电渗-氯化钙对硫酸钠盐渍土变形的影响_张恒.pdf

第 51 卷 第 4 期2023 年 4 月华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）Vol.51 No.4April 2023电渗-氯化钙对硫酸钠盐渍土变形的影响张恒1，2，3，4 黄俊光4 李伟科4 李健斌4（1.华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640；2.广州建筑股份有限公司，广东 广州 510030；3.广州市建筑集团有限公司，广东 广州 510030；4.广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）摘要：过多的水盐含量是季冻区盐渍土产生变形的根本原因，而电渗可以通过驱动盐离子加速土体的排水固结，同时也会导致阴极土体含水率过大，进而产生严重冻胀变形。本文采用自制装置进行电渗联合氯化钙的室内试验，研究不同氯化钙含量（质量分数为0、5%、10%、15%的氯化钙溶液）对硫酸钠盐渍土变形的影响，结果表明：电渗联合氯化钙可以增大硫酸钠盐渍土的电导率，进而加速土中水的排出，相较于仅电渗处理，土体最终电渗排水量增加35%以上；硫酸钠盐渍土中过量的Na+和SO42-在电场力的驱动下分别向阴阳两极迁移，大部分随电渗水流排出，从而降低土体中含盐量，减小低温下土体冻胀盐胀变形；在电场力作用下，Ca2+迁移到阴极并与水解产生的OH-结合形成Ca（OH）2胶结物，大大增强土颗粒间的粘结力，而多余的Ca2+与可溶性硅酸盐发生反应形成水合硅酸钙（C-S-H），并沉积在土颗粒表面，增加土颗粒间的摩擦力，有效降低阴极土体的冻胀变形；经电渗-氯化钙处理后的硫酸钠盐渍土，微观结构更加密实，抵抗冻胀盐胀变形能力显著增强，其中以质量分数10%的氯化钙溶液的加固效果为最佳，相较于仅作电渗处理土体，最终排水量提高了近70%，阴极土体抗剪强度增大了27.1 kPa，冻胀变形量降低了65.1%，而当试验用氯化钙溶液中氯化钙质量分数超过10%后，由于渗流通道的淤堵和电极腐蚀，导致最终排水量和土体抗剪强度有所降低，土体变形量增大。关键词：硫酸钠盐渍土；冻胀变形；盐胀变形；电渗排水；氯化钙；微观结构；冻结试验中图分类号：TU411文章编号：1000-565X（2023）04-0053-08冻胀和盐胀是季节性冻土区盐渍土存在的主要问题，给该类地区的工程建设带来巨大挑战，造成这一问题的根本原因是土体内过多的水盐含量1。随着环境温度的降低，盐分的溶解度减小，一旦超过其饱和度，盐离子极易结合水分子形成晶体并产生体积膨胀，其中硫酸钠结晶后体积膨胀约3.18倍，对基础设施产生的影响最严重2-4。另外，当环境温度降至冰点以下时，土体孔隙内的水形成冰晶，体积增加约9%，这一过程同时又增加了孔隙中的盐浓度，进一步加速盐晶体的析出，加剧盐渍土的膨胀变形5。因此，降低硫酸钠盐渍土的水盐含量是抑制其冻胀和盐胀的根本措施。现有的设置绝缘层、固化法和注入氯化物等防治措施均存在一定的不足6-8；设置绝缘层和固化法须在施工前doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220359收稿日期：20220610基金项目：国家自然科学基金资助项目（52008122）；广州市建筑集团有限公司科技计划资助项目（2022-KJ017）Foundation item：Supported by the National Natural Science Foundation of China（52008122）作者简介：张恒（1989-），男，博士，主要从事特殊土变形机理和防治技术研究。E-mail：第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）进行，并不适用于既有建筑；注入氯化物主要依赖土体渗透性，其作用深度和范围有限。因此，迫切需要开发一种高效控制盐渍土变形的方法。近年来，电渗法被认为是改善软土性质的一种有效方法，通过施加直流电场促进土体中离子的运动，并拖动周围的水分子进行排水9-10，而且电渗系数不受土颗粒粒径限制，对于大多数细粒土，电渗系数在10-610-8 m2/（s V）之间，约为水力渗透系数的101 000倍11。为进一步加快电渗排水，许多学者采用添加化学溶液方式，其中加入硫酸钠具有明显效果。Daniel等12以多孔陶瓷板代替天然土体进行电渗试验，发现加入硫酸钠晶体后，水在电场作用下从阳极迁移到阴极，证实了加入硫酸钠对电渗排水的促进作用；臧俊超13研究了电渗污染土过程中金属离子的迁移，结果发现阴极附近Na+和Ca2+浓度升高，而SO42-和Cl-浓度则降低；Citeau等14通过溶解硫酸钠晶体改善土体电导率，结果表明硫酸钠的加入进一步加速了水分的迁移。电渗虽然有助于降低土体的水盐含量，但在排水过程中也会引起一些问题。根据电渗排水机理，水分在电场作用下向阴极区域迁移，导致阴阳极土体含水量明显差异，这将使阴极土体产生严重的冻胀变形。在以往的研究中，通常选用氯化钙作为添加剂来弥补电渗的这一缺陷。张恒等15通过研究发现电渗联合氯化钙固结软土效果较好。任连伟等16认为在阳极处注入氯化钙溶液可显著提高土体固化效率，并改善传统电渗法存在的加固效果差异的弊端。Zhang等17研究了氯化钙溶液对电渗排水的影响，结果表明氯化钙的加入进一步增加了粉质黏土的排水速率，并在阴极处生成胶结物提高了土体力学性质。由上述分析可知，过量的水盐含量是引起盐渍土变形的根本原因，而硫酸钠和氯化钙可以加速电渗排水，并缓解土体强度的差异性。鉴于此，文中以硫酸钠盐渍土为对象，研究电渗联合氯化钙方法对其盐胀冻胀变形的影响，从电渗排水量、离子浓度、微观结构、抗剪强度、冻结试验等方面阐述加固机理，并得到最佳氯化钙含量，为后续工程应用提供理论支撑。1试验1.1试验装置本研究所用试验装置如图1所示，试样容器由直径7.5 cm、高10 cm的有机玻璃圆筒制成，底板上钻有直径1 cm的排水孔，并通过橡胶软管与量筒相连；电极材料为2 mm厚的304不锈钢板，表面均匀分布孔径1 mm的圆孔；电极板分别与直流稳压电源的阴阳极连接，可提供最大5 A或30 V额定输出。氯化钙溶液和去离子水采用注射器从阳极孔多点均匀注入土体。试验所用硫酸钠和氯化钙购自阿拉丁商城，使用前未经进一步处理。1.2土样制作本研究所用土样取自青藏高原北麓河地区，经室内试验测定原状土的基本物理力学参数和离子含量如表 1 和表 2 所示，其中液限为 28.3%，塑限为 14.3%，相应的塑性指数为 14.0，根据GB 500212001 岩土工程勘察规范 将其划分为粉质黏土。由表2所示结果可见，土体中的主要离子为Na+（10.2%）、Ca2+（1.6%）、SO42-（2.5%）和Cl-（1.2%）。由于原状土中含有多种盐类和杂质，试验之前需进行脱盐清洗，以确保试验的准确性。将清洗后的土样放置在105 的恒温烘箱中干燥12 h以上，然后用橡胶棒碾碎，并测试其粒径分布情况，结果如图2所示。由图2可见，土颗粒粒径主要分布在1800 m渗流注入化学溶液橡胶管直流电源量筒10 cm土样7.5 cm阳极阴极（a）试验装置（b）试样容器图1电渗试验装置及试样容器Fig.1Schematic configurations of electroosmotic apparatus and cells表1原状土物理参数Table 1Physical properties of raw soil含水率w/%30.4重度/（kN m-3）16.6比重Gs2.75饱和度Sr/%99.6液限wL/%28.3塑限wp/%14.3表2原状土中离子含量Table 2Ion contents of raw soil%Na+10.2K+0.85Ca2+1.6Mg2+1.1SO42-2.5Cl-1.2NO3-0.0554第 4 期张恒 等：电渗-氯化钙对硫酸钠盐渍土变形的影响之 间，其 中 粒 径 100 m 的 土 颗 粒 约 占 75%，表明该土样粉黏粒含量高，水力渗透性较低，常规方法排水固结困难。根据试验方案配制浓度为0.39 mol/L的硫酸钠溶液，将一定质量的干土与硫酸钠溶液混合，得到含水量为30%的硫酸钠盐渍土，经测定其液塑限分别为27.6%和13.7%，干密度为1.68 g/cm3，孔隙比约为0.64，然后将所得湿土密封在塑料袋中，静置24 h以上，以保证水盐分布的均匀性。将土样分4层置入有机玻璃筒中，每层采用相等的能量击实，最终所有土样的干密度控制在1.74 g/cm3左右，约为最大干密度的90%。所有试样用塑料膜覆盖过夜，使电极与土体完全接触。将氯化钙颗粒溶解在去离子水中，得到质量分数分别为5%、10%和15%的氯化钙溶液。1.3测试方法本研究共有4个电渗组，其中3组分别从阳极孔注入质量分数5%、10%和15%的氯化钙溶液，另一组则作为对比试验组，注入等量的去离子水，电渗过程中忽略由于浓度差造成的离子扩散效应。为描述方便，根据氯化钙含量将土样分别命名为 T-0、T-5、T-10和T-15，注入溶液体积均为20 mL，通电时间为60 h，施加电压20 V，相当于2.0 V/cm的电压梯度。试验过程中实时监测电渗排水量的变化，电渗完成后，选取特定位置土体进行抗剪强度、微观结构和含水量测试，并将处理后土样进行冻结试验。2试验结果和分析2.1电渗排水量各电渗组累积排水量随时间的变化曲线如图3所示。根据排水速率变化大致可分为快速增加、稳定和逐渐减少3个阶段。主要因为施加电场后土体中游离的阳离子带动水分子快速向阴极迁移并集中排出，而随着含水率的持续降低，双电层变薄，水分子与土颗粒间的静电力增大，需要更大的能量才能将水从土体中排出。对比图3各电渗组排水量曲线的变化可以发现，氯化钙的注入显著加快了电渗排水，最终排水量随氯化钙含量的增加而增加，但当氯化钙含量超过限值后，电渗排水量反而降低。本研究中T-10最终排水量为128 mL，分别是T-0、T-5、T-15 的 1.7、1.25、1.16 倍。氯化钙溶液的加入增加了土体中Ca2+的浓度，Ca2+在电场的作用下从阳极迁移到阴极，同时吸附更多的水排出，而过量的 Ca2+也会与 SO42-结合形成微溶于水的硫酸钙，逐渐沉积堵塞了排水通道。此外，电渗结束后，通过称量发现T-0、T-5、T-10、T-15阳极板质量分别减少了0.4、2.5、3.1和3.8 g，电渗后阳极腐蚀结果如图4所示。主要因为氯化钙的注入加剧了阳极附近的化学反应，使其产生严重的腐蚀，土体与电极板之间的界面电阻进一步增加，从而影响最终电渗排水量。2.2排水中离子含量为深入研究电渗影响硫酸钠盐渍土盐胀变形的机理，对照试验组N-0未经电渗处理，仅在阳极处注入20 mL去离子水，并利用离子色谱仪定期检测重力排水中 Na+和 SO42-质量浓度的变化。由于重塑土样渗透性较低，5 h 后重力排水速率趋于0 mL/h，故选择T-0前5 h排水中的离子质量浓度进行比较。如图5（a）所示，T-0和N-0的Na+质量浓度存在显著差异，对于 N-0，Na+的质量浓度基本保持在115 mg/L左右，略低于溶液中的初始值，这主要是由于土颗粒表面带负电，吸附了部分Na+。对于T-0电渗组，排水中Na+质量浓度先升高后降低，在第4 h达到峰值281 mg/L，这也证实了Na+在电场10310010-11021010102030405060708090100d30d60 小于某粒径的累计百分数/%土颗粒粒径/m 累计百分曲线d10 粒径分布曲线d10=5.05;d30=26.68;d60=72.320246810121416粒径分布百分数/%图2试验土样粒径分布Fig.2Grain size distribution of studied clay05 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65020406080100120140阶段 阶段 累计排水量/mL时间/h T-0 T-5 T-10 T-15阶段 图3电渗排