīng)濟(jì)，不宜繼續(xù)通過(guò)電滲作用排水；A 平均能耗系數(shù)小于B，2～20 h 在1 W·mL-1附近起伏變化，未出現(xiàn)能耗系數(shù)急劇增大的情況，即A 未到達(dá)能耗急劇升高的轉(zhuǎn)擇點(diǎn)，說(shuō)明A 能在低能耗下耗電滲排水更長(zhǎng)時(shí)間。

3 討論

0～4 h, A 和B 電流變化趨勢(shì)存在差異，B 從2.7A左右提高到4.3A 左右，而A 電流未顯著增大。以往的研究文獻(xiàn)中電滲初期電流并無(wú)明顯增大這一階段，根據(jù)莊燕峰[8]的電滲能級(jí)梯度理論，電流與時(shí)間關(guān)系的表達(dá)式為：

式中：0I 為初始電流，∞I 為最終穩(wěn)定電流,VT 為時(shí)間因數(shù)。

理想狀態(tài)下，電流與時(shí)間成負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與本試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果存在出入，故對(duì)其進(jìn)行討論。

以往文獻(xiàn)中[8-9,12-13]，電滲電流通?？刂圃趲资涟不驇装俸涟玻@樣電流條件下，土體散失的熱量足以抵消電流產(chǎn)生的全部熱量或大部分的熱量，不存在較大的升溫。本試驗(yàn)中，鋼管電極電滲初期電流達(dá)到2.7A，土體溫度明顯升高，因此筆者認(rèn)為鋼管電極電流0～4 h 的增長(zhǎng)是由大電流下土體溫度升高引起的。

為排除試驗(yàn)隨機(jī)誤差的影響，做了一組附加試驗(yàn)，記為加A、加B，電流和溫度變化情況分別如圖10 和圖11。

圖10 電流變化曲線 Fig. 10 Curves of current variation

圖11 溫度變化曲線 Fig.11 Curves of temperature variation

結(jié)合圖10 和圖11，B 和加B 電滲初期電流變化趨勢(shì)大致相同，0～4 h 溫度分別從13 ℃增加到52 ℃和42 ℃，隨著溫度的急劇增加，電流都出現(xiàn)了較大幅度的提高，說(shuō)明這一現(xiàn)象并非偶然。A 在0～4 h 溫度從13 ℃升高到35 ℃，電流有一小幅提高，加A 在0～4 h 溫度從13 ℃升高到27 ℃，電流并未提高，說(shuō)明溫度對(duì)電流有較大影響，且溫度對(duì)電流的作用存在臨界值，只有當(dāng)溫度超過(guò)臨界值時(shí)，才能促進(jìn)電流的增長(zhǎng)?？赡艿脑蚴牵阂环矫鏈囟壬咴黾恿送林袠O性水分子的活性，對(duì)電流表現(xiàn)為促進(jìn)作用；另一方面隨著電滲排水的持續(xù)，土中極性水分子數(shù)量減少，對(duì)電流表現(xiàn)為抑制作用，只有當(dāng)溫度升高到一定程度，溫度對(duì)電流的促進(jìn)作用才能抵消排水對(duì)電流的抑制作用，促進(jìn)電流的增長(zhǎng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩種不同電極電滲試驗(yàn)的排水量，含水量，電腐蝕與穩(wěn)定性，沉降量，能耗六方面的分析，得出了以下結(jié)論。

（1）同電壓下，鋼管電極比塑料板電極能更快的排出孔隙水，更快的完成絕大部分沉降。

（2）塑料板電極電滲系統(tǒng)比鋼管電極電滲系統(tǒng)穩(wěn)定。

（3）鋼管電極電滲耗能比塑料板電極高，16 h后能耗系數(shù)急劇升高，電滲排水很不經(jīng)濟(jì)；塑料板電極排水能耗更低、低能耗下排水時(shí)間更長(zhǎng)。

（4）本文對(duì)以往文獻(xiàn)很少涉及的溫度對(duì)電滲的影響作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)電滲電流有較大的影響，但溫度對(duì)電流的促進(jìn)作用存在臨界值，只有當(dāng)溫度超過(guò)臨界值時(shí)，才能促進(jìn)電流的增長(zhǎng)。 現(xiàn)場(chǎng)電滲施工中若采用塑料板電極代替鋼管電極，能降低電極材料成本和電滲過(guò)程的耗電量，減少因電滲系統(tǒng)不穩(wěn)定而產(chǎn)生的系統(tǒng)維護(hù)工作量，但施工工期會(huì)延長(zhǎng)。