Medical Journal of the Chinese People's Armed Police Forces

Journal of Changjiang River Scientific Research Institute >

2025 , Vol. 42 >Issue 10: 129 - 135

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240879

Rock-Soil Engineering

Experimental Study on Reinforcement of Mucky Clay by Electroosmosis-Calcium Chlorideunder Intermittent Current

  • ZHANG Heng , 1, 2, 3 ,
  • TU Chong-zhi 1, 2 ,
  • ZHANG Jiong 1
Expand
  • 1 School of Civil Engineering and Architecture, Wuyi University, Jiangmen 529020, China
  • 2 School of Emergency Technology and Management, Wuyi University, Jiangmen 529020, China
  • 3 School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China

Received date: 2024-08-20

  Revised date: 2024-10-25

  Online published: 2025-01-23

Fold

Abstract

[Objective] This study aims to improve the reinforcement effect of electroosmosis and enhance its engineering practicability by applying an intermittent current to the electroosmosis-calcium chloride method. [Methods] Laboratory model tests were conducted on mucky clay reinforced by the electroosmosis-calcium chloride method under different intermittent current ratios, in order to reduce energy consumption and electrode corrosion, as the on/off time ratio is a key factor influencing reinforcement effectiveness. The effects of different on/off ratios on the reinforcement of mucky clay were analyzed, and the underlying reinforcement mechanisms were investigated. The off-time was fixed at 1 h, while the on-time was set at 8 h, 5 h, and 2 h. The concentration of the CaCl2 solution was 10%. [Results] The addition of CaCl2 increased the electrical conductivity of the soil, which enhanced the electroosmotic drainage by about 49.3%. At the same time, cementitious substances were generated at the cathode and the average shear strength of soil was enhanced by about 240%, which dramatically improved the strengthening effect of electroosmosis. Meanwhile, the anode corrosion and energy consumption increased by 6.6% and 12.0%, respectively, after adding CaCl2. Applying intermittent current could reduce the anode corrosion and energy consumption induced by the addition of CaCl2, but it also weakened the electrochemical reinforcement effect, which was related to the on/off duration. When the on-time was 2 h, part of the Ca2+ could not migrate to the cathode, the amount of cementitious products decreased, and water molecules at the cathode flowed back under the hydraulic gradient, resulting in a reduction in the electrochemical reinforcement effect. When the on-time was 8 h, the electrolysis at the anode and cathode produced more H+ and OH-, which aggravated the dissolution and oxygen-evolution corrosion of the anode. Meanwhile, the generated metal oxides/hydroxides increased the surface film resistance of the electrode, leading to more heat production in the soil and unnecessary energy consumption. In addition, prolonged current caused gas accumulation at the cathode, resulting in detachment between the electrode plate and soil, an increase in interfacial resistance, and further increase in energy consumption. By comparison, the on/off time of 5 h/1 h showed the best reinforcement effect, which increased the drainage volume by 55.7% and increased the shear strength of cathodic soil by about 400%. The energy consumption per unit drainage decreased by 6.7%, and anode corrosion decreased by 4.7% compared with continuous current. [Conclusions] The electroosmosis-calcium chloride method under intermittent current can mitigate the drawbacks of conventional electroosmosis, namely limited strength improvement, severe electrode corrosion, and high energy consumption. It therefore provides an optimized approach for its practical engineering application.

Key words： mucky clay; electroosmotic drainage; intermittent current; experimental study; calcium chloride; microstructure; electrode corrosion

Cite this article

ZHANG Heng , TU Chong-zhi , ZHANG Jiong . Experimental Study on Reinforcement of Mucky Clay by Electroosmosis-Calcium Chlorideunder Intermittent Current[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(10) : 129 -135 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240879

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0 引言

淤泥质土通常具有高压缩性、高含水量、低渗透性的特点,这些不良特性往往会引起一系列的工程问题,如滑坡、不均匀沉降和塌陷等[1-3]。含水率是影响淤泥质土抗剪强度的重要因素,加速土体排水固结是提高软土地基承载力的有效途径之一,为此学者们提出了许多排水固结方法,其中真空预压和堆载预压是工程常用的软土排水固结方法。但淤泥质土颗粒小、渗透性低,使得排水固结周期长,且排水板容易产生淤堵,导致排水固结效果难以满足工程需要[4-6]。
近年来,电渗法被认为是细粒土的有效排水固结方法,其主要原因是电渗透系数不受土颗粒粒径的限制,一般在10-6~10-8 m2/(s·V)之间取值,为淤泥质土水力渗透系数的10~1 000倍[7],从而可以快速排出土中水。但土中水受电场驱动从阳极向阴极迁移聚集,使得电渗固结效果仅局限于阳极区域,而阴极区域土体含水率依旧很高[8-10]。为提高电渗固结效果的均匀性,国内外学者开发了许多改良方法,其中添加电解质溶液具有突出的优势,不仅加速了土中水的排出,同时也显著提高了阴极区域土体的强度,尤以CaCl2溶液效果最显著。例如,冯清鹏等[11]通过加入CaCl2溶液降低了土体电阻率,使电渗排水量提高了10.9%;任连伟等[12]分析了阳极和中间位置注入Na2SiO3和CaCl2溶液时的电渗固结效果,发现排水量增加了25.5%,抗剪强度提高了168.8%;张恒等[13]则利用电场驱动CaCl2溶液,使阴极附近土体抗剪强度提高了27.1 kPa,但同时也使阳极产生了严重的腐蚀;Mohamedelhassan等[14]探讨了利用电化学方法加固海相淤泥,发现添加CaCl2溶液后淤泥电渗透系数提高了1.13倍。由上述研究可知,电渗-CaCl2处理能有效加速土体中水分的排出,并改善加固效果的均匀性,但也会导致较高的电能消耗和严重的电极腐蚀,从而限制了其在实际工程中的推广应用。
另一方面,为改善电渗排水效率,一些研究人员采用间歇通电方式代替常规直流电场。例如,Micic等[15]采用间歇通电进行海相淤泥的电渗固结试验,结果表明,间歇通电方式可显著降低电能消耗和电极腐蚀;Rabie等[16]也采用了间歇式通电方法,在能耗相同的情况下,电渗排水量比恒定直流电场增加20%~40%;陶艳丽等[17]研究了通电周期和通断时间比对电渗效果的影响,认为断电时间宜控制在2 h内;Zhang等[18]发现采用脉冲电场能有效减小阴阳极区域土体的pH值和含水率的差异,显著提高土体的均匀性。
由上述研究可知,添加CaCl2能够加速土体的电渗排水,提升电渗加固效果,且间歇通电方式还能够降低电渗能耗和电极腐蚀程度。因而,间歇通电下电渗-CaCl2既能增强土体的排水固结效果,又可以降低CaCl2导致的过高能耗和电极腐蚀,而通/断电时长的比例又是影响电化学加固软黏土效果的关键。在此背景下,本文进行了一系列的室内试验,研究不同通/断电时长比例下电渗-CaCl2加固淤泥质黏土的效果差异,揭示其加固机理,以期为电渗-CaCl2加固软土地基的工程应用提供参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

本次试验所用土样取自广州市南沙区某建筑基坑,室内测定其基本物理特性如表1所示。土样的液限和塑限分别为51.3%和22.4%,相应的塑性指数和液性指数分别为28.9和1.39,根据《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001),该土属于淤泥质黏土。将原状土进行烘干后碾磨并测试其粒径分布,结果如图1所示。
表1 原状土基本物理特性

Table 1 Basic physical properties of undisturbed soil

含水率
w/%		 重度γ/
(kN·m-3)		 孔隙
比e0		 液限
wL/%		 塑限
wP/%		 渗透系数k/
(cm·s-1)		 压缩系数
α1-2/MPa-1		 压缩模量
ES1-2/MPa
62.7 18.4 1.62 51.3 22.4 3.24×10-7 1.29 2.48
图1 试验土样粒径分布

Fig.1 Grain size distribution of test soil sample

由图1可知,土样粒径主要分布在0.001~0.1 mm之间,其中粉粒(0.005 mm≤d<0.075 mm)质量分数约为64.0%,黏粒(d<0.005 mm)质量分数约为27.1%,表明试验土样细微颗粒含量高、水力渗透性低,常规排水固结效果有限。根据试验方案将一定质量的干土与蒸馏水充分搅拌混合,为减少自由水对电渗排水的影响,初始含水量控制在51%左右,然后将湿土样分层置入有机玻璃箱中,振捣密实,用密封膜包裹后静置12 h以上,使电极板与土体充分接触。基于前期研究结论[13],本次使用质量浓度为10%的CaCl2溶液。

1.2 试验装置

本次试验所用装置如图2所示,其中模型箱是由厚度为8 mm的有机玻璃组成,尺寸为30 cm×20 cm×20 cm(长×宽×高),两端分别为阳极槽和阴极槽,宽度均为5 cm,阳极槽用作添加CaCl2溶液或蒸馏水,阴极槽用于收集电渗排水,槽底部中央开有直径为1 cm的圆孔,圆孔与橡胶软管相连,可以将排出水引流到量筒中测量。所用电极为多孔不锈钢板,厚度约2 mm,包裹土工布后插入有机玻璃箱内的凹槽中固定,中间形成土样槽。电源为RⅡ-30型稳压直流电源,最高可提供30 V/5 A的稳定输出,电源两极通过导线与电极板相连。
图2 试验装置及土样

Fig.2 Test apparatus and soil samples

1.3 试验方法

本研究共进行5组室内模型试验,其中4组在阳极槽内加入CaCl2溶液,另外一组作为对比试验组,在阳极槽加入等体积的蒸馏水,土体两端施加20 V的电压,即相当于电势梯度为1.0 V/cm。根据已有研究成果[17],断电时长宜控制在2 h内,且长时间通电处理效果不佳,为方便记录分析数据并体现差异性,本次试验断电时长均为1 h,单次通电分别设为8、5、2 h,记作试验组C-8、C-5、C-2。对于试验组W-30、C-30,试验期间持续通电,总的通电时长定为30 h,具体试验方案如表2所示。试验期间监测电流、排水量的变化,电渗结束后测试土体的含水率、抗剪强度、微观结构及电极腐蚀程度的差异。
表2 电渗试验方案汇总

Table 2 Summary of electroosmotic test schemes

试验组 试验总时间/h 通电时长/h 断电时长/h 阳极溶液
W-30 30 30 0 蒸馏水
C-30 30 30 0 CaCl2溶液
C-8 33 30 3 CaCl2溶液
C-5 35 30 5 CaCl2溶液
C-2 44 30 14 CaCl2溶液

2 试验结果与分析

2.1 电流和排水量

电流是电渗排水的驱动力,而排水量是衡量电渗固结效果的主要指标之一。图3显示了各电渗试验组电流、排水量随时间的变化曲线。可以发现,随着通电时间的增加,电流和排水速率均呈先增大后减小的趋势,这主要与土体中导电离子浓度和含水量有关[19]。在电渗初期,土中大量的游离阳离子携带水分子受电场驱动逐渐向阴极迁移排出。而随着含水量的下降,土颗粒周围的双电层厚度减小并表现出不连续,土颗粒和水分子之间的静电吸引力增大,排水需要消耗更高的能量。
图3 电流和排水量随时间变化

Fig.3 Temporal variation of current and cumulative drainage volume

对于添加CaCl2溶液的试验组,Ca2+被驱动进入土体,降低土体电阻率,并拖拽更多的水分子向阴极迁移排出,使电流和排水量均显著增加。相较于试验组W-30,试验组C-30的电流峰值和最终排水量达到0.82 A和2 240 mL,分别提高了82.2%和49.3%。采用间歇通电后,试验组C-8、C-5、C-2的电流峰值变化不大,但衰减速率随单次通电时长的减小而降低,表明间歇通电能够延长电渗排水时间,而三者最终排水量依次为2 297、2 336、2 088 mL,比试验组W-30增加了53.1%、55.7%、39.2%,比试验组C-30变化了2.5%、4.3%、-6.8%。由于总的通电时长均为30 h,排水量差异主要与单次通电时长有关。当单次通电时间过短,电场驱动到达阴极的水化Ca2+有限,得到电子后释放水分子不足,且断电后在毛细现象及水力梯度作用下,已经运移到阴极周围的水分子发生逆向迁移,减缓了电渗排水。随着单次通电时间的增加,越来越多的水化Ca2+向阴极聚集,释放水分子形成排水,而长时间通电又会使土体产热、电极脱空,造成电流、排水量的迅速衰减。因而存在最佳的通电时长t,在本试验条件下t≈5 h。

2.2 土样残余含水率

电渗-CaCl2处理软黏土的主要目标之一就是降低其含水率。试验结束后,分别在阴极和阳极区域深度为5、10、15 cm处取样测试土体的含水率,取3次测试结果的平均值,结果如图4所示。
图4 阴阳极区域土体含水率

Fig.4 Water content of soils near anode and cathode

由图4可知,阳极区域土样含水率明显低于阴极区域土样,这与电渗排水固结机理一致,即水从阳极向阴极迁移聚集。具体表现为:试验组W-30阳极和阴极区域土样的含水率分别为35.5%和49.7%,下降幅度为15.5%和1.3%;而试验组C-30阳极和阴极的土样的含水率分别为27.4%和44.3%,相应的下降幅度为23.6%和6.7%,下降幅度是W-30的2~5倍;试验组C-8、C-5和C-2,阳极区域土样的含水率为26.5%、24.9%和33.8%,阴极区域土样含水率为45.6%、46.8%和47.1%。由上述对比结果可以得出,在电渗过程中加入CaCl2可显著降低土体残余含水率,增强电渗排水固结效果,而使用间歇通电方式有利于电渗排水固结,但当单次通电时长为2 h时,则会产生不利影响,这一现象与排水量测试结果一致。

2.3 土体抗剪强度

电渗试验结束后,分别在阳极和阴极区域,深度为10 cm处测试土样的抗剪强度,结果如表3所示。
表3 阴极和阳极区域土体抗剪强度

Table 3 Shear strengths of soils near anode and cathode

试验组 抗剪强度/kPa 试验组 抗剪强度/kPa
阳极 阴极 阳极 阴极
W-30 8.2±1.5 4.9±0.7 C-5 16.3±1.0 24.5±0.8
C-30 17.9±0.5 26.6±1.2 C-2 10.1±1.3 13.4±1.1
C-8 16.8±1.2 25.3±0.6
根据电渗排水固结理论,阳极区域土体的固结效果优于阴极区域土体,在试验组W-30中,阳极和阴极土体的抗剪强度分别由初始的0 kPa增加到8.2、4.9 kPa。在试验组C-30中,阳极土体抗剪强度约为17.9 kPa,比试验组W-30提高了1.2倍,而阴极土体抗剪强度则达到了26.6 kPa,比试验组W-30提高了4.4倍。由于阴极区域土体的含水率相差不大,通电持续时间相等,抗剪强度的差异是由于添加CaCl2溶液所致,其机理可解释为:
(1)加入CaCl2后,土体中自由的Ca2+增多,土体的导电率增大,加剧了阴极附近水解反应,生成更多的OH-。
(2)CaCl2溶液中的Ca2+在电场驱动下向阴极移动,并与阴极附近产生的OH-发生反应生成Ca(OH)2胶结物,黏结相邻土颗粒,增强土体的整体性。
(3)当阴极区域的Ca2+含量过高时,富余的Ca2+会与土中可溶性硅酸盐(Na2SiO3、K2SiO3等)发生反应生成水化硅酸钙(CSH),沉积在土颗粒的表面,增大土体的抗剪强度,具体如图5所示。
图5 电渗-CaCl2加固淤泥质黏土机理

Fig.5 Mechanism of electroosmosis-calcium chloride reinforcing mucky clay

在上述原因的共同作用下,阳极添加CaCl2溶液使得土体抗剪强度显著增大。电极处发生的化学反应方程分别如下。
阳极区域:
Fe → Fe2+ + 2e- ;
Fe2+ + 2OH- → Fe(OH)2 ;
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3 ;
4Fe(OH)3 + (n-3)H2O → 4Fe2O3·nH2O 。
阴极区域:
2H2O + 2e- → H2 + 2OH- ;
Ca2+ +2OH- → Ca(OH)2 (胶结物) ;
Ca2+ + Si O 3 2 -+ H2O → CSH(水化硅酸钙) 。
在间歇通电和CaCl2的共同作用下,试验组C-8、C-5和C-2阳极区域土体的抗剪强度分别为16.8、16.3、10.1 kPa,比试验组W-30提高了1.0、1.0、0.2倍,而阴极区域土体的抗剪强度分别为25.3、24.5、13.4 kPa,比试验组W-30提高了4.2、4.0、1.7倍。由此可知,随着单次通电时长的减少,抗剪强度逐渐降低,单次通电时长2 h时,仅有少量的Ca2+迁移至阴极,与阴极区域OH-结合生成胶结物质较少,土颗粒间缺乏有效黏结。当单次通电时长超过5 h后,在静电力和黏滞力的作用下,大量的水分子随Ca2+向阴极迁移,参与反应生成Ca(OH)2和CSH,大大提高阴极土体的整体性。

2.4 土样微观结构

为进一步分析不同间歇通电时长下电渗-CaCl2处理后淤泥质黏土的宏观特性变化,利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)观测阴极区域土样中孔隙大小、土颗粒形态、排列方式及颗粒间接触的差异。由于土样的含水率相近,故含水率对于微观结构的影响可忽略不计。图6为放大6 000倍后各土样形貌,在试验组W-30中,土颗粒以片层状为主,相互之间无有效黏结,微观结构较为破碎松散;而在试验组C-30中,颗粒较小的单粒体相互胶结形成团聚体,而后团聚体相互聚集或胶结在一起形成较大的凝块。由此可见,添加CaCl2溶液对土体微观结构有显著的密实作用,反应生成的Ca(OH)2和CSH胶结物填补了土颗粒之间的空隙,并将相邻的土颗粒黏结在一起,而且Ca2+能与土颗粒表面的Na+发生交换,使双电层变薄[15],土体密实度增大,抗剪强度提高。此外,对比试验组C-8、C-5和C-2微观结构可以发现,随着单次通电时长增加,土体微观结构由团聚体向巨大凝块过渡,主要因为胶结物的生成量增多,更多土颗粒相互胶结形成密实骨架,这与抗剪强度测试结果一致,进一步证实了CaCl2有助于增强土体结构性。
图6 阴极附近土体的微观结构

Fig.6 Microstructure of soil near cathode

2.5 电极腐蚀与能耗

电渗过程中阳极板表面发生氧化分解反应,使阳极受到腐蚀,电渗能耗增大,而添加CaCl2更加剧了电极腐蚀。为研究阳极腐蚀、电渗能耗与通/断电时间的关系,在电渗处理前后测量阳极的质量,阳极腐蚀程度与电渗能耗计算式分别为:
k = m 1 - m 2 m 1 × 100 % 　 ;
Q = ∑ j = 1 n U I j Δ t / V 　 。
式中:k为阳极腐蚀程度(%);m1、m2分别为电渗前后阳极板的质量(g);Q为单位体积排水能耗(W·h/mL);n为电渗间隔次数;U为电压值(V);Ij为电流值(A);Δt为电渗持续时长(h);V为电渗排水体积(mL)。
如图7所示,在试验组W-30中,阳极质量损失为8.4%,单位体积排水能耗为0.106 W·h/mL。而试验组C-30的阳极质量损失为15.0%,单位体积排水能耗为0.119 W·h/mL,分别是W-30的1.79和1.12倍。根据Faraday定律,电解过程中电极的质量损失与通过电极的电荷量成正比[20],CaCl2的加入提供了丰富的Ca2+和Cl-。首先,带正电的Ca2+在直流电作用下被输送到土样中,增加了通过的电荷量,使阳极产生严重电化学腐蚀;其次,带负电荷的Cl-聚集在阳极表面,参与化学反应,加重了阳极的化学腐蚀。
图7 阳极腐蚀与单位体积排水能耗的关系

Fig.7 Relationship between anode corrosion and energy consumption per unit drainage

对于试验组C-8、C-5和C-2,阳极的质量损失分别为13.2%、10.3%、9.6%,单位体积排水电渗能耗为0.115、0.111、0.108 W·h/mL,与试验组C-30相比,电极的质量损失分别降低了1.8%、4.7%、5.4%,单位体积排水能耗则降低了3.4%、6.7%、9.2%,表明间歇通电方式可有效降低电渗排水的能耗,并缓解阳极腐蚀程度。

2.6 分析与讨论

间歇通电下电渗-CaCl2加固方法可以改善常规电渗处理后土体抗剪强度有限、电极腐蚀严重、能耗过高的不足,而通/断电时长的分配则直接影响了电化学固结效率。若单次通电时间过短(如C-2),部分水化阳离子无法及时迁移至阴极释放水分子,阴极处的水分子又会逆向回流,且胶结物生成量少,导致电化学排水固结效果不佳。若单次通电时间过长(如C-8和C-30),首先,阳极和阴极水解产生H+和OH-增多,加剧了阳极的溶解和析氧腐蚀,而生成的金属氧化物/金属氢氧化物又使得电极表面膜阻增大,土体产热增加,造成不必要的电能消耗;其次,长时间通电使阴极处生成气体累积(式(5))后,导致电极板与土体脱空(见图8),界面电阻增加,电渗能耗增多。
图8 电渗后土体性状与电极腐蚀

Fig.8 Soil properties and electrode corrosion after electroosmosis

3 结论

基于室内模型试验,研究了不同间歇通电时长下电渗-CaCl2对淤泥质黏土排水固结效果的影响,得出以下主要结论:
(1)CaCl2溶液中的Ca2+携带水分子受电场力驱动至阴极,并与OH-反应生成胶结物质,使淤泥质黏土的电渗排水量增大49.3%,阴极土体抗剪强度提高4.4倍,显著提升了电渗加固效果。
(2)间歇通电方式可以降低CaCl2导致的单位体积排水能耗和阳极腐蚀量,且固结效果随着单次通电时长的减少更加明显,但单次通电时长过短,则不利于电化学排水固结。
(3)合理的通/断电时长能够提升电渗-CaCl2加固淤泥质黏土的效果和工程实用性,本次试验中以通电、断电时长分别为5 h和1 h最佳,电渗排水量增加了55.7%,阴极土体抗剪强度增大了4.0倍,单位体积排水能耗降低6.7%,电极腐蚀降低4.7%。后续可通过改变电极材料、添加剂种类、电极转换等方式进一步完善电渗法的工程应用。

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