電化學改性加固地基的研究進展

殷鶴，黃雪峰， 張彭成， 周俊鵬

（1. 后勤工程學院軍事土木工程系，重慶 401311； 2. 巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室，重慶 401311；3. 后勤工程學院化學與材料工程系，重慶 401311）

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電化學改性加固地基的研究進展

殷鶴1，2，黃雪峰1，2， 張彭成3， 周俊鵬1，2

（1. 后勤工程學院軍事土木工程系，重慶 401311； 2. 巖土力學與地質環境保護重慶市重點實驗室，重慶 401311；3. 后勤工程學院化學與材料工程系，重慶 401311）

摘要：軟弱地基壓縮性高、承載能力差，在荷載作用下容易產生較大的沉降變形，影響建筑物的正常使用，因此必須對其進行加固處理。針對地基處理中的化學類方法，介紹了化學改性加固與電化學法加固的原理與研究進展，并對化學改性與電化學加固聯合處理地基進行了展望，分析了其固化機理與應用前景。

關鍵詞：化學改性；電化學加固；交流電場

近年來，由于國家各區域經濟協調發展的需求和國家西部大開發戰略的支持，我國西北各城市建設規模迅速增大，相繼開展了如鄭西高鐵、蘭州新區、延安新區等大型工程項目。這些工程有一個共同特點，均建立在地形復雜的黃土丘陵溝壑區。新工程的建設勢必要進行大規模填溝造地，其主要的填筑材料為濕陷性黃土。黃土高填方最初的應用是在黃土地區鐵路和高速公路等工程的修建中，填筑高度數十米，由于高填方路基的填筑高度大、填筑面積大、土石方量大、以及路基自重大等多方面特點，盡管國內諸多學者已經對黃土高填方路堤進行了大量的研究，其沉降變形、不均勻沉降和地基穩定性等問題始終未得到根本解決，每年由于高填方的沉降變形問題造成了大量的工程事故和財產損失。因此，研究不良土體有效的改良方法，有利于改進溝谷型高填黃土地基分層填筑技術并確定其控制標準，同時還可以為高填方場地地基處理提供設計依據。

1 化學改性加固

化學改性加固方法是通過在土中加入化學固化劑來改善其的工程特性，使其滿足實際工程需要的一種方法。其反應類型有無機化學反應、有機化學反應、生物化學反應，其中無機化學反應固化是目前在工程中應用最多的一種化學固化形式。

1.1 化學類固化劑

（1）無機固化劑

對于無機化合物類固化劑，其本身所含的無機材料在水作用下會產生水化硫酸鈣、水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣等膠凝物質。這些膠凝物質能夠自身硬化形成骨架，同時還會與土顆粒作用生成絡合物，最終形成穩定的空間網狀結構，提高固化土的穩定性［1］。黃新等［2］發現水泥加固土的強度主要來自于其水化產物的膠結作用，固化土體孔隙水中的水化物含量影響土體的強度；賈尚華［3］通過對比強度法分析水泥土、石灰水泥土無側限抗壓強度，得出石灰水泥土中主要包含四種固化作用，分別為水化作用、填充作用、離子交換作用以及復合作用。

（2）有機高分子固化劑

有機高分子固化劑多為液態，添加到土中后，其有機高分子在催化劑作用下發生聚合或縮聚反應，形成網狀空間結構，從而把土顆粒膠結在一起，且有機大分子可以填充土中孔隙。劉清秉等［4］使用離子土固化劑（Ionic Soil Stabilizer）對膨脹土進行了化學改性試驗研究，總結得出離子土固化劑的改良機理為通過離子交換、吸附、包裹等一系列表面物理化學反應，改變土顆粒表面的雙電層結構，從而減低了土體的膨脹性；劉瑾［5］研制了一種新型高分子聚醋酸乙烯酯固化劑，其固化機理為：使高分子鏈上的羧基與土中硅酸鹽表面的羥基以氫鍵相連，形成穩定結構，同時高分子鏈上親水基團中的氫離子（H+）與土顆粒表面的堿金屬離子發生置換反應置換出土顆粒表面的陽離子，從而降低了ζ電勢，增加了土顆粒之間的吸引力。

1.2 生物酶類固化劑

生物酶固化劑作為一種新型固化劑在國內外工程界受到了廣泛的關注，它是由有機物質發酵而成，屬蛋白質多酶基物質，主要起催化作用。土體通過生物酶的催化，再經外力擠壓密實后，土體顆粒表面會凝結成硬化殼，同時，滲入內部的生物酶中的部分組分可替換土體中凝聚力較低的離子，打破土顆粒的雙電層結構，將水分排出，促使土顆粒膠結集聚，從而降低土體的膨脹性和滲透性。

1.3 復合類固化劑

復合類固化劑一般由主固化劑與激發劑組成，與土混合后發生水化反應并形成凝膠狀的水化產物，自身形成穩定的空間結構，同時其組分也會與土中的陽離子發生離子交換反應，使土膠粒的電勢降低，由離散結構凝聚成致密的整體結構；激發劑的主要作用是激發土顆粒的活性，降低土壤中的含水量。激發劑與離散的細顆粒接觸，使其成為牢固的多結晶聚集體，以達到改善土體強度和穩定性的效果［1］。

20世紀70年代以來，隨著科技的進步與工程技術的發展，世界各國針對土體化學改性技術進行了進一步的研究和開發，由原來單一的使用石灰、水泥、粉煤灰等無機固化材料轉變成了多種材料混合配比，取得了突破性的成果。其中最具代表性的有美國帕爾馬公司研發的生物酶固化劑，德國路邦公司研發的EN-1固化劑，澳大利亞研發的CCSS土體固化劑以及日本UKC公司研發的Aught-set系列固化劑。除此之外，各國學者延續著對新型固化劑的開發與應用，研究思路不斷拓寬。Ekrem等［6］將用硅粉、粉煤灰和石灰的混合物添加劑改良的粗粒土應用于道路建設和土方工程中，取得了良好的效果；Rafael等［7］用甘蔗渣灰和石灰混合物改良壓實土，提高了其工程性能與耐久性，在能源消耗和環境保護方面發揮了很大的作用；Farid等［8］對硅酸鹽水泥改良華盛頓地區土的工程性質進行了研究，發現改良土的強度有明顯提高且其破壞形式有所改變；Liu Jin［9］等研究了STW有機固化劑改良黏土的水穩性和耐腐蝕性，并分析了將其應用到黏土邊坡治理工程中的可能性。

我國對土壤固化劑的研究起步較晚，20世紀80年代，國內相關單位開始引進國外土壤固化技術。李國棟［10］對派酶加固土的力學性能、水穩性和收縮性等路用性能進行了研究，發現派酶固化劑對土體的力學性能具有顯著的影響，并且存在最佳派酶固化劑摻量：0.05%～0.1%；張建楠［11］研究了凍融循環對Aught-Set固化劑改良土力學特性的影響，結果顯示Aught-Set固化劑可以在一定程度上抵抗凍融循環帶來的危害；鄭毅［12］對ISS固化土的水穩定性進行了研究，分別將成型7、14、28d的試樣浸入水中，發現試件水穩定性較差，出現了松散開裂現象，進一步試驗得出ISS固化土在成型一年后水穩定性達到良好狀態；呂擎峰［13］通過SEM試驗、XRD試驗及壓汞試驗對溫度改性水玻璃固化黃土的微觀結構進行了分析，發現溫度改性水玻璃固化黃土產物中沒有新晶體的出現，但隨著溫度的升高產生的非晶質硅凝膠逐漸增多，加強了土粒間的膠結強度，進而得出了溫度越高水玻璃溶液對黃土的強度提升效果越好的結論。

國內一些學者在吸收國外先進經驗的基礎上，針對我國土壤特性，自主研發了一系列新型土壤固化劑，在渠道防滲、水土保持、路基加固等方面被廣泛應用。黃曉明［14］從TR型土壤固化劑的研制入手，對比了石灰、水泥對亞黏土的固結效果，證實了TR型固化劑改良土具有更高的抗壓強度，同時TR型固化劑還具有減小土體干縮的效果；重慶交通大學的黃維蓉等［15］研究了由水泥、石灰、QJ型固化劑結合穩定碎石土的性質，與僅由水泥石灰混合加固碎石土以及KS型固化劑穩定碎石土的性能進行了對比得出，QJ型土壤固化劑具有良好的物理力學性質和抗凍融能力；武漢科技學院的張大捷等［16］探討了一種以礦渣為主要原料的灰渣膠凝材料固化劑（HAS）的尾砂固化性能，得出HAS固化尾砂的流動度、泌水性與強度均比水泥固化尾砂高的結論，且以石膏含量為20%時固化效果最佳；后勤工程學院的方祥位等［17］對以燃煤發電廠的工業廢料為主要原料的GT型土壤固化劑改良軟土的工程性質進行了研究，結果顯示GT型固化劑改良土的擊實效果、抗剪強度、抗滲透性等工程性質優于石灰改良土。

2 電化學加固

電化學方法加固地基目前主要采用電滲排水與電化學樁兩種方法。電滲排水是通過將電極插入地基土中施加直流電，使土體加速排水固結，從而提高土體的強度；電化學樁加固是利用直流電，使土中離子與金屬電極發生化學反應，生成膠結物，來加固地基。而實際工程中，這兩種效應一般同時存在，如在電滲排水過程中，不可避免的會伴有電極腐蝕等電化學反應；在電化學樁加固通電的過程中，也會存在孔隙水由陽極向陰極移動的現象。

早在19世紀初，俄國學者Reuss就發現了孔隙水在直流電的作用下由陽極向陰極移動的電滲現象。其后Cassagrande開展了鋁電極加固粘土的電滲試驗，并于1939年在德國扎耳茨吉特地區一段鐵路的邊坡加固中成功應用，第一次將電化學加固方法引入了土木工程領域。其后，電化學加固方法不斷地被應用于巖土工程的各大領域，如地基處理（Bjerrum，1967）、堤壩加固（Fetzer，1967）、提高樁體承載力（Milligan，1961；Johnson，1980）。

前蘇聯學者Trushinskii［18］在電化學成樁加固領域做了大量研究，他認為電化學成樁的機理如下：通電后，陽極處鐵質的電極溶解并形成Fe2+，當可溶的鐵離子接觸水后，與水發生反應形成低價氫氧化物，并增強溶液的酸性。

在土中水和氧氣的作用下，Fe（OH）2被氧化生成高價氫氧化物，形成aFe2O3·Fe（OH）2·Fe（OH）3的混合物。

從20世紀50年代中期開始，我國學者對電化學加固方法進行了一系列的研究。汪聞韶（1955）在《土力學中電滲問題綜合報告》中探討了電滲排水的力學規律，闡述了電滲排水加固軟土的作用機理；曾國熙和高有潮［19］（1956）介紹了原狀軟黏土電化學加固室內試驗的研究成果，為國內學者的后續研究奠定了重要的基礎。進入21世紀，各類軟土地基處理工程使得電化學加固方法有了進一步的發展，王寧偉［20］對大連東港某工程的淤泥質粘土進行了電化學加固試驗，提出了電化學成樁有效加固區的計算公式和能耗的計算公式；余飛［21］依托蕭山跨湖橋的古遺址保護工程，進行了電化學加固現場試驗，分析了電極鐵質膠結與成樁效應，并對其長期水穩性進行了評價。同時，不同地質因素與實驗條件對電化學加固的影響也受到了學者的廣泛關注，李瑛等［22，23］就土體含鹽量與直流電壓對軟黏土一維電滲排水的影響進行了探討，發現電滲排水存在最佳含鹽量，且能量消耗速率、電極腐蝕程度和排水速率與電流強度的比值都與土體含鹽量有關；李一雯［24］研究了鋼管電極不同布置形式對電滲效果的影響，結果顯示電滲排水量平行錯位布置〉長方形布置〉梅花形布置；陶艷麗［25］比較了鐵、銅、鋁和石墨電極在電滲排水中的表現，認為對排水起主導作用的是陽極材料，在實際工程中陰極反應一般不受陰極材料影響。

3 結 論

化學改性土工程性能優越，頗受工程界歡迎，近年來陸續被應用于個工程領域，取得了良好的效果，但也存在明顯的不足：如石灰改性土的早期強度差，施工進度易受到影響；水泥改性土的干縮性大、易開裂，且受土壤類別限制較大；某些新型固化劑價格昂貴、難以量產。電化學方法加固地基工藝簡單、效果顯著、作用持久且有利于環境保護，但本身具有一定的局限性。盡管諸多學者試圖通過改變電場強度、電極材料、電極位置、通電方式以及加入添加劑等方法提高處理效率、降低能耗，但隨著通電過程中陽極逐漸被腐蝕，以及土體電阻的不斷增大，通電處理的效率不可避免的會逐漸降低，能耗隨之增大，進而導致拖延工期、用電安全等問題。其中電滲排水通電時間約為2～3 d，電化學成樁加固通電時間約為15～25 d。且工業用發電機多為三相交流發電機，而在工程應用中上述兩種方法都使用穩壓直流電，這不僅會增加由交流電向直流電整流轉換的步驟，而且由于化學反應主要發生在陽極，為了使土體強度均勻，部分學者還會采用電極反轉的方法加固地基，進一步加大了施工的難度。

4 展望

下一步針對軟弱地基的處理，可以在電極材料、電極位置以及通電方式不變的條件下，將穩壓直流電改為交流電，同時選取熟石灰與無水硫酸鈉作為化學改性材料。其固化機理為：通過交流電場的激化，使石灰與硫酸鈉迅速反應生成具有膠結作用的二水石膏，反應方程式如下：

此時反應生成的NaOH具有比Ca（OH）2更強的堿性，提高了孔溶液中OH-的濃度，初步加快了混合物之間的化學反應速率；且在交流電場作用下，介電質的土顆粒會發生極化，致使孔溶液中的陰陽離子也發生定向移動，在土顆粒表面形成臨時富集，進一步提高了OH-的有效濃度；同時，在電場作用下部分電能轉化為熱能，提高了反應溫度，在臨時高濃度和高反應溫度的協同作用下，土體內部迅速發生化學反應并在土顆粒周圍形成膠結物，能夠有效的加固軟弱地基，提高其水穩性。

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Research Progress of Electrochemical Modified Stabilization in Foundation Treatment

YIN He1， 2， HUANG Xue-feng1， 2， ZHANG Peng-cheng3， ZHOU Jun-peng1， 2
（1. Department of Civil Engineering， Logistical Engineering University，Chongqing 401311， China；2. Chongqing Key Laboratory of Geomechanics&Geoenvironmental Protection，Chongqing 401311， China；3. Department of Chemistry and Material Engineering， Logistical Engineering University， Chongqing 401311， China）

Abstract:Because of the high compressibility， poor bearing capacity and large settlement under load， soft foundation will affect the normal service of buildings， and it must be reinforced. Aiming at the chemical method for foundation treatment， the principle and research progress of chemical modification and electrochemical stabilization were reviewed， meanwhile the electrochemical modified stabilization was forecasted， and its curing mechanism and application prospect were analyzed.

Key words:Chemical modification； Electrochemical stabilization； Alternating electric field

中圖分類號：TU472.5

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0348-04

基金項目：國家科技支撐計劃項目（2013BAJ06B00）；全軍重點項目（AY112J004）。

收稿日期：2015-10-27

作者簡介：殷鶴，男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向：主要從事非飽和土與特殊土地基處理研究。E-mail：282633859@qq.com。

通訊作者：黃雪峰，男，教授，博士生導師，研究方向：主要從事非飽和土與特殊土地基處理研究。E-mail：hxfen60@163.com。