电极处加入CaCl2溶液对高岭土电渗试验的影响

冯清鹏, 卜凡波，彭 义,彭 劼

(1.河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室； b.岩土工程科学研究所，南京 210098； 2.中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200)

电极处加入CaCl2溶液对高岭土电渗试验的影响

冯清鹏1a， 1b, 卜凡波2，彭 义1a, 1b,彭 劼1a，1b

(1.河海大学 a.岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室； b.岩土工程科学研究所，南京 210098； 2.中交上航局航道建设有限公司，浙江 宁波 315200)

为了研究高岭土电渗过程中在电极处加入CaCl2溶液对电流、排水量、界面电阻、土体电阻率及最终抗剪强度等的影响，开展了相关室内试验。结果表明：电极处加入CaCl2溶液后，电流的减小趋势得到有效控制，电渗过程中电流大小与加入CaCl2溶液的量有关，也可能与阳极所加CaCl2溶液所占比例或者与CaCl2溶液加入的时间有关；排水量变大，本试验条件下电渗排水量提高了10.9%；电极处加入CaCl2溶液对阴极处界面电阻的减小很明显；电极处加入CaCl2溶液后土体总电阻率下降较为明显，而阴极附近土体电阻率的下降对土体总电阻率下降起主要贡献；阳极和中部土体最终抗剪强度提高比较明显，尤其是阳极土体最终抗剪强度提高了16.4 kPa，但阴极土体抗剪强度无明显提高，因此可以考虑用反转电极的方法来加固阴极土体。该研究可为高岭土电渗试验提供新思路。

高岭土；电渗；电极；CaCl2溶液；土体电阻率；界面电阻；抗剪强度

1 研究背景

电渗法是一种重要的软土加固方法。在1809年俄国科学家Reuss发现电渗现象[1]后， Casagrande[2]率先于20世纪40年代将电渗地基处理应用于软黏土中。然而在电渗后期土体开裂，电阻增大，土体电流减弱，电渗排水减少，使电渗加固效率降低，工程成本增大。随着对这些问题认识以及相关理论研究的进展，有学者开始考虑在电渗试验过程中向软土中加入盐溶液。20世纪60年代Boiko[3]，Bjerrum等[4]学者通过室内试验证明了电渗过程中向软土注入盐溶液的可行性。随后，Esrig等[5]利用电化学加固法将CaCl2溶液加入到伊利石黏土土体中，软土强度增加了1倍。Gray[6]则尝试将AlCl3溶液分别加入到伊利石和蒙脱石黏土土体中，发现伊利石和蒙脱石黏土强度分别增加了4.2倍和2.7倍。Ozkan等[7-8]发现电渗加固软土过程中利用磷酸比硫酸铵或者磷酸铵能取得更好的效果,试验后整个试样强度从上至下增加2～70 kPa。Alshawabkeh等[9-10]在电渗试验中将磷酸从阴极注入到波士顿蓝黏土中发现阴极附近软土强度增加90%～160%，强度增加最小处在中间位置，为10%～20%。

前期的研究中所用盐溶液主要为磷酸溶液，之后的研究开始将注入的盐溶液扩展到NaCl，KCl，CaCl2等溶液，并且盐溶液的注入方式也有所变化。Mohamedelhassan等[11]探讨利用电渗方法加固海岸含钙沉积物，发现添加15%的CaCl2溶液比添加10%的Al2(SO4)·18H2O溶液，最后的电渗流量和电渗透系数更高，提高软土强度的效果更好。Asavadorndeja等[12]设计了2个室内电渗试验，第1个在阳极加入1 mol的CaCl2溶液，第2个在阳极加入1 mol的CaCl2溶液并同时加入OH-使阳极电解液pH值保持在10左右，结果表明强度在短时间内由中间向阴极方向很快增加170%～500%，一周后，没有注入OH-试验软土强度改变不大，而注入OH-溶液的软土强度除了阳极附近外均增加500%～600%。OU等[13-14]探讨了从阳极注入不同种类(NaCl，KCl，CaCl2)、不同浓度(0.005,0.01,0.05,0.1,0.25,0.5 mol/L)盐溶液对软土固结的影响，试验发现Ca2+在软土中的交换能力更强，使黏土颗粒排列更为紧密，Ca2+的加入使试样的不排水抗剪强度比不注入离子时强2.4倍。Chang等[15]利用电渗法探讨注入不同浓度CaCl2溶液(0.5,1.0,1.5 mol/L)、不同通电时间(2,4,8,16,24,120 h)对软土固结的影响，试验结果表明短期内软土强度有轻微提高，而在长期内，随着化学沉淀的发生，软土强度得到显著提高。这些研究中盐溶液阳离子主要为Ca2+和Al3+离子，并且大多数从阳极注入。也有学者在阳极和阴极同时加入盐溶液，Otsuki等[16]在对高岭土进行电渗试验时，阳极采用电解液为ZnSO4,AgNO3,Mg(CH3COO)2,Mg(CH3COO)2，对应阴极电解液为Na2CO3,NaOH,NaOH,Na2CO3，结果表明阳极电解液为Mg(CH3COO)2溶液，且阴极电解液为Na2CO3溶液时软土的无侧限压缩强度最大。李洪艺等[17](2011)总结了盐溶液注入对电动加固软土影响的研究进展，同时讨论了该方法存在缺乏微观机理研究、加固效果不均一等问题。韩舰辉等[18](2014)进行了海相软黏土的电渗试验，研究阳极处加入CaCl2溶液的浓度对于土体效果的影响，发现用浓度为25%时土体承载力最高。王宁伟等[19](2016)进行了在阳极处加入等量纯水和CaCl2溶液的对比电渗试验，证明了盐溶液的加入对于软土承载力的提高作用。王宁伟等[20](2017)研究了阳极处加入CaCl2溶液的浓度和注入量等因素对于软土电渗排水固结的影响，发现CaCl2溶液最佳浓度为20%～30%，最佳浓度下的注入量对土中水的排出量无影响。李文宇等[21](2017)进行了阳极处加入羟基铝溶液对膨胀土电渗试验的影响研究，研究中采用宏观和微观试验分析，研究结果表明羟基铝溶液的加入会改善膨胀土的性质，但是阳极区、阴极区和中间区的改善效果具有差异性，且中间区改善效果最弱。

关于电渗过程中在阳极和阴极同时加入CaCl2溶液以及同时加入CaCl2溶液后电极处界面电阻和分段土体电阻率的研究则较为少见。本文拟在高岭土电渗试验过程中在电极处加入CaCl2溶液，并与电极处未加入CaCl2溶液的试验进行对比，从而得出在电渗过程中电极处加入CaCl2溶液后电流、排水量、界面电阻、土体分段电阻率以及土体最终抗剪强度的变化规律。

2 试验模型与试验方法

2.1 试验仪器

试验采用有机玻璃模型槽，槽内壁尺寸为240 mm×125 mm×125 mm，试验装置示意图如图1所示。

图1 试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

试验电源采用兆信PS305-D直流稳压电源，可提供最大30 V的输出电压或最大5 A的输出电流，能够持续工作较长时间，并且具有过压保护功能。试验所用串联电流表测量范围为0～3 A，最小分辨率为0.1 mA。在槽侧面的中间部位水平插入5根测针，从阳极到阴极编号依次为D1，D2，D3，D4，D5，将土体分为4段。试验1阳极用钛丝网制成，尺寸为100 mm×100 mm，阴极在此电极的基础上加上塑料排水板并用滤布包起来，尺寸为130 mm×125 mm×5 mm。由于阳极是密封在土中的，直接加入盐溶液不容易到达电极，因此试验2阳极在试验1阳极的基础上用钛丝栓接上带有小孔的PVC导液管，如图2所示。

图2 试验2阳极

2.2 试验方法

将土样、电极板装入模型槽中，静置稳定。连接好电源、电极，并将测试仪器安放好，如图3所示。通恒定直流电，电压保持为10 V，电渗时间为108 h。当试验过程中阳极出现较大裂缝时，随即用试验初始状态的土将其填充。试验所用CaCl2盐溶液浓度为0.5 mol/L。试验分2组，试验1电极处不加CaCl2溶液，试验2电极处加CaCl2溶液，具体添加量如表1所示。

图3 装置实物图Fig.3 Photo of the test device

试验中土样的物理力学测量内容包括电流值、排水量、电极界面电阻、土体分段电阻率以及各段土体的最终含水率、最终抗剪强度等，本试验中的最终含水率、最终抗剪强度为距阳极相同距离处上部、中部和底部土体最终含水率、最终抗剪强度的平均值。测量仪器包括电流表、万用表、量筒、微型十字剪切板等，土体含水率等数据按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)中的方法确定。

表1 试验2所加CaCl2盐溶液体积

2.3 土样特性

试验用土采用的是南京江宁方山的高岭土，原状土是已经磨碎制好的极细粉末，黏粒含量为65%，可以直接按照一定的含水率配置成饱和土样。土的基本物理性质如表2所示。

表2 土的基本物理性质

图4 颗粒分析Fig.4 Grain sizedistribution

采用BT-9300H型激光粒度分析仪进行颗粒分析，颗粒分析曲线见图4。从图4中可以看出，高岭土的所有粒组都是细粒组，且黏粒含量约为65%。颗粒分析结果表明，该土的不均匀系数为3.3，曲率系数为1.1，级配不好。

3 试验结果分析

3.1 电流变化分析

土体电流是影响电渗的重要因素。图5为土体电流随时间变化的情况。

图5 土体电流曲线Fig.5 Curves of current in soil

前56 h试验2的电流要比试验1大，这是因为试验2阳极栓接PVC导液管所用的钛丝增大了阳极与土体的接触面积，从而降低了阳极的界面电阻，因而试验2电流要大一些，这也是后面排水、界面电阻等试验在前56 h试验1和试验2结果有一定差异的主要原因。试验2在第56 h和72 h时加入CaCl2溶液的量，阳极分别为7，5 mL，阴极均为3 mL，电流相比试验1分别增大了8.8%，6.8%，而在78，84 h时加入CaCl2溶液的量在阳极分别为4，6 mL，在阴极均为2 mL，电流分别增大了4.2%,13.9%，可知电流增加百分比与阳极加入CaCl2溶液的量大体成正比关系；而试验2在72，84 h时加入CaCl2溶液的量在阳极分别为5，6 mL，在阴极分别为3，2 mL，电流增大了6.8%,13.9%。可以看出，在不同时间加入总量相等的CaCl2溶液，出现电流提升效果不同的现象，说明电流提升的效果也可能与阳极加入CaCl2溶液所占比例或者与CaCl2溶液加入时间有关，这有待于进一步试验验证。从整个曲线来看，试验1电流下降的趋势明显要比试验2下降的快，可见，在电极处加入CaCl2溶液可以有效减缓电渗过程中电流的减小。

由以上分析知，电渗过程中电流大小与电极处加入CaCl2溶液的量有关，也可能与阳极CaCl2溶液所占比例或者与CaCl2溶液加入的时间有关；总体而言，在电极处加入CaCl2溶液可以有效减缓电渗过程中电流的减小。

3.2 电渗排水变化

图6为电渗过程中排水曲线，最终试验2的排水量为519 mL，减去加入CaCl2溶液总体积39 mL之后，为480 mL。而试验1的排水量433 mL，在电极处加入CaCl2溶液后排水量最终增大了10.9%。

图6 电渗过程中排水曲线Fig.6 Curves of drainage during electro-osmosis

由以上分析知，本试验条件下，在电极处加入CaCl2溶液可以起到提高排水量的效果。

3.3 界面电阻变化

图7为界面电阻曲线，试验1在电极处未加入CaCl2溶液的情况下，电极处的界面电阻都是逐渐增大的，其中阳极界面电阻的增长尤为明显，而阴极界面电阻的增长相对于阳极来说较为缓慢。试验2在电极处加入CaCl2溶液后，电极处界面电阻的增长相比加入之前有一定的减缓。

图7 界面电阻曲线Fig.7 Curves of interfacial resistance

图8为阴极界面电阻减小值变化曲线，相对差为总值差减去加盐溶液之前瞬间试验2与试验1阴极界面电阻差。由图8可以看出，电极处加入CaCl2溶液后试验2与试验1土体阴极界面电阻相对差的增大还是很明显的，说明电极处加入CaCl2溶液对阴极处界面电阻的减小是很明显的。

3.4 土体分段电阻率变化

土体的电阻和电阻率的计算公式分别为：

(1)

(2)

式中：R为电阻(Ω)；ρ为电阻率(Ω·cm)；U为各段土体的电势差(V)；I为电流(A)；F为各段土体的中部横截面面积(cm2)；l为各段土体的长度(cm)。

假设土体发生沉降后，阴极和阳极土体高度基本能维持原状，土体的沉降基本是沿着两极向中部呈线性降低的，因此将土体沉降加以简化，如图9所示。又知道土体的宽度和高度分别为12.5，10cm，因此容易得到土体横截面面积公式为

(3)

式中：F为横截面面积；K为沉降变化系数，对第1段、第4段土体为0.25，第2段、第3段土体为0.75；S为沉降值(cm)。

图9 土体横截面计算示意图Fig.9 Schematic diagram of calculation forcross section of the soil

图10为土体总电阻率变化曲线，试验2电极处加入CaCl2盐溶液后土体总电阻率下降较为明显，而土体总电阻率的下降将导致电流的增大，这与电流大小的变化趋势相符合，但是在电势梯度不变的情况下也势必会引起能量消耗的增加。

图10 土体总电阻率变化曲线Fig.10 Curves of total resistivity of the soil

图11 各段土体电阻率变化曲线Fig.11 Curves of resistivity of each part of the soil

图11为各段土体电阻率变化曲线，第1段、第2段和第3段土体在电极处加入CaCl2盐溶液后总体趋势与未加时相比，土体电阻率无明显改善作用，但是加入CaCl2盐溶液的瞬时，电阻率减小还是很明显，而阴极附近的第4段土体在电极处加入CaCl2盐溶液后土体电阻率下降很明显，可见，阴极所在位置的土体电阻率的下降对土体总电阻率下降起主要贡献作用。

3.5 土体最终含水率和最终抗剪强度

图12为土体最终含水率和最终抗剪强度的变化曲线，可以看出:土体最终抗剪强度与最终含水率呈负相关;试验2阳极土体最终抗剪强度为39.2 kPa，相比于试验1的22.8 kPa，提高了16.4 kPa;而试验2中部土体最终抗剪强度提高了10.5 kPa;但是阴极土体最终抗剪强度无明显提高。

图12 土体最终含水率和抗剪强度曲线Fig.12 Curves of final moisture content andshear strength

由以上分析可知，电极处加入CaCl2溶液后，阳极和中部土体最终抗剪强度提高比较明显，尤其是阳极土体最终抗剪强度提高了16.4 kPa，但阴极土体强度无明显提高，因而可以考虑通过反转电极的方法来加固阴极土体，从而提高土体整体的抗剪强度。

4 结 论

本文通过对饱和高岭土的室内电渗试验，研究了电渗过程中在电极处加入CaCl2溶液后电流、排水量、分段电阻率及界面电阻、土体电阻率和土体最终含水率与强度等的变化规律，结论如下：

(1) 电极加入CaCl2溶液后电流的减小趋势得到有效控制，电渗过程中电流大小与加入CaCl2溶液的量有关，也可能与阳极所加CaCl2溶液所占比例或者与CaCl2溶液加入的时间有关；排水量变大，本试验条件下电渗排水量提高了10.9%；电极处加入CaCl2溶液对阴极处界面电阻的减小作用很明显。

(2) 电极处加入CaCl2溶液后土体总电阻率下降较为明显，而阴极附近土体电阻率的下降对土体总电阻率下降起主要贡献作用。

(3) 电极处加入CaCl2溶液后，阳极和中部土体最终抗剪强度提高比较明显，尤其是阳极土体最终抗剪强度提高了16.4 kPa，但阴极最终土体抗剪强度无明显提高，因此可以考虑在此方法的基础上用反转电极的方法来加固阴极土体，从而提高土体整体的抗剪强度。这项研究可为高岭土电渗试验提供新思路。

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(编辑：王 慰)

Influences of CaCl2Solution Added to Electrodes onthe Electro-osmotic Test of Kaolin Clay

FENG Qing-peng1,2, BU Fan-bo3, PENG Yi1,2, PENG Jie1,2

(1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering under Ministry of Education,Hohai University, Nanjing 210098, China; 2.Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 3. SDC Waterway Construction Co., Ltd., Ningbo 315200, China)

The changes of electricity current, water discharge, interfacial resistance and final shear strength after CaCl2solution was added to electrodes during the electro-osmosis of kaolin clay were studied through laboratory test. Results show that adding CaCl2solution to the electrodes could effectively control the decrease of current in soil, and the current strength is not only related to the amount of added CaCl2solution, but probably also to the proportion of CaCl2solution added to the anode, or the time when the CaCl2solution is added. Displacement becomes larger, improving by 10.9% under the condition of the present experiment. The decrease of interfacial resistance of anode is obvious. The total resistivity of the kaolin soil declines obviously with the resistivity decline of the soil near cathode making the main contribution. Moreover, the average shear strength near anode and in the middle of the soil increases obviously, especially the average shear strength near anode of the soil increases by 16.4 kPa; whereas the average shear strength of the soil near the cathode does not increase. Therefore, reversing the electrodes could be an approach of electro-osmosis test on kaolin soil near the cathode.

kaolin clay; electro-osmosis; electrodes; CaCl2solution; resistivity of soil; interfacial resistance; shear strength

2016-05-16;

2016-06-15

国家自然科学基金项目(51578214)

冯清鹏(1991-)，男，河北沧州人，硕士研究生，主要从事软土地基处理方面的研究，(电话)13236558608(电子信箱)785975792@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160469

2017,34(8):90-95

TU411

A

1001-5485(2017)08-0090-06