阳极区添加氢氧化钠电渗加固软土试验研究

2018-09-28金锦强袁国辉章迪康符洪涛林海志海钧

中国港湾建设 2018年9期

金锦强，袁国辉，章迪康，符洪涛，林海志，海钧

（1.温州市瓯飞开发建设投资集团有限公司，浙江温州 325000；2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江温州 325035；3.浙江省软弱土地基与海涂围垦重点实验室，浙江温州 325035；4.浙江省海涂围垦及其生态保护协同创新中心，浙江温州 325035；5.浙江工贸职业技术学院，浙江温州 325035；6.洞头县状元南片围涂建设开发股份有限责任公司，浙江温州 325035）

0 引言

为了缓解用地紧张问题，往围垦区域吹填淤泥进行填海造陆成为主要的解决方式[1]。然而，吹填土具有高含水量、低渗透性、强度低等特性，未能满足工程建设要求，因此需要加固处理[2]。传统的地基处理方法对于高含量细颗粒黏土的处理效果并不十分理想，所幸的是电渗加固法具有明显的优势，但同时大幅增加工程建设成本。根据瓯飞工程垦区的生产配套区涂面整理工程和瓯飞起步区3号围区涂面整理工程等已完工和正在施工的围区开发吹填工程测算，吹填工程中的软基处理工程占整个建筑工程造价的比例较大，占比在35%~48%。因此针对加快地基处理违章研究具有显著的工程意义和经济效益。电渗现象由俄国学者Reuss在1809年发现，电渗加固具有加固速度快，对土颗粒的粒径大小不敏感的特点。因此，对于高含量细颗粒且低渗透性的吹填土处理具有明显的优势[3]。Casagrand在1939年首次将电渗技术应用到岩土工程中[4-5]，对提高细粒土的抗剪强度和稳定性方面取得良好的效果。此后，国内外学者对电渗加固技术进行了大量的研究，在国外应用到加固斜坡、堤坝、水坝等岩土工程中，国内主要用于围垦造地、加固吹填淤泥土、公路软基处理中[6-8]。

纯电渗法加固软土过程中也存在能耗大，阴阳极加固强度不均匀等缺陷，但更加突出的是由于水的电解在阳极区产生酸性造成阳极的腐蚀，随着加固时间的延长电极完全腐蚀，极大地限制了工程应用，曹永华[9]等在应用电渗法加固试验研究中也指出了上述问题。为了减少阳极的腐蚀，在对电渗法的改进方法中有诸多研究。如针对通电方式方面，龚晓南[10]等进行了持续通电和间歇通电条件对比试验研究，表明间歇通电是一种比较经济合理的通电方式并能减缓阳极的腐蚀。在加固过程中交换阴阳极的电极反转技术也有研究，陈卓[11]等对电极反转技术加固研究中表明虽然电极反转技术能减缓阳极的腐蚀，但是平均抗剪强度却较纯电渗试验加固效果差。另外在电极材料方面，EKG电动土工合成材料是一种既能导电又能排水的且不腐蚀的电极，胡俞晨[12]等使用EKG材料进行室内初步试验研究为今后的研究提供参考；邱晨辰[13]等针对电极腐蚀导致后期排水效率低等问题，以EKG为排水和电极材料，研究了电渗与真空预压的联合加固效果，加固后土体强度明显优于真空预压和纯电渗。

本文从电渗加固阳极腐蚀的机理出发，在阳极区添加碱性物质氢氧化钠，强碱环境下与水电解产生的酸反应，削弱阳极区的酸性以减缓阳极腐蚀程度，同时充分利用氢氧化钠与土发生反应，提高整体导电性进一步促进排水。本文共设计两组电渗试验，其中一组阳极区掺入氢氧化钠，通过试验获得对电渗加固的有益结论，可为工程应用中减少电极腐蚀、增强加固效果提供指导作用。

1 电渗试验

1.1 试验用土

试验土样取自温州瓯飞工程垦区软基处理工程现场。现场取回来的土样非常柔软，含水量远远高于液限，几乎没有抗剪强度。进行土样基本物理参数测试，其中含水量为试验使用而不是原状土含水量。相关参数如表1所示。

表1 软黏土基本物理参数Table 1 Basic physical parametersof the soft clay

1.2 试验方案

试验装置采用改进的Miller soil box的电渗微型盒，试验模型盒由5 mm厚的有机玻璃板制成。该模型盒由土样室和两个集水室组成（图1）。

图1 电渗模型盒Fig.1 Model cell of electro-osmosis

模型盒中用于安放试样的土样室内部长度200 mm，高度100 mm、宽度100 mm，在土样室的两侧设有长宽高大约为100 mm伊40 mm伊100 mm的集水室用于收集从阴极排出的水。每个集水室底部有1个排水孔，由阴极排出汇聚在集水室的水通过排水孔流到量筒。土样室和两端的集水室通过有机玻璃板分隔，隔板底端距离模型盒的底板高度为20 mm，目的是为了土样室阴极处的水能够在集水室收集；同时，模型盒的土样室与集水室的高差为5 mm，即土样室垫高一块有机玻璃板，目的同样也是为了能够收集电渗排出的水。电渗用装置主要包括电极和电源：电渗电极均采用厚度为5 mm、宽高尺寸为100 mm伊120 mm的金属铁块，为防止导线夹与土体接触而直接对土体通电；阳极不作任何处理，直接采用平整的铁板，阴极为了满足排水的需要，在表面钻直径为5 mm的小孔，孔与孔之间呈梅花形布置，间距为5 mm。同时为了防止细小黏土颗粒透过阴极板小孔流入集水室，并进一步流入量筒影响排水量，在阴极板一侧贴一层纱网；电源采用型号为SPD-3606稳压直流电源。

为了探索在阳极区添加氢氧化钠对电渗阳极及加固效果的影响，本试验设计了一组纯电渗试验，另一组在阳极区靠近阳极区一半的位置添加掺有比例0.5%的氢氧化钠（氢氧化钠粉末与土颗粒重量之比），试验编号分别为T1和T2。试验将20 V的恒定电压施加到电渗阴阳电极上，通电持续时间为24 h。在电渗加固过程中，每1 h记录直流电源中电流的值，记录量筒内排水量；同时用万用电表测出不同测针点的电势。试验结束后，对比排水量、抗剪强度、含水量和能耗等，横向比较两组试验的电极腐蚀情况。

1.3 试验步骤

为了尽量保证2组试验的土样含水量均匀性，土样采用重塑土。将土样烘干并磨成粉末，按目标含水率68%取土样粉末和水的重量，然后以氢氧化钠与土样粉末之比0.5豫取得T2试验所需氢氧化钠粉末的重量。为防止氢氧化钠与土反应集中在局部区域，在制备重塑土时首先将氢氧化钠与水混合，得到浆液并用搅拌机搅拌均匀。然后，土样粉末添加到浆溶液中，同样用搅拌机将土壤粉末与氢氧化钠浆液混合均匀，得到目标含水率为68豫的重塑土样品。将该重塑样品静置24 h以获得均匀的含水量。

将凡士林涂抹在试验模型盒的四周以减小模型盒与土样的摩擦，也为了方便在试验结束后将土样整体取出进行强度检测而尽量不扰动土样。随后，按图1将两块电极板垂直放置在模型盒内，一侧与土直接接触，另一侧与隔板接触。装样时T2在模型盒的中间位置放置一块隔板，左侧放置普通土样，右侧放置掺有氢氧化钠的土样，以每层大约20 mm厚度分层装样直至装满100 mm。

用小锤轻轻敲击模型盒侧壁，将土体中孔隙填密实。在土样表面插入5根电势测针用以监测电渗期间电势的分布，测针采用直径1 mm的铁丝制成，插入土体深度为50 mm，测针的位置如图2所示。

待土样安装，量筒放置阴极处，导线夹联通电源和电极之后，电源开启，电压设置为20 V，并且在整个处理期间保持不变，通电时间持续24 h后试验停止，立即检测抗剪强度和含水率。

图2 模型布置图Fig.2 Model layout

2 试验结果分析

2.1 电流

试验过程中记录直流电源上显示的电流值，绘制电流随时间的变化关系如图3所示。由图可看出试验T1和T2电流变化趋势大致相同，均呈现出试验开始一段时间后短暂上升达到一个峰值，而后在峰值处开始递减最后趋向稳定的变化过程。在试验开始的前2 h，电流随时间的增加而增大。这是由于通电后在软黏土形成排水导电通道，以及电渗前期电极与土的界面电阻值很低。之后，随着含水量和盐度的降低，土体中的导电通道恶化。此外，在电渗过程中水的电解导致阳极腐蚀，这也增加了土和电极之间的界面电阻，最终导致了电流值的下降。

图3 电流变化曲线Fig.3 The changing curves of electric current

对比试验T1和T2可以发现，试验前期，在阳极区添加氢氧化钠的试验T2的电流值高于T1，最大值分别达到0.76 A和0.72 A，这是由于氢氧化钠增加了土壤中自由带电离子的数量，增加了电场作用下定向运动离子的数量，增强了试样整体导电性，进一步增加了电流。而后因T2强导电性排水速率优于T1，含水率快速下降，后期土体电流值低于T1。

2.2 排水量

试验过程中用量筒收集阴极排出的水，得到累计排水量随时间变化如图4所示。从图中变化趋势可得到T1和T2在电渗通电前期的排水速率快，随着时间的推移慢慢减小，最终趋向于平稳。表明了T1和T2试验早期的排水效率高，大部分的水被排出，后期排水效率较低，在试验快结束前几乎不排水，后期加固效果弱化。另外也可以看出，前期排水量相差不大，两者的排水量大小非常接近。随着加固时间的延长，试验T2的排水量逐渐超过试验T1。分析原因：一是试验T2由于氢氧化钠的加入，钠离子数量增多，电渗迁移拖拽更多的水分子排向阴极；二是T2阳极区添加的碱性物与电解产生的酸性相互作用，阳极腐蚀量较小，故而阳极附近消耗的电势降较小，使得电能利用率更高。在20 h左右，两者几乎达到稳定状态，排水量很小，最终排水量分别是290 ml和311 ml。

图4 排水量随时间变化Fig.4 Curves of drainage water changewith time

2.3 抗剪强度

持续通电时间达到24 h后立即切断电源，并根据如图5所示的试验检测方案，将土体沿深度方向分2层，如图5（b）从土样表面取为起始层0 mm，距离起始层50 mm为另外一层取样点，即50 mm处。在同一平面上，沿长边方向分成5段，如图5（a）在每一层距离阴极、阳极25 mm处取两点，其余点位之间距离为50 mm，共取4处测试十字板剪切强度，测试完毕后在相同位置取样测试含水率。

图5 取样测试位置（mm）Fig.5 Sampling location for test(mm)

两组电渗试验土体不同测试位置的十字板抗剪强度如图6所示，图6（a）显示的是强度随阴极距离的变化，其中强度取同一点位两层的平均值；图6（b）显示的是强度沿深度的变化，同一层的4个点位强度取平均值。

由图6可看出，在阳极区添加氢氧化钠试验T2土体十字板剪切强度高于纯电渗试验T1，说明了添加氢氧化钠加固的有效性。分析图6（a）两组试验土体强度，强度均是从阴极向阳极方向逐渐增高，这与电渗的排水方向有关，电源启动后在直流电场的作用下阳离子拖拽水分一起由阳极向阴极运动，阳极区的水分逐渐向阴极区汇集，从而导致十字板强度沿着阴极向阳极方向逐渐增高。在阳极区强度最高还与电渗过程中电极发生电化学反应有关，在阳极区产生氢氧化铁胶体使土体变得更加致密，进一步增强土体强度。对比图6（a）在距阴极2.5 cm和7.5 cm两处点位强度可以发现试验T1和T2相差不大，强度值比较一致；但是对比另外距离阴极12.5 cm和17.5 cm两处强度却表现出不一样的特性，可以看到在相同点位处试验T2的强度高于T1，T2和T1在靠近阳极位置分别达到34 kPa和28.5 kPa。这得益于在靠近阳极区100 mm范围内掺有比例为0.5%的氢氧化钠，增加的阳离子的数量，增强导电性促进排水；在强碱环境下促进化学反应，土体中含有部分钙离子与氢氧根结合，最终生成硅酸钙水化物（C-S-H）和铝酸钙水化物（C-A-H）胶体，对土体的强度有较大的提高。

图6 十字板抗剪强度Fig.6 Vane shear strength

由图6（b）的强度分布显示T1和T2均是沿深度方向逐渐减小，表层强度优于底层强度，这与电渗加固过程中电势沿深度产生电势降有关，同时随着加固时间推移，电极与土体的接触面逐渐脱离，电极与土的界面电阻增大。将试验T1和T2的所有点位强度值取平均值，得到强度分别为16.6 kPa和20.4 kPa，添加氢氧化钠平均强度提高了23%。

2.4 含水率分布

在利用十字板剪切仪对土体进行十字板抗剪强度检测的同时，在相近的位置取样测试含水率。

土体不同取样点位的含水率测试结果如图7所示。在软土地基处理效果评价指标中，含水率同抗剪强度一样，是衡量加固效果的一项重要指标，最能反映土体性状。含水率低，则排出的水越多，加固效果越好。从图7所反映的含水率情况来看，与图6中抗剪强度反映的处理情况基本一致；试验T2的土体含水率均小于试验T1的土体含水率，表明阳极区添加氢氧化钠电渗作用下的处理效果优于单独电渗作用下的处理效果。在试验T1和T2中，沿着电渗阴极到电渗阳极方向，土体含水率逐渐降低，抗剪强度值逐渐增大，土体处理效果逐渐变好；图7中含水率为电极之间的变化规律，即在深度方向取平均值绘制，但是试验数据显示从模型盒表层到土体底层沿深度方向，含水率值逐渐增大，抗剪强度值逐渐减小。

图7 含水量在电极之间分布Fig.7 Water content distribution between theelectrodes

从含水率关系图中可以发现有细微差异，即试验T1和T2在点位距阴极2.5 cm、7.5 cm处含水率相差不多，小于1%，但是在距阴极12.5 cm、17.5 cm两处含水率差值相比前两处要大，含水率差值约有2%。主要是因为在阳区100 mm范围内添加氢氧化钠增加了阳离子数量，土体的导电性增强，增大电流值，最终电渗排水量增加，含水率降低幅度加大。

2.5 电极腐蚀分析

试验结束检测完毕后，对两组试验的阳极板进行清洗晾干，并称量电极板重量。由于室内加固时间的关系，阳极的腐蚀量相比总重量约为4.5%，也即加固时间为24 h情况下，阳极腐蚀量达到4.5%，可见阳极的一次性消耗量比较严峻。

T2与T1阳极板的腐蚀重量分别为17.99 g、22.57 g，横向对比两组试验的腐蚀程度可以发现，试验T2比T1缓解腐蚀4.58 g，约占T1总腐蚀量的20.3%，说明在阳极区添加氢氧化纳对缓解阳极的腐蚀是有效的。原因是阳极区水分在电场作用下电解产生氢离子和氧气，加入的氢氧根离子与氢离子酸碱中和，进而减缓了电极的腐蚀。

2H2O-4e-1寅O2尹+4H+

H++OH-寅H2O

综上分析，阳极区添加氢氧化钠电渗作用下软基处理具有明显的效果，既能增强土体强度也能缓解阳极腐蚀，对实际工程具有一定的启示。