化学电渗法中位移场可视化观测及气泡消除方法研究

刘大鹏，孔纲强，傅钧义，周杨，文磊

化学电渗法中位移场可视化观测及气泡消除方法研究

刘大鹏，孔纲强，傅钧义，周杨，文磊

(河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098)

基于新型透明黏土材料和PIV技术，开展化学电渗法加固软基透明土模型试验，可视化观测土体位移场变化规律，并初步探讨电渗过程中阴极气泡聚集问题与消除方法。研究结果表明：在本文试验条件下，试剂浓度每增大0.5 mol/L，水平位移平均增加22%，竖向位移平均减少16%，土体排水效果减弱，可以使土体获得加固效果；采用除气泡的方法后，阴极接触电阻降低约50%，可提高电渗效果。

软基处理；化学电渗法；透明黏土；位移场；模型试验

随着经济的迅速发展，越来越多的工程需要在软基上建设，目前加固软基的方法多种多样。电渗法作为软基加固的方法具有效率高等优点，越来越成为研究的热点问题[1−2]；电渗法早在1809年就被俄国科学家Reuss发现，但因为耗电严重、电极材料腐蚀等因素影响，该方法一直没有得到广泛应 用[3]。电渗作为一种电化学方法，联合化学注浆等方法也可以提高电渗效果，在阳极注射化学试剂能降低土体和电极接触面的阳极、阴极电势降(Burnotte等[4])；注入一定盐溶液能提高电渗后土体强度、降低电势降、缩短电渗时间、提高电渗效果，且注入盐溶液的位置不同，效果也不同(Chien等[5−7])。然而，目前对于化学电渗法加固软基过程中土体内部位移场、电渗后期电极附近气泡聚集情况及消除措施等方面的研究仍相对较少。近年来，由于透明土模型试验具有可视化、无损监测等优点，在许多岩土工程问题中得到良好的应用[8−9]；已有学者利用透明土模型对渗流场和污染物运移进行了相关研究，如将浆体注入透明土模型中研究土体渗流过程(LIU等[10])。这为全过程、可视化观测化学电渗法加固软基提供了技术支撑。针对模拟的天然土体种类不同，透明土也可以分为透明砂土和透明黏土2大类。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无定形二氧化硅、Laponite R D和Carbopol等材料[13−15]。电渗法主要运用于软弱黏土中，因此应探索用于试验可行的透明黏土，在电渗法试验中可视化电渗过程，研究土体位移场变化规律，显得尤为重要。综上所述，本文基于Carbopol材料配制成的新型透明黏土材料和PIV图像处理技术，开展化学电渗法加固软基透明土模型试验，可视化观测土体内部位移场变化规律，并初步探讨电渗过程中阴极气泡聚集问题与消除方法；为研究化学电渗法提供一种新的思路及试验方法，亦可为电渗法加固软基工程提供借鉴意义。

1 模型试验概括

1.1 透明土材料配置与试验装置

新型透明黏土材料选用的Carbopol是一种含有聚烯基聚醚交联的丙烯酸聚合物。该聚合物在常温下为粉末状，粒径范围为50~100 nm，比重为1.454 3。具体配制方法如下：

1) 确定要配置的透明黏土浓度后对照浓度配比表计算Carbopol、氢氧化钠固体质量、配制透明土所需蒸馏水总体积、配制氢氧化钠溶液的蒸馏水体积(材料配比：U10:NaOH:水=1:0.4:98.6)。

2) 将所需要的蒸馏水放入桶中，且用温度测量仪监测水的温度，用加热器加热至50~70 ℃后恒温保持3~4 h。

4) 将所需质量的Carbopol粉末，加入保温中的密封桶，在常温状态下静置8~10 h。

5) 静置完成后打开密封盖，使用小功率搅拌器搅拌30~40 min，搅拌完成后，再密封静置8~10 h。

6) 将所需的氢氧化钠固体配制成氢氧化钠溶液后均匀倒入密封桶内，然后迅速使用大功率搅拌器快速均匀搅拌10~15 min。

7) 配置工作已完成，在模型试验前，需要将装好的试样放入真空桶中进行抽真空去气泡操作；制配完成的透明土试样如图1所示。

图1 透明黏土试样

透明土模型试验装置实物图和示意图分别如图2和图3所示，包括透明黏土材料、模型槽、电极、电势测针、示踪点、直流稳压电源、数显电压表、阻尼式隔振光学平台、以及数码相机等设备，相关参数见文献[10]。

图2 电渗法加固软基透明土模型试验装置图

单位：mm

1.2 化学电渗法原理

在通电状态下，阳极、阴极发生的电解反应不同，化学反应式如下。

阳极：

阴极：

式中：M表示阳极金属(本次采用的铁丝网为合金)；N主要是钙、镁等金属。

实际上电渗过程中发生的化学反应不单单只有上述几个，电渗法是一个比较复杂的加固方法，还有许多需要学者去研究的内部机理。

若是加入CaCl2和Na2SiO3溶液，因为阴极的水经过电解产生氢氧根离子和氢气，则阴极发生的化学反应如下：

其中生成的3CaO·2SiO2·4H2O为一种水化硅酸钙，是一种无定型凝胶，可以使土体获得加固效果。

2 试验可行性分析及工况设计

2.1 透明黏土电渗法模型试验可行性分析

本文采用Carbopol配制而成的透明黏土经过前人试验研究得出初步压缩固结特性研究和渗透特性研究[16]。新型透明黏土的渗透系数与静置时间的关系曲线如图3所示[16]，可知该透明黏土与天然黏土的渗透系数都在10−6~10−7cm/s 范围内，且均与各自孔隙比存在较好的指数函数关系，所以该材料配制而成的透明黏土是适合模拟天然黏土的渗透特性的。故该透明黏土在渗透特性等方面与天然黏土有相似之处，可以用来模拟其渗流问题。

图4 新型透明黏土渗透系数与静置时间的关系曲线

表1 模型试验工况

2.2 工况设计

为了探讨化学溶液浓度、注液位置因素对化学电渗法加固软基效果的影响，并初步探讨阴极附近气泡消除问题；本文设计了10组试验工况，具体试验工况见表1所示。

3 试验结果与可视化位移场分析

3.1 试剂浓度的位移场影响规律分析

图5为不同试剂浓度注入电渗位移等值线图(单位：mm)。取工况C1，C2和C3注入后的电渗图像进行分析(左侧为阳极、右侧为阴极，下标h和s分别表示水平位移和竖向位移)。

由图5可见，土体初始位移都是从阴极往阳极移动，且竖直方向也有大部分竖直往下的位移，所以叠加水平和竖直方向位移之后的土体位移趋势为斜水平方向位移与电渗法本身的性质有关，在电场作用下，表面带负电荷的土颗粒会朝着阳极移动，土体中的孔隙水则会被正电荷的离子拖拽到阴极，透明黏土中的位移特性也直观地表现了这一理论；竖直方向的位移与排水有着直接的关系，该透明黏土电渗过程排水速率较快，土体沉降明显，故整个土体有着向下的位移趋势。随着电解液浓度的增加，水平位移平均增加22%，竖向位移平均减小16%，说明此时土体排水效果减弱，因化学试剂的加入透明黏土向阴极迁移速率增大，沉降速率减小，因为化学电渗中水化硅酸钙，是一种无定型凝胶，可以使土体获得加固效果。

单位：mm

3.2 注液管位置的影响规律分析

注液管、电极与模型的位置关系如图3所示。注液管位置对化学溶液使用效果的影响如图6所示。由图6可知，距离阴极过近会导致刚注入的化学溶液还没起到较明显作用就在电场力驱动下排出土体，所以靠近阳极注入化学溶液，其电流、排水速率最大，但是，也是因为电流原因，其后期的能耗系数最大。

注液管(试剂注入)位置的不同对电渗效果具有较大的影响，因此研究其对电渗中土体位移也具有重要意义。取工况D1，D2和D3 2次注入后的电渗图像进行分析(左侧为阳极、右侧为阴极，下标h，s分别表示水平位移和竖向位移)，不同位置试剂注入时电渗位移等值线图如图7所示。由图7可知，注液管位置影响了水平位移正值区域，D2工况中土体从阳极往阴极移动区域最大，D1和D3类似，这与D3中注入的化学溶液过早从阴极排出有关。

(a) 电流、有效电势；(b) 能耗系数

单位：mm

3.3 气泡消除效果初步分析

电渗作为一种电化学现象，其阴极会产生氢气，而产气滞留问题也会影响电渗效果，本节初步探讨除去电渗中气泡问题。试验中采用间断通电和鼓风吹气2种除气泡操作方法。间歇通电的原理是在断电过程中给气泡一个自然溢出的过程，这样不会导致瞬时产生过多气体而在土体表面产生气泡膜，从而影响接触电阻。鼓风吹气的目的则是通过网蓄水池底部吹气，吹出的大气泡把阴极上产生的气泡一起带出液面，其扰动也能造成气泡的快速排出。

图8 不同工况下阴极气泡对比图

图8为2种消除气泡措施处理后气泡对比图；由图8可知，采用间歇断电和鼓风吹气的方法，能较好地消除气泡。无化学试剂工况下，采用间歇断电和鼓风吹气的方法气泡数量分别减少70%和90%。进行鼓风吹气操作的气泡残留相比间歇断电的要少很多，而且注入化学溶液后加快气泡产生速率，所以在选用鼓风吹气操作进行辅助操作能更快地消除阴极气泡，从而减小气泡膜带来的阴极接触电阻，提高能耗利用率。当然，该方法要运用到实际工程中，仍有很长的一段距离。

图9为EC1和FC1工况的阳极、阴极接触电阻随时间变化规律；采用除去气泡方式并加入化学溶液后，与相同情况的C1工况相比，后期有效电阻降低了50%，阴极接触电阻降低了50%，阳极接触电阻降低了20%；由此说明，气泡消除效果明显，可以明显降低阴极接触电阻，从而降低有效电阻。

图9 阳极、阴极接触电阻随时间变化曲线

4 结论

1) 新型透明黏土材料能够可靠模拟天然黏土进行化学电渗试验。借助透明黏土的可视化特点，可以非嵌入式观测到电渗过程中土体位移场。

2) 在电渗过程中加入化学溶液，本文试验条件下，试剂浓度每增大0.5 mol/L，随着电解液浓度的增加，水平位移平均增加22%，竖向位移平均减少16%，说明此时土体排水效果减弱，因化学试剂的加入透明黏土向阴极迁移速率增大，沉降速率减小，因为化学电渗中生成水化硅酸钙，是一种无定型凝胶，可以使土体获得加固效果。

3) 本文试验条件下，与传统电渗法相比，采用除气泡方法，且加入化学溶液后，土体后期有效电阻降低50%、阴极接触电阻降低50%、阳极接触电阻降低20%。气泡消除效果明显，可以明显降低阴极接触电阻，从而降低有效电阻。

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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

国家自然科学基金资助项目(51478165)

孔纲强(1982−)，男，浙江磐安人，教授，博士，从事能源地下结构、透明土试验技术等方面的教学与研究工作；E−mail：gqkong1@163.com

(编辑 涂鹏)