一种带电核壳纳米材料及其在电渗固结软弱土中的应用的制作方法

本发明涉及电化学及电渗技术领域，具体是一种带电核壳纳米材料及其在电渗固结软弱土中的应用。

背景技术：

在我国沿海、沿江的广大区域里，普遍分布着淤泥质软黏土。淤泥质软黏土有高含水率、低强度、高压缩性、低渗透性等诸多缺点，这些不良特性给工程施工带来了很多困难。高压缩性会引起地基发生较大的整体沉降或不均匀沉降；低渗透性会导致土体排水固结会持续很长时间，影响工程施工和建筑物的使用；低强度导致地基承载力不足和稳定性差，通常该类土体不能满足工程的要求。为了改善淤泥质软黏土的这些不良特性，在工程施工中采用了多种方法对其进行处理，如强夯法、真空预压法、堆载预压法等。由于淤泥质软黏土具有低渗透性，常规排水固结方法处理该类土体时会持续很长时间，而且土体加固效果有时也并不理想。随着我国工程建设的快速发展，对土地需求的日益迫切，一种新的软弱土处理方法—电渗排水固结法在工程中逐渐得到应用，尤其是在淤泥质软黏土地基处理中的应用中也越来越广泛，而且取得了较好的效果。

电渗法就是在插入金属电极的土体中通以一定电压的直流电，使两电极之间土体中的水在电场作用下从阳极流向阴极，以提高土体的排水效率，使土体的含水率或地下水位下降，并逐渐使土体完成固结的软土处理方法。影响电渗效果的因素主要由两个方面：土体渗透性、土体的固结情况。土体是由固相(矿物颗粒)、液相(水溶液)、气相(气体)组成的三相分散系，由于其中矿物颗粒的大小、形状、排列形式不同，土体含水率的不同以及土体形成原因的不同等等，这些都会使得土体中孔隙的形状极不规则，导致不同土体的渗透性和固结情况各不相同。在软黏土中，黏粒含量、胶结情况对土体性质有着重要影响；水与黏粒混合后会引起复杂的物理化学变化，会使土体的物理力学性质发生变化。首先观察到黏土颗粒带电现象的是由俄国学者Reuss，他于1809年经过实验证实：当在土体中插入电极并施加电压时，两电极之间土体中的水会在土体的孔隙中从阳极向阴极移动。电渗法可以用于处理软土地基，其对软黏土的的排水加固效果要明显优于常规土体加固方法。电渗法可以使土体中的水较快排出，降低土体含水率、完成固结，提高土体的强度。电渗法在国内外均有工程应用的成功案例。随着电渗理论的不断完善、电渗技术的不断创新，人们对电渗有了更全面的认识。电渗法的应用范围也更加广泛，该方法在岩土工程领域的重要性也备受关注。

另一方面，近年来纳米材料在土木工程领域的应用也取得了快速发展，尤其是利用电场驱动纳米材料修复混凝土的研究，对纳米材料在岩土工程中的应用打开了新思路。纳米材料的比表面积大、粒径小(1-600nm)，具有一些非纳米材料不具备的物理和化学特性，是一种新材料。纳米材料已在冶金、化工、微电子、电子、国防、医学和生物等领域得到广泛应用。随着纳米材料的广泛应用，其成本也大大降低，这也为纳米材料在岩土工程中应用提供了可能。

在软弱土中注入某些化学物质和纳米材料，借助于电渗、电泳、电迁移等电化学方法，很有可能会进一步加快土体中水的排出，增加软弱土的强度，进而实现对软黏土的加固。本文将对纳米材料对淤泥质软粘土电渗排水固结效果进行探索。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种带电核壳纳米材料及其在电渗固结软弱土中的应用，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种带电核壳纳米材料，带电核壳纳米材料是带正电荷纳米金属氧化物包覆SiO₂微球；所述带正电荷纳米金属氧化物包覆SiO₂微球的粒径为1-600nm；所述SiO₂微球的粒径为1-300nm。

作为本发明进一步的方案：所述带正电荷纳米金属氧化物是纳米Al₂O₃或纳米Fe₃O₄或纳米Ag₂O或纳米ZnO或纳米CuO或纳米MnO₂。

作为本发明进一步的方案：所述带正电荷纳米金属氧化物的粒径为1-300nm。

作为本发明进一步的方案：所述带电核壳纳米材料借助于电渗、电泳、电迁移等电化学方法，能够用于淤泥的加固。

作为本发明进一步的方案：所述带电核壳纳米材料借助于电渗、电泳、电迁移等电化学方法，能够用于淤泥质土的加固。

作为本发明进一步的方案：所述带电核壳纳米材料借助于电渗、电泳、电迁移等电化学方法，能够用于冲填土的加固。

作为本发明进一步的方案：所述带电核壳纳米材料借助于电渗、电泳、电迁移等电化学方法，能够用于杂填土及其他高压缩性土的加固。

作为本发明进一步的方案：所述带电核壳纳米材料借助于电渗、电泳、电迁移等电化学方法，能够提高固结后软弱土的抗渗能力。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：带电核壳纳米材料和某些化学物质注入软弱土中，借助于电渗以及电泳和电迁移等电学手段，对软弱土进行处理，能达到加快软弱土电渗排水速度、提高排水效率、增强软弱土强度等目的。上述软弱土包括淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土及其他高压缩性土。本发明通过对实验数据进行对比、分析，系统的研究带电核壳纳米材料对电渗排水速度、排水量、增加软弱土的强度的影响规律，得出了最佳电渗排水方案，为工程实践提供有益的指导。

附图说明

图1为10V电压下排水量与时间关系曲线。

图2为15V电压下排水量与时间关系曲线。

图3为20V电压下排水量与时间关系曲线。

图4为电渗前后含水率变化的柱状图示。

图5为经20V电压电渗后的原状土的电镜图像。

图6为原状土的电镜图像。

图7为加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体的电镜图像。

图8为加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土体的电镜图像。

图9为加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体的电镜图像。

图10为土体中注入不同浓度SiO₂@Al₂O₃τ_f、c、的关系示意图。

图11为SiO₂@Al₂O₃浓度、阳极个数对阳极附近土壤粘聚力的影响的折线图示。

图12为SiO₂@Al₂O₃浓度、阳极个数对阳极附近土壤内摩擦角的影响的折线图示。

图13为SiO₂@Al₂O₃浓度、阳极个数对阳极附近土壤含水率的影响的折线图示。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-13，一种带电核壳纳米材料，该带电核壳纳米材料是带正电荷纳米金属氧化物包覆SiO₂微球。

带正电荷纳米金属氧化物包覆SiO₂微球的粒径为1-600nm。

SiO₂微球的粒径为1-300nm。

带正电荷纳米金属氧化物包括：纳米Al₂O₃，纳米Fe₃O₄，纳米Ag₂O，纳米ZnO，纳米CuO和纳米MnO₂等各种纳米金属氧化物，上述金属氧化物纳米材料粒径为1-300nm。

带电核壳纳米材料在电渗固结软弱土中的应用，能够用于淤泥的加固。

带电核壳纳米材料在电渗固结软弱土中的应用，能够用于淤泥质土的加固。

带电核壳纳米材料在电渗固结软弱土中的应用，能够用于冲填土的加固。

带电核壳纳米材料在电渗固结软弱土中的应用，能够用于杂填土及其他高压缩性土的加固。

带电核壳纳米材料在电渗固结软弱土中的应用，能够提高固结后软弱土的抗渗能力。

以下结合具体实施实例对本发明的内容进行详细的说明：

实施例1

请参阅图1-3，一种带电核壳纳米材料，本发明实施例中，采用带电核壳纳米材料，其中带正电荷的金属氧化物为纳米Fe₃O₄，带电核壳纳米材料表示为SiO₂@Fe₃O₄，本实验土体的取样地是武汉市东西湖区，土体的基本物理力学指标如表1。

表1东西湖区淤泥物理性质参数

试验土体分为四组：1)加SiO₂@Fe₃O₄为软弱土的0％，即原状土；2)加SiO₂@Fe₃O₄为软弱土的0.1％；3)加SiO₂@Fe₃O₄为软弱土的0.2％；4)加SiO₂@Fe₃O₄为软弱土的0.3％。将配置好的土体静置24h后，进行电渗排水实验。

电渗的电压为10V、15V、20V。测量在每一种电压电渗作用下，四组土体的排水量、抗剪强度、含水率和土体的c、值等。

1排水量的变化

随着电渗的持续进行土体中的水不断被排出，总排水量会不断增加。排水量直接反映出SiO₂@Fe₃O₄对土体电渗排水的效果。

由图1可知，10V电压下加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体排水速度及总排水量最大(2110ml)；电渗的前40h原状土、加SiO₂@Fe₃O₄0.2％、0.3％的排水速度接近(21ml/h)；电渗的后40h，加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土体排水速度略有增加，然后逐渐降低与加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体排水速度接近(10ml/h)，而原状土、加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体排水速度逐渐降低，总排水量趋于稳定。分析可知：10V电压下SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体排水效果最好；在电渗排水的后期(40h后)加SiO₂@Fe₃O₄0.1％、0.2％的土体排水效果均比原状土好。

由图2可知，15V电压下加SiO₂@Fe₃O₄的土体总排水量均大于原状土的总排水量(1610ml)；加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体排水量最大(2120ml)，加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土体排水量(1936ml)次之，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体排水量最小(1665ml)。分析可知：15V电压下，SiO₂@Fe₃O₄对土体的电渗排水有明显的促进作用，而且加SiO₂@Fe₃O₄越少排水效果越好。

由土3可知，在20V电压下，加SiO₂@Fe₃O₄的土体总排水量均大于原状土的总排水量(1858ml)；加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体总排水量最大(2610ml)，加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土体总排水量次之(2373ml)，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体总排水量最小(2276ml)。分析可知：在20V电压下SiO₂@Fe₃O₄对土体电渗排水有很好的促进作用，且随SiO₂@Fe₃O₄加入量的增加总排水量随之增大，排水效果更好。

通过综合以上对不同电压下不同SiO₂@Fe₃O₄含量的土体排水情况进行的分析，可以得出以下结论：

1、在10V、15V电压作用下，SiO₂@Fe₃O₄加入量越低总排水量越大，排水效果越好；

2、在20V电压作用下，SiO₂@Fe₃O₄加入量越高总排水量越大，排水效果越好；

3、电压15V、加入SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体和电压20V、加入SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体两种排水方案比较好。

在较高电压下，土体的总排水量也会更高。

2土体抗剪强度变化

土体的粘聚力(c)和内摩擦角是反映土体力学性质的重要参数，直接反映出电渗对土体处理的效果。该实验采用固结快剪法对电渗试验前后的土体进行测试，得出土体的粘聚力(c)和内摩擦角由库伦定律知，垂直压力(σ)一定的情况下土体的粘聚力(c)和内摩擦角对土体抗剪强度有直接的影响。

由表2可知，

随着电压增大电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角均有增大；在同一电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄的土体电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角均高于原状土；在10V、15V电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.1％和0.2％的土体电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角较高；在20V电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体电渗后的粘聚力(c)和内摩擦角较高。

表2电渗前后土体c、值变化

综合以上电渗后土体的粘聚力(c)和内摩擦角分析可得出以下结论：

1、随着电压增大电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角均有增大；

2、在同一电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄的土体电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角均高于原状土；

3、在10V、15V电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.1％和0.2％的土体电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角较高；在20V电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体电渗后的粘聚力(c)和内摩擦角较高。

3含水率变化

含水率是土体的重要物理参数之一，也是反映电渗排水作用的重要指标，能直观地体现出电渗排水的效果。电渗试验结束后，取阴极附近的土体测其含水率，并与电渗前的土体含水率进行比较，如表3

由图4可得出以下结论：

1、在不同电压下四组试验土体含水率均有明显下降，含水率下降幅度为29.6％～57.1％不等；

2、电压越高，电渗结束后土体含水率越低；

3、10V、15V电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土体的含水率最低；20V电压下，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体含水率最低；

4、同一电压下，原状土的土体含水率最高；

表3电渗前后土体含水率变化

综合以上电渗后含水率分析可得出以下结论：

1、在不同电压下四组试验土体含水率均有明显下降，含水率下降幅度为22.2％～57.1％不等；

2、电压越高，电渗结束后土体含水率越低；

3、同一电压下，电渗结束后原状土的含水率最高；

4、10V、15V电压下，加入SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土体的含水率最低；20V电压下，加SiO₂@Fe₃O₄0.3％的土体含水率最低；

5、电渗后，加SiO₂@Fe₃O₄土体含水率比未加SiO₂@Fe₃O₄土体含水率低2.1％～14.9％不等，且隔断水源的土体这种作用更加明显；

4土体细观结构分析

土是由固相、液相、气相组成的三相分散系。固相物质包括多种矿物成分组成的骨架，骨架间隙为液相和气相填满，这些空隙是相互连通的，形成多孔介质。由于土体的形成原因、自然气候条件等差异，每种土体的三相组成是不同的，这也会导致土体物理力学性能有很大差异。为了更好的探究土体的电渗排水固结的情况，进行土体的细观进行观察比较十分必要。

该细观观察的土体是原始土体和经20V电压电渗后的原状土、加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体、加SiO₂@Fe₃O₄0.2％的土体、加SiO₂@Fe₃O₄0.1％的土体。所选土体烘干后，在电子显微镜下放大3000倍，扫描成像后进行观察。

进行扫描电镜后结果如图5～9，分析可得以下结论：

(1)本实验中使用的淤泥质软黏土为片状结构、孔隙较多、土体结构松散；

(2)经电渗排水后，土体中的孔径较大的孔隙明显减少，土体结构更加密实，但细小孔径的孔隙明显增多；

(3)加入SiO₂@Fe₃O₄土体，其的片状结构更小，且土体间结合更紧密。

5结论：

(1)电渗法对淤泥质软黏土排水效果明显，含水率下降幅度为22.2％～57.1％不等；

(2)SiO₂@Fe₃O₄对促进淤泥质软黏土排水作用明显，加SiO₂@Fe₃O₄淤泥质软黏土电渗后含水率比未加SiO₂@Fe₃O₄淤泥质软黏土低2.1％～14.9％不等，且隔断水源的土体这种作用更加明显；

(3)电渗实验的过程中，土体能耗系数均逐渐增大，电渗效率降低；

电渗结束后土体抗剪强度明显提高，加入SiO₂@Fe₃O₄的土体抗剪强度大于为加SiO₂@Fe₃O₄的土体。

实施例2

本发明实施例中，采用带电核壳纳米材料，其中带正电荷的金属氧化物为纳米Al₂O₃，带电核壳纳米材料表示为SiO₂@Al₂O₃，本实验土体的取样地是武汉市东西湖区，土体的基本物理力学指标如表1。

土壤的电渗处理，电渗采用20伏直流电。先配好浓度分别为0mg/ml、0.1mg/ml、0.5mg/ml、1.0mg/ml分散良好的SiO₂@Al₂O₃悬浮液，通过注射器注入到阳极，注入量为10ml。1、排水量的变化

电渗处理24小时，记录排水量如表4

表4不同浓度SiO₂@Al₂O₃出水量

由表4可知，在20V电压下，加SiO₂@Al₂O₃的土体总排水量均大于原状土的总排水量(365ml)；加SiO₂@Al₂O₃1.0％的土体总排水量最大(480ml)，加SiO₂@Al₂O₃0.5％的土体总排水量次之(420ml)，加SiO₂@Al₂O₃0.1％的土体总排水量最小(390ml)。分析可知：在20V电压下SiO₂@Al₂O₃对土体电渗排水有很好的促进作用，且随SiO₂@Al₂O₃加入量的增加总排水量随之增大，排水效果更好。

2土体抗剪强度变化

土体的粘聚力(c)和内摩擦角是反映土体力学性质的重要参数，直接反映出电渗对土体处理的效果。该实验采用固结快剪法对电渗试验前后的土体进行测试，得出土体的粘聚力(c)和内摩擦角由库伦定律知，垂直压力(σ)一定的情况下土体的粘聚力(c)和内摩擦角对土体抗剪强度有直接的影响。

分别取试直径39.1mm，高80mm试件，用三轴仪(TSZ-1B南京，中国)控制压强分别为：50kPa，100kPa and 200kPa测试τ_f、c、三者的关系，测试结果如图10。

分析可得出以下结论：

1、加入SiO₂@Al₂O₃的土体电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角均高于原状土；

2、随着SiO₂@Al₂O₃浓度的增加，电渗后的土体粘聚力(c)和内摩擦角均有增大。

3结果与讨论

通过电化学处理，取阳极和阴极附近的土壤样品进行测试，通过使用应变控制的三轴仪，测试结果见表5。

表5.电渗处理结果

从表5可以看去，当用SiO₂@Al₂O₃悬浮液代替水，以及增加阳极数，都可以增加阳极和阴极之间的电流流动。当SiO₂@Al₂O₃悬浮液浓度为1mg/ml NPs，电流增加了约30％。从上表还可以看去，不同的阳极排列方式对纳米颗粒的电流效率的影响可以忽略不计。

通过电化学处理，取阳极和阴极附近的土壤样品进行测试，通过使用应变控制的三轴仪。测试结果见表6，具体情况见图11、12和13。

由图11可知，SiO₂@Al₂O₃浓度增加，阳极附近土壤粘聚力增加，同时，阳极数量的增加阳极附近土壤粘聚力也增加。

由图12可知，SiO₂@Al₂O₃浓度增加，阳极附近土壤内摩擦角增加，同时，阳极数量的增加阳极附近土壤内摩擦角也增加。

由图13可知，SiO₂@Al₂O₃浓度增加，阳极附近土壤内含水率降低，同时，阳极数量的增加阳极附近土壤内含水率降低。

5结论：

1)增加阳极的数目，还可以改变土壤的凝聚力和摩擦角，提土壤微观结构的致密性。

2)SiO2@Al2O3浓度增加，阳极附近土壤内含水率降低，同时可以改变土壤的凝聚力和摩擦角，提土壤微观结构的致密性。

3)多阳极和SiO₂@Al₂O₃浓度增加，能够提高固结后软弱土的抗渗能力。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。