本發(fā)明涉及電化學(xué)及電滲技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種帶電核殼納米材料及其在電滲固結(jié)軟弱土中的應(yīng)用。

背景技術(shù)：

在我國沿海、沿江的廣大區(qū)域里，普遍分布著淤泥質(zhì)軟黏土。淤泥質(zhì)軟黏土有高含水率、低強(qiáng)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(fā)生較大的整體沉降或不均勻沉降；低滲透性會導(dǎo)致土體排水固結(jié)會持續(xù)很長時間，影響工程施工和建筑物的使用；低強(qiáng)度導(dǎo)致地基承載力不足和穩(wěn)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(zhì)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(jìn)行處理，如強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法、堆載預(yù)壓法等。由于淤泥質(zhì)軟黏土具有低滲透性，常規(guī)排水固結(jié)方法處理該類土體時會持續(xù)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(shè)的快速發(fā)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(jié)法在工程中逐漸得到應(yīng)用，尤其是在淤泥質(zhì)軟黏土地基處理中的應(yīng)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(jié)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(jié)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(guī)則，導(dǎo)致不同土體的滲透性和固結(jié)情況各不相同。在軟黏土中，黏粒含量、膠結(jié)情況對土體性質(zhì)有著重要影響；水與黏粒混合后會引起復(fù)雜的物理化學(xué)變化，會使土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化。首先觀察到黏土顆粒帶電現(xiàn)象的是由俄國學(xué)者Reuss，他于1809年經(jīng)過實驗證實：當(dāng)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(yōu)于常規(guī)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(jié)，提高土體的強(qiáng)度。電滲法在國內(nèi)外均有工程應(yīng)用的成功案例。隨著電滲理論的不斷完善、電滲技術(shù)的不斷創(chuàng)新，人們對電滲有了更全面的認(rèn)識。電滲法的應(yīng)用范圍也更加廣泛，該方法在巖土工程領(lǐng)域的重要性也備受關(guān)注。

另一方面，近年來納米材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了快速發(fā)展，尤其是利用電場驅(qū)動納米材料修復(fù)混凝土的研究，對納米材料在巖土工程中的應(yīng)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(xué)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(yī)學(xué)和生物等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著納米材料的廣泛應(yīng)用，其成本也大大降低，這也為納米材料在巖土工程中應(yīng)用提供了可能。

在軟弱土中注入某些化學(xué)物質(zhì)和納米材料，借助于電滲、電泳、電遷移等電化學(xué)方法，很有可能會進(jìn)一步加快土體中水的排出，增加軟弱土的強(qiáng)度，進(jìn)而實現(xiàn)對軟黏土的加固。本文將對納米材料對淤泥質(zhì)軟粘土電滲排水固結(jié)效果進(jìn)行探索。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)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(jié)軟弱土中的應(yīng)用，以解決上述背景技術(shù)中提出的問題。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)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(fā)明進(jìn)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(fā)明進(jìn)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(fā)明進(jìn)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(xué)方法，能夠用于淤泥的加固。

作為本發(fā)明進(jìn)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(xué)方法，能夠用于淤泥質(zhì)土的加固。

作為本發(fā)明進(jìn)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(xué)方法，能夠用于沖填土的加固。

作為本發(fā)明進(jìn)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(xué)方法，能夠用于雜填土及其他高壓縮性土的加固。

作為本發(fā)明進(jìn)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(xué)方法，能夠提高固結(jié)后軟弱土的抗?jié)B能力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：帶電核殼納米材料和某些化學(xué)物質(zhì)注入軟弱土中，借助于電滲以及電泳和電遷移等電學(xué)手段，對軟弱土進(jìn)行處理，能達(dá)到加快軟弱土電滲排水速度、提高排水效率、增強(qiáng)軟弱土強(qiáng)度等目的。上述軟弱土包括淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土及其他高壓縮性土。本發(fā)明通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比、分析，系統(tǒng)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(qiáng)度的影響規(guī)律，得出了最佳電滲排水方案，為工程實踐提供有益的指導(dǎo)。

附圖說明

圖1為10V電壓下排水量與時間關(guān)系曲線。

圖2為15V電壓下排水量與時間關(guān)系曲線。

圖3為20V電壓下排水量與時間關(guān)系曲線。

圖4為電滲前后含水率變化的柱狀圖示。

圖5為經(jīng)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(guān)系示意圖。

圖11為SiO₂@Al₂O₃濃度、陽極個數(shù)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(shù)對陽極附近土壤內(nèi)摩擦角的影響的折線圖示。

圖13為SiO₂@Al₂O₃濃度、陽極個數(shù)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(jié)合具體實施方式對本專利的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)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(jié)軟弱土中的應(yīng)用，能夠用于淤泥的加固。

帶電核殼納米材料在電滲固結(jié)軟弱土中的應(yīng)用，能夠用于淤泥質(zhì)土的加固。

帶電核殼納米材料在電滲固結(jié)軟弱土中的應(yīng)用，能夠用于沖填土的加固。

帶電核殼納米材料在電滲固結(jié)軟弱土中的應(yīng)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(jié)軟弱土中的應(yīng)用，能夠提高固結(jié)后軟弱土的抗?jié)B能力。

以下結(jié)合具體實施實例對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)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(fā)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(qū)，土體的基本物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1東西湖區(qū)淤泥物理性質(zhì)參數(shù)

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(jìn)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(qiáng)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(xù)進(jìn)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(wěn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行的分析，可以得出以下結(jié)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(qiáng)度變化

土體的粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角是反映土體力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，直接反映出電滲對土體處理的效果。該實驗采用固結(jié)快剪法對電滲試驗前后的土體進(jìn)行測試，得出土體的粘聚力(c)和內(nèi)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(nèi)摩擦角對土體抗剪強(qiáng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)摩擦角分析可得出以下結(jié)論：

1、隨著電壓增大電滲后的土體粘聚力(c)和內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)摩擦角較高。

3含水率變化

含水率是土體的重要物理參數(shù)之一，也是反映電滲排水作用的重要指標(biāo)，能直觀地體現(xiàn)出電滲排水的效果。電滲試驗結(jié)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(jìn)行比較，如表3

由圖4可得出以下結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)束后土體含水率越低；

3、同一電壓下，電滲結(jié)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(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

土是由固相、液相、氣相組成的三相分散系。固相物質(zhì)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(zhì)。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(dǎo)致土體物理力學(xué)性能有很大差異。為了更好的探究土體的電滲排水固結(jié)的情況，進(jìn)行土體的細(xì)觀進(jìn)行觀察比較十分必要。

該細(xì)觀觀察的土體是原始土體和經(jīng)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(jìn)行觀察。

進(jìn)行掃描電鏡后結(jié)果如圖5～9，分析可得以下結(jié)論：

(1)本實驗中使用的淤泥質(zhì)軟黏土為片狀結(jié)構(gòu)、孔隙較多、土體結(jié)構(gòu)松散；

(2)經(jīng)電滲排水后，土體中的孔徑較大的孔隙明顯減少，土體結(jié)構(gòu)更加密實，但細(xì)小孔徑的孔隙明顯增多；

(3)加入SiO₂@Fe₃O₄土體，其的片狀結(jié)構(gòu)更小，且土體間結(jié)合更緊密。

5結(jié)論：

(1)電滲法對淤泥質(zhì)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(jìn)淤泥質(zhì)軟黏土排水作用明顯，加SiO₂@Fe₃O₄淤泥質(zhì)軟黏土電滲后含水率比未加SiO₂@Fe₃O₄淤泥質(zhì)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(shù)均逐漸增大，電滲效率降低；

電滲結(jié)束后土體抗剪強(qiáng)度明顯提高，加入SiO₂@Fe₃O₄的土體抗剪強(qiáng)度大于為加SiO₂@Fe₃O₄的土體。

實施例2

本發(fā)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(qū)，土體的基本物理力學(xué)指標(biāo)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(jìn)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。

2土體抗剪強(qiáng)度變化

土體的粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角是反映土體力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，直接反映出電滲對土體處理的效果。該實驗采用固結(jié)快剪法對電滲試驗前后的土體進(jìn)行測試，得出土體的粘聚力(c)和內(nèi)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(nèi)摩擦角對土體抗剪強(qiáng)度有直接的影響。

分別取試直徑39.1mm，高80mm試件，用三軸儀(TSZ-1B南京，中國)控制壓強(qiáng)分別為：50kPa，100kPa and 200kPa測試τ_f、c、三者的關(guān)系，測試結(jié)果如圖10。

分析可得出以下結(jié)論：

1、加入SiO₂@Al₂O₃的土體電滲后的土體粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角均高于原狀土；

2、隨著SiO₂@Al₂O₃濃度的增加，電滲后的土體粘聚力(c)和內(nèi)摩擦角均有增大。

3結(jié)果與討論

通過電化學(xué)處理，取陽極和陰極附近的土壤樣品進(jìn)行測試，通過使用應(yīng)變控制的三軸儀，測試結(jié)果見表5。

表5.電滲處理結(jié)果

從表5可以看去，當(dāng)用SiO₂@Al₂O₃懸浮液代替水，以及增加陽極數(shù)，都可以增加陽極和陰極之間的電流流動。當(dāng)SiO₂@Al₂O₃懸浮液濃度為1mg/ml NPs，電流增加了約30％。從上表還可以看去，不同的陽極排列方式對納米顆粒的電流效率的影響可以忽略不計。

通過電化學(xué)處理，取陽極和陰極附近的土壤樣品進(jìn)行測試，通過使用應(yīng)變控制的三軸儀。測試結(jié)果見表6，具體情況見圖11、12和13。

由圖11可知，SiO₂@Al₂O₃濃度增加，陽極附近土壤粘聚力增加，同時，陽極數(shù)量的增加陽極附近土壤粘聚力也增加。

由圖12可知，SiO₂@Al₂O₃濃度增加，陽極附近土壤內(nèi)摩擦角增加，同時，陽極數(shù)量的增加陽極附近土壤內(nèi)摩擦角也增加。

由圖13可知，SiO₂@Al₂O₃濃度增加，陽極附近土壤內(nèi)含水率降低，同時，陽極數(shù)量的增加陽極附近土壤內(nèi)含水率降低。

5結(jié)論：

1)增加陽極的數(shù)目，還可以改變土壤的凝聚力和摩擦角，提土壤微觀結(jié)構(gòu)的致密性。

2)SiO2@Al2O3濃度增加，陽極附近土壤內(nèi)含水率降低，同時可以改變土壤的凝聚力和摩擦角，提土壤微觀結(jié)構(gòu)的致密性。

3)多陽極和SiO₂@Al₂O₃濃度增加，能夠提高固結(jié)后軟弱土的抗?jié)B能力。

上面對本專利的較佳實施方式作了詳細(xì)說明，但是本專利并不限于上述實施方式，在本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本專利宗旨的前提下作出各種變化。