一種帶電核殼納米材料及其在電滲固結軟弱土中的應用的制作方法

文檔序號：12420496閱讀：562來源：國知局

本發明涉及電化學及電滲技術領域，具體是一種帶電核殼納米材料及其在電滲固結軟弱土中的應用。

背景技術：

在我國沿海、沿江的廣大區域里，普遍分布著淤泥質軟黏土。淤泥質軟黏土有高含水率、低強度、高壓縮性、低滲透性等諸多缺點，這些不良特性給工程施工帶來了很多困難。高壓縮性會引起地基發生較大的整體沉降或不均勻沉降；低滲透性會導致土體排水固結會持續很長時間，影響工程施工和建筑物的使用；低強度導致地基承載力不足和穩定性差，通常該類土體不能滿足工程的要求。為了改善淤泥質軟黏土的這些不良特性，在工程施工中采用了多種方法對其進行處理，如強夯法、真空預壓法、堆載預壓法等。由于淤泥質軟黏土具有低滲透性，常規排水固結方法處理該類土體時會持續很長時間，而且土體加固效果有時也并不理想。隨著我國工程建設的快速發展，對土地需求的日益迫切，一種新的軟弱土處理方法—電滲排水固結法在工程中逐漸得到應用，尤其是在淤泥質軟黏土地基處理中的應用中也越來越廣泛，而且取得了較好的效果。

電滲法就是在插入金屬電極的土體中通以一定電壓的直流電，使兩電極之間土體中的水在電場作用下從陽極流向陰極，以提高土體的排水效率，使土體的含水率或地下水位下降，并逐漸使土體完成固結的軟土處理方法。影響電滲效果的因素主要由兩個方面：土體滲透性、土體的固結情況。土體是由固相(礦物顆粒)、液相(水溶液)、氣相(氣體)組成的三相分散系，由于其中礦物顆粒的大小、形狀、排列形式不同，土體含水率的不同以及土體形成原因的不同等等，這些都會使得土體中孔隙的形狀極不規則，導致不同土體的滲透性和固結情況各不相同。在軟黏土中，黏粒含量、膠結情況對土體性質有著重要影響；水與黏粒混合后會引起復雜的物理化學變化，會使土體的物理力學性質發生變化。首先觀察到黏土顆粒帶電現象的是由俄國學者Reuss，他于1809年經過實驗證實：當在土體中插入電極并施加電壓時，兩電極之間土體中的水會在土體的孔隙中從陽極向陰極移動。電滲法可以用于處理軟土地基，其對軟黏土的的排水加固效果要明顯優于常規土體加固方法。電滲法可以使土體中的水較快排出，降低土體含水率、完成固結，提高土體的強度。電滲法在國內外均有工程應用的成功案例。隨著電滲理論的不斷完善、電滲技術的不斷創新，人們對電滲有了更全面的認識。電滲法的應用范圍也更加廣泛，該方法在巖土工程領域的重要性也備受關注。

另一方面，近年來納米材料在土木工程領域的應用也取得了快速發展，尤其是利用電場驅動納米材料修復混凝土的研究，對納米材料在巖土工程中的應用打開了新思路。納米材料的比表面積大、粒徑小(1-600nm)，具有一些非納米材料不具備的物理和化學特性，是一種新材料。納米材料已在冶金、化工、微電子、電子、國防、醫學和生物等領域得到廣泛應用。隨著納米材料的廣泛應用，其成本也大大降低，這也為納米材料在巖土工程中應用提供了可能。

在軟弱土中注入某些化學物質和納米材料，借助于電滲、電泳、電遷移等電化學方法，很有可能會進一步加快土體中水的排出，增加軟弱土的強度，進而實現對軟黏土的加固。本文將對納米材料對淤泥質軟粘土電滲排水固結效果進行探索。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種帶電核殼納米材料及其在電滲固結軟弱土中的應用，以解決上述背景技術中提出的問題。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種帶電核殼納米材料，帶電核殼納米材料是帶正電荷納米金屬氧化物包覆SiO₂微球；所述帶正電荷納米金屬氧化物包覆SiO₂微球的粒徑為1-600nm；所述SiO₂微球的粒徑為1-300nm。

作為本發明進一步的方案：所述帶正電荷納米金屬氧化物是納米Al₂O₃或納米Fe₃O₄或納米Ag₂O或納米ZnO或納米CuO或納米MnO₂。

作為本發明進一步的方案：所述帶正電荷納米金屬氧化物的粒徑為1-300nm。

作為本發明進一步的方案：所述帶電核殼納米材料借助于電滲、電泳、電遷移等電化學方法，能夠用于淤泥的加固。

作為本發明進一步的方案：所述帶電核殼納米材料借助于電滲、電泳、電遷移等電化學方法，能夠用于淤泥質土的加固。

作為本發明進一步的方案：所述帶電核殼納米材料借助于電滲、電泳、電遷移等電化學方法，能夠用于沖填土的加固。

作為本發明進一步的方案：所述帶電核殼納米材料借助于電滲、電泳、電遷移等電化學方法，能夠用于雜填土及其他高壓縮性土的加固。

作為本發明進一步的方案：所述帶電核殼納米材料借助于電滲、電泳、電遷移等電化學方法，能夠提高固結后軟弱土的抗滲能力。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：帶電核殼納米材料和某些化學物質注入軟弱土中，借助于電滲以及電泳和電遷移等電學手段，對軟弱土進行處理，能達到加快軟弱土電滲排水速度、提高排水效率、增強軟弱土強度等目的。上述軟弱土包括淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土及其他高壓縮性土。本發明通過對實驗數據進行對比、分析，系統的研究帶電核殼納米材料對電滲排水速度、排水量、增加軟弱土的強度的影響規律，得出了最佳電滲排水方案，為工程實踐提供有益的指導。

附圖說明

圖1為10V電壓下排水量與時間關系曲線。

圖2為15V電壓下排水量與時間關系曲線。

圖3為20V電壓下排水量與時間關系曲線。

圖4為電滲前后含水率變化的柱狀圖示。

圖5為經20V電壓電滲后的原狀土的電鏡圖像。

圖6為原狀土的電鏡圖像。

圖7為加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體的電鏡圖像。

圖8為加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土體的電鏡圖像。

圖9為加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體的電鏡圖像。

圖10為土體中注入不同濃度SiO₂@Al₂O₃τ_f、c、的關系示意圖。

圖11為SiO₂@Al₂O₃濃度、陽極個數對陽極附近土壤粘聚力的影響的折線圖示。

圖12為SiO₂@Al₂O₃濃度、陽極個數對陽極附近土壤內摩擦角的影響的折線圖示。

圖13為SiO₂@Al₂O₃濃度、陽極個數對陽極附近土壤含水率的影響的折線圖示。

具體實施方式

下面結合具體實施方式對本專利的技術方案作進一步詳細地說明。

請參閱圖1-13，一種帶電核殼納米材料，該帶電核殼納米材料是帶正電荷納米金屬氧化物包覆SiO₂微球。

帶正電荷納米金屬氧化物包覆SiO₂微球的粒徑為1-600nm。

SiO₂微球的粒徑為1-300nm。

帶正電荷納米金屬氧化物包括：納米Al₂O₃，納米Fe₃O₄，納米Ag₂O，納米ZnO，納米CuO和納米MnO₂等各種納米金屬氧化物，上述金屬氧化物納米材料粒徑為1-300nm。

帶電核殼納米材料在電滲固結軟弱土中的應用，能夠用于淤泥的加固。

帶電核殼納米材料在電滲固結軟弱土中的應用，能夠用于淤泥質土的加固。

帶電核殼納米材料在電滲固結軟弱土中的應用，能夠用于沖填土的加固。

帶電核殼納米材料在電滲固結軟弱土中的應用，能夠用于雜填土及其他高壓縮性土的加固。

帶電核殼納米材料在電滲固結軟弱土中的應用，能夠提高固結后軟弱土的抗滲能力。

以下結合具體實施實例對本發明的內容進行詳細的說明：

實施例1

請參閱圖1-3，一種帶電核殼納米材料，本發明實施例中，采用帶電核殼納米材料，其中帶正電荷的金屬氧化物為納米Fe₃O₄，帶電核殼納米材料表示為SiO₂@Fe₃O₄，本實驗土體的取樣地是武漢市東西湖區，土體的基本物理力學指標如表1。

表1東西湖區淤泥物理性質參數

試驗土體分為四組：1)加SiO₂@Fe₃O₄為軟弱土的0％，即原狀土；2)加SiO₂@Fe₃O₄為軟弱土的0.1％；3)加SiO₂@Fe₃O₄為軟弱土的0.2％；4)加SiO₂@Fe₃O₄為軟弱土的0.3％。將配置好的土體靜置24h后，進行電滲排水實驗。

電滲的電壓為10V、15V、20V。測量在每一種電壓電滲作用下，四組土體的排水量、抗剪強度、含水率和土體的c、值等。

1排水量的變化

隨著電滲的持續進行土體中的水不斷被排出，總排水量會不斷增加。排水量直接反映出SiO₂@Fe₃O₄對土體電滲排水的效果。

由圖1可知，10V電壓下加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體排水速度及總排水量最大(2110ml)；電滲的前40h原狀土、加SiO₂@Fe₃O₄0.2％、0.3％的排水速度接近(21ml/h)；電滲的后40h，加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土體排水速度略有增加，然后逐漸降低與加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體排水速度接近(10ml/h)，而原狀土、加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體排水速度逐漸降低，總排水量趨于穩定。分析可知：10V電壓下SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體排水效果最好；在電滲排水的后期(40h后)加SiO₂@Fe₃O₄0.1％、0.2％的土體排水效果均比原狀土好。

由圖2可知，15V電壓下加SiO₂@Fe₃O₄的土體總排水量均大于原狀土的總排水量(1610ml)；加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體排水量最大(2120ml)，加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土體排水量(1936ml)次之，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體排水量最小(1665ml)。分析可知：15V電壓下，SiO₂@Fe₃O₄對土體的電滲排水有明顯的促進作用，而且加SiO₂@Fe₃O₄越少排水效果越好。

由土3可知，在20V電壓下，加SiO₂@Fe₃O₄的土體總排水量均大于原狀土的總排水量(1858ml)；加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體總排水量最大(2610ml)，加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土體總排水量次之(2373ml)，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體總排水量最小(2276ml)。分析可知：在20V電壓下SiO₂@Fe₃O₄對土體電滲排水有很好的促進作用，且隨SiO₂@Fe₃O₄加入量的增加總排水量隨之增大，排水效果更好。

通過綜合以上對不同電壓下不同SiO₂@Fe₃O₄含量的土體排水情況進行的分析，可以得出以下結論：

1、在10V、15V電壓作用下，SiO₂@Fe₃O₄加入量越低總排水量越大，排水效果越好；

2、在20V電壓作用下，SiO₂@Fe₃O₄加入量越高總排水量越大，排水效果越好；

3、電壓15V、加入SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體和電壓20V、加入SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體兩種排水方案比較好。

在較高電壓下，土體的總排水量也會更高。

2土體抗剪強度變化

土體的粘聚力(c)和內摩擦角是反映土體力學性質的重要參數，直接反映出電滲對土體處理的效果。該實驗采用固結快剪法對電滲試驗前后的土體進行測試，得出土體的粘聚力(c)和內摩擦角由庫倫定律知，垂直壓力(σ)一定的情況下土體的粘聚力(c)和內摩擦角對土體抗剪強度有直接的影響。

由表2可知，

隨著電壓增大電滲后的土體粘聚力(c)和內摩擦角均有增大；在同一電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄的土體電滲后的土體粘聚力(c)和內摩擦角均高于原狀土；在10V、15V電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.1％和0.2％的土體電滲后的土體粘聚力(c)和內摩擦角較高；在20V電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體電滲后的粘聚力(c)和內摩擦角較高。

表2電滲前后土體c、值變化

綜合以上電滲后土體的粘聚力(c)和內摩擦角分析可得出以下結論：

1、隨著電壓增大電滲后的土體粘聚力(c)和內摩擦角均有增大；

2、在同一電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄的土體電滲后的土體粘聚力(c)和內摩擦角均高于原狀土；

3、在10V、15V電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.1％和0.2％的土體電滲后的土體粘聚力(c)和內摩擦角較高；在20V電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體電滲后的粘聚力(c)和內摩擦角較高。

3含水率變化

含水率是土體的重要物理參數之一，也是反映電滲排水作用的重要指標，能直觀地體現出電滲排水的效果。電滲試驗結束后，取陰極附近的土體測其含水率，并與電滲前的土體含水率進行比較，如表3

由圖4可得出以下結論：

1、在不同電壓下四組試驗土體含水率均有明顯下降，含水率下降幅度為29.6％～57.1％不等；

2、電壓越高，電滲結束后土體含水率越低；

3、10V、15V電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土體的含水率最低；20V電壓下，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體含水率最低；

4、同一電壓下，原狀土的土體含水率最高；

表3電滲前后土體含水率變化

綜合以上電滲后含水率分析可得出以下結論：

1、在不同電壓下四組試驗土體含水率均有明顯下降，含水率下降幅度為22.2％～57.1％不等；

2、電壓越高，電滲結束后土體含水率越低；

3、同一電壓下，電滲結束后原狀土的含水率最高；

4、10V、15V電壓下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土體的含水率最低；20V電壓下，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土體含水率最低；

5、電滲后，加SiO₂@Fe₃O₄土體含水率比未加SiO₂@Fe₃O₄土體含水率低2.1％～14.9％不等，且隔斷水源的土體這種作用更加明顯；

4土體細觀結構分析

土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。固相物質包括多種礦物成分組成的骨架，骨架間隙為液相和氣相填滿，這些空隙是相互連通的，形成多孔介質。由于土體的形成原因、自然氣候條件等差異，每種土體的三相組成是不同的，這也會導致土體物理力學性能有很大差異。為了更好的探究土體的電滲排水固結的情況，進行土體的細觀進行觀察比較十分必要。

該細觀觀察的土體是原始土體和經20V電壓電滲后的原狀土、加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體、加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土體、加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土體。所選土體烘干后，在電子顯微鏡下放大3000倍，掃描成像后進行觀察。

進行掃描電鏡后結果如圖5～9，分析可得以下結論：

(1)本實驗中使用的淤泥質軟黏土為片狀結構、孔隙較多、土體結構松散；

(2)經電滲排水后，土體中的孔徑較大的孔隙明顯減少，土體結構更加密實，但細小孔徑的孔隙明顯增多；

(3)加入SiO₂@Fe₃O₄土體，其的片狀結構更小，且土體間結合更緊密。

5結論：

(1)電滲法對淤泥質軟黏土排水效果明顯，含水率下降幅度為22.2％～57.1％不等；

(2)SiO₂@Fe₃O₄對促進淤泥質軟黏土排水作用明顯，加SiO₂@Fe₃O₄淤泥質軟黏土電滲后含水率比未加SiO₂@Fe₃O₄淤泥質軟黏土低2.1％～14.9％不等，且隔斷水源的土體這種作用更加明顯；

(3)電滲實驗的過程中，土體能耗系數均逐漸增大，電滲效率降低；

電滲結束后土體抗剪強度明顯提高，加入SiO₂@Fe₃O₄的土體抗剪強度大于為加SiO₂@Fe₃O₄的土體。

實施例2

本發明實施例中，采用帶電核殼納米材料，其中帶正電荷的金屬氧化物為納米Al₂O₃，帶電核殼納米材料表示為SiO₂@Al₂O₃，本實驗土體的取樣地是武漢市東西湖區，土體的基本物理力學指標如表1。

土壤的電滲處理，電滲采用20伏直流電。先配好濃度分別為0mg/ml、0.1mg/ml、0.5mg/ml、1.0mg/ml分散良好的SiO₂@Al₂O₃懸浮液，通過注射器注入到陽極，注入量為10ml。1、排水量的變化

電滲處理24小時，記錄排水量如表4

表4不同濃度SiO₂@Al₂O₃出水量

由表4可知，在20V電壓下，加SiO₂@Al₂O₃的土體總排水量均大于原狀土的總排水量(365ml)；加SiO₂@Al₂O₃1.0％的土體總排水量最大(480ml)，加SiO₂@Al₂O₃0.5％的土體總排水量次之(420ml)，加SiO₂@Al₂O₃0.1％的土體總排水量最小(390ml)。分析可知：在20V電壓下SiO₂@Al₂O₃對土體電滲排水有很好的促進作用，且隨SiO₂@Al₂O₃加入量的增加總排水量隨之增大，排水效果更好。