В НГТУ НЭТИ разрабатывают метод упрочнения скелета грунта при строительных работах
Ученые Новосибирского государственного технического университета НЭТИ разрабатывают метод укрепления грунта с помощью электроосмоса переменным асимметричным током. Технология позволит не только эффективно удалять влагу в пористых средах, но и уменьшить энергозатраты на сам процесс.
Как отмечает профессор кафедры электротехнических комплексов доктор технических наук Евгений Порсев, в дисперсных материалах диэлектрической природы (грунтах) на границе раздела «твердый диэлектрик — вода» возникает двойной электрический слой за счет полиненасыщенных связей на поверхности диэлектрика толщиной не более 3–5 диаметров молекулы воды. При наложении внешнего электрического поля двойной электрический слой приходит в движение, увлекая за собой окружающую воду, — происходит массоперенос воды в неподвижном скелете грунта. Это явление создания гидравлического напора под действием электрического поля называют электроосмосом. С помощью данного способа можно обезвоживать влажный грунт, что увеличит его плотность, прочность и несущую способность, предотвратит деформации и просадку под весом сооружений, а также обеспечит устойчивость фундаментов. Снижение водопроницаемости особенно критично для глинистых почв, склонных к набуханию. Технология электроосмотического обезвоживания может использоваться, например, при строительстве метрополитена для стабилизации почвы и снижения уровня грунтовых вод.
Суть разрабатываемого в НГТУ НЭТИ метода заключается в применении асимметричного переменного тока для электроосмотического обезвоживания грунта. Как объясняет Евгений Порсев, при осушении грунта постоянным током возникают паразитные процессы, которые препятствуют движению воды в скелете грунта. Это, например, создание градиента влажности между электродами, который приводит к росту электрического сопротивления в грунте. Неравномерное распределение влаги создает зоны с низкой проводимостью и может привести к затуханию процесса. Паразитным фактором также является поляризация электрического поля — возникновение отрицательного напряжения, направленного встречно к напряжению, прикладываемому к скелету грунта. Это создает дополнительное сопротивление, на преодоление которого тратится значительная часть энергии. Как следствие, возрастают удельные энергозатраты на процесс электроосмотического осушения.
«Переменный ток использует электрическое поле с изменяющейся полярностью и неодинаковой амплитудой импульсов. Главная задача — подобрать частоту пульсации тока так, чтобы она совпадала с собственной частотой механических колебаний частиц грунта. Это позволяет снимать поляризацию отрицательных факторов, влияющих на общие энергозатраты. Асимметричный переменный ток создает импульсы разной полярности, что обеспечивает более равномерное осушение грунта», — рассказал ученый.
В ходе исследований были проведены электроосмотические эксперименты с несколькими сортами глинозема. Результаты экспериментов показали, что энергетическая эффективность электроосмоса на переменном асимметричном токе практически в 11 раз выше электроосмоса на постоянном токе (затрат энергии на процесс обезвоживания требуется в 11 раз меньше).
В продолжение работы ученым предстоит провести серию натурных экспериментов по определению энергетического резонанса, чтобы найти оптимальные характеристики внешнего электрического поля для снижения энергозатрат на процесс упрочнения скелета грунта.