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电渗处理对原状软敏感黏土收缩特性与持水性能的影响机制研究
【字体： 大 中 小 】 时间：2025年08月05日 来源：Soil Science Society of America Journal 2.4
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这篇研究通过实验室电渗脱水实验（10-30 V），揭示了电渗处理对芬兰原状软黏土水力特性、固结潜力及微观结构的显著影响。研究发现电渗使脱水速率提升102倍并产生22%沉降，同时pH梯度导致阴阳极分别出现黏土颗粒絮凝（阳极emin降低5%）和分散（阴极emin增加35%），显著改变收缩极限（SL）和进气值（AEV）。FTIR证实Si-O基团在阳极降解（27%）与阴极富集（70%），为电渗技术现场应用提供了关键理论基础。
电渗处理对原状软敏感黏土的变革性影响
材料与方法
研究采用芬兰Ossinlampi地区1.5-2.2m深度获取的原状黏土（含水率71%，灵敏度10），通过改造的固结仪进行10/20/30V直流电渗实验。创新性设计了带穿孔电极的三段式塑料固结腔体，配合硅酮润滑减少侧壁摩擦。测试涵盖电流监测、排水速率、沉降记录，后续分割样品进行pH测定、收缩曲线（Fredlund模型拟合）和持水曲线（van Genuchten模型拟合）分析，辅以FTIR和SEM表征。
关键发现
电渗动力学特性
电流演变呈现典型三阶段：初始电解反应引发峰值（30V达138mA），随后因孔隙水排出电阻增大而衰减。30V组出现二次电流峰，推测与未扰动样品中气泡阻隔有关。电渗渗透系数（Ke）在30V达到7.5×10-8 m2/V·s峰值，排水速度较传统预压法提升两个数量级。值得注意的是，20V阴极样品出现9%初始饱和度缺口，揭示天然黏土的气泡异质性。
微观结构重构
pH梯度引发显著电极效应：阴极区（pH>10）形成分散结构，30V处理使emin激增35%；而阳极区（pH<4）通过DLVO理论预测的粒子絮凝使emin降低5%。SEM显示30V阳极黏土呈现致密面-面排列，阴极则保留2μm级片层间隙。FTIR热图量化显示阴极区Si-O基团富集达70%，阳极区降解27%，证实电化学驱动的矿物重组。
水文特性演变
收缩曲线显示30V阳极样品SL降低最显著（酸环境削弱结合水膜），而20V阴极因初始不饱和呈现异常。持水曲线表明阴极区AEV降低34%（微孔隙增加），30V阳极却因絮凝结构使AEV提升43%。但脱饱和参数n保持1.94-2.21稳定范围，暗示电渗主要改变孔隙入口特性而非排水速率。
工程启示
电极腐蚀数据显示30V阳极质量损失达1.6%，建议现场采用间歇供电延长电极寿命。20V电压展现特殊平衡态：既能维持较高Ke（5.5×10-8 m2/V·s），又避免30V的极端pH分化。值得注意的是，30V处理的沉降量（22%）等效于100kPa机械预压，但能耗需结合芬兰0.08�/kWh电价评估经济性。
未来方向
建议探索：①极性反转减缓电极损耗；②纳米涂层电极抗酸腐蚀；③基于XRF元素谱（SiO2占52.79%）的矿物响应模型；④现场尺度气泡效应监测技术。这些发现为北欧高有机质黏土（本样有机含量0.78%）的绿色加固提供了全新解决方案。
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