不同電極材料對電滲效果影響的試驗研究

陳紅兵

（和田鼎晟工程試驗檢測有限公司，新疆 和田848000）

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，水利工程的建設(shè)規(guī)模不斷擴大， 其工程質(zhì)量和運行安全尤其顯得重要。 但水利工程多建設(shè)于水資源豐富的地區(qū)，特別是在平原及沿海區(qū)，這類地區(qū)多為軟土地基，土壤含水率高，承載能力差，強度低，如若處理不當(dāng)，嚴重影響水利工程建筑物的安全性以及使用壽命。 常見的軟基處理方法有強夯法、堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓、加筋法、爆破法、高壓噴射注漿法、置換法、電滲法等，每種方法在施工技術(shù)、工期長短及經(jīng)濟性等方面都有其優(yōu)勢和局限性，其中電滲法因其不局限于土的水力滲透系數(shù)，能快速排水加固軟土地基的優(yōu)勢而備受青睞。

1955年汪聞韶系統(tǒng)研究了在電滲作用下土體的物理、力學(xué)特性的變化，肯定了電滲法在軟基處理中的有效性［1］，電極材料、電源輸出方式、土壤性質(zhì)以及與其他工法的聯(lián)合等因素都影響著電滲的最終效果。 其中諸多學(xué)者針對電極材料這一影響因素展開了一系列實驗探究。 Bergado［2］、王協(xié)群［3］、陶艷麗等［4］均針對傳統(tǒng)的電極材料（石墨、鐵、銅、鋁）做過相應(yīng)的研究， 證明不同的電極材料對電滲處理效果有一定影響。隨著電滲技術(shù)的不斷發(fā)展，有學(xué)者將新型的電動土工合成材料引入電滲試驗， 大大提高了電 滲效 率，雖 然Glendining［5-6］、胡俞 晨 等［7］均通過室內(nèi)模型試驗證明EKG的可行性， 將金屬電極在電滲中容易腐蝕的問題解決， 但指出經(jīng)濟適用型不強。

由前人的研究可知， 電滲是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程， 不同的電極材料與不同的土體會產(chǎn)生不同的處理效果， 因此本文針對南京市長江沿岸淤泥展開電滲試驗， 以期研究不同電極材料對電滲效果的影響，并找到一種最適合該處軟土地基的電極材料，為工程施工提供合理建議。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗主體裝置是一個底部開有孔的有機玻璃槽，其內(nèi)尺寸為190mm×100mm×100mm，有機玻璃槽用來容納土體，一側(cè)底部開有小孔（內(nèi)徑20mm）用來匯集并排出電滲作用后排出的水， 在試驗時作為陰極區(qū)域。 試驗中采用不同材質(zhì)長度為100mm的柱狀電極，電極直徑為10mm。 在陰極處靠箱壁位置放置排水板（試驗前適當(dāng)潤濕）以利于試驗過程中水在陰極匯集并通過排水口排出， 在有機玻璃槽底孔下放置燒杯，實時稱量試驗排出水分質(zhì)量，以供后續(xù)分析數(shù)據(jù)使用。 試驗?zāi)Ｐ脱b置示意圖如圖1。

圖1 模型裝置示意圖

試驗中還需用到的裝置包括： ①可調(diào)直流穩(wěn)壓電源（輸出電壓為0～60V，輸出電流為0～30A），為電滲試驗提供持續(xù)穩(wěn)定的供電；②燒杯及電子天平，可定量稱量電滲過程中排出的水量； ③萬用表和直徑1mm的銅線電勢測針，方便電勢測量，其中電勢探針布置示意圖如圖1；④稱量盒、烘箱及電子天平等，采用烘干法測量土樣含水率。

試驗土樣為淤泥質(zhì)土， 取自南京市長江沿岸某處。 土的基本物理性質(zhì)如表1。

表1 土的基本物理性質(zhì)

1.2 試驗步驟

本試驗共進行三組對比試驗，分別采用銅棒、不銹鋼棒及鋁棒作為電滲陽極， 研究不同電極材料對電滲效果的影響。 具體的試驗參數(shù)如表2。

表2 試驗方案匯總

試驗操作步驟如下：

（1）將取回的土樣在烘干、磨細、篩分（多大孔徑）后，加水?dāng)嚢杈鶆蚺涑珊蕿?0%的重塑土，放置桶內(nèi)密封靜置24h使土樣充分飽和。

（2）在模型箱內(nèi)部四周均勻涂抹凡士林，并將電極及排水板潤濕，放入模型箱指定位置，分層裝入土樣，保證密實，并按順序依次插入電勢探針，在模型箱上部覆蓋保鮮膜防止土樣水分蒸發(fā)， 并在模型箱底部排水孔處放置燒杯。

（3）按試驗電路連接電極、導(dǎo)線、電源，接通電源開始電滲。

（4）試驗過程中每隔2 h測量電流、各探針電勢，并稱量燒杯和水的總質(zhì)量，總質(zhì)量減去空燒杯質(zhì)量即為電滲排水量。

（5）通電26h，停止試驗，斷開電源；在陰極、陽極、中間的上層及下層位置取土進行含水率測試。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 電流

圖2為試驗過程中電流隨時間變化曲線。 由圖2可見，三組試驗電流變化趨勢一致，在試驗初期考慮到通電后土體內(nèi)部的水分重新分布， 電流會有小幅度的上升，隨著電滲作用下土樣中孔隙水不斷排出，土體的含水率隨之下降導(dǎo)致土體電阻增大， 電流不斷成下降趨勢。 到試驗?zāi)┢冢姖B作用基本結(jié)束，土體內(nèi)部電阻變化不大，電流保持穩(wěn)定。

圖2 電流隨時間變化曲線

由圖中數(shù)據(jù)可比較得出： 在保證其他試驗條件相同的情況下，陽極電極材料影響電滲試驗過程。不同的陽極材料所引起的電滲過程中的電流大小有差別，A1組使用銅棒作為陽極，電流強度最大，A2組使用不銹鋼棒作為陽極所引起的電流最小， 而A3組使用鋁棒作為陽極，電流強度在兩者之間；但雖然三組試驗采用不同材料的陽極， 但試驗中電流整體變化趨勢一致， 最終根據(jù)土體內(nèi)部的電流大小可得出試驗結(jié)束后土體內(nèi)部電阻A2>A3>A1。

2.2 電極處電勢損失分布

以V1、V4所測得電勢與陽極、陰極做差，分別代表陽極電勢損失和陰極電勢損失。圖3為三組試驗陰陽處電勢損失隨時間變化分布圖。

圖3 不同時刻電勢分布曲線

電滲開始階段， 三組試驗的陰陽極與土體之間存在的電勢損失相差不大，但隨著試驗進行，由于土體內(nèi)部水分在電場的作用下由陽極流向陰極并排出，導(dǎo)致陽極附近土體含水率降低，陽極與土體的接觸環(huán)境發(fā)生一定變化，導(dǎo)致陽極電勢損失不斷增大，但到8h后陽極附近土體已逐漸達到最終的電滲處理效果，電滲作用面由陽極向陰極側(cè)移動，所以陽極電勢損失變化不大，A1與A2的陽極電勢損失數(shù)值上相差不大，但都小于A3所測得的陽極電勢損失，原因為不同的陽極材料在電滲試驗中會發(fā)生不同的化學(xué)變化，A3組采用鋁棒作為陽極在電化學(xué)作用下腐蝕較為嚴重，造成土體與電極處的電勢損失較大，同時與陽極附近的土體電滲處理效果也有關(guān)系， 由后文的含水率分布可驗證得出。

陰極附近由于匯集較多自由水排出， 陰極與土體接觸較為良好，電勢損失成不斷下降趨勢，雖然三組試驗陰極均采用不銹鋼棒作為電極， 但電勢損失在數(shù)值上仍有差異， 可見電滲過程是一個較為復(fù)雜的過程，各種試驗條件都會相互產(chǎn)生影響。

2.3 排水量

圖4為累計排水量隨時間變化曲線。

圖4 累計排水量時程曲線

由圖4可見，最終排水量A1>A3>A2，在試驗初期的8h內(nèi)，A1、A2排水速度幾乎一致， 略大于A3，8h后A2排水速度減慢，A3排水速度則持續(xù)上升， 導(dǎo)致最終A3排水量高于A2， 與前文電流數(shù)據(jù)對比可知，在前8h內(nèi)，雖然A3電流大于A2，但排水速度卻呈現(xiàn)相反趨勢，可見電流并不是評價排水速度的唯一指標(biāo)。試驗結(jié)果表明使用銅棒做陽極可以得到最大的排水量，鋁棒次之，不銹鋼最小。

2.4 含水率

圖5 試驗后土體含水率分布曲線

圖5為試驗結(jié)束后測得的土體含水率分布。在試驗結(jié)束后，將模型箱內(nèi)土體按陽極區(qū)域、中間區(qū)域及陰極區(qū)域分成三個部分采集土樣， 采用烘干法測量電滲試驗后土樣含水率。 可以看到，電滲作用下，三組土樣的含水率均低于初始含水率40%， 證明了電滲對于軟土地基加固的有效性。

三組試驗雖采用不同的陽極材料， 但最終土體含水率均呈現(xiàn)陰極含水率最高， 陽極和中間區(qū)域含水率較低的效果， 說明電滲對于陽極以及中間區(qū)域的處理效果最好，由于土體內(nèi)水分由陽極流向陰極，并在陰極處排出，所以導(dǎo)致陰極附近匯集水分較多，含水率較高。

由圖5可知，陽極區(qū)域三組試驗的含水率相差不大， 在中間區(qū)域以及陰極區(qū)域A2含水率最低，A1含水率最高。 同時為考慮不同電極材料處理土樣的均勻性，筆者統(tǒng)計三組試驗的含水率平均數(shù)及方差，匯總得表3。 可見A2組試驗最終土體含水率最低，且方差最小，土體均勻性最好。A1相比較而言處理效果最差， 但由前文可知，A1累計排水量最大，A3最小，與最終含水率的分布規(guī)律相反， 可知電滲排水過程為復(fù)雜的物理化學(xué)變化， 土體含水率的降低不僅僅是自由水的排出導(dǎo)致， 存在一部分水分在土體內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化而消耗使得土體含水率降低。 A3組采用鋁棒作為電極，在電場作用下，排出水分最少，但最終土體含水率最低，猜測鋁棒作為陽極，土體內(nèi)部發(fā)生了較為強烈的化學(xué)變化消耗掉較多水分， 與土體膠結(jié)反應(yīng)較為強烈，最終處理效果最好。由此得出結(jié)論，針對本試驗用土，在保證其他條件一致的情況下鋁棒相比于不銹鋼棒、銅棒作為陽極處理效果最佳。

表3 試驗方案匯總

3 結(jié)語

本文通過采用自行研制的電滲試驗裝置， 分別采用銅棒、不銹鋼棒、鋁棒作為陽極進行了三組室內(nèi)電滲試驗， 針對不同電極材料對電滲處理效果的影響和對試驗結(jié)果分析得到如下結(jié)論：

（1）不同的陽極電極材料不影響電滲過程中電流的變化趨勢，均表現(xiàn)為先小幅度增長，后不斷下降，最終保持相對穩(wěn)定。但電流大小受電極材料的影響，本試驗中銅棒引起的電流最大，鋁棒次之，不銹鋼棒最小。

（2）在本試驗中采用鋁棒做陽極時，陽極的電勢損失最大。

（3）電滲試驗中，陰極排出水分及電化學(xué)反應(yīng)中消耗的水分共同影響電滲處理后土樣的最終含水率。在本試驗中，不銹鋼棒做陽極處理的土體最終含水率最低，土樣含水率分布最為均勻，處理效果最佳。

（4） 應(yīng)繼續(xù)探討不同電極材料與土體化學(xué)成分的具體化學(xué)反應(yīng)，再對經(jīng)濟性等問題加以綜合考慮，為實際工程中對電極材料的選擇提供可靠的建議。