一种电渗透进程判断方法及脉冲发生装置与流程

本发明涉及电渗透技术领域，具体涉及一种电渗透进程判断方法及装置。

背景技术：

电渗透现象是在多孔固体介质中，水分子受电场力作用由阳极向阴极发生定向移动的现象。基于这一现象，电渗透技术在豆腐干脱水、污水处理厂污泥脱水、原油电脱水方面研究较早、应用较多；在地下工程混凝土干燥、防渗脱水方面的起步较晚。

混凝土电渗透技术应用的基本前提是建立起电场，因此必须在墙体内外两侧敷设电极，然后才能施加电场，让水分子向阴极移动，达到防渗、挡水的目的。如图1所示，电极一般的作法为：采用钛线作为阳极(钛线防腐能力强，能够有效的避免阳极腐蚀)，在地下工程内壁螺旋敷设，具体施工步骤为：剔槽、埋入钛线、导电混凝土填缝。采用铜棒作为阴极(由于电化学中的阴极保护，因此阴极可以使用一般的金属，而不会腐蚀)，事先在混凝土上钻孔后，将铜棒埋入混凝土外侧的岩体或粘土层中。

电渗透需要采用专门的电渗透脉冲发生装置，在中国专利200910095267.2中公开了一种用于大面积高含水率土体脱水的电渗方法和设备,其操作步骤如下:(1)恒流启动:采用稳流输出方式,即输出电流恒定,输出电压变化；(2)恒压保持:当输出电压达到设定值时转为稳压输出,即输出电压恒定,输出电流变化,保持较长时间的稳定工况；(3)脉冲加强:在恒压保持过程中,以一定的间隔叠加脉冲电压；(4)间歇通电:通电及断电交替进行；(5)极性转换:根据出水量的变化自动改变专用电渗装置输出电压的正负极性。但是该专利需要独立的干燥装置，而且其没有对电渗透进程进行判断，以致无论何种混凝土型号都依照同样的处理过程(脉冲加强15小时，间歇通电时断电10小时)，不利于实际的施工效率。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种电渗透进程判断方法及装置。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种电渗透脉冲发生装置，其包括电阻检测装置和电容检测装置；所述电阻检测装置、电容检测装置的检测端分别与电渗透的工作阳极和工作阴极相连；所述电阻检测装置、电容检测装置的输出端分别与控制器相连，所述控制器的输出端与波形发生器的控制端和数控电源的控制端相连；所述控制器根据电阻值、电容值的大小和变化向数控电源发出命令，所述数控电源向波形发生器输出不同幅值的电压，所述波形发生器输出该幅值的不同波形的电压。

本发明的电渗透脉冲发生装置能够通过电渗透时的工作阳极和工作阴极自动检测两个电极间的内部电阻(包含接触电阻和混凝土电阻两个参数)和电容参数，不需要另外设置电极，结构简单。电渗透用于地下工程混凝土防渗一般作用的面积较大，少则几百平米，多则几千平米。测量混凝土的电阻和电容也有采用另外单独埋入测试电极的方式，但是这种方式有弊端。试想，埋入测试电极的位置并不能代表整个工程的情况，也许刚好埋入测试电极的位置是干燥的，其他位置是湿润的。那么测试的结果就显示所有工程都是干燥的？显然有问题。采用工作阳极和工作阴极作为测试电极的好处在于，能够对整体工程的电阻和电容进行测试，进而能够对工程整体进行评判，结果具有代表性。

控制器利用电阻电容的参数变化规律自动分析混凝土内部的湿度情况和电渗透进程情况。控制器根据内部湿度情况和电渗透进程情况，自动调整电渗透脉冲发生装置的波形和电压幅值，达到效果最佳、能耗较低的目的。

在本发明的一种优选实施方式中，电渗透脉冲发生装置还包括参数设置单元，所述参数设置单元的输出端与控制器相连，用于向控制器输出具体的电压幅和波形。人机对话功能，可以根据设定认为设置参数。

在本发明的另一种优选实施方式中，电渗透脉冲发生装置还包括功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与波形发生器的输出端相连，所述功率放大电路的输出端与电渗透的阳极和阴极相连。以获得较大的输出功率。

为了实现本发明的上述目的，根据本发明的第二个方面，本发明提供了一种电渗透脉冲发生装置的电渗透进程判断方法，其包括如下步骤：

s1，搭建本发明的电渗透脉冲发生装置并在电渗透的工作阳极和工作阴极之间施加初始电压；

s2，电阻检测装置、电容检测装置分别检测电渗透工作阳极和工作阴极之间混凝土的电阻值和电容值；

s3，根据电阻的变化率获得电渗透的开始和结束，根据电容的容置得到电渗透的进程；

s4，根据电渗透的进程确定脉冲发生装置的的电压幅值和波形。

本发明的电渗透进程判断方法能够有效的判断混凝土内部的湿度情况、判断混凝土内部电渗透的工作进程，并以此调整电渗透脉冲发生装置的波形和电压幅值，加快电渗透进程。

在本发明的一种优选实施方式中，s2中具体包括如下步骤：

s21，短接电渗透工作阳极和工作阴极，使电渗透阳极和阴极之间的电容c两端的电荷完全释放；

s22，在电渗透工作阳极和工作阴极施加直流恒定电压us，连续测试并记录电渗透阳极和阴极之间的电流i，直至前后连续两次电流不再变化为止；

s23，选定初始电流im，稳态电流ik，以及37.5％(im-ik)的电流和时间，计算电阻r1、r2和c的数值，

其中，所述r2为混凝土电阻，r1为阳极接触电阻，c为混凝土电容；

当阳极接触电阻跃升时，电渗透开始；

当混凝土电阻跃升并维持稳定时，电渗透结束；

混凝土电容的容值与混凝土含水率是正比例关系，根据混凝土电容值获得混凝土的含水率即电渗透现象的进程。准确获取了电渗透进程。

在本发明的另一种优选实施方式中，在电渗透初期，采用正负脉冲电压；在电渗透中后期，使用直流恒定电压。

在电渗透初期，采用正负脉冲电压尽快将混凝土内部的水分外排，在电渗透中后期，使用直流恒定电压，使混凝土中部或外部保持或缓慢排水，保证电渗透效果。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明第一种优选实施方式中电渗透脉冲发生装置的结构框图；

图2是本发明第一种优选实施方式中电渗透布置剖面图；

图3是本发明图2所示电渗透布置剖面图的电渗透等效电路图；

图4是本发明图3所示电渗透等效电路图的电渗透等效简化图；

图5是本发明第一种优选实施方式中一阶rc零状态电路；

图6是本发明第一种优选实施方式中电渗透时的电流变化规律图；

图7是本发明第一种优选实施方式中电渗透过程中r1变化规律；

图8是本发明第一种优选实施方式中电渗透过程中r2变化规律；

图9是本发明第一种优选实施方式中混凝土电容的变化规律。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明提供了一种电渗透脉冲发生装置，如图1所示，其包括电阻检测装置和电容检测装置；所述电阻检测装置、电容检测装置的检测端分别与电渗透的工作阳极和工作阴极相连；所述电阻检测装置、电容检测装置的输出端分别与控制器相连，所述控制器的输出端与波形发生器的控制端和数控电源的控制端相连；所述控制器根据电阻值、电容值的大小和变化向数控电源发出命令，所述数控电源向波形发生器输出不同幅值的电压，所述波形发生器输出该幅值的不同波形的电压。

电渗透要发挥作用必须首先建立电场。因此在地下工程应用中，需在地下工程混凝土两侧设置电极(即工作阳极和工作阴极)。在本实施方式中，利用工作阳极和工作阴极作为电渗透脉冲发生装置的检测电极，简化了结构，并且测量也更加准确。本发明采用阳极和阴极作为测量的电阻电容，电渗透用于地下工程混凝土防渗一般作用的面积较大，少则几百平米，多则几千平米。测量混凝土的电阻和电容也有采用另外单独埋入测试电极的方式，但是这种方式有弊端。试想，埋入测试电极的位置并不能代表整个工程的情况，也许刚好埋入测试电极的位置是干燥的，其他位置是湿润的。那么测试的结果就显示所有工程都是干燥的？显然有问题。采用阳极和阴极作为测试电极的好处在于，能够对整体工程的电阻和电容进行测试，进而能够对工程整体进行评判，结果具有代表性。

如图1和图2所示所示，电阻检测装置通过在阴极、阳极两端加入电压进行测试和分析可得到电阻的阻值。根据电阻的变化率可知电渗透现象的开始和结束：当阳极接触电阻跃升时，表明电渗透现象开始；当混凝土电阻跃升并维持稳定时，表明电渗透现象的结束。

电容检测装置通过获得电容的容值。并据此推算混凝土的含水率即电渗透现象的进程。控制器内含cpu，具有计算和逻辑分析功能。将电阻电容的参数计算后用于判断机制，确定应该使用的电压幅值和波形。数控电源根据控制器发出的指令确定脉冲发生装置的电压幅值。波形发生器根据控制器发出的指令确定脉冲的波形，即正脉冲的宽度，负脉冲的宽度即两者间隔的时间。

在本实施方式中，还具有参数设置单元，所述参数设置单元的输出端与控制器相连，用于向控制器输出具体的电压幅和波形。在本发明另外的优选实施方式中，还包括功率放大电路，所述功率放大电路的输入端与波形发生器的输出端相连，所述功率放大电路的输出端与电渗透的阳极和阴极相连。

电渗透的电极的布置，客观上形成了类似夹心饼干多层的形状，取某一段的剖面来看，如图2所示，电渗透电极的布置为两侧的电极、中间为混凝土及其内部构成的毛细水通道。这种夹心饼干的形式构成了电阻和电容，其中电阻又分为接触电阻和混凝土电阻，从而可等效为三个器件的电路，这三个器件为：电极的接触电阻、混凝土电阻、混凝土电容。通过分析处理，可将这种多层形状的结构等效为图3电路，其中各参数代表的含义为：

ra为阳极自身电阻，阳极如采用钛线布置，由于金属钛的电阻率较小(200c时为4.2×10-3ωm)，自身电阻可以忽略；阳极如采用石墨导电砂浆，其电阻率取决于石墨与砂浆的掺和比例。

rb为阳极与混凝土的接触电阻，取决于阳极与混凝土的接触紧密程度，另外混凝土含水率对接触电阻也有较大影响。含水率高时，阳极与混凝土之间的缝隙都被水份浸润，由于水具有一定的导电性，因此阳极与混凝土接触电阻较小；当混凝土干燥时，情况相反。

rc为混凝土和岩体(粘土)的干燥电阻，其干燥电阻与混凝土的成分有关。完全干燥的混凝土的电阻率较大。

rd为混凝土内部水分子的通道电阻，与混凝土内部的毛细通道数量、混凝土的含水率、水分子的电导率有关。含水率越高，电阻越小；含水率越低，电阻越大。

c0为阳极、阴极之间构成的电容，与正对面积、混凝土的介电常数、两电极的分布和距离有关。

re为阴极铜棒与岩体或土层的接触电阻。与接触紧密程度和含水率有关。考虑到水分子在电渗透作用下向阴极移动，因此阴极附近能够一直保持湿润，其接触电阻能够基本稳定。

rf为阴极自身电阻，阴极采用铜棒或铜板，其电阻率极低(200c时为1.68×10-4ωm)，电阻可忽略不计。

考虑到整个电路为阻容参数，ra、rb、re、rf为串联关系，rc、rd为并联关系，且各电阻分布在混凝土内部，实际测量无法单独逐一测量，因此将图3的简化为图4电路，即为r1，r2，c的电路。

其中r1包括参数re、rf，r2包含参数ra、rb、re和rf。当混凝土内部含水率变化时，r1、r2、c受到这一影响，其参数均会发生相应变化。

本发明提供了一种电渗透脉冲发生装置的电渗透进程判断方法，其包括如下步骤：

s1，搭建本发明的电渗透脉冲发生装置并在电渗透的工作阳极和工作阴极之间施加初始电压；

s2，电阻检测装置、电容检测装置分别检测电渗透工作阳极和工作阴极之间混凝土的电阻值和电容值；

s3，根据电阻的变化率获得电渗透的开始和结束，根据电容的容置得到电渗透的进程；

s4，根据电渗透的进程确定脉冲发生装置的的电压幅值和波形。

本发明的电渗透进程判断方法能够有效的判断混凝土内部的湿度情况、判断混凝土内部电渗透的工作进程，并以此调整电渗透脉冲发生装置的波形和电压幅值，加快电渗透进程。

在本发明的一种优选实施方式中，s2中具体包括如下步骤：

s21，短接电渗透工作阳极和工作阴极，使电渗透阳极和阴极之间的电容c两端的电荷完全释放；

s22，在电渗透工作阳极和工作阴极施加直流恒定电压us，连续测试并记录电渗透阳极和阴极之间的电流i，直至前后连续两次电流不再变化为止；

s23，选定初始电流im，稳态电流ik，以及37.5％(im-ik)的电流和时间，计算电阻r1、r2和c的数值，

其中，所述r2为混凝土电阻，r1为阳极接触电阻，c为混凝土电容；

例如在本发明的一种优选实施方式中，采用普通混凝土、粘土制作了两块5×5×30cm的实验砌块，其中混凝土层和粘土层厚度各15cm，阳极采用钛线、阴极采用铜片，在砌块制作时预先埋设；砌块实验前用水充分浸润饱和并静置2天；实验分两组同时进行，一组施加直流恒定电压，另一组施加断续脉冲电压；实验设备和测量仪表为：直流恒压电源qj-3003sii、断续脉冲电源(自制)、多功能表hp-3468a、示波器tds1001b-sc。

计算过程为：

(1)短接实验砌块端口ab一段时间，确保电容c两端的电荷通过电阻完全释放，即确保电容c处于零状态。断开端口ab也可以达到相同的效果，但所用时间要长一些。

(2)在端口ab加入直流恒定电压us，连续测试并记录端口电流i，直至前后连续两次电流不再变化为止，如图5所示。由于电路中含有电阻和电容，且电容已处于零状态，因此加入直流恒定电压后为典型的一阶rc零状态输入响应，电流i随时间的变化呈指数函数降低，如图6所示。

根据rc电路的零状态响应规律，可根据m、n、k三点的电流值和时间计算出电阻r1、r2和c的数值。点m为电路的初始电流im；点k为稳态电流ik，即电流不再随时间降低的数值；点n是电流为37.5％(im-ik)的位置。依照rc一阶电路零状态响应有如下关系：

三式联立求解，可以得出r1、r2、c的数值。

需要说明的是，实验砌块由于面积较小，r1、r2、c的数值小，暂态时间短，实验室测量可采用示波器记录并存储电流的波形后进行分析。实际电渗透防渗工程中，往往电渗透工作面积为数百或数千平方米，由于面积大，电容c的容值也相应变大，因而暂态时间更长，测试的时间更加充裕。实验开始后，由于实验砌块在电渗透的作用下，混凝土中的水分子向粘土层移动，虽然移动速度慢，但r1、r2和c的数据会发生缓慢变化。由于测量时间相对整个实验周期(16天)来说非常短，可认为r1、r2和c的数据在测量这一瞬间是稳定不变的。

当阳极接触电阻跃升时，电渗透开始；当混凝土电阻跃升并维持稳定时，电渗透结束。计算得到混凝土电容的容值，以一个干透的同样大小和材质的混凝土的电容值为最低值，得到混凝土电容的变化曲线，根据正比例关系变化关系，根据混凝土电容值获得混凝土的含水率即电渗透现象的进程。准确获取了电渗透进程。本发明在电渗透初期，采用正负脉冲电压将混凝土内部的水分外排；但在电渗透中后期，混凝土内表面已经干燥，使用直流恒定电压保持或缓慢排水即可。

基于上述方法进行控制，在本发明的一个优选实施例中，如图7所示，第一组(#1)采用直流恒定电压，电压幅值为36v；第二组(#2)采用断续脉冲电压，电压幅值为36v，其中正脉冲时间为4秒，负脉冲时间为0.4秒，正负脉冲之间间隔为0.2秒。通过连续16天的通电和测试，两组分别得到r1、r2、c随时间变化的曲线。

从图7可以看出：①电阻r1随时间变化趋势明显，说明混凝土中的水分子在电渗透作用下发生了迁移，混凝土逐渐干燥，电阻变化明显；②混凝土湿润和干燥两种状态下，电阻数值变化巨大，说明混凝土含水率对其电阻率的影响较大，实验开始阶段，即饱水率为100％时，电阻率为12202ωm；实验结束时，其电阻率为88ωm，变化约为138倍；③混凝土施加断续脉冲电压(#2组)，其电渗透排水效果明显快于直流恒定电压组(#1组)。图中可以明显看出，断续脉冲电压组(#2组)大约在实验进行到11天时，电阻r1基本稳定；而直流恒定电压组(#1组)大约在15天左右才达到相同的效果。

根据电渗透机理，水分子往阴极的移动从通电就会开始，但实验初期的6天时间里，电阻r1变化并不明显。分析可知：r1由两个电阻并联而成：混凝土的干燥电阻、混凝土内部各毛细管溶液电阻。混凝土的干燥电阻是定值，而构成混凝土内部的毛细管数量众多，当每根毛细管中充盈水分子时，每根毛细管都是一个导电通道，且各毛细导电通道为并联关系。当少数毛细管中的溶液发生迁移时，这少部分毛细管的电阻变大，但由于并联关系中，并联的总阻值必定小于构成并联电路中的最小的那一个电阻。因此，只有当绝大部分毛细管的水分子都发生了迁移，绝大部分毛细通道的电阻发生了较大的变化，才会有总的电阻r1呈现出较大的变化。根据这一分析，图7的变化规律中表明了一个重要的信息：即当r1电阻发生急剧上升且趋于稳定时，即表示混凝土中的电渗透作用基本结束。此时，混凝土中毛细管的水分子基本进入了岩土或粘土层。

图8是电阻r2的变化规律，从中可以看出：①脉冲电压组(#2)的变化规律较恒定电压组(#1)要快一些。表明脉冲电压组的电渗透作用要快于直流恒定电压组；②两组实验后期(第5天之后)数据均趋于稳定。

构成电阻r2的要素为：阳极自身电阻，阳极接触电阻，阴极接触电阻，阴极自身电阻以及导线电阻。其中由于阳极、阴极、导线都为导电性良好的材料，且电阻率稳定，其阻值和变化均可忽略不计。水分子在电渗透的作用下向阴极移动，阴极周围能够长久保持湿润状态，因此阴极接触电阻能够保持相对稳定。而阳极接触电阻则不同，水分子离开阳极向阴极移动后，阳极由原来的湿润状态转为干燥状态，失去了水分子的浸润，其接触电阻变化明显。图7可以看出，通电后水分子的移动，使r2发生了变化。因此通电后短时间内r2的增加，清晰的表明电渗透已经开始起作用，说明水分子离开了阳极，从而导致了阳极接触电阻增大。

图9为混凝土电容变化规律，可以看出：①电容随水分子的移动，基本成线性规律变化；②脉冲电压组(#2)排水速度快于直流恒定电压组(#1)，图中可以看出#2曲线明显比#1好曲线更早趋于稳定。

当电容数值连续稳定下降并趋于稳定时，表明混凝土电渗透作用趋于结束，对照图6电阻r1的变化规律，也清晰地表明了电渗透现象在11天(#2)、15(#1)天时趋于结束。

混凝土的含水率对其电阻影响极大，当水分子向阴极移动时，由于并联效应，整个混凝土电阻变化并不大，但当电渗透在混凝土中的作用接近尾声时，混凝土电阻急剧增加，当电阻重新趋于稳定后，表明电渗透作用完成。可将混凝土电阻率的变化作为电渗透结束的判断依据。

电渗透现象作用开始后，水分子向阴极移动，阳极附近的水分子离开阳极，因此阳极的接触电阻开始增加。当阳极的接触电阻趋于稳定后，表明阳极附近的水分子已经迁移完毕。因此可将阳极接触电阻作为电渗透开始的判断依据。

电容c随着电渗透作用的进行，呈稳定降低趋势，其变化规律呈线性关系。因此电容的容值可作为含水率大小的判定依据，也可作为电渗透进程依据。

混凝土电渗透实验中，断续脉冲电压效果较恒定电压效果要明显。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。