电化学改性加固地基的研究进展

殷鹤，黄雪峰， 张彭成， 周俊鹏

（1. 后勤工程学院军事土木工程系，重庆 401311； 2. 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401311；3. 后勤工程学院化学与材料工程系，重庆 401311）



电化学改性加固地基的研究进展

殷鹤1，2，黄雪峰1，2， 张彭成3， 周俊鹏1，2

（1. 后勤工程学院军事土木工程系，重庆 401311； 2. 岩土力学与地质环境保护重庆市重点实验室，重庆 401311；3. 后勤工程学院化学与材料工程系，重庆 401311）

摘要：软弱地基压缩性高、承载能力差，在荷载作用下容易产生较大的沉降变形，影响建筑物的正常使用，因此必须对其进行加固处理。针对地基处理中的化学类方法，介绍了化学改性加固与电化学法加固的原理与研究进展，并对化学改性与电化学加固联合处理地基进行了展望，分析了其固化机理与应用前景。

关键词：化学改性；电化学加固；交流电场

近年来，由于国家各区域经济协调发展的需求和国家西部大开发战略的支持，我国西北各城市建设规模迅速增大，相继开展了如郑西高铁、兰州新区、延安新区等大型工程项目。这些工程有一个共同特点，均建立在地形复杂的黄土丘陵沟壑区。新工程的建设势必要进行大规模填沟造地，其主要的填筑材料为湿陷性黄土。黄土高填方最初的应用是在黄土地区铁路和高速公路等工程的修建中，填筑高度数十米，由于高填方路基的填筑高度大、填筑面积大、土石方量大、以及路基自重大等多方面特点，尽管国内诸多学者已经对黄土高填方路堤进行了大量的研究，其沉降变形、不均匀沉降和地基稳定性等问题始终未得到根本解决，每年由于高填方的沉降变形问题造成了大量的工程事故和财产损失。因此，研究不良土体有效的改良方法，有利于改进沟谷型高填黄土地基分层填筑技术并确定其控制标准，同时还可以为高填方场地地基处理提供设计依据。

1 化学改性加固

化学改性加固方法是通过在土中加入化学固化剂来改善其的工程特性，使其满足实际工程需要的一种方法。其反应类型有无机化学反应、有机化学反应、生物化学反应，其中无机化学反应固化是目前在工程中应用最多的一种化学固化形式。

1.1 化学类固化剂

（1）无机固化剂

对于无机化合物类固化剂，其本身所含的无机材料在水作用下会产生水化硫酸钙、水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质。这些胶凝物质能够自身硬化形成骨架，同时还会与土颗粒作用生成络合物，最终形成稳定的空间网状结构，提高固化土的稳定性［1］。黄新等［2］发现水泥加固土的强度主要来自于其水化产物的胶结作用，固化土体孔隙水中的水化物含量影响土体的强度；贾尚华［3］通过对比强度法分析水泥土、石灰水泥土无侧限抗压强度，得出石灰水泥土中主要包含四种固化作用，分别为水化作用、填充作用、离子交换作用以及复合作用。

（2）有机高分子固化剂

有机高分子固化剂多为液态，添加到土中后，其有机高分子在催化剂作用下发生聚合或缩聚反应，形成网状空间结构，从而把土颗粒胶结在一起，且有机大分子可以填充土中孔隙。刘清秉等［4］使用离子土固化剂（Ionic Soil Stabilizer）对膨胀土进行了化学改性试验研究，总结得出离子土固化剂的改良机理为通过离子交换、吸附、包裹等一系列表面物理化学反应，改变土颗粒表面的双电层结构，从而减低了土体的膨胀性；刘瑾［5］研制了一种新型高分子聚醋酸乙烯酯固化剂，其固化机理为：使高分子链上的羧基与土中硅酸盐表面的羟基以氢键相连，形成稳定结构，同时高分子链上亲水基团中的氢离子（H+）与土颗粒表面的碱金属离子发生置换反应置换出土颗粒表面的阳离子，从而降低了ζ电势，增加了土颗粒之间的吸引力。

1.2 生物酶类固化剂

生物酶固化剂作为一种新型固化剂在国内外工程界受到了广泛的关注，它是由有机物质发酵而成，属蛋白质多酶基物质，主要起催化作用。土体通过生物酶的催化，再经外力挤压密实后，土体颗粒表面会凝结成硬化壳，同时，渗入内部的生物酶中的部分组分可替换土体中凝聚力较低的离子，打破土颗粒的双电层结构，将水分排出，促使土颗粒胶结集聚，从而降低土体的膨胀性和渗透性。

1.3 复合类固化剂

复合类固化剂一般由主固化剂与激发剂组成，与土混合后发生水化反应并形成凝胶状的水化产物，自身形成稳定的空间结构，同时其组分也会与土中的阳离子发生离子交换反应，使土胶粒的电势降低，由离散结构凝聚成致密的整体结构；激发剂的主要作用是激发土颗粒的活性，降低土壤中的含水量。激发剂与离散的细颗粒接触，使其成为牢固的多结晶聚集体，以达到改善土体强度和稳定性的效果［1］。

20世纪70年代以来，随着科技的进步与工程技术的发展，世界各国针对土体化学改性技术进行了进一步的研究和开发，由原来单一的使用石灰、水泥、粉煤灰等无机固化材料转变成了多种材料混合配比，取得了突破性的成果。其中最具代表性的有美国帕尔马公司研发的生物酶固化剂，德国路邦公司研发的EN-1固化剂，澳大利亚研发的CCSS土体固化剂以及日本UKC公司研发的Aught-set系列固化剂。除此之外，各国学者延续着对新型固化剂的开发与应用，研究思路不断拓宽。Ekrem等［6］将用硅粉、粉煤灰和石灰的混合物添加剂改良的粗粒土应用于道路建设和土方工程中，取得了良好的效果；Rafael等［7］用甘蔗渣灰和石灰混合物改良压实土，提高了其工程性能与耐久性，在能源消耗和环境保护方面发挥了很大的作用；Farid等［8］对硅酸盐水泥改良华盛顿地区土的工程性质进行了研究，发现改良土的强度有明显提高且其破坏形式有所改变；Liu Jin［9］等研究了STW有机固化剂改良黏土的水稳性和耐腐蚀性，并分析了将其应用到黏土边坡治理工程中的可能性。

我国对土壤固化剂的研究起步较晚，20世纪80年代，国内相关单位开始引进国外土壤固化技术。李国栋［10］对派酶加固土的力学性能、水稳性和收缩性等路用性能进行了研究，发现派酶固化剂对土体的力学性能具有显著的影响，并且存在最佳派酶固化剂掺量：0.05%～0.1%；张建楠［11］研究了冻融循环对Aught-Set固化剂改良土力学特性的影响，结果显示Aught-Set固化剂可以在一定程度上抵抗冻融循环带来的危害；郑毅［12］对ISS固化土的水稳定性进行了研究，分别将成型7、14、28d的试样浸入水中，发现试件水稳定性较差，出现了松散开裂现象，进一步试验得出ISS固化土在成型一年后水稳定性达到良好状态；吕擎峰［13］通过SEM试验、XRD试验及压汞试验对温度改性水玻璃固化黄土的微观结构进行了分析，发现温度改性水玻璃固化黄土产物中没有新晶体的出现，但随着温度的升高产生的非晶质硅凝胶逐渐增多，加强了土粒间的胶结强度，进而得出了温度越高水玻璃溶液对黄土的强度提升效果越好的结论。

国内一些学者在吸收国外先进经验的基础上，针对我国土壤特性，自主研发了一系列新型土壤固化剂，在渠道防渗、水土保持、路基加固等方面被广泛应用。黄晓明［14］从TR型土壤固化剂的研制入手，对比了石灰、水泥对亚黏土的固结效果，证实了TR型固化剂改良土具有更高的抗压强度，同时TR型固化剂还具有减小土体干缩的效果；重庆交通大学的黄维蓉等［15］研究了由水泥、石灰、QJ型固化剂结合稳定碎石土的性质，与仅由水泥石灰混合加固碎石土以及KS型固化剂稳定碎石土的性能进行了对比得出，QJ型土壤固化剂具有良好的物理力学性质和抗冻融能力；武汉科技学院的张大捷等［16］探讨了一种以矿渣为主要原料的灰渣胶凝材料固化剂（HAS）的尾砂固化性能，得出HAS固化尾砂的流动度、泌水性与强度均比水泥固化尾砂高的结论，且以石膏含量为20%时固化效果最佳；后勤工程学院的方祥位等［17］对以燃煤发电厂的工业废料为主要原料的GT型土壤固化剂改良软土的工程性质进行了研究，结果显示GT型固化剂改良土的击实效果、抗剪强度、抗渗透性等工程性质优于石灰改良土。

2 电化学加固

电化学方法加固地基目前主要采用电渗排水与电化学桩两种方法。电渗排水是通过将电极插入地基土中施加直流电，使土体加速排水固结，从而提高土体的强度；电化学桩加固是利用直流电，使土中离子与金属电极发生化学反应，生成胶结物，来加固地基。而实际工程中，这两种效应一般同时存在，如在电渗排水过程中，不可避免的会伴有电极腐蚀等电化学反应；在电化学桩加固通电的过程中，也会存在孔隙水由阳极向阴极移动的现象。

早在19世纪初，俄国学者Reuss就发现了孔隙水在直流电的作用下由阳极向阴极移动的电渗现象。其后Cassagrande开展了铝电极加固粘土的电渗试验，并于1939年在德国扎耳茨吉特地区一段铁路的边坡加固中成功应用，第一次将电化学加固方法引入了土木工程领域。其后，电化学加固方法不断地被应用于岩土工程的各大领域，如地基处理（Bjerrum，1967）、堤坝加固（Fetzer，1967）、提高桩体承载力（Milligan，1961；Johnson，1980）。

前苏联学者Trushinskii［18］在电化学成桩加固领域做了大量研究，他认为电化学成桩的机理如下：通电后，阳极处铁质的电极溶解并形成Fe2+，当可溶的铁离子接触水后，与水发生反应形成低价氢氧化物，并增强溶液的酸性。

在土中水和氧气的作用下，Fe（OH）2被氧化生成高价氢氧化物，形成aFe2O3·Fe（OH）2·Fe（OH）3的混合物。

从20世纪50年代中期开始，我国学者对电化学加固方法进行了一系列的研究。汪闻韶（1955）在《土力学中电渗问题综合报告》中探讨了电渗排水的力学规律，阐述了电渗排水加固软土的作用机理；曾国熙和高有潮［19］（1956）介绍了原状软黏土电化学加固室内试验的研究成果，为国内学者的后续研究奠定了重要的基础。进入21世纪，各类软土地基处理工程使得电化学加固方法有了进一步的发展，王宁伟［20］对大连东港某工程的淤泥质粘土进行了电化学加固试验，提出了电化学成桩有效加固区的计算公式和能耗的计算公式；余飞［21］依托萧山跨湖桥的古遗址保护工程，进行了电化学加固现场试验，分析了电极铁质胶结与成桩效应，并对其长期水稳性进行了评价。同时，不同地质因素与实验条件对电化学加固的影响也受到了学者的广泛关注，李瑛等［22，23］就土体含盐量与直流电压对软黏土一维电渗排水的影响进行了探讨，发现电渗排水存在最佳含盐量，且能量消耗速率、电极腐蚀程度和排水速率与电流强度的比值都与土体含盐量有关；李一雯［24］研究了钢管电极不同布置形式对电渗效果的影响，结果显示电渗排水量平行错位布置〉长方形布置〉梅花形布置；陶艳丽［25］比较了铁、铜、铝和石墨电极在电渗排水中的表现，认为对排水起主导作用的是阳极材料，在实际工程中阴极反应一般不受阴极材料影响。

3 结 论

化学改性土工程性能优越，颇受工程界欢迎，近年来陆续被应用于个工程领域，取得了良好的效果，但也存在明显的不足：如石灰改性土的早期强度差，施工进度易受到影响；水泥改性土的干缩性大、易开裂，且受土壤类别限制较大；某些新型固化剂价格昂贵、难以量产。电化学方法加固地基工艺简单、效果显著、作用持久且有利于环境保护，但本身具有一定的局限性。尽管诸多学者试图通过改变电场强度、电极材料、电极位置、通电方式以及加入添加剂等方法提高处理效率、降低能耗，但随着通电过程中阳极逐渐被腐蚀，以及土体电阻的不断增大，通电处理的效率不可避免的会逐渐降低，能耗随之增大，进而导致拖延工期、用电安全等问题。其中电渗排水通电时间约为2～3 d，电化学成桩加固通电时间约为15～25 d。且工业用发电机多为三相交流发电机，而在工程应用中上述两种方法都使用稳压直流电，这不仅会增加由交流电向直流电整流转换的步骤，而且由于化学反应主要发生在阳极，为了使土体强度均匀，部分学者还会采用电极反转的方法加固地基，进一步加大了施工的难度。

4 展望

下一步针对软弱地基的处理，可以在电极材料、电极位置以及通电方式不变的条件下，将稳压直流电改为交流电，同时选取熟石灰与无水硫酸钠作为化学改性材料。其固化机理为：通过交流电场的激化，使石灰与硫酸钠迅速反应生成具有胶结作用的二水石膏，反应方程式如下：

此时反应生成的NaOH具有比Ca（OH）2更强的碱性，提高了孔溶液中OH-的浓度，初步加快了混合物之间的化学反应速率；且在交流电场作用下，介电质的土颗粒会发生极化，致使孔溶液中的阴阳离子也发生定向移动，在土颗粒表面形成临时富集，进一步提高了OH-的有效浓度；同时，在电场作用下部分电能转化为热能，提高了反应温度，在临时高浓度和高反应温度的协同作用下，土体内部迅速发生化学反应并在土颗粒周围形成胶结物，能够有效的加固软弱地基，提高其水稳性。

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Research Progress of Electrochemical Modified Stabilization in Foundation Treatment

YIN He1， 2， HUANG Xue-feng1， 2， ZHANG Peng-cheng3， ZHOU Jun-peng1， 2
（1. Department of Civil Engineering， Logistical Engineering University，Chongqing 401311， China；2. Chongqing Key Laboratory of Geomechanics&Geoenvironmental Protection，Chongqing 401311， China；3. Department of Chemistry and Material Engineering， Logistical Engineering University， Chongqing 401311， China）

Abstract:Because of the high compressibility， poor bearing capacity and large settlement under load， soft foundation will affect the normal service of buildings， and it must be reinforced. Aiming at the chemical method for foundation treatment， the principle and research progress of chemical modification and electrochemical stabilization were reviewed， meanwhile the electrochemical modified stabilization was forecasted， and its curing mechanism and application prospect were analyzed.

Key words:Chemical modification； Electrochemical stabilization； Alternating electric field

中图分类号：TU472.5

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0348-04

基金项目：国家科技支撑计划项目（2013BAJ06B00）；全军重点项目（AY112J004）。

收稿日期：2015-10-27

作者简介：殷鹤，男，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：主要从事非饱和土与特殊土地基处理研究。E-mail：282633859@qq.com。

通讯作者：黄雪峰，男，教授，博士生导师，研究方向：主要从事非饱和土与特殊土地基处理研究。E-mail：hxfen60@163.com。