化學(xué)電滲法中位移場可視化觀測及氣泡消除方法研究

劉大鵬，孔綱強(qiáng)，傅鈞義，周楊，文磊

化學(xué)電滲法中位移場可視化觀測及氣泡消除方法研究

劉大鵬，孔綱強(qiáng)，傅鈞義，周楊，文磊

(河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098)

基于新型透明黏土材料和PIV技術(shù)，開展化學(xué)電滲法加固軟基透明土模型試驗(yàn)，可視化觀測土體位移場變化規(guī)律，并初步探討電滲過程中陰極氣泡聚集問題與消除方法。研究結(jié)果表明：在本文試驗(yàn)條件下，試劑濃度每增大0.5 mol/L，水平位移平均增加22%，豎向位移平均減少16%，土體排水效果減弱，可以使土體獲得加固效果；采用除氣泡的方法后，陰極接觸電阻降低約50%，可提高電滲效果。

軟基處理；化學(xué)電滲法；透明黏土；位移場；模型試驗(yàn)

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，越來越多的工程需要在軟基上建設(shè)，目前加固軟基的方法多種多樣。電滲法作為軟基加固的方法具有效率高等優(yōu)點(diǎn)，越來越成為研究的熱點(diǎn)問題[1?2]；電滲法早在1809年就被俄國科學(xué)家Reuss發(fā)現(xiàn)，但因?yàn)楹碾妵?yán)重、電極材料腐蝕等因素影響，該方法一直沒有得到廣泛應(yīng) 用[3]。電滲作為一種電化學(xué)方法，聯(lián)合化學(xué)注漿等方法也可以提高電滲效果，在陽極注射化學(xué)試劑能降低土體和電極接觸面的陽極、陰極電勢降(Burnotte等[4])；注入一定鹽溶液能提高電滲后土體強(qiáng)度、降低電勢降、縮短電滲時間、提高電滲效果，且注入鹽溶液的位置不同，效果也不同(Chien等[5?7])。然而，目前對于化學(xué)電滲法加固軟基過程中土體內(nèi)部位移場、電滲后期電極附近氣泡聚集情況及消除措施等方面的研究仍相對較少。近年來，由于透明土模型試驗(yàn)具有可視化、無損監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)，在許多巖土工程問題中得到良好的應(yīng)用[8?9]；已有學(xué)者利用透明土模型對滲流場和污染物運(yùn)移進(jìn)行了相關(guān)研究，如將漿體注入透明土模型中研究土體滲流過程(LIU等[10])。這為全過程、可視化觀測化學(xué)電滲法加固軟基提供了技術(shù)支撐。針對模擬的天然土體種類不同，透明土也可以分為透明砂土和透明黏土2大類。配置透明砂土材料主要有熔融石英砂、二氧化硅等[11?12]，制配透明黏土的材料主要有無定形二氧化硅、Laponite R D和Carbopol等材料[13?15]。電滲法主要運(yùn)用于軟弱黏土中，因此應(yīng)探索用于試驗(yàn)可行的透明黏土，在電滲法試驗(yàn)中可視化電滲過程，研究土體位移場變化規(guī)律，顯得尤為重要。綜上所述，本文基于Carbopol材料配制成的新型透明黏土材料和PIV圖像處理技術(shù)，開展化學(xué)電滲法加固軟基透明土模型試驗(yàn)，可視化觀測土體內(nèi)部位移場變化規(guī)律，并初步探討電滲過程中陰極氣泡聚集問題與消除方法；為研究化學(xué)電滲法提供一種新的思路及試驗(yàn)方法，亦可為電滲法加固軟基工程提供借鑒意義。

1 模型試驗(yàn)概括

1.1 透明土材料配置與試驗(yàn)裝置

新型透明黏土材料選用的Carbopol是一種含有聚烯基聚醚交聯(lián)的丙烯酸聚合物。該聚合物在常溫下為粉末狀，粒徑范圍為50~100 nm，比重為1.454 3。具體配制方法如下：

1) 確定要配置的透明黏土濃度后對照濃度配比表計(jì)算Carbopol、氫氧化鈉固體質(zhì)量、配制透明土所需蒸餾水總體積、配制氫氧化鈉溶液的蒸餾水體積(材料配比：U10:NaOH:水=1:0.4:98.6)。

2) 將所需要的蒸餾水放入桶中，且用溫度測量儀監(jiān)測水的溫度，用加熱器加熱至50~70 ℃后恒溫保持3~4 h。

4) 將所需質(zhì)量的Carbopol粉末，加入保溫中的密封桶，在常溫狀態(tài)下靜置8~10 h。

5) 靜置完成后打開密封蓋，使用小功率攪拌器攪拌30~40 min，攪拌完成后，再密封靜置8~10 h。

6) 將所需的氫氧化鈉固體配制成氫氧化鈉溶液后均勻倒入密封桶內(nèi)，然后迅速使用大功率攪拌器快速均勻攪拌10~15 min。

7) 配置工作已完成，在模型試驗(yàn)前，需要將裝好的試樣放入真空桶中進(jìn)行抽真空去氣泡操作；制配完成的透明土試樣如圖1所示。

圖1 透明黏土試樣

透明土模型試驗(yàn)裝置實(shí)物圖和示意圖分別如圖2和圖3所示，包括透明黏土材料、模型槽、電極、電勢測針、示蹤點(diǎn)、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)顯電壓表、阻尼式隔振光學(xué)平臺、以及數(shù)碼相機(jī)等設(shè)備，相關(guān)參數(shù)見文獻(xiàn)[10]。

圖2 電滲法加固軟基透明土模型試驗(yàn)裝置圖

單位：mm

1.2 化學(xué)電滲法原理

在通電狀態(tài)下，陽極、陰極發(fā)生的電解反應(yīng)不同，化學(xué)反應(yīng)式如下。

陽極：

陰極：

式中：M表示陽極金屬(本次采用的鐵絲網(wǎng)為合金)；N主要是鈣、鎂等金屬。

實(shí)際上電滲過程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)不單單只有上述幾個，電滲法是一個比較復(fù)雜的加固方法，還有許多需要學(xué)者去研究的內(nèi)部機(jī)理。

若是加入CaCl2和Na2SiO3溶液，因?yàn)殛帢O的水經(jīng)過電解產(chǎn)生氫氧根離子和氫氣，則陰極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

其中生成的3CaO·2SiO2·4H2O為一種水化硅酸鈣，是一種無定型凝膠，可以使土體獲得加固效果。

2 試驗(yàn)可行性分析及工況設(shè)計(jì)

2.1 透明黏土電滲法模型試驗(yàn)可行性分析

本文采用Carbopol配制而成的透明黏土經(jīng)過前人試驗(yàn)研究得出初步壓縮固結(jié)特性研究和滲透特性研究[16]。新型透明黏土的滲透系數(shù)與靜置時間的關(guān)系曲線如圖3所示[16]，可知該透明黏土與天然黏土的滲透系數(shù)都在10?6~10?7cm/s 范圍內(nèi)，且均與各自孔隙比存在較好的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，所以該材料配制而成的透明黏土是適合模擬天然黏土的滲透特性的。故該透明黏土在滲透特性等方面與天然黏土有相似之處，可以用來模擬其滲流問題。

圖4 新型透明黏土滲透系數(shù)與靜置時間的關(guān)系曲線

表1 模型試驗(yàn)工況

2.2 工況設(shè)計(jì)

為了探討化學(xué)溶液濃度、注液位置因素對化學(xué)電滲法加固軟基效果的影響，并初步探討陰極附近氣泡消除問題；本文設(shè)計(jì)了10組試驗(yàn)工況，具體試驗(yàn)工況見表1所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與可視化位移場分析

3.1 試劑濃度的位移場影響規(guī)律分析

圖5為不同試劑濃度注入電滲位移等值線圖(單位：mm)。取工況C1，C2和C3注入后的電滲圖像進(jìn)行分析(左側(cè)為陽極、右側(cè)為陰極，下標(biāo)h和s分別表示水平位移和豎向位移)。

由圖5可見，土體初始位移都是從陰極往陽極移動，且豎直方向也有大部分豎直往下的位移，所以疊加水平和豎直方向位移之后的土體位移趨勢為斜水平方向位移與電滲法本身的性質(zhì)有關(guān)，在電場作用下，表面帶負(fù)電荷的土顆粒會朝著陽極移動，土體中的孔隙水則會被正電荷的離子拖拽到陰極，透明黏土中的位移特性也直觀地表現(xiàn)了這一理論；豎直方向的位移與排水有著直接的關(guān)系，該透明黏土電滲過程排水速率較快，土體沉降明顯，故整個土體有著向下的位移趨勢。隨著電解液濃度的增加，水平位移平均增加22%，豎向位移平均減小16%，說明此時土體排水效果減弱，因化學(xué)試劑的加入透明黏土向陰極遷移速率增大，沉降速率減小，因?yàn)榛瘜W(xué)電滲中水化硅酸鈣，是一種無定型凝膠，可以使土體獲得加固效果。

單位：mm

3.2 注液管位置的影響規(guī)律分析

注液管、電極與模型的位置關(guān)系如圖3所示。注液管位置對化學(xué)溶液使用效果的影響如圖6所示。由圖6可知，距離陰極過近會導(dǎo)致剛注入的化學(xué)溶液還沒起到較明顯作用就在電場力驅(qū)動下排出土體，所以靠近陽極注入化學(xué)溶液，其電流、排水速率最大，但是，也是因?yàn)殡娏髟?，其后期的能耗系?shù)最大。

注液管(試劑注入)位置的不同對電滲效果具有較大的影響，因此研究其對電滲中土體位移也具有重要意義。取工況D1，D2和D3 2次注入后的電滲圖像進(jìn)行分析(左側(cè)為陽極、右側(cè)為陰極，下標(biāo)h，s分別表示水平位移和豎向位移)，不同位置試劑注入時電滲位移等值線圖如圖7所示。由圖7可知，注液管位置影響了水平位移正值區(qū)域，D2工況中土體從陽極往陰極移動區(qū)域最大，D1和D3類似，這與D3中注入的化學(xué)溶液過早從陰極排出有關(guān)。

(a) 電流、有效電勢；(b) 能耗系數(shù)

單位：mm

3.3 氣泡消除效果初步分析

電滲作為一種電化學(xué)現(xiàn)象，其陰極會產(chǎn)生氫氣，而產(chǎn)氣滯留問題也會影響電滲效果，本節(jié)初步探討除去電滲中氣泡問題。試驗(yàn)中采用間斷通電和鼓風(fēng)吹氣2種除氣泡操作方法。間歇通電的原理是在斷電過程中給氣泡一個自然溢出的過程，這樣不會導(dǎo)致瞬時產(chǎn)生過多氣體而在土體表面產(chǎn)生氣泡膜，從而影響接觸電阻。鼓風(fēng)吹氣的目的則是通過網(wǎng)蓄水池底部吹氣，吹出的大氣泡把陰極上產(chǎn)生的氣泡一起帶出液面，其擾動也能造成氣泡的快速排出。

圖8 不同工況下陰極氣泡對比圖

圖8為2種消除氣泡措施處理后氣泡對比圖；由圖8可知，采用間歇斷電和鼓風(fēng)吹氣的方法，能較好地消除氣泡。無化學(xué)試劑工況下，采用間歇斷電和鼓風(fēng)吹氣的方法氣泡數(shù)量分別減少70%和90%。進(jìn)行鼓風(fēng)吹氣操作的氣泡殘留相比間歇斷電的要少很多，而且注入化學(xué)溶液后加快氣泡產(chǎn)生速率，所以在選用鼓風(fēng)吹氣操作進(jìn)行輔助操作能更快地消除陰極氣泡，從而減小氣泡膜帶來的陰極接觸電阻，提高能耗利用率。當(dāng)然，該方法要運(yùn)用到實(shí)際工程中，仍有很長的一段距離。

圖9為EC1和FC1工況的陽極、陰極接觸電阻隨時間變化規(guī)律；采用除去氣泡方式并加入化學(xué)溶液后，與相同情況的C1工況相比，后期有效電阻降低了50%，陰極接觸電阻降低了50%，陽極接觸電阻降低了20%；由此說明，氣泡消除效果明顯，可以明顯降低陰極接觸電阻，從而降低有效電阻。

圖9 陽極、陰極接觸電阻隨時間變化曲線

4 結(jié)論

1) 新型透明黏土材料能夠可靠模擬天然黏土進(jìn)行化學(xué)電滲試驗(yàn)。借助透明黏土的可視化特點(diǎn)，可以非嵌入式觀測到電滲過程中土體位移場。

2) 在電滲過程中加入化學(xué)溶液，本文試驗(yàn)條件下，試劑濃度每增大0.5 mol/L，隨著電解液濃度的增加，水平位移平均增加22%，豎向位移平均減少16%，說明此時土體排水效果減弱，因化學(xué)試劑的加入透明黏土向陰極遷移速率增大，沉降速率減小，因?yàn)榛瘜W(xué)電滲中生成水化硅酸鈣，是一種無定型凝膠，可以使土體獲得加固效果。

3) 本文試驗(yàn)條件下，與傳統(tǒng)電滲法相比，采用除氣泡方法，且加入化學(xué)溶液后，土體后期有效電阻降低50%、陰極接觸電阻降低50%、陽極接觸電阻降低20%。氣泡消除效果明顯，可以明顯降低陰極接觸電阻，從而降低有效電阻。

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Visual displacement field measurement and bubble elimination method in electro-osmotic chemical method

LIU Dapeng, KONG Gangqiang, FU Junyi, ZHOU Yang, WEN Lei

(Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Based on the new transparent clay material and PIV technology, the model test of chemical electro- osmosis for reinforcing transparent soil in soft foundation was carried out, and the law of soil displacement field was observed visually. The problem of cathode bubble aggregation and its elimination method in the process of electro-osmosis were preliminarily discussed. The results show that the average horizontal displacement increases by 22%, vertical displacement decreases by 16% and drainage effect decreases with the increase of reagent concentration of 0.5 mol/L. The cathodic contact resistance decreases by about 50% after air bubble removal, and the electro-osmosis effect can be improved.

soft ground treatment; electro-osmotic chemical; transparent clay; displacement field; model test

TU47

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0601 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190456

2019?05?23

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51478165)

孔綱強(qiáng)(1982?)，男，浙江磐安人，教授，博士，從事能源地下結(jié)構(gòu)、透明土試驗(yàn)技術(shù)等方面的教學(xué)與研究工作；E?mail：gqkong1@163.com

(編輯 涂鵬)