一種電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布、制備方法及其應(yīng)用與流程

本發(fā)明涉及一種電滲用電極材料，具體涉及一種電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布、制備方法及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

隨著國家對于環(huán)境重視程度增加，河道淤泥以及重金屬污染場地處理工程等越來越多，沿海軟黏土和淤泥質(zhì)土含水量高、滲透性差、壓縮性大、承載力低并且固結(jié)時(shí)間長。相比于傳統(tǒng)的處理方式，電滲法因?yàn)樵谔幚砀吆坑倌鄷r(shí)候具有較好的快速高效處理能力，所以得到廣泛應(yīng)用。在進(jìn)行電滲法加固處理時(shí)往往使用金屬電極，隨著電滲加固方法逐漸完善，金屬電極在使用時(shí)候容易出現(xiàn)腐蝕問題，并且金屬腐蝕會(huì)對環(huán)境造成一定的影響，所以近年來使用電動(dòng)土工合成材料的加固項(xiàng)目逐漸增加，電動(dòng)土工合成材料在加固時(shí)同時(shí)具有土工布反濾和電極導(dǎo)電的功能，另外不會(huì)產(chǎn)生電極的腐蝕，在電滲后期會(huì)有較高的有效電勢。

目前使用的電滲用電動(dòng)土工合成材料主要制作方式是在排水板中間添加金屬銅或者碳粉末來同時(shí)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電和排水的功能，前者制作時(shí)候一般用兩層排水板中間加金屬絲，這種處理方式會(huì)導(dǎo)致在電滲加固時(shí)土體難以直接和金屬銅絲接觸，導(dǎo)致接觸電阻非常大，從而極大的影響實(shí)際的電滲效果。后者由于排水板中間加粉末物質(zhì)，粉末會(huì)在電場的作用下產(chǎn)生運(yùn)移，從而對電滲加固產(chǎn)生干擾或者對土體的性質(zhì)造成影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有電滲金屬電極以及電動(dòng)排水板在使用過程中產(chǎn)生腐蝕或者影響土體既有性質(zhì)的問題，提供了一種電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布、制備方法及其應(yīng)用，在減小接觸電阻保證較好導(dǎo)電能力的同時(shí)不會(huì)對土體性質(zhì)產(chǎn)生干擾，不會(huì)對已有的土體產(chǎn)生污染，從而可以在工程應(yīng)用中達(dá)到比較好的效果；導(dǎo)電土工布還具有普通土工布的優(yōu)良性質(zhì)，相比于排水板制作的導(dǎo)電土工材料以及金屬電極具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布，由若干不銹鋼纖維組成，水刺加工后不銹鋼纖維之間85％為并聯(lián)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，10％為搭接導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，5％為串聯(lián)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，通過不同導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的配合控制導(dǎo)電土工布的電阻率為0.012Ω·m；不銹鋼纖維的平均長度是40.5mm，其長度變異系數(shù)是1.8％；導(dǎo)電土工布單位面積質(zhì)量為112g，厚度為1.1mm；導(dǎo)電土工布孔徑分布不均勻，平均孔徑為60um，最大孔徑為160um；導(dǎo)電土工布孔隙率為83％。

進(jìn)一步地，導(dǎo)電土工布成網(wǎng)后在頂端用金屬絲纏繞固定寬度1cm、厚度1mm的鐵片。

一種電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布的制備方法，通過銅套拉拔法制備不銹鋼纖維，不銹鋼纖維經(jīng)過水刺，相互纏結(jié)、勾結(jié)，形成纖維網(wǎng)；采用水刺工藝加固纖維網(wǎng)，主要流程如下：

(1)纖維原料開松混和梳理：將大塊(束)不銹鋼纖維松解為小塊(束)，為后續(xù)梳理順利進(jìn)行創(chuàng)造條件，開松使用自由開松方式，即原料在無握持狀態(tài)下接受開松機(jī)件的作用。

(2)交叉鋪網(wǎng)：梳理機(jī)輸出的薄纖網(wǎng)經(jīng)斜簾到頂端的橫簾，再向下進(jìn)入直立式夾持簾。夾持簾被滑車帶著來回?cái)[動(dòng)，使薄纖網(wǎng)在成網(wǎng)簾上作橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鋪疊成一定厚度的纖網(wǎng)。鋪網(wǎng)機(jī)的入網(wǎng)速度控制在70-90m/min，鋪網(wǎng)均勻度CV值控制在±3.0％。

(3)牽伸：牽伸作用能夠誘導(dǎo)非晶區(qū)的非晶鏈段進(jìn)行有序重排，促進(jìn)晶區(qū)進(jìn)一步生長；羅拉牽伸可使須條單位長度的重量減輕，即須條橫截面內(nèi)的纖維根數(shù)減少，由粗變細(xì)；同時(shí)須條內(nèi)的纖維更加平行伸直。

(4)預(yù)濕：在水刺處理之前，一般需要預(yù)先將梳好的纖維網(wǎng)稍噴灑一些水，使準(zhǔn)備接受水刺處理的纖維網(wǎng)預(yù)先吸收部分水分，再將其稍壓實(shí)后，送入水刺裝置進(jìn)行處理。

(5)正反水刺：水針通過帶孔轉(zhuǎn)鼓和脫水箱的抽吸作用使纖網(wǎng)被迅速而充分的潤濕，水針直徑為90um，噴水板采用不銹鋼材料AISI430或AISI316制成，硬度HV160-250；水刺用水的酸堿度PH值控制在6.2-7.1。

(6)經(jīng)過后整理、烘燥以及卷繞后制得導(dǎo)電土工布。

一種導(dǎo)電土工布在重金屬污染場地加固修復(fù)中的應(yīng)用，兩層導(dǎo)電土工布中間設(shè)置膨潤粘土層，外側(cè)分別設(shè)置高密度聚乙烯土工膜，形成重金屬污染場地的防滲墊層結(jié)構(gòu)；該防滲墊層結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在重金屬污染場地的底部，上下層導(dǎo)電土工布分別連接數(shù)字直流電源的負(fù)極、正極，在電場作用下，重金屬等離子會(huì)從陽極向陰極運(yùn)動(dòng)，即從下往上運(yùn)動(dòng)，這種反向運(yùn)動(dòng)會(huì)極大增長重金屬等離子從上向下運(yùn)移擊穿膨潤粘土層和下部外層高密度聚乙烯土工膜的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)重金屬污染場地加固修復(fù)。

本發(fā)明的有益效果是：

第一：采用針刺紡織工藝制造成纖維網(wǎng)，然后利用水刺工藝進(jìn)行加固，可以保證較好的導(dǎo)電能力；

第二：不銹鋼纖維非織造布與傳統(tǒng)粉末過濾非織造材料相比具有高強(qiáng)度、高容塵量、耐腐蝕、使用壽命長等特點(diǎn)；

第三：針刺紡織工藝制作的導(dǎo)電土工布，在保證較好導(dǎo)電能力的同時(shí)不會(huì)對土體性質(zhì)產(chǎn)生干擾，不會(huì)對已有的土體產(chǎn)生污染，導(dǎo)電土工布還具有普通土工布的優(yōu)良性質(zhì)，相比于排水板制作的導(dǎo)電土工材料以及金屬電極具有更廣泛的應(yīng)用范圍。

附圖說明

圖1是本發(fā)明導(dǎo)電土工布的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明導(dǎo)電土工布的掃描電鏡圖；

圖3是電滲處理重金屬污染土能耗對比圖；

圖中，并聯(lián)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)1、搭接導(dǎo)電結(jié)構(gòu)2、串聯(lián)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)3。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明提供了一種電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布，由若干不銹鋼纖維組成，水刺加工后不銹鋼纖維之間85％為并聯(lián)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)1，10％為搭接導(dǎo)電結(jié)構(gòu)2，5％為串聯(lián)導(dǎo)電結(jié)構(gòu)3，如圖1所示，通過不同導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的配合控制導(dǎo)電土工布的電阻率為0.012Ω·m；不銹鋼纖維的平均長度是40.5mm，其長度變異系數(shù)是1.8％，假設(shè)纖維網(wǎng)中的每一根纖維是一樣長度，粗細(xì)均勻的，則可以將每一根纖維模擬成電阻相同的小電阻。導(dǎo)電土工布單位面積質(zhì)量為112g，厚度為1.1mm；導(dǎo)電土工布孔徑分布不均勻，平均孔徑為60um，最大孔徑為160um；導(dǎo)電土工布孔隙率為83％。

進(jìn)一步地，導(dǎo)電土工布成網(wǎng)后在頂端用金屬絲纏繞固定寬度1cm、厚度1mm的鐵片。

從整個(gè)纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)來看，采用并聯(lián)模型會(huì)使得纖維的均勻度更好，纖維之間纏結(jié)越緊密產(chǎn)生的交聯(lián)點(diǎn)就越多，纖維橫向排列的差異性更小。相比于導(dǎo)電塑料絲，不銹鋼纖維的初始模量更大。不銹鋼纖維非織造布與傳統(tǒng)粉末過濾非織造材料相比具有高強(qiáng)度、高容塵量、耐腐蝕、使用壽命長等特點(diǎn)，尤其適合于高溫、高粘度、有腐蝕介質(zhì)等惡劣條件下。

一種電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布的制備方法，通過銅套拉拔法制備不銹鋼纖維，不銹鋼纖維經(jīng)過水刺，相互纏結(jié)、勾結(jié)，形成纖維網(wǎng)；采用水刺工藝加固纖維網(wǎng)，主要流程如下：

(1)纖維原料開松混和梳理：將大塊(束)不銹鋼纖維松解為小塊(束)，為后續(xù)梳理順利進(jìn)行創(chuàng)造條件，開松使用自由開松方式，即原料在無握持狀態(tài)下接受開松機(jī)件的作用。

(2)交叉鋪網(wǎng)：梳理機(jī)輸出的薄纖網(wǎng)經(jīng)斜簾到頂端的橫簾，再向下進(jìn)入直立式夾持簾。夾持簾被滑車帶著來回?cái)[動(dòng)，使薄纖網(wǎng)在成網(wǎng)簾上作橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鋪疊成一定厚度的纖網(wǎng)。鋪網(wǎng)機(jī)的入網(wǎng)速度控制在70-90m/min，鋪網(wǎng)均勻度CV值控制在±3.0％。

(3)牽伸：牽伸作用能夠誘導(dǎo)非晶區(qū)的非晶鏈段進(jìn)行有序重排，促進(jìn)晶區(qū)進(jìn)一步生長；羅拉牽伸可使須條單位長度的重量減輕，即須條橫截面內(nèi)的纖維根數(shù)減少，由粗變細(xì)；同時(shí)須條內(nèi)的纖維更加平行伸直。

(4)預(yù)濕：在水刺處理之前，一般需要預(yù)先將梳好的纖維網(wǎng)稍噴灑一些水，使準(zhǔn)備接受水刺處理的纖維網(wǎng)預(yù)先吸收部分水分，再將其稍壓實(shí)后，送入水刺裝置進(jìn)行處理。

(5)正反水刺：水針通過帶孔轉(zhuǎn)鼓和脫水箱的抽吸作用使纖網(wǎng)被迅速而充分的潤濕，水針直徑為90um，噴水板采用不銹鋼材料AISI430或AISI316制成，硬度HV160-250；水刺用水的酸堿度PH值控制在6.2-7.1。使用水刺加工工藝，相比于針刺法加工，水刺工藝屬于柔性加工，水流分散，因此在加工過程中纖維沒有損傷，從而避免了針刺工藝的部分缺陷。

(6)經(jīng)過后整理、烘燥以及卷繞后制得導(dǎo)電土工布。

一種導(dǎo)電土工布在重金屬污染場地加固修復(fù)中的應(yīng)用，兩層導(dǎo)電土工布中間設(shè)置膨潤粘土層，外側(cè)分別設(shè)置高密度聚乙烯土工膜，形成重金屬污染場地的防滲墊層結(jié)構(gòu)；該防滲墊層結(jié)構(gòu)鋪設(shè)在重金屬污染場地的底部，上下層導(dǎo)電土工布分別連接數(shù)字直流電源的負(fù)極、正極，在電場作用下，重金屬等離子會(huì)從陽極向陰極運(yùn)動(dòng)，即從下往上運(yùn)動(dòng)，這種反向運(yùn)動(dòng)會(huì)極大增長重金屬等離子從上向下運(yùn)移擊穿膨潤粘土層和下部外層高密度聚乙烯土工膜的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)重金屬污染場地加固修復(fù)。

相比于之前的導(dǎo)電排水板，土工布形式的電動(dòng)土工合成材料使用的場合更加廣泛，方式更加靈活，接觸電阻和電勢損失也更小。通過以下實(shí)施例進(jìn)行說明：

本發(fā)明導(dǎo)電土工布可以和已有的防滲墊層結(jié)合形成重金屬污染場地的防滲墊層結(jié)構(gòu)，從上到下依次是上部外層高密度聚乙烯土工膜(HDPE)、上部導(dǎo)電土工布、中間膨潤粘土層、下部導(dǎo)電土工布、下部外層高密度聚乙烯土工膜(HDPE)。鋪設(shè)在重金屬污染場地的底部，上下層導(dǎo)電土工布分別連接數(shù)字直流電源的負(fù)極、正極，在電場作用下，重金屬等離子會(huì)從陽極向陰極運(yùn)動(dòng)，即從下往上運(yùn)動(dòng)，這種反向運(yùn)動(dòng)就會(huì)極大增長重金屬等離子從上向下運(yùn)移擊穿膨潤粘土層和下部外層高密度聚乙烯土工膜(HDPE)的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)重金屬污染場地加固修復(fù)。相比于銅鐵等電極或者排水板電極，不銹鋼纖維水刺土工布電極不會(huì)對已有的場地產(chǎn)生二次污染，修復(fù)重金屬污染場地具有很好的效果。

本發(fā)明電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布還可以應(yīng)用于電滲邊坡加固、堤壩加固、淤泥處理、河道清淤等工程中，在土體加固的同時(shí)，土工布也可以起到加筋的加固作用。

使用本發(fā)明電滲用加強(qiáng)型導(dǎo)電土工布進(jìn)行室內(nèi)修復(fù)重金屬銅污染土的試驗(yàn)，對比金屬電極處理的效果，試驗(yàn)基本條件如表1所示：

表1 導(dǎo)電土工布與鐵電極試驗(yàn)條件

試驗(yàn)后，進(jìn)行了基本土工測試，加固前后含水量降低百分比導(dǎo)電土工布與鐵電極分別為48％和49％，排水量兩者分別為2040ml和2069ml，說明導(dǎo)電土工布對于土體的加固效果與鐵電極相當(dāng)。但是整體的能耗系數(shù)導(dǎo)電土工布小于鐵電極，如圖3所示，前10個(gè)小時(shí)兩者差別不大，兩種電極的能耗系數(shù)在18小時(shí)左右突然增大，并保持較快速的增長速率，表明此時(shí)電滲效率逐漸下降。最后測試了電滲加固后土體中殘余重金屬銅的含量，因?yàn)樵囼?yàn)金屬電極選用了鐵電極而不是銅電極，否則若使用金屬銅電極則會(huì)加重土體的污染。