陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化鈉電滲加固軟土試驗(yàn)研究

金錦強(qiáng) ，袁國(guó)輝 ，章迪康 ，符洪濤 ，林海志 ，海鈞

（1.溫州市甌飛開(kāi)發(fā)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325000；2.溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325035；3.浙江省軟弱土地基與海涂圍墾重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 溫州 325035；4.浙江省海涂圍墾及其生態(tài)保護(hù)協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江 溫州 325035；5.浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 溫州 325035；6.洞頭縣狀元南片圍涂建設(shè)開(kāi)發(fā)股份有限責(zé)任公司，浙江 溫州 325035）

0 引言

為了緩解用地緊張問(wèn)題，往圍墾區(qū)域吹填淤泥進(jìn)行填海造陸成為主要的解決方式[1]。然而，吹填土具有高含水量、低滲透性、強(qiáng)度低等特性，未能滿足工程建設(shè)要求，因此需要加固處理[2]。傳統(tǒng)的地基處理方法對(duì)于高含量細(xì)顆粒黏土的處理效果并不十分理想，所幸的是電滲加固法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)大幅增加工程建設(shè)成本。根據(jù)甌飛工程墾區(qū)的生產(chǎn)配套區(qū)涂面整理工程和甌飛起步區(qū)3號(hào)圍區(qū)涂面整理工程等已完工和正在施工的圍區(qū)開(kāi)發(fā)吹填工程測(cè)算，吹填工程中的軟基處理工程占整個(gè)建筑工程造價(jià)的比例較大，占比在35%~48%。因此針對(duì)加快地基處理違章研究具有顯著的工程意義和經(jīng)濟(jì)效益。電滲現(xiàn)象由俄國(guó)學(xué)者Reuss在1809年發(fā)現(xiàn)，電滲加固具有加固速度快，對(duì)土顆粒的粒徑大小不敏感的特點(diǎn)。因此，對(duì)于高含量細(xì)顆粒且低滲透性的吹填土處理具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。Casagrand在1939年首次將電滲技術(shù)應(yīng)用到巖土工程中[4-5]，對(duì)提高細(xì)粒土的抗剪強(qiáng)度和穩(wěn)定性方面取得良好的效果。此后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電滲加固技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，在國(guó)外應(yīng)用到加固斜坡、堤壩、水壩等巖土工程中，國(guó)內(nèi)主要用于圍墾造地、加固吹填淤泥土、公路軟基處理中[6-8]。

純電滲法加固軟土過(guò)程中也存在能耗大，陰陽(yáng)極加固強(qiáng)度不均勻等缺陷，但更加突出的是由于水的電解在陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生酸性造成陽(yáng)極的腐蝕，隨著加固時(shí)間的延長(zhǎng)電極完全腐蝕，極大地限制了工程應(yīng)用，曹永華[9]等在應(yīng)用電滲法加固試驗(yàn)研究中也指出了上述問(wèn)題。為了減少陽(yáng)極的腐蝕，在對(duì)電滲法的改進(jìn)方法中有諸多研究。如針對(duì)通電方式方面，龔曉南[10]等進(jìn)行了持續(xù)通電和間歇通電條件對(duì)比試驗(yàn)研究，表明間歇通電是一種比較經(jīng)濟(jì)合理的通電方式并能減緩陽(yáng)極的腐蝕。在加固過(guò)程中交換陰陽(yáng)極的電極反轉(zhuǎn)技術(shù)也有研究，陳卓[11]等對(duì)電極反轉(zhuǎn)技術(shù)加固研究中表明雖然電極反轉(zhuǎn)技術(shù)能減緩陽(yáng)極的腐蝕，但是平均抗剪強(qiáng)度卻較純電滲試驗(yàn)加固效果差。另外在電極材料方面，EKG電動(dòng)土工合成材料是一種既能導(dǎo)電又能排水的且不腐蝕的電極，胡俞晨[12]等使用EKG材料進(jìn)行室內(nèi)初步試驗(yàn)研究為今后的研究提供參考；邱晨辰[13]等針對(duì)電極腐蝕導(dǎo)致后期排水效率低等問(wèn)題，以EKG為排水和電極材料，研究了電滲與真空預(yù)壓的聯(lián)合加固效果，加固后土體強(qiáng)度明顯優(yōu)于真空預(yù)壓和純電滲。

本文從電滲加固陽(yáng)極腐蝕的機(jī)理出發(fā)，在陽(yáng)極區(qū)添加堿性物質(zhì)氫氧化鈉，強(qiáng)堿環(huán)境下與水電解產(chǎn)生的酸反應(yīng)，削弱陽(yáng)極區(qū)的酸性以減緩陽(yáng)極腐蝕程度，同時(shí)充分利用氫氧化鈉與土發(fā)生反應(yīng)，提高整體導(dǎo)電性進(jìn)一步促進(jìn)排水。本文共設(shè)計(jì)兩組電滲試驗(yàn)，其中一組陽(yáng)極區(qū)摻入氫氧化鈉，通過(guò)試驗(yàn)獲得對(duì)電滲加固的有益結(jié)論，可為工程應(yīng)用中減少電極腐蝕、增強(qiáng)加固效果提供指導(dǎo)作用。

1 電滲試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用土

試驗(yàn)土樣取自溫州甌飛工程墾區(qū)軟基處理工程現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)場(chǎng)取回來(lái)的土樣非常柔軟，含水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液限，幾乎沒(méi)有抗剪強(qiáng)度。進(jìn)行土樣基本物理參數(shù)測(cè)試，其中含水量為試驗(yàn)使用而不是原狀土含水量。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 軟黏土基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parametersof the soft clay

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置采用改進(jìn)的Miller soil box的電滲微型盒，試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃杏? mm厚的有機(jī)玻璃板制成。該模型盒由土樣室和兩個(gè)集水室組成（圖1）。

圖1 電滲模型盒Fig.1 Model cell of electro-osmosis

模型盒中用于安放試樣的土樣室內(nèi)部長(zhǎng)度200 mm，高度100 mm、寬度100 mm，在土樣室的兩側(cè)設(shè)有長(zhǎng)寬高大約為100 mm伊40 mm伊100 mm的集水室用于收集從陰極排出的水。每個(gè)集水室底部有1個(gè)排水孔，由陰極排出匯聚在集水室的水通過(guò)排水孔流到量筒。土樣室和兩端的集水室通過(guò)有機(jī)玻璃板分隔，隔板底端距離模型盒的底板高度為20 mm，目的是為了土樣室陰極處的水能夠在集水室收集；同時(shí)，模型盒的土樣室與集水室的高差為5 mm，即土樣室墊高一塊有機(jī)玻璃板，目的同樣也是為了能夠收集電滲排出的水。電滲用裝置主要包括電極和電源：電滲電極均采用厚度為5 mm、寬高尺寸為100 mm伊120 mm的金屬鐵塊，為防止導(dǎo)線夾與土體接觸而直接對(duì)土體通電；陽(yáng)極不作任何處理，直接采用平整的鐵板，陰極為了滿足排水的需要，在表面鉆直徑為5 mm的小孔，孔與孔之間呈梅花形布置，間距為5 mm。同時(shí)為了防止細(xì)小黏土顆粒透過(guò)陰極板小孔流入集水室，并進(jìn)一步流入量筒影響排水量，在陰極板一側(cè)貼一層紗網(wǎng)；電源采用型號(hào)為SPD-3606穩(wěn)壓直流電源。

為了探索在陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化鈉對(duì)電滲陽(yáng)極及加固效果的影響，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一組純電滲試驗(yàn)，另一組在陽(yáng)極區(qū)靠近陽(yáng)極區(qū)一半的位置添加摻有比例0.5%的氫氧化鈉（氫氧化鈉粉末與土顆粒重量之比），試驗(yàn)編號(hào)分別為T(mén)1和T2。試驗(yàn)將20 V的恒定電壓施加到電滲陰陽(yáng)電極上，通電持續(xù)時(shí)間為24 h。在電滲加固過(guò)程中，每1 h記錄直流電源中電流的值，記錄量筒內(nèi)排水量；同時(shí)用萬(wàn)用電表測(cè)出不同測(cè)針點(diǎn)的電勢(shì)。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)比排水量、抗剪強(qiáng)度、含水量和能耗等，橫向比較兩組試驗(yàn)的電極腐蝕情況。

1.3 試驗(yàn)步驟

為了盡量保證2組試驗(yàn)的土樣含水量均勻性，土樣采用重塑土。將土樣烘干并磨成粉末，按目標(biāo)含水率68%取土樣粉末和水的重量，然后以氫氧化鈉與土樣粉末之比0.5豫取得T2試驗(yàn)所需氫氧化鈉粉末的重量。為防止氫氧化鈉與土反應(yīng)集中在局部區(qū)域，在制備重塑土?xí)r首先將氫氧化鈉與水混合，得到漿液并用攪拌機(jī)攪拌均勻。然后，土樣粉末添加到漿溶液中，同樣用攪拌機(jī)將土壤粉末與氫氧化鈉漿液混合均勻，得到目標(biāo)含水率為68豫的重塑土樣品。將該重塑樣品靜置24 h以獲得均勻的含水量。

將凡士林涂抹在試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃械乃闹芤詼p小模型盒與土樣的摩擦，也為了方便在試驗(yàn)結(jié)束后將土樣整體取出進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)而盡量不擾動(dòng)土樣。隨后，按圖1將兩塊電極板垂直放置在模型盒內(nèi)，一側(cè)與土直接接觸，另一側(cè)與隔板接觸。裝樣時(shí)T2在模型盒的中間位置放置一塊隔板，左側(cè)放置普通土樣，右側(cè)放置摻有氫氧化鈉的土樣，以每層大約20 mm厚度分層裝樣直至裝滿100 mm。

用小錘輕輕敲擊模型盒側(cè)壁，將土體中孔隙填密實(shí)。在土樣表面插入5根電勢(shì)測(cè)針用以監(jiān)測(cè)電滲期間電勢(shì)的分布，測(cè)針采用直徑1 mm的鐵絲制成，插入土體深度為50 mm，測(cè)針的位置如圖2所示。

待土樣安裝，量筒放置陰極處，導(dǎo)線夾聯(lián)通電源和電極之后，電源開(kāi)啟，電壓設(shè)置為20 V，并且在整個(gè)處理期間保持不變，通電時(shí)間持續(xù)24 h后試驗(yàn)停止，立即檢測(cè)抗剪強(qiáng)度和含水率。

圖2 模型布置圖Fig.2 Model layout

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電流

試驗(yàn)過(guò)程中記錄直流電源上顯示的電流值，繪制電流隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖3所示。由圖可看出試驗(yàn)T1和T2電流變化趨勢(shì)大致相同，均呈現(xiàn)出試驗(yàn)開(kāi)始一段時(shí)間后短暫上升達(dá)到一個(gè)峰值，而后在峰值處開(kāi)始遞減最后趨向穩(wěn)定的變化過(guò)程。在試驗(yàn)開(kāi)始的前2 h，電流隨時(shí)間的增加而增大。這是由于通電后在軟黏土形成排水導(dǎo)電通道，以及電滲前期電極與土的界面電阻值很低。之后，隨著含水量和鹽度的降低，土體中的導(dǎo)電通道惡化。此外，在電滲過(guò)程中水的電解導(dǎo)致陽(yáng)極腐蝕，這也增加了土和電極之間的界面電阻，最終導(dǎo)致了電流值的下降。

圖3 電流變化曲線Fig.3 The changing curves of electric current

對(duì)比試驗(yàn)T1和T2可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)前期，在陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化鈉的試驗(yàn)T2的電流值高于T1，最大值分別達(dá)到0.76 A和0.72 A，這是由于氫氧化鈉增加了土壤中自由帶電離子的數(shù)量，增加了電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)離子的數(shù)量，增強(qiáng)了試樣整體導(dǎo)電性，進(jìn)一步增加了電流。而后因T2強(qiáng)導(dǎo)電性排水速率優(yōu)于T1，含水率快速下降，后期土體電流值低于T1。

2.2 排水量

試驗(yàn)過(guò)程中用量筒收集陰極排出的水，得到累計(jì)排水量隨時(shí)間變化如圖4所示。從圖中變化趨勢(shì)可得到T1和T2在電滲通電前期的排水速率快，隨著時(shí)間的推移慢慢減小，最終趨向于平穩(wěn)。表明了T1和T2試驗(yàn)早期的排水效率高，大部分的水被排出，后期排水效率較低，在試驗(yàn)快結(jié)束前幾乎不排水，后期加固效果弱化。另外也可以看出，前期排水量相差不大，兩者的排水量大小非常接近。隨著加固時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)T2的排水量逐漸超過(guò)試驗(yàn)T1。分析原因：一是試驗(yàn)T2由于氫氧化鈉的加入，鈉離子數(shù)量增多，電滲遷移拖拽更多的水分子排向陰極；二是T2陽(yáng)極區(qū)添加的堿性物與電解產(chǎn)生的酸性相互作用，陽(yáng)極腐蝕量較小，故而陽(yáng)極附近消耗的電勢(shì)降較小，使得電能利用率更高。在20 h左右，兩者幾乎達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，排水量很小，最終排水量分別是290 ml和311 ml。

圖4 排水量隨時(shí)間變化Fig.4 Curves of drainage water changewith time

2.3 抗剪強(qiáng)度

持續(xù)通電時(shí)間達(dá)到24 h后立即切斷電源，并根據(jù)如圖5所示的試驗(yàn)檢測(cè)方案，將土體沿深度方向分2層，如圖5（b）從土樣表面取為起始層0 mm，距離起始層50 mm為另外一層取樣點(diǎn)，即50 mm處。在同一平面上，沿長(zhǎng)邊方向分成5段，如圖5（a）在每一層距離陰極、陽(yáng)極25 mm處取兩點(diǎn)，其余點(diǎn)位之間距離為50 mm，共取4處測(cè)試十字板剪切強(qiáng)度，測(cè)試完畢后在相同位置取樣測(cè)試含水率。

圖5 取樣測(cè)試位置（mm）Fig.5 Sampling location for test(mm)

兩組電滲試驗(yàn)土體不同測(cè)試位置的十字板抗剪強(qiáng)度如圖6所示，圖6（a）顯示的是強(qiáng)度隨陰極距離的變化，其中強(qiáng)度取同一點(diǎn)位兩層的平均值；圖6（b）顯示的是強(qiáng)度沿深度的變化，同一層的4個(gè)點(diǎn)位強(qiáng)度取平均值。

由圖6可看出，在陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化鈉試驗(yàn)T2土體十字板剪切強(qiáng)度高于純電滲試驗(yàn)T1，說(shuō)明了添加氫氧化鈉加固的有效性。分析圖6（a）兩組試驗(yàn)土體強(qiáng)度，強(qiáng)度均是從陰極向陽(yáng)極方向逐漸增高，這與電滲的排水方向有關(guān)，電源啟動(dòng)后在直流電場(chǎng)的作用下陽(yáng)離子拖拽水分一起由陽(yáng)極向陰極運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)極區(qū)的水分逐漸向陰極區(qū)匯集，從而導(dǎo)致十字板強(qiáng)度沿著陰極向陽(yáng)極方向逐漸增高。在陽(yáng)極區(qū)強(qiáng)度最高還與電滲過(guò)程中電極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)有關(guān)，在陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)生氫氧化鐵膠體使土體變得更加致密，進(jìn)一步增強(qiáng)土體強(qiáng)度。對(duì)比圖6（a）在距陰極2.5 cm和7.5 cm兩處點(diǎn)位強(qiáng)度可以發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)T1和T2相差不大，強(qiáng)度值比較一致；但是對(duì)比另外距離陰極12.5 cm和17.5 cm兩處強(qiáng)度卻表現(xiàn)出不一樣的特性，可以看到在相同點(diǎn)位處試驗(yàn)T2的強(qiáng)度高于T1，T2和T1在靠近陽(yáng)極位置分別達(dá)到34 kPa和28.5 kPa。這得益于在靠近陽(yáng)極區(qū)100 mm范圍內(nèi)摻有比例為0.5%的氫氧化鈉，增加的陽(yáng)離子的數(shù)量，增強(qiáng)導(dǎo)電性促進(jìn)排水；在強(qiáng)堿環(huán)境下促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，土體中含有部分鈣離子與氫氧根結(jié)合，最終生成硅酸鈣水化物（C-S-H）和鋁酸鈣水化物（C-A-H）膠體，對(duì)土體的強(qiáng)度有較大的提高。

圖6 十字板抗剪強(qiáng)度Fig.6 Vane shear strength

由圖6（b）的強(qiáng)度分布顯示T1和T2均是沿深度方向逐漸減小，表層強(qiáng)度優(yōu)于底層強(qiáng)度，這與電滲加固過(guò)程中電勢(shì)沿深度產(chǎn)生電勢(shì)降有關(guān)，同時(shí)隨著加固時(shí)間推移，電極與土體的接觸面逐漸脫離，電極與土的界面電阻增大。將試驗(yàn)T1和T2的所有點(diǎn)位強(qiáng)度值取平均值，得到強(qiáng)度分別為16.6 kPa和20.4 kPa，添加氫氧化鈉平均強(qiáng)度提高了23%。

2.4 含水率分布

在利用十字板剪切儀對(duì)土體進(jìn)行十字板抗剪強(qiáng)度檢測(cè)的同時(shí)，在相近的位置取樣測(cè)試含水率。

土體不同取樣點(diǎn)位的含水率測(cè)試結(jié)果如圖7所示。在軟土地基處理效果評(píng)價(jià)指標(biāo)中，含水率同抗剪強(qiáng)度一樣，是衡量加固效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，最能反映土體性狀。含水率低，則排出的水越多，加固效果越好。從圖7所反映的含水率情況來(lái)看，與圖6中抗剪強(qiáng)度反映的處理情況基本一致；試驗(yàn)T2的土體含水率均小于試驗(yàn)T1的土體含水率，表明陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化鈉電滲作用下的處理效果優(yōu)于單獨(dú)電滲作用下的處理效果。在試驗(yàn)T1和T2中，沿著電滲陰極到電滲陽(yáng)極方向，土體含水率逐漸降低，抗剪強(qiáng)度值逐漸增大，土體處理效果逐漸變好；圖7中含水率為電極之間的變化規(guī)律，即在深度方向取平均值繪制，但是試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示從模型盒表層到土體底層沿深度方向，含水率值逐漸增大，抗剪強(qiáng)度值逐漸減小。

圖7 含水量在電極之間分布Fig.7 Water content distribution between theelectrodes

從含水率關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)有細(xì)微差異，即試驗(yàn)T1和T2在點(diǎn)位距陰極2.5 cm、7.5 cm處含水率相差不多，小于1%，但是在距陰極12.5 cm、17.5 cm兩處含水率差值相比前兩處要大，含水率差值約有2%。主要是因?yàn)樵陉?yáng)區(qū)100 mm范圍內(nèi)添加氫氧化鈉增加了陽(yáng)離子數(shù)量，土體的導(dǎo)電性增強(qiáng)，增大電流值，最終電滲排水量增加，含水率降低幅度加大。

2.5 電極腐蝕分析

試驗(yàn)結(jié)束檢測(cè)完畢后，對(duì)兩組試驗(yàn)的陽(yáng)極板進(jìn)行清洗晾干，并稱量電極板重量。由于室內(nèi)加固時(shí)間的關(guān)系，陽(yáng)極的腐蝕量相比總重量約為4.5%，也即加固時(shí)間為24 h情況下，陽(yáng)極腐蝕量達(dá)到4.5%，可見(jiàn)陽(yáng)極的一次性消耗量比較嚴(yán)峻。

T2與T1陽(yáng)極板的腐蝕重量分別為17.99 g、22.57 g，橫向?qū)Ρ葍山M試驗(yàn)的腐蝕程度可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)T2比T1緩解腐蝕4.58 g，約占T1總腐蝕量的20.3%，說(shuō)明在陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化納對(duì)緩解陽(yáng)極的腐蝕是有效的。原因是陽(yáng)極區(qū)水分在電場(chǎng)作用下電解產(chǎn)生氫離子和氧氣，加入的氫氧根離子與氫離子酸堿中和，進(jìn)而減緩了電極的腐蝕。

2H2O-4e-1寅O2尹+4H+

H++OH-寅H2O

綜上分析，陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化鈉電滲作用下軟基處理具有明顯的效果，既能增強(qiáng)土體強(qiáng)度也能緩解陽(yáng)極腐蝕，對(duì)實(shí)際工程具有一定的啟示。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本試驗(yàn)研究以及上述分析，可得出以下總結(jié)結(jié)論：

1）陽(yáng)極區(qū)添加氫氧化鈉電滲加固軟黏土地基比單獨(dú)電滲作用下加固軟黏土地基處理效果要好，強(qiáng)度提高23%。

2）添加氫氧化鈉增加土體導(dǎo)電性，促進(jìn)排水，同時(shí)緩解電解腐蝕約20.3%。