Метод упрочнения грунтов с многократной энергоэффективностью разработали в Новосибирске

Ученые Новосибирского государственного технического университета (НГТУ НЭТИ) предложили инновационный подход к стабилизации слабых грунтов, основанный на использовании электроосмоса переменным асимметричным током. Технология, разработанная под руководством профессора кафедры электротехнических комплексов, доктора технических наук Евгения Порсева, позволяет не только эффективно удалять влагу из пористых сред, но и радикально снизить энергопотребление процесса по сравнению с классическими методами.

Физическая основа метода заключается в управлении движением влаги в дисперсных материалах диэлектрической природы (например, в глинистых грунтах). На границе раздела фаз «твердый диэлектрик — вода» формируется двойной электрический слой толщиной всего 3–5 диаметров молекулы воды, возникающий благодаря полиненасыщенным связям на поверхности частиц грунта. При наложении внешнего электрического поля этот слой приходит в движение, увлекая за собой свободную воду через неподвижный скелет породы.

Данный процесс массопереноса, создающий гидравлический напор под действием электричества, и называется электроосмосом. Его применение позволяет обезвоживать грунт, повышая его плотность, прочность и несущую способность, что критически важно для предотвращения просадок фундаментов и деформаций сооружений, особенно на пучинистых и набухающих почвах. Технология востребована при строительстве метрополитенов, тоннелей и других подземных объектов для стабилизации пород и понижения уровня грунтовых вод.

Традиционный метод электроосмотического осушения с использованием постоянного тока имеет ряд существенных недостатков, снижающих его эффективность. В процессе работы возникают паразитные явления:

• формирование градиента влажности между электродами, ведущее к росту электрического сопротивления среды;
• неравномерное распределение влаги, создающее зоны с низкой проводимостью и вызывающее затухание процесса;
• поляризация электрического поля — возникновение встречного напряжения, которое создает дополнительное сопротивление и требует значительных затрат энергии на его преодоление.

Разработка новосибирских ученых нивелирует эти проблемы за счет применения асимметричного переменного тока. Принцип действия основан на использовании электрического поля с изменяющейся полярностью и импульсами неодинаковой амплитуды. Ключевая задача технологии — подбор частоты пульсации тока, совпадающей с собственной частотой механических колебаний частиц грунта (эффект резонанса). Это позволяет компенсировать поляризационные эффекты и обеспечить равномерное удаление влаги по всему объему обрабатываемого массива.

Лабораторные испытания, проведенные на различных сортах глинозема, подтвердили высокую эффективность нового подхода. Энергетическая эффективность электроосмоса на переменном асимметричном токе оказалась практически в 11 раз выше, чем при использовании постоянного тока: для достижения аналогичной степени обезвоживания требуется в 11 раз меньше электроэнергии.

На следующем этапе исследований планируется проведение серии натурных экспериментов для точного определения параметров энергетического резонанса. Это позволит установить оптимальные характеристики внешнего электрического поля (частоту, амплитуду, форму импульса) для минимизации энергозатрат при реальном упрочнении грунтовых оснований в строительных условиях.