不同电极材料对电渗效果影响的试验研究

陈红兵

（和田鼎晟工程试验检测有限公司，新疆 和田848000）

随着国民经济的快速发展，水利工程的建设规模不断扩大， 其工程质量和运行安全尤其显得重要。 但水利工程多建设于水资源丰富的地区，特别是在平原及沿海区，这类地区多为软土地基，土壤含水率高，承载能力差，强度低，如若处理不当，严重影响水利工程建筑物的安全性以及使用寿命。 常见的软基处理方法有强夯法、堆载预压、真空预压、加筋法、爆破法、高压喷射注浆法、置换法、电渗法等，每种方法在施工技术、工期长短及经济性等方面都有其优势和局限性，其中电渗法因其不局限于土的水力渗透系数，能快速排水加固软土地基的优势而备受青睐。

1955年汪闻韶系统研究了在电渗作用下土体的物理、力学特性的变化，肯定了电渗法在软基处理中的有效性［1］，电极材料、电源输出方式、土壤性质以及与其他工法的联合等因素都影响着电渗的最终效果。 其中诸多学者针对电极材料这一影响因素展开了一系列实验探究。 Bergado［2］、王协群［3］、陶艳丽等［4］均针对传统的电极材料（石墨、铁、铜、铝）做过相应的研究， 证明不同的电极材料对电渗处理效果有一定影响。随着电渗技术的不断发展，有学者将新型的电动土工合成材料引入电渗试验， 大大提高了电 渗效 率，虽 然Glendining［5-6］、胡俞 晨 等［7］均通过室内模型试验证明EKG的可行性， 将金属电极在电渗中容易腐蚀的问题解决， 但指出经济适用型不强。

由前人的研究可知， 电渗是一个复杂的物理化学过程， 不同的电极材料与不同的土体会产生不同的处理效果， 因此本文针对南京市长江沿岸淤泥展开电渗试验， 以期研究不同电极材料对电渗效果的影响，并找到一种最适合该处软土地基的电极材料，为工程施工提供合理建议。

1 试验方案

1.1 试验装置

试验主体装置是一个底部开有孔的有机玻璃槽，其内尺寸为190mm×100mm×100mm，有机玻璃槽用来容纳土体，一侧底部开有小孔（内径20mm）用来汇集并排出电渗作用后排出的水， 在试验时作为阴极区域。 试验中采用不同材质长度为100mm的柱状电极，电极直径为10mm。 在阴极处靠箱壁位置放置排水板（试验前适当润湿）以利于试验过程中水在阴极汇集并通过排水口排出， 在有机玻璃槽底孔下放置烧杯，实时称量试验排出水分质量，以供后续分析数据使用。 试验模型装置示意图如图1。

图1 模型装置示意图

试验中还需用到的装置包括： ①可调直流稳压电源（输出电压为0～60V，输出电流为0～30A），为电渗试验提供持续稳定的供电；②烧杯及电子天平，可定量称量电渗过程中排出的水量； ③万用表和直径1mm的铜线电势测针，方便电势测量，其中电势探针布置示意图如图1；④称量盒、烘箱及电子天平等，采用烘干法测量土样含水率。

试验土样为淤泥质土， 取自南京市长江沿岸某处。 土的基本物理性质如表1。

表1 土的基本物理性质

1.2 试验步骤

本试验共进行三组对比试验，分别采用铜棒、不锈钢棒及铝棒作为电渗阳极， 研究不同电极材料对电渗效果的影响。 具体的试验参数如表2。

表2 试验方案汇总

试验操作步骤如下：

（1）将取回的土样在烘干、磨细、筛分（多大孔径）后，加水搅拌均匀配成含水率为40%的重塑土，放置桶内密封静置24h使土样充分饱和。

（2）在模型箱内部四周均匀涂抹凡士林，并将电极及排水板润湿，放入模型箱指定位置，分层装入土样，保证密实，并按顺序依次插入电势探针，在模型箱上部覆盖保鲜膜防止土样水分蒸发， 并在模型箱底部排水孔处放置烧杯。

（3）按试验电路连接电极、导线、电源，接通电源开始电渗。

（4）试验过程中每隔2 h测量电流、各探针电势，并称量烧杯和水的总质量，总质量减去空烧杯质量即为电渗排水量。

（5）通电26h，停止试验，断开电源；在阴极、阳极、中间的上层及下层位置取土进行含水率测试。

2 试验结果及分析

2.1 电流

图2为试验过程中电流随时间变化曲线。 由图2可见，三组试验电流变化趋势一致，在试验初期考虑到通电后土体内部的水分重新分布， 电流会有小幅度的上升，随着电渗作用下土样中孔隙水不断排出，土体的含水率随之下降导致土体电阻增大， 电流不断成下降趋势。 到试验末期，电渗作用基本结束，土体内部电阻变化不大，电流保持稳定。

图2 电流随时间变化曲线

由图中数据可比较得出： 在保证其他试验条件相同的情况下，阳极电极材料影响电渗试验过程。不同的阳极材料所引起的电渗过程中的电流大小有差别，A1组使用铜棒作为阳极，电流强度最大，A2组使用不锈钢棒作为阳极所引起的电流最小， 而A3组使用铝棒作为阳极，电流强度在两者之间；但虽然三组试验采用不同材料的阳极， 但试验中电流整体变化趋势一致， 最终根据土体内部的电流大小可得出试验结束后土体内部电阻A2>A3>A1。

2.2 电极处电势损失分布

以V1、V4所测得电势与阳极、阴极做差，分别代表阳极电势损失和阴极电势损失。图3为三组试验阴阳处电势损失随时间变化分布图。

图3 不同时刻电势分布曲线

电渗开始阶段， 三组试验的阴阳极与土体之间存在的电势损失相差不大，但随着试验进行，由于土体内部水分在电场的作用下由阳极流向阴极并排出，导致阳极附近土体含水率降低，阳极与土体的接触环境发生一定变化，导致阳极电势损失不断增大，但到8h后阳极附近土体已逐渐达到最终的电渗处理效果，电渗作用面由阳极向阴极侧移动，所以阳极电势损失变化不大，A1与A2的阳极电势损失数值上相差不大，但都小于A3所测得的阳极电势损失，原因为不同的阳极材料在电渗试验中会发生不同的化学变化，A3组采用铝棒作为阳极在电化学作用下腐蚀较为严重，造成土体与电极处的电势损失较大，同时与阳极附近的土体电渗处理效果也有关系， 由后文的含水率分布可验证得出。

阴极附近由于汇集较多自由水排出， 阴极与土体接触较为良好，电势损失成不断下降趋势，虽然三组试验阴极均采用不锈钢棒作为电极， 但电势损失在数值上仍有差异， 可见电渗过程是一个较为复杂的过程，各种试验条件都会相互产生影响。

2.3 排水量

图4为累计排水量随时间变化曲线。

图4 累计排水量时程曲线

由图4可见，最终排水量A1>A3>A2，在试验初期的8h内，A1、A2排水速度几乎一致， 略大于A3，8h后A2排水速度减慢，A3排水速度则持续上升， 导致最终A3排水量高于A2， 与前文电流数据对比可知，在前8h内，虽然A3电流大于A2，但排水速度却呈现相反趋势，可见电流并不是评价排水速度的唯一指标。试验结果表明使用铜棒做阳极可以得到最大的排水量，铝棒次之，不锈钢最小。

2.4 含水率

图5 试验后土体含水率分布曲线

图5为试验结束后测得的土体含水率分布。在试验结束后，将模型箱内土体按阳极区域、中间区域及阴极区域分成三个部分采集土样， 采用烘干法测量电渗试验后土样含水率。 可以看到，电渗作用下，三组土样的含水率均低于初始含水率40%， 证明了电渗对于软土地基加固的有效性。

三组试验虽采用不同的阳极材料， 但最终土体含水率均呈现阴极含水率最高， 阳极和中间区域含水率较低的效果， 说明电渗对于阳极以及中间区域的处理效果最好，由于土体内水分由阳极流向阴极，并在阴极处排出，所以导致阴极附近汇集水分较多，含水率较高。

由图5可知，阳极区域三组试验的含水率相差不大， 在中间区域以及阴极区域A2含水率最低，A1含水率最高。 同时为考虑不同电极材料处理土样的均匀性，笔者统计三组试验的含水率平均数及方差，汇总得表3。 可见A2组试验最终土体含水率最低，且方差最小，土体均匀性最好。A1相比较而言处理效果最差， 但由前文可知，A1累计排水量最大，A3最小，与最终含水率的分布规律相反， 可知电渗排水过程为复杂的物理化学变化， 土体含水率的降低不仅仅是自由水的排出导致， 存在一部分水分在土体内部发生化学变化而消耗使得土体含水率降低。 A3组采用铝棒作为电极，在电场作用下，排出水分最少，但最终土体含水率最低，猜测铝棒作为阳极，土体内部发生了较为强烈的化学变化消耗掉较多水分， 与土体胶结反应较为强烈，最终处理效果最好。由此得出结论，针对本试验用土，在保证其他条件一致的情况下铝棒相比于不锈钢棒、铜棒作为阳极处理效果最佳。

表3 试验方案汇总

3 结语

本文通过采用自行研制的电渗试验装置， 分别采用铜棒、不锈钢棒、铝棒作为阳极进行了三组室内电渗试验， 针对不同电极材料对电渗处理效果的影响和对试验结果分析得到如下结论：

（1）不同的阳极电极材料不影响电渗过程中电流的变化趋势，均表现为先小幅度增长，后不断下降，最终保持相对稳定。但电流大小受电极材料的影响，本试验中铜棒引起的电流最大，铝棒次之，不锈钢棒最小。

（2）在本试验中采用铝棒做阳极时，阳极的电势损失最大。

（3）电渗试验中，阴极排出水分及电化学反应中消耗的水分共同影响电渗处理后土样的最终含水率。在本试验中，不锈钢棒做阳极处理的土体最终含水率最低，土样含水率分布最为均匀，处理效果最佳。

（4） 应继续探讨不同电极材料与土体化学成分的具体化学反应，再对经济性等问题加以综合考虑，为实际工程中对电极材料的选择提供可靠的建议。