文/何靜波 何國(guó)杰

地下工程電滲透防滲防潮技術(shù)理論研究

文/何靜波 何國(guó)杰

地下工程滲漏、潮濕問題對(duì)結(jié)構(gòu)本身和室內(nèi)設(shè)施設(shè)備具有嚴(yán)重的破壞作用，傳統(tǒng)防滲防潮技術(shù)無法解決根本問題，電滲脈沖防滲防潮技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯。本文重點(diǎn)針對(duì)電滲法應(yīng)用于地下工程防滲防潮的傳質(zhì)及電滲流的機(jī)理進(jìn)行分析，建立外加電場(chǎng)作用下的滲流流速模型，并作簡(jiǎn)要理論分析。

地下工程；電滲透；防滲防潮

21世紀(jì)被普遍認(rèn)為是人類開發(fā)和利用“地下空間”的世紀(jì)。然而，地下水滲漏、空間潮濕是地下工程使用和維護(hù)管理過程中不可避免的問題，滲水銹蝕混凝土鋼筋。腐蝕機(jī)器設(shè)備，惡化空氣質(zhì)量。目前，主要防水技術(shù)有防水混凝土防水法、涂刷防水涂料法、覆蓋防水卷材法、外部排水管排水法等，地下工程防潮則主要依靠除濕機(jī)進(jìn)行空氣置換。這些方法不夠徹底、維修成本高、使用壽命短。電滲透防滲防潮技術(shù)，基于電滲原理，外加電壓產(chǎn)生電勢(shì)差，促使陽(yáng)離子帶動(dòng)水分子向陰極流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)防滲防潮的目的。在國(guó)外地下工程的應(yīng)用顯示該系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，持久有效，便于安裝，維護(hù)成本低，使用安全。

1.電滲機(jī)理

1809年，俄國(guó)科學(xué)家F.F. Reuss在實(shí)驗(yàn)中首次描述了電滲現(xiàn)象。在外加電場(chǎng)作用下，水分子能夠通過毛細(xì)管移動(dòng)。以后的研究表明，流動(dòng)最早是由多孔介質(zhì)中的陽(yáng)離子（帶正電的離子）的運(yùn)動(dòng)開始，附著周圍的水分子隨著流動(dòng)。

圖1 電滲原理示意圖

1.1 雙電層理論

雙電層模型是由Quinke首先獨(dú)立提出的，Helmholtz于1879年正式在該模型的基礎(chǔ)上給出了電滲現(xiàn)象的理論模型，后來的研究又補(bǔ)充提出了擴(kuò)散雙電層模型。電滲現(xiàn)象是基于雙電荷層原理，即同一符號(hào)的離子層被穩(wěn)固地吸附到固體表面或微粒上。整體呈電中性，而且在離子附近區(qū)域存在相同數(shù)量的相反電荷，即隨著距離的增加電性逐漸減弱，稱為擴(kuò)散層。當(dāng)固體表面和液體處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，就存在流速梯度，溶液的薄層和其上離子在墻體附近固定不動(dòng)。部分離子隨著溶液移動(dòng)，一部分（被吸附的離子）離子吸附在表面。因此，液相和墻體有不同的凈電荷而且在外部電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

圖2 Helmholtz雙電層模型

1.2 電滲傳質(zhì)機(jī)理

通過在多孔介質(zhì)中植入電極，可以產(chǎn)生電勢(shì)梯度，對(duì)多孔介質(zhì)內(nèi)孔隙自由水中離子和擴(kuò)散層中的可交換離子產(chǎn)生影響。在電滲流中，帶電粒子的移動(dòng)通過粘滯力帶動(dòng)孔隙水移動(dòng)。通常情況下，介質(zhì)顆粒所帶的凈電荷是負(fù)的，所以雙電層中所存在的凈電荷是正的。對(duì)于靜止的介質(zhì)顆粒來說，雙電層中的孔隙水流是向陰極方向的。雙電層中的水的流動(dòng)將會(huì)對(duì)孔隙中的自由水產(chǎn)生粘滯力。實(shí)際上，孔隙中液體流動(dòng)有時(shí)僅僅是由于含水離子的移動(dòng)所引起。

在持續(xù)不變的電滲流中，在正極附近發(fā)生了氧化反應(yīng)，產(chǎn)生了新的陽(yáng)離子，從正極附近溶液進(jìn)入到電滲系統(tǒng)，逐漸占據(jù)了原來陽(yáng)離子的位置。帶電離子的定向移動(dòng)，使得正極附近聚積了陰離子，負(fù)極附近聚積了陽(yáng)離子，由此而產(chǎn)生了電動(dòng)電勢(shì)，形成了電滲阻力效應(yīng)，減緩了原有電滲作用效果。

1.3 電滲流速機(jī)理

電滲流的流速依賴于雙電層中離子移動(dòng)的能力，主要受電勢(shì)梯度影響，同時(shí)也和介質(zhì)表面的相互影響程度有關(guān)。固定層離子的移動(dòng)能力隨著與介質(zhì)表層距離的增加而增加，逐漸達(dá)到一個(gè)常數(shù)。

在介質(zhì)的固定層內(nèi)離子在動(dòng)電過程中通常被認(rèn)為是不動(dòng)的。固定層離子被復(fù)雜的共價(jià)鍵和離子鍵束縛在其范圍內(nèi)部，在外部則靠著電場(chǎng)力來對(duì)離子保持著影響。在介質(zhì)當(dāng)中，微粒表面的電荷是微不足道的，離子可以通過細(xì)微的聯(lián)通孔隙移動(dòng)。因此，電傳導(dǎo)的主要影響因素有孔隙中的自由水、孔隙率、飽和度，在細(xì)粒介質(zhì)中電傳導(dǎo)性交得更加復(fù)雜。

根據(jù)歐姆定律，影響電滲作用效果的3個(gè)實(shí)質(zhì)因素是：級(jí)間電壓、級(jí)間電阻（電極電阻、介質(zhì)電阻和界面電阻）和電滲電流。介質(zhì)中電流傳導(dǎo)是一個(gè)涉及電極間氧化還原反應(yīng)的復(fù)雜過程，與雙電層中孔隙自由水移動(dòng)能力密切相關(guān)。

2.穩(wěn)態(tài)條件下單相流體電滲模型

在外加電場(chǎng)作用下，極性流體在滲流過程中要受到電動(dòng)力、粘滯力、重力、電動(dòng)阻力的共同作用。在多孔介質(zhì)的毛細(xì)管中，液體運(yùn)動(dòng)的基本方程如下：

其中：ρ為液體的密度，ρ±為正（負(fù)）離子的密度，為液體的速度，為溶液的速度，g為重力加速度，p為壓力，η為剪切粘度系數(shù)，z±為離子電荷，e0為基本電荷，m±為離子質(zhì)量，為外加電場(chǎng)強(qiáng)度，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度?？梢钥闯?，式（2）右邊由以下因素組成：重力、壓力、粘滯阻力、電動(dòng)力、溫度合力。

采用J.Kozeny建立的毛細(xì)管巖石模型，作如下假設(shè)：①滲流速度足夠小，流體流動(dòng)為線性滲流；②忽略電場(chǎng)作用引起巖石性質(zhì)變化；③流體不可壓縮；④擴(kuò)散雙電層很薄,遠(yuǎn)小于毛細(xì)管半徑；⑤無源和匯存在。此外，還要忽略流體中帶電離子之間的相互作用。由Helm holtz—Sm oluchow ski方程，單根毛細(xì)管的電滲流速ve

其中ve為電滲流速，cm/s；ε為流體的介質(zhì)常數(shù)；ζ為動(dòng)電電位，m V；μ為流體的黏度，m Pa·s；E為外加電位，V。

假設(shè)多孔介質(zhì)由n根彎曲毛細(xì)管組成，根據(jù)多孔介質(zhì)特性，式（3）表示為

其中，τ為迂曲度，φ為多孔介質(zhì)孔隙度。

根據(jù)滲流基本理論，對(duì)于各項(xiàng)同性介質(zhì)中單相流體的滲流滿足達(dá)西定律

式中vh為水力梯度作用產(chǎn)生的滲流流速；k為多孔介質(zhì)的滲透率，μm2；p為壓力。

由式（4）和（5）可得，在水力和電滲耦合作用下的耦合流速

由能量守恒原理，滲流連續(xù)性方程為

式（6）即為穩(wěn)定狀態(tài)下單相流體的水力和電滲耦合作用下的滲流模型，該微分方程可以用有限元方法進(jìn)行求解，求得模型的壓力分布及流速值，進(jìn)而可以通過數(shù)值模擬得到近似的滲流流速與壓力、電位之間的關(guān)系曲線。

3.理論分析

由式（1）和（6）可以知道，外加電場(chǎng)作用下極性流體的滲流速度除與壓力、重力、粘滯阻力有關(guān)外，還與外加電場(chǎng)的電壓和正負(fù)電極之間的間距有很大的關(guān)系。另外，外加電場(chǎng)強(qiáng)度是有方向性的，因此，流體的滲流速度與外加電場(chǎng)的方向有關(guān)。從理論的角度講，當(dāng)外加電場(chǎng)的方向與水力梯度的壓力方向一致時(shí)，滲流速度會(huì)明顯加快；當(dāng)方向相反時(shí)，滲流流速會(huì)減緩，外加電場(chǎng)作用強(qiáng)度足夠平衡或超過水力梯度時(shí)，滲流就會(huì)停止甚至反向。但在實(shí)驗(yàn)研究過程和工程實(shí)踐應(yīng)用中，還有很多因素影響其作用，如電極與土體之間的界面電阻、外加電場(chǎng)對(duì)流體粘度的影響、電極的電化學(xué)反應(yīng)形成附加電阻和電荷累積等等，通過對(duì)諸多因素影響電滲作用規(guī)律的研究，進(jìn)一步修正電滲流速方程，國(guó)內(nèi)部分學(xué)者已經(jīng)開始著手相關(guān)方面的工作。

解放軍后勤工程學(xué)院）