陽極區添加氫氧化鈉電滲加固軟土試驗研究

金錦強 ，袁國輝 ，章迪康 ，符洪濤 ，林海志 ，海鈞

（1.溫州市甌飛開發建設投資集團有限公司，浙江 溫州 325000；2.溫州大學建筑與土木工程學院，浙江 溫州 325035；3.浙江省軟弱土地基與海涂圍墾重點實驗室，浙江 溫州 325035；4.浙江省海涂圍墾及其生態保護協同創新中心，浙江 溫州 325035；5.浙江工貿職業技術學院，浙江 溫州 325035；6.洞頭縣狀元南片圍涂建設開發股份有限責任公司，浙江 溫州 325035）

0 引言

為了緩解用地緊張問題，往圍墾區域吹填淤泥進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、強度低等特性，未能滿足工程建設要求，因此需要加固處理[2]。傳統的地基處理方法對于高含量細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勢，但同時大幅增加工程建設成本。根據甌飛工程墾區的生產配套區涂面整理工程和甌飛起步區3號圍區涂面整理工程等已完工和正在施工的圍區開發吹填工程測算，吹填工程中的軟基處理工程占整個建筑工程造價的比例較大，占比在35%~48%。因此針對加快地基處理違章研究具有顯著的工程意義和經濟效益。電滲現象由俄國學者Reuss在1809年發現，電滲加固具有加固速度快，對土顆粒的粒徑大小不敏感的特點。因此，對于高含量細顆粒且低滲透性的吹填土處理具有明顯的優勢[3]。Casagrand在1939年首次將電滲技術應用到巖土工程中[4-5]，對提高細粒土的抗剪強度和穩定性方面取得良好的效果。此后，國內外學者對電滲加固技術進行了大量的研究，在國外應用到加固斜坡、堤壩、水壩等巖土工程中，國內主要用于圍墾造地、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程中也存在能耗大，陰陽極加固強度不均勻等缺陷，但更加突出的是由于水的電解在陽極區產生酸性造成陽極的腐蝕，隨著加固時間的延長電極完全腐蝕，極大地限制了工程應用，曹永華[9]等在應用電滲法加固試驗研究中也指出了上述問題。為了減少陽極的腐蝕，在對電滲法的改進方法中有諸多研究。如針對通電方式方面，龔曉南[10]等進行了持續通電和間歇通電條件對比試驗研究，表明間歇通電是一種比較經濟合理的通電方式并能減緩陽極的腐蝕。在加固過程中交換陰陽極的電極反轉技術也有研究，陳卓[11]等對電極反轉技術加固研究中表明雖然電極反轉技術能減緩陽極的腐蝕，但是平均抗剪強度卻較純電滲試驗加固效果差。另外在電極材料方面，EKG電動土工合成材料是一種既能導電又能排水的且不腐蝕的電極，胡俞晨[12]等使用EKG材料進行室內初步試驗研究為今后的研究提供參考；邱晨辰[13]等針對電極腐蝕導致后期排水效率低等問題，以EKG為排水和電極材料，研究了電滲與真空預壓的聯合加固效果，加固后土體強度明顯優于真空預壓和純電滲。

本文從電滲加固陽極腐蝕的機理出發，在陽極區添加堿性物質氫氧化鈉，強堿環境下與水電解產生的酸反應，削弱陽極區的酸性以減緩陽極腐蝕程度，同時充分利用氫氧化鈉與土發生反應，提高整體導電性進一步促進排水。本文共設計兩組電滲試驗，其中一組陽極區摻入氫氧化鈉，通過試驗獲得對電滲加固的有益結論，可為工程應用中減少電極腐蝕、增強加固效果提供指導作用。

1 電滲試驗

1.1 試驗用土

試驗土樣取自溫州甌飛工程墾區軟基處理工程現場。現場取回來的土樣非常柔軟，含水量遠遠高于液限，幾乎沒有抗剪強度。進行土樣基本物理參數測試，其中含水量為試驗使用而不是原狀土含水量。相關參數如表1所示。

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

1.2 試驗方案

試驗裝置采用改進的Miller soil box的電滲微型盒，試驗模型盒由5 mm厚的有機玻璃板制成。該模型盒由土樣室和兩個集水室組成（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部長度200 mm，高度100 mm、寬度100 mm，在土樣室的兩側設有長寬高大約為100 mm伊40 mm伊100 mm的集水室用于收集從陰極排出的水。每個集水室底部有1個排水孔，由陰極排出匯聚在集水室的水通過排水孔流到量筒。土樣室和兩端的集水室通過有機玻璃板分隔，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，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，為防止導線夾與土體接觸而直接對土體通電；陽極不作任何處理，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。同時為了防止細小黏土顆粒透過陰極板小孔流入集水室，并進一步流入量筒影響排水量，在陰極板一側貼一層紗網；電源采用型號為SPD-3606穩壓直流電源。

為了探索在陽極區添加氫氧化鈉對電滲陽極及加固效果的影響，本試驗設計了一組純電滲試驗，另一組在陽極區靠近陽極區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），試驗編號分別為T1和T2。試驗將20 V的恒定電壓施加到電滲陰陽電極上，通電持續時間為24 h。在電滲加固過程中，每1 h記錄直流電源中電流的值，記錄量筒內排水量；同時用萬用電表測出不同測針點的電勢。試驗結束后，對比排水量、抗剪強度、含水量和能耗等，橫向比較兩組試驗的電極腐蝕情況。

1.3 試驗步驟

為了盡量保證2組試驗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試驗所需氫氧化鈉粉末的重量。為防止氫氧化鈉與土反應集中在局部區域，在制備重塑土時首先將氫氧化鈉與水混合，得到漿液并用攪拌機攪拌均勻。然后，土樣粉末添加到漿溶液中，同樣用攪拌機將土壤粉末與氫氧化鈉漿液混合均勻，得到目標含水率為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模型盒的四周以減小模型盒與土樣的摩擦，也為了方便在試驗結束后將土樣整體取出進行強度檢測而盡量不擾動土樣。隨后，按圖1將兩塊電極板垂直放置在模型盒內，一側與土直接接觸，另一側與隔板接觸。裝樣時T2在模型盒的中間位置放置一塊隔板，左側放置普通土樣，右側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壁，將土體中孔隙填密實。在土樣表面插入5根電勢測針用以監測電滲期間電勢的分布，測針采用直徑1 mm的鐵絲制成，插入土體深度為50 mm，測針的位置如圖2所示。

待土樣安裝，量筒放置陰極處，導線夾聯通電源和電極之后，電源開啟，電壓設置為20 V，并且在整個處理期間保持不變，通電時間持續24 h后試驗停止，立即檢測抗剪強度和含水率。

圖2 模型布置圖Fig.2 Model layout

2 試驗結果分析

2.1 電流

試驗過程中記錄直流電源上顯示的電流值，繪制電流隨時間的變化關系如圖3所示。由圖可看出試驗T1和T2電流變化趨勢大致相同，均呈現出試驗開始一段時間后短暫上升達到一個峰值，而后在峰值處開始遞減最后趨向穩定的變化過程。在試驗開始的前2 h，電流隨時間的增加而增大。這是由于通電后在軟黏土形成排水導電通道，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，土體中的導電通道惡化。此外，在電滲過程中水的電解導致陽極腐蝕，這也增加了土和電極之間的界面電阻，最終導致了電流值的下降。

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

對比試驗T1和T2可以發現，試驗前期，在陽極區添加氫氧化鈉的試驗T2的電流值高于T1，最大值分別達到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量，增加了電場作用下定向運動離子的數量，增強了試樣整體導電性，進一步增加了電流。而后因T2強導電性排水速率優于T1，含水率快速下降，后期土體電流值低于T1。

2.2 排水量

試驗過程中用量筒收集陰極排出的水，得到累計排水量隨時間變化如圖4所示。從圖中變化趨勢可得到T1和T2在電滲通電前期的排水速率快，隨著時間的推移慢慢減小，最終趨向于平穩。表明了T1和T2試驗早期的排水效率高，大部分的水被排出，后期排水效率較低，在試驗快結束前幾乎不排水，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。隨著加固時間的延長，試驗T2的排水量逐漸超過試驗T1。分析原因：一是試驗T2由于氫氧化鈉的加入，鈉離子數量增多，電滲遷移拖拽更多的水分子排向陰極；二是T2陽極區添加的堿性物與電解產生的酸性相互作用，陽極腐蝕量較小，故而陽極附近消耗的電勢降較小，使得電能利用率更高。在20 h左右，兩者幾乎達到穩定狀態，排水量很小，最終排水量分別是290 ml和311 ml。

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

2.3 抗剪強度

持續通電時間達到24 h后立即切斷電源，并根據如圖5所示的試驗檢測方案，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，即50 mm處。在同一平面上，沿長邊方向分成5段，如圖5（a）在每一層距離陰極、陽極25 mm處取兩點，其余點位之間距離為50 mm，共取4處測試十字板剪切強度，測試完畢后在相同位置取樣測試含水率。

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

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

由圖6可看出，在陽極區添加氫氧化鈉試驗T2土體十字板剪切強度高于純電滲試驗T1，說明了添加氫氧化鈉加固的有效性。分析圖6（a）兩組試驗土體強度，強度均是從陰極向陽極方向逐漸增高，這與電滲的排水方向有關，電源啟動后在直流電場的作用下陽離子拖拽水分一起由陽極向陰極運動，陽極區的水分逐漸向陰極區匯集，從而導致十字板強度沿著陰極向陽極方向逐漸增高。在陽極區強度最高還與電滲過程中電極發生電化學反應有關，在陽極區產生氫氧化鐵膠體使土體變得更加致密，進一步增強土體強度。對比圖6（a）在距陰極2.5 cm和7.5 cm兩處點位強度可以發現試驗T1和T2相差不大，強度值比較一致；但是對比另外距離陰極12.5 cm和17.5 cm兩處強度卻表現出不一樣的特性，可以看到在相同點位處試驗T2的強度高于T1，T2和T1在靠近陽極位置分別達到34 kPa和28.5 kPa。這得益于在靠近陽極區100 mm范圍內摻有比例為0.5%的氫氧化鈉，增加的陽離子的數量，增強導電性促進排水；在強堿環境下促進化學反應，土體中含有部分鈣離子與氫氧根結合，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，對土體的強度有較大的提高。

圖6 十字板抗剪強度Fig.6 Vane shear strength

由圖6（b）的強度分布顯示T1和T2均是沿深度方向逐漸減小，表層強度優于底層強度，這與電滲加固過程中電勢沿深度產生電勢降有關，同時隨著加固時間推移，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T1和T2的所有點位強度值取平均值，得到強度分別為16.6 kPa和20.4 kPa，添加氫氧化鈉平均強度提高了23%。

2.4 含水率分布

在利用十字板剪切儀對土體進行十字板抗剪強度檢測的同時，在相近的位置取樣測試含水率。

土體不同取樣點位的含水率測試結果如圖7所示。在軟土地基處理效果評價指標中，含水率同抗剪強度一樣，是衡量加固效果的一項重要指標，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看，與圖6中抗剪強度反映的處理情況基本一致；試驗T2的土體含水率均小于試驗T1的土體含水率，表明陽極區添加氫氧化鈉電滲作用下的處理效果優于單獨電滲作用下的處理效果。在試驗T1和T2中，沿著電滲陰極到電滲陽極方向，土體含水率逐漸降低，抗剪強度值逐漸增大，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律，即在深度方向取平均值繪制，但是試驗數據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

從含水率關系圖中可以發現有細微差異，即試驗T1和T2在點位距陰極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%。主要是因為在陽區100 mm范圍內添加氫氧化鈉增加了陽離子數量，土體的導電性增強，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

試驗結束檢測完畢后，對兩組試驗的陽極板進行清洗晾干，并稱量電極板重量。由于室內加固時間的關系，陽極的腐蝕量相比總重量約為4.5%，也即加固時間為24 h情況下，陽極腐蝕量達到4.5%，可見陽極的一次性消耗量比較嚴峻。

T2與T1陽極板的腐蝕重量分別為17.99 g、22.57 g，橫向對比兩組試驗的腐蝕程度可以發現，試驗T2比T1緩解腐蝕4.58 g，約占T1總腐蝕量的20.3%，說明在陽極區添加氫氧化納對緩解陽極的腐蝕是有效的。原因是陽極區水分在電場作用下電解產生氫離子和氧氣，加入的氫氧根離子與氫離子酸堿中和，進而減緩了電極的腐蝕。

2H2O-4e-1寅O2尹+4H+

H++OH-寅H2O

綜上分析，陽極區添加氫氧化鈉電滲作用下軟基處理具有明顯的效果，既能增強土體強度也能緩解陽極腐蝕，對實際工程具有一定的啟示。

3 結語

通過本試驗研究以及上述分析，可得出以下總結結論：

1）陽極區添加氫氧化鈉電滲加固軟黏土地基比單獨電滲作用下加固軟黏土地基處理效果要好，強度提高23%。

2）添加氫氧化鈉增加土體導電性，促進排水，同時緩解電解腐蝕約20.3%。