Стадии преобразования грунта при электрохимическом закреплении
Электрохимическая обработка глинистых грунтов основана на химических и физико-химических процессах, протекающих под действием постоянного электрического тока, поскольку глинистые грунты являются типичной коллоидной системой.
Процессы, происходящие в глинистых грунтах при электрохимическом закреплении, можно с некоторой условностью разделить на три группы: электрокинетические, электрохимические и процессы структурообразования. Рассмотрение электрокинетических и электрохимических процессов производится на основе теоретических положенией коллоидной химии, а процессов структурообразования — с позиций физико-химической механики. Улучшение строительных свойств глинистых грунтов путем их электрохимической обработки происходит в три стадии; на каждой стадии процессы действуют с различной интенсивностью и по-разному влияют на преобразование грунта.
Электрокинетические и электрохимические процессы являются основными процессами начальной стадии обработки грунта постоянным электрическим током. Первая стадия закрепления— интенсивное электроосмотическое выделение воды из грунта. На этой стадии происходит насыщение грунта ионами вводимого в него электролита, перегруппировка ионов, находящихся в грунте, переориентация и начальная агрегация частиц.
При более длительном пропускании постоянного тока наступает вторая стадия преобразования грунта, когда в нем образуется значительное количество новых химических соединений, цементирующих его частицы. Интенсивность электроосмотического осушения грунта значительно уменьшается.
На этой стадии коллоидно-химическое преобразование грунта (например, агрегация частиц) достигает необратимости.
Вторая стадия закрепления отличается от первой тем, что достигнутое упрочнение грунта является устойчивым и необратимым, в то время как улучшение свойств грунта, достигнутое на первой стадии закрепления, может утратиться при его увлажнении. Упрочнение грунта продолжается и после прекращения электрохимической обработки и вызывается кристаллизацией и перекристаллизацией новых, цементирующих грунт химических соединений. Интенсивность такого преобразования грунта зависит от продолжительности электрохимической обработки, а также от состава и состояния грунта. Это, внешне самопроизвольное, упрочнение грунта происходит на третьей стадии закрепления.
Электроуплотнение водонасыщенных грунтов (двухкомпонентная система) происходит в две стадии: первая стадия продолжается с начала пропускания электрического тока до образования трехкомпонентной системы и разрыва капилляров, а вторая — после разрыва капилляров, когда осуществляется сближение частиц между собой с возможным образованием прочностных молекулярных связей, также эффект последующего упрочнения. Электрохимические и электрокинетические процессы протекают в грунте на первых двух стадиях; накладываясь, дополняя и изменяя друг друга, они создают сложный механизм упрочнения грунта. Процессы структурообразования, зарождаясь на первой стадии закрепления, оказывают существенное влияние на улучшение физико-механических свойств глинистых грунтов на второй и третьей стадиях упрочнения; эти процессы выражаются в последовательном превращении естественной коагуляционно-тиксотропной структуры грунта в коагуляционно-кристаллизационную и кристаллизационно-коагуляционную структуру. Наиболее существенное значение для закрепления грунта имеют электроосмос, передвижение ионов, обмен ионов, электролиз и химические процессы, ведущие к образованию необратимых соединений.
Процесс структурообразования в глинистых грунтах
При прохождении постоянного электрического тока в глинистых грунтах протекают электрокинетические и электрохимические процессы, при которых происходит изменение структуры грунта, выражающееся в агрегации частиц и кристаллизации химических соединений. Важную роль при этом играет процесс коагуляционного структурообразования. Этот процесс начинается на первой стадии закрепления и наиболее интенсивно протекает в конце первой и, главным образом, на второй стадии закрепления, когда в результате осушения грунта происходит значительное сближение частиц. Для достижения необратимых преобразований грунтов необходимо, чтобы коагуляция частиц сопровождалась преодолением барьера отталкивания или склеиванием и цементацией частиц гелями (или одновременно теми и другими процессами), т. е. чтобы происходило образование между частицами более прочных и стойких связей.
В этом случае процесс упрочнения грунта будет продолжаться и после отключения электрического тока (на третьей стадии закрепления) за счет дальнейшего сближения частиц, происходящего при сезонном осушении грунтов, и главным образом за счет твердения и кристаллизации гелей (за счет роста числа кристаллизационных связей, их усиления и увеличения площади контактов срастания). Кристаллизация и перекристаллизация химических веществ и образование гелей приводят к цементированию частиц грунта, к заполнению пор и пустот различными цементирующими веществами. Между частицами грунта возникают новые коагуляционно-кристаллизационные связи, образующие новые структуры. Вследствие одновременно протекающих процессов коагуляции и кристаллизации происходит изменение химического и минералогического состава. Процесс упрочнения грунта вследствие коагуляционного структурообразования и цементации частиц может продолжаться довольно длительное время — в течение нескольких лет.
Упрочнение структуры грунта после окончания пропускания электрического тока происходит несколько медленнее, чем в самом процессе электрохимической обработки. Это объясняется по-видимому, дальнейшим превращением коагуляционных связей в кристаллизационные с одновременным усилением последних. Упрочнение грунта происходит благодаря постепенному превращению коагуляционно-кристаллизационной структуры в кристаллизационно-коагуляционную, т. е. в структуру с большим числом кристаллизационных связей.