電化學(xué)改性加固地基的研究進(jìn)展

殷鶴，黃雪峰， 張彭成， 周俊鵬

（1. 后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶 401311； 2. 巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401311；3. 后勤工程學(xué)院化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

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電化學(xué)改性加固地基的研究進(jìn)展

殷鶴1，2，黃雪峰1，2， 張彭成3， 周俊鵬1，2

（1. 后勤工程學(xué)院軍事土木工程系，重慶 401311； 2. 巖土力學(xué)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401311；3. 后勤工程學(xué)院化學(xué)與材料工程系，重慶 401311）

摘要：軟弱地基壓縮性高、承載能力差，在荷載作用下容易產(chǎn)生較大的沉降變形，影響建筑物的正常使用，因此必須對其進(jìn)行加固處理。針對地基處理中的化學(xué)類方法，介紹了化學(xué)改性加固與電化學(xué)法加固的原理與研究進(jìn)展，并對化學(xué)改性與電化學(xué)加固聯(lián)合處理地基進(jìn)行了展望，分析了其固化機(jī)理與應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：化學(xué)改性；電化學(xué)加固；交流電場

近年來，由于國家各區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的需求和國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的支持，我國西北各城市建設(shè)規(guī)模迅速增大，相繼開展了如鄭西高鐵、蘭州新區(qū)、延安新區(qū)等大型工程項(xiàng)目。這些工程有一個共同特點(diǎn)，均建立在地形復(fù)雜的黃土丘陵溝壑區(qū)。新工程的建設(shè)勢必要進(jìn)行大規(guī)模填溝造地，其主要的填筑材料為濕陷性黃土。黃土高填方最初的應(yīng)用是在黃土地區(qū)鐵路和高速公路等工程的修建中，填筑高度數(shù)十米，由于高填方路基的填筑高度大、填筑面積大、土石方量大、以及路基自重大等多方面特點(diǎn)，盡管國內(nèi)諸多學(xué)者已經(jīng)對黃土高填方路堤進(jìn)行了大量的研究，其沉降變形、不均勻沉降和地基穩(wěn)定性等問題始終未得到根本解決，每年由于高填方的沉降變形問題造成了大量的工程事故和財產(chǎn)損失。因此，研究不良土體有效的改良方法，有利于改進(jìn)溝谷型高填黃土地基分層填筑技術(shù)并確定其控制標(biāo)準(zhǔn)，同時還可以為高填方場地地基處理提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

1 化學(xué)改性加固

化學(xué)改性加固方法是通過在土中加入化學(xué)固化劑來改善其的工程特性，使其滿足實(shí)際工程需要的一種方法。其反應(yīng)類型有無機(jī)化學(xué)反應(yīng)、有機(jī)化學(xué)反應(yīng)、生物化學(xué)反應(yīng)，其中無機(jī)化學(xué)反應(yīng)固化是目前在工程中應(yīng)用最多的一種化學(xué)固化形式。

1.1 化學(xué)類固化劑

（1）無機(jī)固化劑

對于無機(jī)化合物類固化劑，其本身所含的無機(jī)材料在水作用下會產(chǎn)生水化硫酸鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)。這些膠凝物質(zhì)能夠自身硬化形成骨架，同時還會與土顆粒作用生成絡(luò)合物，最終形成穩(wěn)定的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高固化土的穩(wěn)定性［1］。黃新等［2］發(fā)現(xiàn)水泥加固土的強(qiáng)度主要來自于其水化產(chǎn)物的膠結(jié)作用，固化土體孔隙水中的水化物含量影響土體的強(qiáng)度；賈尚華［3］通過對比強(qiáng)度法分析水泥土、石灰水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，得出石灰水泥土中主要包含四種固化作用，分別為水化作用、填充作用、離子交換作用以及復(fù)合作用。

（2）有機(jī)高分子固化劑

有機(jī)高分子固化劑多為液態(tài)，添加到土中后，其有機(jī)高分子在催化劑作用下發(fā)生聚合或縮聚反應(yīng)，形成網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，從而把土顆粒膠結(jié)在一起，且有機(jī)大分子可以填充土中孔隙。劉清秉等［4］使用離子土固化劑（Ionic Soil Stabilizer）對膨脹土進(jìn)行了化學(xué)改性試驗(yàn)研究，總結(jié)得出離子土固化劑的改良機(jī)理為通過離子交換、吸附、包裹等一系列表面物理化學(xué)反應(yīng)，改變土顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)，從而減低了土體的膨脹性；劉瑾［5］研制了一種新型高分子聚醋酸乙烯酯固化劑，其固化機(jī)理為：使高分子鏈上的羧基與土中硅酸鹽表面的羥基以氫鍵相連，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，同時高分子鏈上親水基團(tuán)中的氫離子（H+）與土顆粒表面的堿金屬離子發(fā)生置換反應(yīng)置換出土顆粒表面的陽離子，從而降低了ζ電勢，增加了土顆粒之間的吸引力。

1.2 生物酶類固化劑

生物酶固化劑作為一種新型固化劑在國內(nèi)外工程界受到了廣泛的關(guān)注，它是由有機(jī)物質(zhì)發(fā)酵而成，屬蛋白質(zhì)多酶基物質(zhì)，主要起催化作用。土體通過生物酶的催化，再經(jīng)外力擠壓密實(shí)后，土體顆粒表面會凝結(jié)成硬化殼，同時，滲入內(nèi)部的生物酶中的部分組分可替換土體中凝聚力較低的離子，打破土顆粒的雙電層結(jié)構(gòu)，將水分排出，促使土顆粒膠結(jié)集聚，從而降低土體的膨脹性和滲透性。

1.3 復(fù)合類固化劑

復(fù)合類固化劑一般由主固化劑與激發(fā)劑組成，與土混合后發(fā)生水化反應(yīng)并形成凝膠狀的水化產(chǎn)物，自身形成穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，同時其組分也會與土中的陽離子發(fā)生離子交換反應(yīng)，使土膠粒的電勢降低，由離散結(jié)構(gòu)凝聚成致密的整體結(jié)構(gòu)；激發(fā)劑的主要作用是激發(fā)土顆粒的活性，降低土壤中的含水量。激發(fā)劑與離散的細(xì)顆粒接觸，使其成為牢固的多結(jié)晶聚集體，以達(dá)到改善土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性的效果［1］。

20世紀(jì)70年代以來，隨著科技的進(jìn)步與工程技術(shù)的發(fā)展，世界各國針對土體化學(xué)改性技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步的研究和開發(fā)，由原來單一的使用石灰、水泥、粉煤灰等無機(jī)固化材料轉(zhuǎn)變成了多種材料混合配比，取得了突破性的成果。其中最具代表性的有美國帕爾馬公司研發(fā)的生物酶固化劑，德國路邦公司研發(fā)的EN-1固化劑，澳大利亞研發(fā)的CCSS土體固化劑以及日本UKC公司研發(fā)的Aught-set系列固化劑。除此之外，各國學(xué)者延續(xù)著對新型固化劑的開發(fā)與應(yīng)用，研究思路不斷拓寬。Ekrem等［6］將用硅粉、粉煤灰和石灰的混合物添加劑改良的粗粒土應(yīng)用于道路建設(shè)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壓實(shí)土，提高了其工程性能與耐久性，在能源消耗和環(huán)境保護(hù)方面發(fā)揮了很大的作用；Farid等［8］對硅酸鹽水泥改良華盛頓地區(qū)土的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)改良土的強(qiáng)度有明顯提高且其破壞形式有所改變；Liu Jin［9］等研究了STW有機(jī)固化劑改良黏土的水穩(wěn)性和耐腐蝕性，并分析了將其應(yīng)用到黏土邊坡治理工程中的可能性。

我國對土壤固化劑的研究起步較晚，20世紀(jì)80年代，國內(nèi)相關(guān)單位開始引進(jìn)國外土壤固化技術(shù)。李國棟［10］對派酶加固土的力學(xué)性能、水穩(wěn)性和收縮性等路用性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)派酶固化劑對土體的力學(xué)性能具有顯著的影響，并且存在最佳派酶固化劑摻量：0.05%～0.1%；張建楠［11］研究了凍融循環(huán)對Aught-Set固化劑改良土力學(xué)特性的影響，結(jié)果顯示Aught-Set固化劑可以在一定程度上抵抗凍融循環(huán)帶來的危害；鄭毅［12］對ISS固化土的水穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，分別將成型7、14、28d的試樣浸入水中，發(fā)現(xiàn)試件水穩(wěn)定性較差，出現(xiàn)了松散開裂現(xiàn)象，進(jìn)一步試驗(yàn)得出ISS固化土在成型一年后水穩(wěn)定性達(dá)到良好狀態(tài)；呂擎峰［13］通過SEM試驗(yàn)、XRD試驗(yàn)及壓汞試驗(yàn)對溫度改性水玻璃固化黃土的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)溫度改性水玻璃固化黃土產(chǎn)物中沒有新晶體的出現(xiàn)，但隨著溫度的升高產(chǎn)生的非晶質(zhì)硅凝膠逐漸增多，加強(qiáng)了土粒間的膠結(jié)強(qiáng)度，進(jìn)而得出了溫度越高水玻璃溶液對黃土的強(qiáng)度提升效果越好的結(jié)論。

國內(nèi)一些學(xué)者在吸收國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對我國土壤特性，自主研發(fā)了一系列新型土壤固化劑，在渠道防滲、水土保持、路基加固等方面被廣泛應(yīng)用。黃曉明［14］從TR型土壤固化劑的研制入手，對比了石灰、水泥對亞黏土的固結(jié)效果，證實(shí)了TR型固化劑改良土具有更高的抗壓強(qiáng)度，同時TR型固化劑還具有減小土體干縮的效果；重慶交通大學(xué)的黃維蓉等［15］研究了由水泥、石灰、QJ型固化劑結(jié)合穩(wěn)定碎石土的性質(zhì)，與僅由水泥石灰混合加固碎石土以及KS型固化劑穩(wěn)定碎石土的性能進(jìn)行了對比得出，QJ型土壤固化劑具有良好的物理力學(xué)性質(zhì)和抗凍融能力；武漢科技學(xué)院的張大捷等［16］探討了一種以礦渣為主要原料的灰渣膠凝材料固化劑（HAS）的尾砂固化性能，得出HAS固化尾砂的流動度、泌水性與強(qiáng)度均比水泥固化尾砂高的結(jié)論，且以石膏含量為20%時固化效果最佳；后勤工程學(xué)院的方祥位等［17］對以燃煤發(fā)電廠的工業(yè)廢料為主要原料的GT型土壤固化劑改良軟土的工程性質(zhì)進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示GT型固化劑改良土的擊實(shí)效果、抗剪強(qiáng)度、抗?jié)B透性等工程性質(zhì)優(yōu)于石灰改良土。

2 電化學(xué)加固

電化學(xué)方法加固地基目前主要采用電滲排水與電化學(xué)樁兩種方法。電滲排水是通過將電極插入地基土中施加直流電，使土體加速排水固結(jié)，從而提高土體的強(qiáng)度；電化學(xué)樁加固是利用直流電，使土中離子與金屬電極發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膠結(jié)物，來加固地基。而實(shí)際工程中，這兩種效應(yīng)一般同時存在，如在電滲排水過程中，不可避免的會伴有電極腐蝕等電化學(xué)反應(yīng)；在電化學(xué)樁加固通電的過程中，也會存在孔隙水由陽極向陰極移動的現(xiàn)象。

早在19世紀(jì)初，俄國學(xué)者Reuss就發(fā)現(xiàn)了孔隙水在直流電的作用下由陽極向陰極移動的電滲現(xiàn)象。其后Cassagrande開展了鋁電極加固粘土的電滲試驗(yàn)，并于1939年在德國扎耳茨吉特地區(qū)一段鐵路的邊坡加固中成功應(yīng)用，第一次將電化學(xué)加固方法引入了土木工程領(lǐng)域。其后，電化學(xué)加固方法不斷地被應(yīng)用于巖土工程的各大領(lǐng)域，如地基處理（Bjerrum，1967）、堤壩加固（Fetzer，1967）、提高樁體承載力（Milligan，1961；Johnson，1980）。

前蘇聯(lián)學(xué)者Trushinskii［18］在電化學(xué)成樁加固領(lǐng)域做了大量研究，他認(rèn)為電化學(xué)成樁的機(jī)理如下：通電后，陽極處鐵質(zhì)的電極溶解并形成Fe2+，當(dāng)可溶的鐵離子接觸水后，與水發(fā)生反應(yīng)形成低價氫氧化物，并增強(qiáng)溶液的酸性。

在土中水和氧氣的作用下，F(xiàn)e（OH）2被氧化生成高價氫氧化物，形成aFe2O3·Fe（OH）2·Fe（OH）3的混合物。

從20世紀(jì)50年代中期開始，我國學(xué)者對電化學(xué)加固方法進(jìn)行了一系列的研究。汪聞韶（1955）在《土力學(xué)中電滲問題綜合報告》中探討了電滲排水的力學(xué)規(guī)律，闡述了電滲排水加固軟土的作用機(jī)理；曾國熙和高有潮［19］（1956）介紹了原狀軟黏土電化學(xué)加固室內(nèi)試驗(yàn)的研究成果，為國內(nèi)學(xué)者的后續(xù)研究奠定了重要的基礎(chǔ)。進(jìn)入21世紀(jì)，各類軟土地基處理工程使得電化學(xué)加固方法有了進(jìn)一步的發(fā)展，王寧偉［20］對大連東港某工程的淤泥質(zhì)粘土進(jìn)行了電化學(xué)加固試驗(yàn)，提出了電化學(xué)成樁有效加固區(qū)的計(jì)算公式和能耗的計(jì)算公式；余飛［21］依托蕭山跨湖橋的古遺址保護(hù)工程，進(jìn)行了電化學(xué)加固現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了電極鐵質(zhì)膠結(jié)與成樁效應(yīng)，并對其長期水穩(wěn)性進(jìn)行了評價。同時，不同地質(zhì)因素與實(shí)驗(yàn)條件對電化學(xué)加固的影響也受到了學(xué)者的廣泛關(guān)注，李瑛等［22，23］就土體含鹽量與直流電壓對軟黏土一維電滲排水的影響進(jìn)行了探討，發(fā)現(xiàn)電滲排水存在最佳含鹽量，且能量消耗速率、電極腐蝕程度和排水速率與電流強(qiáng)度的比值都與土體含鹽量有關(guān)；李一雯［24］研究了鋼管電極不同布置形式對電滲效果的影響，結(jié)果顯示電滲排水量平行錯位布置〉長方形布置〉梅花形布置；陶艷麗［25］比較了鐵、銅、鋁和石墨電極在電滲排水中的表現(xiàn)，認(rèn)為對排水起主導(dǎo)作用的是陽極材料，在實(shí)際工程中陰極反應(yīng)一般不受陰極材料影響。

3 結(jié) 論

化學(xué)改性土工程性能優(yōu)越，頗受工程界歡迎，近年來陸續(xù)被應(yīng)用于個工程領(lǐng)域，取得了良好的效果，但也存在明顯的不足：如石灰改性土的早期強(qiáng)度差，施工進(jìn)度易受到影響；水泥改性土的干縮性大、易開裂，且受土壤類別限制較大；某些新型固化劑價格昂貴、難以量產(chǎn)。電化學(xué)方法加固地基工藝簡單、效果顯著、作用持久且有利于環(huán)境保護(hù)，但本身具有一定的局限性。盡管諸多學(xué)者試圖通過改變電場強(qiáng)度、電極材料、電極位置、通電方式以及加入添加劑等方法提高處理效率、降低能耗，但隨著通電過程中陽極逐漸被腐蝕，以及土體電阻的不斷增大，通電處理的效率不可避免的會逐漸降低，能耗隨之增大，進(jìn)而導(dǎo)致拖延工期、用電安全等問題。其中電滲排水通電時間約為2～3 d，電化學(xué)成樁加固通電時間約為15～25 d。且工業(yè)用發(fā)電機(jī)多為三相交流發(fā)電機(jī)，而在工程應(yīng)用中上述兩種方法都使用穩(wěn)壓直流電，這不僅會增加由交流電向直流電整流轉(zhuǎn)換的步驟，而且由于化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在陽極，為了使土體強(qiáng)度均勻，部分學(xué)者還會采用電極反轉(zhuǎn)的方法加固地基，進(jìn)一步加大了施工的難度。

4 展望

下一步針對軟弱地基的處理，可以在電極材料、電極位置以及通電方式不變的條件下，將穩(wěn)壓直流電改為交流電，同時選取熟石灰與無水硫酸鈉作為化學(xué)改性材料。其固化機(jī)理為：通過交流電場的激化，使石灰與硫酸鈉迅速反應(yīng)生成具有膠結(jié)作用的二水石膏，反應(yīng)方程式如下：

此時反應(yīng)生成的NaOH具有比Ca（OH）2更強(qiáng)的堿性，提高了孔溶液中OH-的濃度，初步加快了混合物之間的化學(xué)反應(yīng)速率；且在交流電場作用下，介電質(zhì)的土顆粒會發(fā)生極化，致使孔溶液中的陰陽離子也發(fā)生定向移動，在土顆粒表面形成臨時富集，進(jìn)一步提高了OH-的有效濃度；同時，在電場作用下部分電能轉(zhuǎn)化為熱能，提高了反應(yīng)溫度，在臨時高濃度和高反應(yīng)溫度的協(xié)同作用下，土體內(nèi)部迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并在土顆粒周圍形成膠結(jié)物，能夠有效的加固軟弱地基，提高其水穩(wěn)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

中圖分類號：TU472.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0348-04

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2013BAJ06B00）；全軍重點(diǎn)項(xiàng)目（AY112J004）。

收稿日期：2015-10-27

作者簡介：殷鶴，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：主要從事非飽和土與特殊土地基處理研究。E-mail：282633859@qq.com。

通訊作者：黃雪峰，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：主要從事非飽和土與特殊土地基處理研究。E-mail：hxfen60@163.com。