地下工程電滲透防滲防潮技術理論研究

文/何靜波 何國杰

地下工程電滲透防滲防潮技術理論研究

文/何靜波 何國杰

地下工程滲漏、潮濕問題對結構本身和室內設施設備具有嚴重的破壞作用，傳統防滲防潮技術無法解決根本問題，電滲脈沖防滲防潮技術優勢明顯。本文重點針對電滲法應用于地下工程防滲防潮的傳質及電滲流的機理進行分析，建立外加電場作用下的滲流流速模型，并作簡要理論分析。

地下工程；電滲透；防滲防潮

21世紀被普遍認為是人類開發和利用“地下空間”的世紀。然而，地下水滲漏、空間潮濕是地下工程使用和維護管理過程中不可避免的問題，滲水銹蝕混凝土鋼筋。腐蝕機器設備，惡化空氣質量。目前，主要防水技術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進行空氣置換。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，基于電滲原理，外加電壓產生電勢差，促使陽離子帶動水分子向陰極流動，實現防滲防潮的目的。在國外地下工程的應用顯示該系統優勢明顯，持久有效，便于安裝，維護成本低，使用安全。

1.電滲機理

1809年，俄國科學家F.F. Reuss在實驗中首次描述了電滲現象。在外加電場作用下，水分子能夠通過毛細管移動。以后的研究表明，流動最早是由多孔介質中的陽離子（帶正電的離子）的運動開始，附著周圍的水分子隨著流動。

圖1 電滲原理示意圖

1.1 雙電層理論

雙電層模型是由Quinke首先獨立提出的，Helmholtz于1879年正式在該模型的基礎上給出了電滲現象的理論模型，后來的研究又補充提出了擴散雙電層模型。電滲現象是基于雙電荷層原理，即同一符號的離子層被穩固地吸附到固體表面或微粒上。整體呈電中性，而且在離子附近區域存在相同數量的相反電荷，即隨著距離的增加電性逐漸減弱，稱為擴散層。當固體表面和液體處于相對運動的狀態，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。部分離子隨著溶液移動，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的作用下產生相對運動。

圖2 Helmholtz雙電層模型

1.2 電滲傳質機理

通過在多孔介質中植入電極，可以產生電勢梯度，對多孔介質內孔隙自由水中離子和擴散層中的可交換離子產生影響。在電滲流中，帶電粒子的移動通過粘滯力帶動孔隙水移動。通常情況下，介質顆粒所帶的凈電荷是負的，所以雙電層中所存在的凈電荷是正的。對于靜止的介質顆粒來說，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將會對孔隙中的自由水產生粘滯力。實際上，孔隙中液體流動有時僅僅是由于含水離子的移動所引起。

在持續不變的電滲流中，在正極附近發生了氧化反應，產生了新的陽離子，從正極附近溶液進入到電滲系統，逐漸占據了原來陽離子的位置。帶電離子的定向移動，使得正極附近聚積了陰離子，負極附近聚積了陽離子，由此而產生了電動電勢，形成了電滲阻力效應，減緩了原有電滲作用效果。

1.3 電滲流速機理

電滲流的流速依賴于雙電層中離子移動的能力，主要受電勢梯度影響，同時也和介質表面的相互影響程度有關。固定層離子的移動能力隨著與介質表層距離的增加而增加，逐漸達到一個常數。

在介質的固定層內離子在動電過程中通常被認為是不動的。固定層離子被復雜的共價鍵和離子鍵束縛在其范圍內部，在外部則靠著電場力來對離子保持著影響。在介質當中，微粒表面的電荷是微不足道的，離子可以通過細微的聯通孔隙移動。因此，電傳導的主要影響因素有孔隙中的自由水、孔隙率、飽和度，在細粒介質中電傳導性交得更加復雜。

根據歐姆定律，影響電滲作用效果的3個實質因素是：級間電壓、級間電阻（電極電阻、介質電阻和界面電阻）和電滲電流。介質中電流傳導是一個涉及電極間氧化還原反應的復雜過程，與雙電層中孔隙自由水移動能力密切相關。

2.穩態條件下單相流體電滲模型

在外加電場作用下，極性流體在滲流過程中要受到電動力、粘滯力、重力、電動阻力的共同作用。在多孔介質的毛細管中，液體運動的基本方程如下：

其中：ρ為液體的密度，ρ±為正（負）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，z±為離子電荷，e0為基本電荷，m±為離子質量，為外加電場強度，k為玻爾茲曼常數，T為溫度。可以看出，式（2）右邊由以下因素組成：重力、壓力、粘滯阻力、電動力、溫度合力。

采用J.Kozeny建立的毛細管巖石模型，作如下假設：①滲流速度足夠小，流體流動為線性滲流；②忽略電場作用引起巖石性質變化；③流體不可壓縮；④擴散雙電層很薄,遠小于毛細管半徑；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，單根毛細管的電滲流速ve

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

假設多孔介質由n根彎曲毛細管組成，根據多孔介質特性，式（3）表示為

其中，τ為迂曲度，φ為多孔介質孔隙度。

根據滲流基本理論，對于各項同性介質中單相流體的滲流滿足達西定律

式中vh為水力梯度作用產生的滲流流速；k為多孔介質的滲透率，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，滲流連續性方程為

式（6）即為穩定狀態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行求解，求得模型的壓力分布及流速值，進而可以通過數值模擬得到近似的滲流流速與壓力、電位之間的關系曲線。

3.理論分析

由式（1）和（6）可以知道，外加電場作用下極性流體的滲流速度除與壓力、重力、粘滯阻力有關外，還與外加電場的電壓和正負電極之間的間距有很大的關系。另外，外加電場強度是有方向性的，因此，流體的滲流速度與外加電場的方向有關。從理論的角度講，當外加電場的方向與水力梯度的壓力方向一致時，滲流速度會明顯加快；當方向相反時，滲流流速會減緩，外加電場作用強度足夠平衡或超過水力梯度時，滲流就會停止甚至反向。但在實驗研究過程和工程實踐應用中，還有很多因素影響其作用，如電極與土體之間的界面電阻、外加電場對流體粘度的影響、電極的電化學反應形成附加電阻和電荷累積等等，通過對諸多因素影響電滲作用規律的研究，進一步修正電滲流速方程，國內部分學者已經開始著手相關方面的工作。

解放軍后勤工程學院）