含盐量对蒙脱石粘土电渗影响试验研究

（1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉430072）

（1.同济大学地下建筑与工程系，上海200092；2.同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092；3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北武汉430072）

为了研究电场作用下含盐量不同的蒙脱石粘土的渗透特性，利用自制的室内电渗试验装置，完成了4种含盐量的蒙脱土电渗试验，对试验过程的排水量、电流、电势及试验后含水率进行监测.结果表明：蒙脱土在电场作用下的渗透性显著增大，40 V电压情况下电渗排水速率约为常规渗透速率的1 000倍；受蒙脱石自身分子结构及电解质浓度的影响，电渗系数随含盐量的增加先增大后减小，在0.5%附近达到最大排水量；土体两端有效电势随含盐量增加而减小，电流反之增大，阴阳两极电势降增大，表明界面处的能耗随含盐量增加而增大；阴阳两极板短接后，电渗过程中电荷发生重分布，电渗结束后，土体内电势分布不均匀，中间区域电势最低，土体各处电流方向不一致.

电渗；排水；土体含盐量；蒙脱石

蒙脱石粘土又称膨润土，因其膨胀性和低渗透性被广泛应用于核废料处理的缓冲回填材料.它的高吸水膨胀性可密封各种施工缝隙并缓冲围岩压力，低水力渗透性能有效阻障地下水渗流、核素迁移，降低辐射物扩散，成为一道阻滞辐射物扩散的化学屏障［1］.膨胀力、渗透系数和胀缩变形量作为膨润土水-力学性能评价的主要指标已经得到相当多学者的重视［2］，在核废料深层地质处置中，考虑膨润土的渗透特性非常重要.Pusch［3］对膨润土中盐度与渗透性的关系进行了研究.Komine［4］、Shirazi等［5］对不同种类膨润土及渗透特性进行了研究.牛文杰等［6］对高庙子膨润土不同条件下的水力学特性进行了分析.孙文静等［7］对浸水饱和的高庙子钙基膨润土进行试验以研究其渗透特性.虽然蒙脱石粘土比一般粘土的渗透性更低，但放射性核废料在衰变过程中，放出各种射线，并发生电离和激发作用，从而会形成电场.在电场作用下蒙脱石粘土会发生电渗透，使其渗透性增大，可能导致核污染物质泄漏，因此，需要针对蒙脱石粘土进行电渗试验研究.

电渗透是指土中极化水分子在电场作用下从阳极向阴极的定向移动［8］，在岩土工程领域，利用该技术进行透水性很差，水力传导系数非常小的、高含水率土体的电渗加固已经有了比较广泛的研究.自Casagande［9］首次用电渗法加固德国某铁路挖方工程后，国内外对电渗的研究及工程应用便不断增多，如从能量的角度对电渗过程及机理进行了分析和研究［10-11］；利用电极转换［12］、间歇通电［13］、电极采用新型的电动土工合成材料［14-15］等技术手段提高电渗效果；对电渗和传统预压等方式联合应用的研究［16-17］等.已有对电渗的研究多偏重于在地基处理中的效果，而蒙脱石粘土在电渗作用下的渗透特性极少受到研究者的关注.在实际的处置库运营中，近场化学条件十分复杂，地下水具有一定的化学成分和浓度，地下水中的碱金属离子会与蒙脱石层间阳离子发生交换.因此，在研究蒙脱石粘土的渗透性时，电场和孔隙水盐溶液浓度的影响值得进一步研究.

本文采用电渗的方法，利用自制的模型箱对蒙脱石粘土的主要组成矿物蒙脱石进行室内电渗试验，研究蒙脱石粘土在电场作用下的渗透性，以及含盐量对蒙脱石电渗性状的影响，以期为以后蒙脱石粘土的渗透性研究及改良防渗性能提供依据.

1 试验方案

1.1 试验装置

试验容器为自制的有机玻璃模型箱，如图1所示，整个装置分为上部土样盒和下部集水盒两部分.土样盒尺寸为20 cm×12 cm×12 cm，土样盒在阴极区域底部设有排水孔，电渗过程中聚集到阴极的水会通过土样盒底部的排水孔流入集水盒中，再通过集水盒下的塑料导管流入量筒中以测量排水量.图1中，C1～C4表示测点位置.

电极采用EKG导电塑料板，其活性较低，可以减弱采用金属电极带来的化学腐蚀等不利影响.

试验电源采用ps—305d型直流电源，可以提供最大50 V的输出电压或者最大5 A的输出电流，能够长时间连续工作并保证稳压输出.由于EKG电极材料本身的电阻相对较大，考虑到试验过程中的电压损耗和电渗效率，电压采用40 V稳压输出.

测量工具：VC890D型号的数字万能表用于电流和电势的测量；PB602-N型号的电子秤和101—2A型号的电热鼓风干燥箱用于称重和含水量测试.

1.2 试验材料

鉴于蒙脱石粘土的蒙脱石含量在85%～95%之间，故本试验土料采用商用蒙脱石，液限约为115%，颗粒级配曲线如图2所示.每组试验均根据设定的含盐量、含水率和试样的体积计算并量取相应的蒙脱石干粉、水和盐.实验中盐采用NaCl，含盐量为NaCl质量与干粉质量的比值，先将盐完全溶于水中，再用溶解好的盐水制作饱和土样.

图2 试验材料的颗粒级配曲线Fig.2 Grading curve of the test material

鉴于海相粘土的含盐量较高，大多在2%～3%之间，而且已有的工程和试验资料表明［18］，土体电渗透性最大时的含盐量要低于海相粘土，因此在低含盐量范围内对渗透性进行研究更有实际意义，所以综合考虑到试验的对比效果，最终的含盐量依次定为0.1%、0.5%、1.0%和5.0%.

1.3 试验过程

整个试验按照含盐量分为4组，如表1所示.由于试验条件限制，每个试验均采用间歇通电的方式，白天通电9 h，晚上断电15 h，试验过程和步骤均相同，都可分为3部分：试验前、中、后.

试验前：（1）测量土样的初始含水量（表1）；（2）在土样盒两端安装电极，分4层密实装填土样，每层约为2.5 cm，共填土10 cm；（3）按图1（a）所示连接电路插入电势测针，静置24 h后打开电源，试验开始.

试验中：（1）在输出电压达到40 V的瞬间读取电路中的即时电流，最大电流和最大电流出现的时刻；（2）每隔30 min测量该时间间隔内的排水体积，该时刻下的瞬时电流和各测针处的瞬时电势；（3）当土体24 h内不再排水或累计通电时间达到65 h时，移除电源；（4）用导线将阴阳两极板短接，并与电流表组成通路，见图1（b），每隔30 min测量电路中的瞬时电流和各测针处的瞬时电势；（5）同样在白天接通电路，夜晚断开电路，累计通路30 h结束试验.

表1 试验条件汇总表Tab.1 Summary of test conditions %

试验后：依次取阴极、阳极及中间3个区域，上、下两个位置共6个土样，进行含水量测试，取样点位置分布见图3.

图3 取样点位置分布图（正视图，单位：cm）Fig.3 Locations of sampling points（front view，unit：cm）

2 试验结果

2.1 电渗排水量与排水速率

（1）电渗排水量

累计排水量随通电时间的变化曲线如图4所示.由图4可知，4组试验曲线的变化趋势基本相同，在电渗的初始阶段，排水速率最大，经过一段时间后，电渗累计排水量的增长速率变慢，曲线增长变缓并收敛，当通电时间继续延长，总排水量不再发生变化.由于间断通电，当再次通电时，不会马上排水，因此，每条曲线在增长阶段均存在水平线段.

为了进一步说明蒙脱石的电渗排水特点，图4中选取了含盐量为0.5%的软粘土电渗排水曲线［19］进行比较，很明显蒙脱石的电渗排水效果远不及软粘土，这与蒙脱石自身的分子结构有关.一方面蒙脱石吸水膨胀后排水孔道减少；另一方面由于晶格置换，使晶体表面电化学性质增强，吸附阳离子和极性分子的能力增大，进而使电渗排水受到抑制作用.在刚开始通电的2 h内，4组土体的累计排水量曲线都近似直线且接近重合，说明此时土体的排水几乎不受盐分多少的影响.由于含盐量差异使得电渗排水量曲线有了明显不同.文献［19］在软粘土电渗试验中也得出相同的规律，即土体存在一个使其电渗透性最大的含盐量值，且其值与土体种类有关.图4显示含盐量为0.5%的试样排水量最多，电渗透性最大，曲线各阶段的斜率也最大.含盐量越高，斜率越小，线性增长阶段的时间越短.

图4 电渗排水量曲线Fig.4 Cumulative volumes of water collected by electro-osmosis drainage

蒙脱石粘土电渗作用随含盐量先增加后减小的规律可以通过蒙脱石中水分子的排列方式和Stern双电层理论［20］来解释.一方面，随着Na+浓度增加，Na+周围的束缚态水分子增多，即向阴极移动时所携带的水分子增多，有利于电渗排水.另一方面，根据Stern双电层模型，Na+浓度的增加会使双电层扩散层产生压缩，使阳离子从扩散层转移到Stern层，即Na+被吸附到土颗粒表面不可移动层，扩散层中阳离子数目降低，水分子含量下降，所以电渗排水受到抑制.两个方面的作用使得电渗排水量随含盐量先增后减，存在最大值.

（2）电渗排水速率

电渗排水速率随通电时间的变化过程如图5所示.初始通电时，除了5%的初始排水速率稍低以外，其余3组土体试样的排水速率相差不大，但在接下来的几个小时中，试验1和试验2的排水速率升高，而试验3和试验4的排水速率降低.原因是低含盐量的土体随着水分的排出，溶液中离子浓度相应提高，更接近最大排水含盐量.随着通电时间继续延长，4组试验的排水速率均不断降低，且含盐量大的排水速率衰减相对较快.

图5 电渗排水速率曲线Fig.5 Electro-osmosis drainage rate

图6 电渗排水量与含盐量的关系Fig.6 Relationship between electroosmosis drainage and salinity

由图6可以看出，电渗排水曲线在含盐量为0.1%～1.0%的区间变化很大，且通电时间越久，排水曲线在0.1%～0.5%区间内上升越快，在0.5%～1%区间内下降也越快，可以确定试验用土样电渗最大排水含盐量应该在0.5%左右.

2.2 电流强度变化

（1）通电过程中电流变化

图7显示土体含盐量越高，电路中电流就越大.当每次断电后再通电时，4组试验的电流均出现突变升高，然后迅速下降至断电前的电流以下，并且继续按照原电流曲线的下降趋势继续下降.去除图中电流突变点，将曲线的趋势进行拟合，得到函数表达式，4组试验均说明电流随时间是近似呈负指数趋势变化的，见图8.

对比电渗排水量与排水速率曲线可知，排水量和排水速率随电流的减小而增大，说明由于土体电阻减小引起的电流增大并不能提高电渗排水效果.

（2）阴阳两极短接后电流变化

通电结束后移除电源，将两极板与电流表连成通路，电路中电流与时间关系曲线见图9.阳极板与电流表的红色端口相连，阴极板与黑色端口相连，测得电流为正值，即电流是从阳极板流向阴极板，则土体内部负电荷是由阳极区域向阴极区域移动，说明外电场作用下土体内部电荷发生重分布.阴阳两极短接后的电流随着含盐量的增加而增大，表明在电渗过程中，土体的含盐量越高，即土体内阴阳离子越多，电荷累积量越大.当不考虑短接后前2～3 h的电流速降，电流变化的整体趋势仍然符合负指数关系.

图7 电流随时间的变化Fig.7 Variation of current with time

图8 去除突变点后电流与时间的关系Fig.8 Variation of current with time after removing mutation points

2.3 电势分布

（1）通电过程中各点电势分布

4组含盐量不同的电势曲线变化规律相似，只选取最接近最大排水含盐量的曲线进行分析.图10为0.5%含盐量的各测点电势随时间变化的曲线.由图10可知，初始时刻各测点之间的电势差最大，在刚通电后2～4 h内各测点电势有小幅上升，然后逐渐下降，随着电渗的继续进行，各测点处的电势变化趋势曲线近乎吻合.在30 h以后的曲线趋势与电流的趋势曲线非常相似，间歇通电同样会引起各测点的电势出现冲击-回落现象.

图9 短接后电流随时间的变化Fig.9 Variation of current with time after plates connected

图10 含盐量0.5%时各点电势随时间的变化Fig.10 Variation of voltage with time at 0.5%salinity

不同时刻各测针的电势如图11所示.从图11中可以看出，除了在两极处电势的明显跃变外，电压随距阴极的距离呈线性分布.4组试验在电渗开始时刻两极均出现很大的跃变损失，这是由于EKG电极板本身的电阻及电极与土体之间的接触电阻所致.随着电渗时间的增加，阳极处土体失水干缩开裂，上部甚至与阳极板脱离，界面电阻增大，C4测针与阳极之间的电压很高，实际用于电渗排水固结的电压要比电源电压小很多.电势的不均匀分布也与含水率不均匀导致的土体各部分电阻不均匀有关.

图11 含盐量0.5%时不同时刻各测点电势的分布Fig.11 Voltage profile of 0.5% salinity at different time

（2）通电过程中土体两端有效电压

将加在土体两端的实际电压，即电源电压扣除阴阳两极的电势跃变值后的电压，称作有效电压，记为φe，单位为V，则有

式中：φ为电源输出电压，V；

Δφa为阳极与土体间的电势损失，V；

Δφc为阴极与土体间的电势损失，V.

本试验中，测针C1与阴极、测针C4与阳极之间的距离相对于土样长度和截面尺寸很小，如图1（a）所示，故忽略测针与电极板间土体电压产生的误差，近似用C4与阳极板、C1与阴极板间电压替代.

土体有效电压在4组试验中依次占了电源电压的22%、19%、14%和7%.图12为有效电压随时间的变化规律.由图12可以看出，有效电压与各测点的电势曲线变化趋势吻合.含盐量越高，初始有效电压越低，0.1%的有效电压最大，但是与之对应的电流并不大.故在高含盐量时，土体导电能力较强，电阻较小，在整个电路中分得的电压较小；相反低含盐量时电阻较大，电压较高.随着电渗的进行，土体本身的电阻以及土体与电极板之间的接触电阻都会越来越大，但是接触电阻增大的幅度要比自身电阻大，所以，土体在电路中分得的电压越来越小.

前文中电压和电流均产生突变升高现象，这主要是由于断电期间土体中的含水量和电荷发生重分布，另外，水电解产生的气体在断电期间消散完毕，界面电阻减小，使得界面处电势降相应减小，所以土体两端有效电压相应增高.对比电流时间曲线与累计排水量时间曲线会发现，电流的突增没有加快排水，反而出现排水中断现象，说明土体在排水前内部会发生一些反应消耗能量.

图12 有效电压的变化Fig.12 Variation of effective voltage

（3）短接后土体电势分布

为进一步分析电渗过程中电荷的分布，根据短接后各测点的电势可绘制出电势随时间变化曲线，选取含盐量为1.0%的曲线见图13.

由图13可知，断电后正负电荷发生重分布，使得各测点电势在电路再次接通时突升.电路接通时，阴极板与阳极板可以看作是等势体，故阳极电势为0，土体中各测点的电势均为负值，说明土体本身的电势比极板的低.土体内各测点电势逐渐下降，C1的电势相比于其他测点最高且变化最快，C2和C3电势近似相等且最低.由此推测在土体中阳离子的移动能力比阴离子要强，而且移动速度比电解反应速度快，所以阴极区域电势高于阳极区域高于中间区域.电渗结束时各段电势的不规律性预示着土体中不同位置的电流并不相同.土体内部电流从高电势流向低电势，外部则由阳极板流向阴极板.

图13 短接后各测点电势随时间的变化Fig.13 Variation of voltage with time at different test points after plates connected

2.4 电渗透系数变化

电渗透系数是衡量土体电渗透性的主要指标，根据Esrig的理论［21］，土体电渗透系数可以表示为

式中：ve为电渗排水速率，用每半个小时的排水量除以该段时间计算得到，mL/s；

E为施加在土体两端的电势梯度，V/cm，由于电极与土体之间的界面电阻影响，实际用于电渗的电势梯度E应该是实际作用在土体两端的有效电压（图1中C4与C1之间电势差）除以该段土样长度；

A为通过电流的土体横截面面积，cm2，在试验过程中认为土体横截面积A保持不变；

Ke为土体电渗透系数，cm2/（s·V）.

图14为电渗系数随时间变化的曲线.从图14可以看出，电渗透系数很不稳定，在排水过程中波动幅度很大，但是整体仍是减小趋势.由于“间歇通电”，每天再次通电时都不会马上排水，越到排水后期，这个间隔时间会越长，这也是电渗透系数出现零值的原因.

图14 电渗透系数随时间的变化Fig.14 Variation of electric permeability coefficient with time

图14明显地反映出电渗透系数的大小与土体盐分的关系，0.5%的整体电渗透系数最大，排水量最多，排水速率最快，因此，最接近最大排水含盐量.其余3组试验，随着含盐量的增加，整体电渗透系数在减小.为了更直观的观察电渗系数的整体变化，可以做出每天电渗系数的平均值与天数的关系曲线，见图15.由图15可知，随着天数的增加，电渗透系数一直在减小，除0.5%以外，其余3组的电渗透系数在第3天就已经减小为0.而从微观角度来说，电渗透系数与土体本身的性质，如双电层电势和土体孔隙率有关，因此，含盐量作用电渗透系数的机理还需要在以后增加蒙脱石电渗前后微观结构的对比来进一步研究.

图15 电渗透系数随天数的变化Fig.15 Variation of electric permeability coefficient with days

2.5 试验后含水量变化

试验后对土体的含水率进行测试，取土位置见图3，各部分的含水率降低量如图16所示.

图16 含水率降低量的分布Fig.16 Profiles of reduction value of water content

由图16可以看出，土体的含水量在电渗后均有不同程度的降低，0.5%含水量降低的最大；试验1与试验2的规律性更突出，上部与下部含水率降低量曲线与距离近似线性关系，距阳极越近，含水量降低的越多；试验3与试验4的曲线虽然规律性不是很强，但是总体来看，阴极附近的降低量小于阳极附近，土体下部小于上部.充分说明了在外电场的作用下，水分子由阳极移向阴极.除了0.5%以外的3组试验随着含盐量的提高，含水量的降低量增大，与累计排水量的结果刚好相反，这可能是由于NaCl的增多加剧了水的电解.

3 结论与展望

通过自制的室内试验装置对蒙脱石粘土在电场作用下的渗透性进行试验研究，讨论了土体含盐量对排水量、排水速率、电渗透系数、含水量以及土体电流和电压分布的影响，对断电后两极板短接过程中电流和电压的变化进行了分析，得出以下几点主要结论：

（1）对于蒙脱石为主要矿物的蒙脱石粘土来说，电渗排水速率比常规水力梯度下的排水速率大约为1 000倍，其用作核废物处置库缓冲回填材料时需考虑因辐射而产生电场的影响.电渗透作用与土体种类有关，由于蒙脱石自身分子结构对水分子的吸附性使其电渗性能远不及软粘土.

（2）含盐量对蒙脱石矿物的电渗有很大影响，由于其对离子浓度和双电层两方面的作用，使得电渗排水量和电渗透系数随含盐量的增加先增后减，存在最大排水含盐量，使得电渗透系数及电渗累计排水量都是最大值.

（3）电渗过程中在两电极处有较大的电势降，故土体两端有效电压很小.随含盐量的增加，有效电压减小，电流增大，NaCl的加入增强了土体的导电能力，使电势降集中在土体与电极界面处，增大了电渗排水所需要的能量，排水量减小.

（4）阴阳两极短接后电压和电流消散很慢，监测到的电流近似成负指数变化趋势，验证了电荷累积理论.并且发现土体两端的电势要比中间部分电势高，阴极附近高于阳极附近，这与土体中离子迁移速度及土壤电化学机理密切相关.电势的不均匀分布表明电渗作用停止后，土体内电流方向不同.

本文在蒙脱石粘土的电渗特性方面得出了一些结论，但影响其电渗性状的因素很多，如土颗粒粒径、矿物类型、pH值等，因此还有很多问题需要进一步研究.试验中用蒙脱石矿物近似替代蒙脱石粘土，没有考虑其他组分在电场作用下对渗透性的影响，其他各矿物组成对电渗的影响有待进一步研究.由于试验条件限制没有对电渗前后蒙脱石的微观结构以及排出水的成分进行检测分析，以后的研究中应予以考虑.此外，盐的种类对蒙脱石粘土的电渗影响机理仍需进一步研究.

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含盐量对蒙脱石粘土电渗影响试验研究

石振明1，2， 周圆媛1，2， 彭 铭1，2， 庄艳峰3

Experimental Study on Effect of Soil Salinity on Electro-Osmosis in Montmorillonite Clay

SHI Zhenming1，2， ZHOU Yuanyuan1，2， PENG Ming1，2， ZHUANG Yanfeng3
（1.Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Ministry of Education Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.School of Civil Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China）

In order to investigate the permeability of montmorillonite clay with different salt content under an electric field，a laboratory device was designed to capture the drainage，current intensity，voltage，and water content during electro-osmotic drainage tests at four different salinities in montmorillonite.The results show that the permeability increased significantly during electro-osmotic drainage in the electric field.Under 40 V voltage the drainage rate in electro-osmosis was as large as 1 000 times that in normal drainage tests.The electric permeability coefficient increased first and then decreased with an increase in the salt content because of the effect of montmorillonite molecular structure and electrolyte concentration.When the salt content was near 0.5%，the drainage reached a maximum.With the salt content increasing，the effective potential of the soil decreased but the current and the potential drop between cathode and anode increased，reflecting that the energy consumption at the interface increased with the increase of salinity.In addition，a short-circuit connection between the cathode and anode electrodes resulted in a charge redistribution in the process of electro-osmosis.After the electro-osmosis，the potential distribution was found not uniform：the potential of the middle region was the lowest，and the direction of current was different in the soil.

electro-osmosis；drainage；soil salinity；montmorillonite

石振明，周圆媛，彭铭，等.含盐量对蒙脱石粘土电渗影响试验研究［J］.西南交通大学学报，2016，51（5）：1005-1013.

0258-2724（2016）05-1005-09

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.05.025

TU411

A

2016-06-24

国家自然科学基金资助项目（41372272，41402257）；青年科学基金资助项目（41502275）

石振明（1968—），男，教授，研究方向为地质工程，E-mail：shi_tongji@tongji.edu.cn

（中文编辑：秦 瑜 英文编辑：兰俊思）