一种用于研究黏土-电极界面电阻的变化机理的试验装置

摘要

本实用新型提供了一种用于研究黏土‑电极界面电阻的变化机理的试验装置，在传统的电渗试验装置上加入了离子交换膜系统或化学溶液注射系统，用以控制电极板附近的离子浓度，本实用新型通过供电系统对槽体施加持续直流电，记录设备实时记录电流表和电压表读数，并绘制出界面电阻随时间变化的R‑t图像，在界面电阻稳定后，通过加入离子交换膜系统或注入化学溶液，改变电极板周围的离子浓度，分析R‑t图像的变化可得到界面电阻的变化规律，解决了传统试验装置无法从离子层面验证界面电阻理论的缺陷，同时为间歇和反转通电机理的研究提供了思路。

说明书

技术领域

本实用新型涉及岩土工程技术领域，具体的指一种用于研究电渗加固软土地基中的黏土-电极界面电阻的变化机理的试验装置。

背景技术

电渗法可以加快低渗透性软土排水固结，越来越多的得到工程师的重视，被应用于软土地基处理、淤泥脱水、土壤重金属去除、尾矿固结等众多领域。电渗法具有以下优势：1)排水效率高，排水速率与水力渗透系数无关；2)能有效去除待处理对象中的有毒重金属离子；

3)不会由于处理对象承载力不足而发生失稳现象。但由于电渗法能耗较大，实际工程应用中电渗法常受到制约。近年来的研究发现电渗过程中的能耗过高主要原因是电渗体系电阻的增大，电渗体系电阻由土体电阻与黏土-电极界面电阻两部分组成，对于土体电阻，现有的研究显示其主要受含水量、孔隙水电导率、土颗粒形状等因素影响，在电渗过程中随着排水的进行，土体含水量不断减小导致土体电阻随之升高，因此这一现象是排水固结过程中不可避免的。对于黏土-电极界面电阻，国内外学者通过试验发现在黏土-电极界面中损失的电势高达总电势的50％-90％，因此研究如何降低黏土-电极界面电阻以降低电渗过程中的能耗成为必然的趋势。

黏土-电极界面电阻由活化电阻、浓差极化电阻、电极表面膜阻等构成。电渗过程中，EKG等惰性电极的界面电阻不断增大的主要原因是浓差极化电阻的不断提高，也即离子浓度的累积导致界面电阻增加；对于金属电极，电极表面腐蚀对电极表面膜阻的影响更为突出。但受限于目前电渗试验所使用的装置，只能测出电极-土体界面电阻，无法改变电极附近的离子浓度，也无法改变土体中的离子迁移方向和速率，导致上述引起界面电阻变化的影响因素只能停留在理论分析层面，无法得到实验验证，同时无法从离子层面研究降低电极-土体界面电阻的方法。进一步的，在实际电渗工程中，常采用间歇通电、电极反转等通电方案以增强固结排水效果，而相关的理论性研究则涉及到界面电阻的变化机理，因此对界面电阻变化机理的研究，会推动电渗法在实际工程中的应用。

综上所述，界面电阻的研究对于电渗法的发展十分重要，而目前的试验装置显然不能满足相关研究的需求，亟需新的试验装置以及试验方法来进行解决。

实用新型内容

本实用新型的目的主要在于改进现有的电渗固结试验装置，该装置可以检测电渗试验装置两极的黏土-电极界面电阻，通过改变电极板附近的离子浓度，以研究界面电阻的变化机理。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案具体如下：

一种用于研究黏土-电极界面电阻的变化机理的试验装置，包括模型槽、供电系统、界面电阻检测装置、离子交换膜系统或化学溶液注入系统；所述模型槽由两块带孔隔板将槽体分隔为阳极槽、主槽体和阴极槽，其中，中间的主槽体用于放置试验黏土，两块带孔隔板靠主槽体一侧分别固定有电极板；阴极槽底部设有一出水口；所述界面电阻检测装置包括两根电势棒、电流表和电压表，其中两根电势棒固定于主槽体内、电极板附近，分别用于检测电极界面的电势，电流表用于测量电路的电流，电压表用于测量电极界面电势差；供电系统与电极板电连接；离子交换膜系统包括一个或两个离子交换膜，通过控制特定离子迁移控制黏土-电极界面处的离子浓度；所述化学溶液注入系统包括溶液注射器，通过注射离子溶液控制黏土-电极界面处的离子浓度。

进一步地，所述供电系统由正向供电电源、反向供电电源、时间控制开关构成。

进一步地，所述两根电势棒固定于主槽体内、距离电极板5mm处。

进一步地，所述电极板为金属电极、石墨电极、EKG电极中的一种或两种。

进一步地，还包括用于接收出水口排水的容器和用于称量出水口排水重量的称重装置。

进一步地，所述离子交换膜为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜中的一种或两种。

进一步地，所述离子溶液为氯化钙溶液、硅酸钠溶液、磷酸二氢钾溶液中的一种或两种。

进一步地，还包括数据处理系统，所述数据处理系统实时接收电流表和电压表的数据，计算两极的界面电阻R，并绘制界面电阻R随时间t变化的R-t图像。

进一步地，还包括集成在供电系统上地记录设备，以记录电势棒和电极板之间的电流和电压，便于观测界面电阻的变化。

本实用新型的有益效果是：

1、可以从离子层面研究降低界面电阻：

加入化学溶液的方案可以直观的改变电极附近的离子浓度，离子膜系统的加入可以限制特定离子的移动，从而控制电极附近的离子浓度，以研究界面电阻的变化机理，并从离子层面研究降低界面电阻的方法；

2、可以实时监测并记录界面电阻的变化：

电压表测得的读数为电极板与电势棒之间的电压，由于装置中电流处处相等，可以直接给出两极的黏土-电极界面电阻，并绘制出界面电阻随时间变化的R-t图像；

3、可以用于研究间歇和反转通电增强电渗效果的原理：

该供电系统提供包括持续直流电、间歇供电和电极反转在内的多种供电模式，可以用于研究间歇和反转通电情况；研究发现间歇和反转通电情况下，界面电阻有所降低，可能是导致间歇和反转通电情况下电渗效果增强的原因，本装置和研究方法可以用于验证相关理论；此外，加入离子膜系统，由于可以限制特定离子移动，在试验过程中可以防止浓差极化现象的缓解，可以用于验证间歇通电增强电渗效果的工作机理。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的离子膜系统位置示意图(阴极例)；

图3为本实用新型的离子膜系统固定滑轨示意图；

附图标记说明：主槽体1，阴极槽2，阳极槽3，第一带孔隔板4，第二带孔隔板5，供电系统6，第一电压表7、第二电压表8，电流表9，数据处理系统10，容器11，电势棒12，滑轨13，离子交换膜14。

具体实施方式

下面结合实例对本实用新型做进一步描述，下述实施例的说明仅用于帮助理解本实用新型，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

本实用新型提出了一种用于研究黏土-电极界面电阻的变化机理的试验装置，如图1所示，包括供电系统、界面电阻检测装置、离子交换膜系统和/或化学溶液注入系统、模型槽；模型槽为有机玻璃材质，由两块带孔隔板(4、5)将槽体分隔为阳极槽3、主槽体1、阴极槽2。其中，中间的主槽体1用于放置试验黏土，两块带孔隔板(4、5)靠主槽体一侧分别固定有电极板，阴极槽一侧的为阴极，阳极槽一侧的为阳极；所述界面电阻检测装置包括两根电势棒12、电流表9和电压表(7、8)；其中两根电势棒12固定于主槽体1内、电极板附近，用于测量电极界面电势差并计算界面电阻；其中，两根电势棒12可采用固定支架固定，防止电势棒随着黏土排水所产生的收缩而发生转动，使电势棒与电极接触而造成短路；所述电压表(7、8)与电流表9具有高精度与高采样频率的特点，阴阳两极的电极板、电势棒分别经由导线连接至电压表7、8，实时测出阴阳两极土体和电极板之间的电压值，电流表9串联在阴极和阳极之间；

供电系统6与电极板电连接，为电路提供电源，作为一优选方式，所述供电系统6由正向供电电源、反向供电电源、时间控制开关构成。反向供电电源可独立运作，用于电极反转通电模式下为试样提供反向外电势；所述时间控制开关用于实现电极反转、间歇通电等不同通电模式下的电源切换及开关，以随时切换提供间歇和反转通电这两种特殊的通电模式，用于研究间歇和反转通电影响界面电阻的机理。

离子交换膜系统包括一个或两个离子交换膜14，通过控制特定离子迁移控制黏土-电极界面处的离子浓度；所述离子交换膜14可以为阳离子交换膜、阴离子交换膜、质子交换膜等，可以选择性通过阴离子、阳离子、质子等，以此来控制电极板附近的离子浓度，来达到研究目的；具体地，槽体两侧的离子交换膜14可以控制特定离子的迁移，改变不同通电模式下不同区域的离子浓度，从而揭示电极反转、间歇通电等电渗通电方案的作用机理。离子交换膜14可以采用固定装置进行固定，如图2所示，以阴极为例，包括固定阴极电极板的第一带孔隔板4与土体之间的位于主槽体1内壁上的固定滑轨13，该滑轨可将离子交换膜14固定在主槽体1和阴极电极板之间，根据离子交换膜的特性，可以控制土体和电极板周围的离子交换。

如图3所示，该滑轨为槽壁上两段的轨道状凹槽，同时电势棒12位于离子交换膜14和阴极电极板4之间，即黏土-电极界面处。

在两极布置不同的离子交换膜14可以起到不同的效果，以阳极AEM和阴极CEM的离子交换膜系统为例，阳极的AEM(阴离子交换膜)排除了正离子，但对带负电荷的离子可以自由渗透，而阴极的CEM(阳离子交换膜)排除了负离子，但对带正电荷的离子可以自由渗透，这样就控制了电极板附近的离子浓度。

此外，所述化学溶液注入系统包括溶液注射器，通过注射离子溶液控制黏土-电极界面处的离子浓度。

进一步地，还包括数据处理系统10，所述数据处理系统10实时接收电流表和电压表的数据，两极的界面电阻R，并绘制界面电阻R随时间t变化的R-t图像。

更进一步地，在通电的过程中黏土中的水会向阴极排出，在阴极槽2下方设有出水口，将电渗固结过程中排出的水导流至容器11中，通过称重装置可以监测阴极排水量。

基于上述试验装置的研究黏土-电极界面电阻变化机理的方法，该过程如下：

在将电极板固定在带孔隔板(4、5)上，在主槽体1内填充试验用粘土，在土体和两电极板间插入电势棒12，且对电极板的非工作面做绝缘处理；

用金属夹和导线分别将两极电极板和电势棒12连接至电压表(7、8)，使得电压表(7、8)测得的读数为电极板与电势棒12之间的电压，由于装置中电流处处相等，根据电流表9的读数可计算出界面电阻R；

所述供电系统6对试验槽施加直流电，记录设备实时记录电流表9和电压表读数(7、8)，并绘制出界面电阻随时间变化的R-t图像；

电渗加固一段时间后，界面电阻会在短暂时间阶段内趋于稳定，用所述化学溶液注入系统将特定离子溶液注射进黏土-电极界面处，可改变电极板附近的离子浓度，对比注射前后的R-t图像可研究界面电阻的变化规律；

本实用新型还可以通过离子交换膜系统来达到控制电极板附近离子浓度的目的，具体地，与上述注射溶液的方法相似，在界面电阻趋于稳定后，将离子交换膜14分别固定在固定滑轨13中，将加入后的R-t图像与之前的进行对比分析，可研究界面电阻的变化规律。进一步的，上述加入离子膜系统，由于可以限制特定离子移动，在试验过程中可以防止浓差极化现象的缓解，可以用于验证间歇通电增强电渗效果的工作机理；

本实用新型还可以在间歇和反转通电的情况下，实时记录黏土-电极界面电阻的变化，通过研究界面电阻变化与间隙和反转通电对电渗效果的增益效果之前的关系，分析该增益效果的原理。

另外，该实验还可以联合实施堆载预压或真空预压技术，以加强电渗固结效果，堆载预压时在黏土上覆砂垫层，真空预压时在黏土上覆真空密封膜。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围。