海相软黏土电化学改性固结试验研究

韩舰辉，王宁伟，白小航，王颂科，高文举

（沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168）

海相软黏土电化学改性固结试验研究

韩舰辉，王宁伟，白小航，王颂科，高文举

（沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳110168）

通过对海相软黏土的电化学改性固结试验，探索同一盐溶液在不同浓度条件下对软黏土改性固结的影响，对海相软黏土的电化学改性固结机理进行了分析 ，试验采用三组室内试验，变量为盐溶液浓度，阐述试验现象；分析并对比电化学改性固结试验与普通电渗排水试验的电流变化规律；根据电化学改性固结试验的能耗公式，分析同一盐溶液不同浓度情况下的电化学能耗规律；最后分析并解释了同一盐溶液在不同浓度下对海相软黏土电化学改性固结的土体最终承载力的影响。研究得出：电化学改性固结试验由于通电时间的减少，使试验能耗值较普通电渗排水试验大大降低；注入浓度为25%的Ca－Cl2溶液时，土体最终承载力最高；通电停止后7 d龄期时，土体中间区域的承载力大于其他区域。

电化学；盐溶液；能耗；龄期；承载力

在我国沿海地区广泛分布着海相软黏土，为缓解沿海地区城市基本建设用地紧张，需要对海相软黏土进行地基处理，使其满足工程建设的需求。海相软黏土的特点是高含水率、高压缩性、低渗透性、低抗剪强度、高含盐量及显著的结构性与流变性，因此，对海相软黏土的地基处理技术更加复杂。目前工程建设中对海相软黏土的地基处理方式普遍采用真空预压或堆载预压排水固结的方法，传统的地基处理方法主要存在以下几个问题：（1）加固后土体强度较低、沉降变形大，均匀性较差，已建工程也已出现不同程度的工程质量问题；（2）堆载预压或真空预压法排水固结时间较长，沉降速率较难稳定，对深厚软土地基加固效果不理想，处理深度有限，有时甚至难以达到预期的加固目的。

电化学改性固结是在软黏土中插人金属电极、施加一定的直流电压，同时以一定的压力向电极中注入盐溶液使土体内发生一系列的物理化学反应，这些物理化学反应可以促进软黏土絮凝结构的改变并增加（集）颗粒间的联接强度，以达到对地基加固的目的。

近年来，美国华盛顿地区工程实验室Preece E F等人正在进行关于电化学加固方法的研究［1］，其他国家如日本、印度、印度尼西亚等国家在1953年亦见有关于这方面研究结果的发表［2－4］。我国的汪闻韶［5］和曾国熙院士［6］也对软黏土的电化学加固进行了研究。

本文通过对大连东港地区海相软黏土的室内电化学改性固结试验，研究了在阳极注入等量但不同浓度的CaCl2盐溶液时，其试验现象、能耗、土体参数变化以及试验通电结束后其土体各部位承载力的分布规律，有助于对海相软黏土电化学改性固结规律的认识，通过对这一技术的深入研究，对解决海相软黏土由于含水率过高、压缩性高以及抗剪强度低等一系列的安全问题具有一定的现实意义。

1 电化学作用机理

海相软黏土在电化学加固过程中，土体内发生一系列的物理化学反应，包括电渗、电泳、电解、水解、水化、氧化还原反应、离子扩散、离子交换、离子迁移、矿物分解及离子沉淀等等，其中电渗、电解、离子交换和盐的沉淀对软黏土加固效果最为明显。

曾国熙院士认为电渗排水对于软土强度的提高贡献是比较小的，排水引起的土体干硬只是软土强度提高的部分因素；电解作用使铁电极（阳极）发生腐蚀并生成氢氧化铁胶体，该胶体使电极（阳极）附近的土体膨胀加密，并增加了（集）颗粒之间化学黏结作用，提高了土体强度；离子交换作用是黏粒与水溶液作用后，吸附在其表面的离子与溶液中的离子进行交换，交换能力大的阳离子形成较薄的扩散层，在电化学加固中注入盐溶液，促使盐溶液中的高价阳离子能与矿物扩散双电层中的离子进行交换，一方面促进黏土颗粒的絮凝，从而结合成更大更紧密的胶体，另一方面也减少双电层的厚度，使得矿物颗粒之间排列更紧密，提高土体的强度。注入盐溶液后，使黏土矿物中的氧化铝和氧化硅被释放出来，在碱性或者酸性的环境下钙离子与硅酸盐和铝酸盐反应生成水化硅酸钙CSH和水化铝酸钙CAH两种物质，它们作为粘结物质能促进黏土颗粒胶结改变土的结构性提高土体强度［7］。

2 室内试验方案

试验用土为大连东港地区海相软黏土。土体的物理力学性质指标如表1所示。

表1 海相软黏土的物理力学指标

本次室内海相软黏土的电化学改性固结试验是为了分析在阳极注入不同浓度的CaCl2盐溶液时，对软黏土力学性质的改变以及对试验各参数的影响规律，如电流，能耗等。为了得到不同浓度的CaCl2盐溶液对海相软黏土电化学改性固结的影响规律，共设计了三组室内试验（试验1～试验3），其中三组试验的土体参数相同，土体两端施加电压均为40 V，电极距均为26 cm，电压梯度为1.54 V／cm。试验1、试验2和试验3在阳极分别加入15%、25%和35%的CaCl2盐溶液。试验设备准备完毕后，接通直流电源，三组试验通电时间均为13 h，通电开始后1.5 h时向三组试验阳极注浆管中注入20 ml CaCl2盐溶液，此后，每隔1 h向阳极注浆管注入20 ml CaCl2盐溶液，三组试验的CaCl2盐溶液的总注入量相等，均为240ml，试验的基本参数见表2所示。试验过程中，多次记录电流表的读数，随时观测土体电流的变化趋势。通电时间均为13 h，且三组试验断电后均静置7 d，待龄期7 d时，使用袖珍贯入仪对加固后的土体进行承载力测定，测试土体不同部位的承载力，分析不同浓度的CaCl2盐溶液对海相软黏土电化学改性固结土体承载力的影响规律。

表2 试验参数

图1所示的是室内海相软黏土的电化学改性固结试验原理图，试验装置由塑料箱盛装的海相软黏土土样、阳极、阴极、打满花孔的PVC注浆管、不同浓度的CaCl2盐溶液、直流电源、电流表、导线以及量杯等组成。盛装土样的塑料箱长×宽×高为30 cm×20 cm×15 cm，土样高度为12 cm。电极阳极采用φ6钢筋，同时将打满花孔的PVC注浆管与电极阳极捆绑，以便在阳极注入盐溶液，电极阴极采用φ6钢筋。电源为稳压直流电源，电源的最大输出电压为100 V，最大输出电流为30 A。

图1 试验原理图

3 试验现象

试验过程中，海相软黏土在直流电的作用下发生电解、水解、氧化还原、脱水等一系列的化学反应。启动电源后，阴极周围很快冒出气泡并伴有水渗出。通电约15min～20min后，阳极周围出现深黑色物质，可以观察到直径约2 cm～3 cm的黑圈，同时表面水变为红褐色，随着电化学反应的不断进行，土体温度明显升高，表明电化学系统中存在放热的化学反应。此外，还可以在土体表面看到混有化学气体的水蒸气，此气体具有刺激性气味，一方面是由于Cl－发生氧化反应，生成氯气，另一方面可能是因为试验采用的海相软黏土有机质含量较高，通电电解产生H2S和SO2等气体。试验后发现阴极处有白色物质沉淀，主要是阳极注入的高价阳离子在阴极处形成化学沉淀物。

4 试验结果分析

4.1 电流变化规律

三组试验的电流变化曲线如图2所示。电化学试验中电流变化规律不同于普通电渗排水试验的电流变化规律，电化学试验中由于加入盐溶液，使土体中离子浓度增多，且含水率增加。普通电渗排水试验中电流在试验开始通电时最大，电流随时间逐渐减小，试验结束时 ，电流达到最低值［8］。而电化学试验中，每注入一次盐溶液，电流随即达到一个峰值点，之后逐渐下降到一个低谷点，而且此后每一次注入盐溶液时电流均是此变化规律，试验电流曲线呈波浪形状。

图2 试验电流曲线

表3列出了三组试验的平均电流值和试验能耗值，平均电流值为通电开始至通电结束整个通电过程的电流平均值，从表3可以看出试验平均电流试验3＞试验2＞试验1，原因是试验3注入的CaCl2盐溶液浓度为35%，其盐溶液中离子浓度最高，离子的移动形成电流，所以离子越多，电流也就越大。试验2小于试验3，试验1电流最小。所以在注入相同总量盐溶液的情况下，盐溶液的浓度越高，电流越大。

表3 试验平均电流和试验能耗

4.2 能耗

试验采用稳压输出40 V，根据三组试验的电流数据，电化学作用的能耗表达式为［9］：

式中：U和It分别为电源的输出电压（V）和在 t1～t2的时间段内某时刻 t的电路电流（A）；Ct1和Ct2分别是 t1时刻与 t2时刻对应的能耗值。

三组试验的能耗曲线如图3所示，从表3和图3可以看出试验3的能耗值最大，为1.05 kW・h，试验2的能耗值低于试验3，为0.99 kW・h，而试验1的能耗值最低，为0.97 kW・h，从此规律可以看出在注入等量CaCl2盐溶液的前提下，CaCl2盐溶液的浓度越高，能耗值也越大，因为高浓度的盐溶液为土体提供更多的离子数量，离子数量的增多导致试验电流的增大，而在相等通电时间的前提下，试验电流越大，试验能耗也就越大。

图3 试验能耗曲线

本试验用土是海相软黏土，含盐量为2%～3% ，含盐量较高，且试验过程中向阳极注入CaCl2盐溶液使得试验土体的含盐量进一步提高，由于含盐量较高，按前人的经验，高盐分黏土中的高电导率造成的过大能量消耗和电化学反应导致的金属阳极严重腐蚀。它们的存在使得土体中的电渗流明显减小或完全消除［10］。

从本试验的结论可以看出，本试验通电时间13 h，远远小于普通电渗排水试验所需的通电时间［11］，且能耗最大的试验3能耗值为1.05 kW・h，可以发现在短时间的通电情况下，能耗是不大的。笔者认为，在保证阳极材料不被严重腐蚀使电路断开的情况下，电化学改性固结相比于普通电渗排水试验有很大的优势。

电化学作用下，阳极铁电极腐蚀严重，但是腐蚀产物氢氧化铁胶体可以有效的胶结土体，增强土体承载力。所以在电化学试验中要充分保证阳极铁电极的厚度。同时希望铁电极更多的腐蚀。

电化学中，当外加直流电场停止电化学作用时，在黏土矿物中仍旧能够持续发生二次矿物的结晶过程，而且新生成的二次矿物是不可逆转的，其粘结作用增加了黏土矿物的力学强度［12］。

4.3 龄期7d时土体承载力

试验通电停止后，待试验土体龄期达到7 d时，使用袖珍贯入仪对加固后的土体进行承载力测定，将加固后的土体分为表层、中层、底层3层，试验土样高12 cm，深度6 cm处定义为中层，三组试验土体不同区域7 d龄期的承载力如图4～图6所示。试验1、试验2和试验3加固后7 d土体承载力对比如图7所示。

图4 试验1土体加固后承载力

图5 试验2土体加固后承载力

图6 试验3土体加固后承载力

图7 三组试验加固后承载力对比

由图4～图7得到结论如下：

（1）电化学通电结束后，7 d龄期时试验1、试验2和试验3的阳极区域的承载力均大于其阴极区域的承载力，如图7所示，原因是随着电化学的进行，阳极区域的水分逐渐被疏干，而阴极区域的水分却逐渐增多，所以试验过程中阴极区域土体的含水率始终要大于阳极区域土体的含水率，且由于电解作用使铁电极（阳极）发生腐蚀并生成氢氧化铁胶体，该胶体使电极（阳极）附近的土体膨胀加密，并增加了（集）颗粒之间化学黏结作用，提高了土体强度，因此阳极区域的承载力均大于阴极区域。本文提到的承载力是7 d龄期时的承载力，根据Chang Hao－Wei等［13］的研究表明，随着龄期继续增长，阴极区域土体的承载力将超过阳极区域，因为前期内H＋迁移速度比OH－快，试样整体呈酸性，在该阶段内，主要发生离子交换，化学沉淀没有或者很少产生，因此软土强度提高不大，此时在阴极附近产生OH－，并有少量Ca2＋沉淀，软黏土强度有轻微提高；长期内，由于Ca2＋在阴极的不断聚集并反应生成氢氧化钙，使阴极区域土体的强度将逐渐超过阳极区域土体的强度。

（2）从图4～图7均可以看出三组试验土体通电停止7 d后土体表层的承载力均大于土体中层和土体底层。

（3）从图7可以看出，并不是盐溶液的浓度越高，电化学改性固结土体的效果越好，试验3的盐溶液浓度最大，为36%的CaCl2溶液，但土体的承载力却最低，浓度最低的试验1盐溶液为16%的CaCl2溶液，土体的承载力却大于试验3，而处于两者之间的试验2，盐溶液为26%的CaCl2溶液，土体承载力却最高。说明在电化学试验中，盐溶液浓度存在上下界限。盐类和酸类盐溶液浓度大于0.001mol／L时，在较低电位梯度情况下就可以发生电渗脱水固结现象，但当盐溶液浓度大于0.1mol／L时，会发生盐溶液极化现象且电渗脱水现象会停止［14－16］。

（4）7 d龄期时，三组试验土体的中间区域均会出现一个峰值点，也就是此处的承载力大于其两端的土体。按曲线走向来看，曲线呈驼峰型。此现象解释为注入的钙离子向阴极移动，由于阴极水电解产生氢气和氢氧根，钙离子与氢氧根离子在中间区域相遇，首先生成氢氧化钙，氢氧化钙遇到二氧化碳后最终生成碳酸钙沉淀，碳酸钙与氢氧化钙均对土体有胶结作用，所以每层土体中间区域加固后的承载力均大于其他区域。

5 结 论

本文以海相软黏土为研究对象，通过3组室内电化学改性固结试验，得到结论如下：

（1）电化学改性固结海相软黏土，效果良好，相比于普通电渗排水试验，有效通电时间大大缩短，加固效率大幅提高。

（2）电化学改性固结试验中的平均电流值与能耗值均随着盐溶液浓度的增大而增大。

（3）电化学改性固结试验中，当外加直流电场停止电化学作用时，在黏土矿物中仍旧能够持续发生二次矿物的结晶过程，而且新生成的二次矿物是不可逆转的。

（4）电化学改性固结试验后的土体承载力大大提高，试验中发现，并不是盐溶液的浓度越高承载力越高，电化学改性固结海相软黏土试验中盐溶液的浓度存在上下界限。改性固结龄期7 d时，土体中间区域的承载力大于阳极区域和阴极区域，且三组试验土体表层的承载力均大于土体中层和底层。

本文通过室内电化学改性固结试验得到了不同CaCl2盐溶液浓度对加固后土体7 d龄期时承载力的影响，为实际工程提供了一定的参考，然而实际电化学工程中由于现场地质条件复杂、土体处理范围较大，边界条件不同于室内试验等原因，与室内电化学改性固结试验条件存在一定的偏差，有待于今后现场试验进行对比研究。

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Electrochemical Modification of Marine Soft Clay Consolidation Test

HAN Jian－hui，WANGNing－wei，BAIXiao－hang，WANG Song－ke，GAOWen－ju
（School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，Liaoning 110168，China）

The purposeof thisexperimentwas to explore the influenceon the softclaymodification consolidationwhen the claywas treated with the same solution in different concentrations through the electrochemicalmodification ofmarine soft clay consolidation tests.Themechanism of electrochemicalmodification consolidation ofmarine soft clay was analyzed，through three groupsof indoor tests，inwhich the variableswere the concentrationsof salt solution.Currentvariation regularity of electrochemicalmodified consolidation test and electroosmotic drainage testwere analysed and compared.According to the electrochemicalenergy formulaofmodified consolidation test，different concentrationsof saltsolution on the law of electrochemical energy consumptionwere analysed.In the final analysis，the influence on the ultimate bearing capacity of the soilmasswhich underwent the electrochemicalmodification ofmarine soft clay consolidation was analysed and explained.The results indicate that the power consumption value of electrochemicalmodification consolidation test was greatly reducted compared with the ordinary electroosmotic drainage experiment，due to shorter period of charging time.The ultimate bearing capacity of the soilmass is highestwhen injected concentration of 25% CaCl2solution；the bearing capacity of themiddle area is larger than other areas of the soilmass at 7 d age after the powercut.

electrochemical；salt solution；energy consumption；age；bearing capacity

TU411

A

1672—1144（2014）04—0009—05

10.3969／j.issn.1672－1144.2014.04.002

2014－03－06

2014－03－31

韩舰辉（1989—），男 ，吉林白山人 ，硕士研究生 ，研究方向为软土地基加固。