2. Электрохимическое закрепление грунтов.

Метод основан на получении необратимых изменений состава и свойств грунтов под воздействием постоянного электрического тока. Модификации: 1) электрообработка с введением растворов солей; 2) электрообработка в течение длительного периода времени без добавки электролита; 3) электросиликатизация грунтов.

Длительное воздействие постоянного эл поля на высокодисперсные грунты с Кф менее 0.005 м/сут и содержанием глинистых частиц более 50% приводит к необратимым изменениям их свойств за счет коагуляционного структурообразования и электрохим реакций.

Электрохим процессы в глинистых грунтах обусловливаются электролитическими и хим реакциями, происходящих на электродах и в приэлектродных пространствах. В анодной зоне в рез процессов электролиза происходит накопление ионов материала анода за счет его окисления и растворения; выделение пузырьков кислорода при электрохим окислении воды и разрядке на аноде ионов ОН; понижение рН среды (подкисление) из-за образующихся в этой зоне ионов водорода за счет окислительных реакций. Электрохим процессы в анодной зоне в случае железных электродов могут быть представлены следующей схемой:

Fe – 2e^- = Fe²⁺

2H₂O – 4e^- = 4H⁺ +O₂↑

4OH – 4e^- = O₂↑ + 2H₂O

Fe²⁺ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + 2H⁺

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O = 4Fe(OH)₃

В катодной зоне преобладают процессы электролитического восстановления воды и катода, выделение атомарного и молекулярного водорода в виде пузырьков, повышение рН среды (подщелачивание) за счет накопления ионов гидроокисла:

4H₂O + 4e^- = 2H₂↑ + 4OH^-

2H⁺ + 2e^- = H₂↑

Интенсивность процесса прямо пропорциональна пропущенному за данное время току.

Существование кислой и щелочной зон в грунтах, подвергнутых обработке постоянным эл током приводит в конечном итоге к выщелачиванию из грунтов растворимых в воде соединений (кислоты и кислые соли анодной зоны, гидроокиси щелочных металлов в катодной). С другой стороны, образование гидроокисей двух- и трехвалентных металлов, нерастворимых в воде, ведет к их накоплению в грунтах. Сюда же относятся и процессы карбонизации гидроокислов щелочноземельных металлов в условиях свободного доступа СО₂ воздуха. Вхождение в обменный комплекс ионов водорода и трехвалентных катионов вместо одновалентных вносит существенный вклад в образование коагуляционных и цементационных связей, в конечном итоге приводя к росту прочности породы на несколько порядков.

После окончания процесса электрообработки в грунте выделяются 3 зоны: 1) анодная – наиболее осушенная и упрочненная, имеет кислую реакцию среды, в обменном комплексе грунта содержатся главным образом ионы Н+, Fe3+, Al3+, в порах – нерастворимые соли и гидроокиси железа. 2) катодная – наиболее обводненная и слабая, имеет щелочную реакцию среды, в обм комплексе одновалентные ионы, в порах – нерастворимые гидроокиси двухвалентных щелочно-земельных металлов и карбонатов, которые на некотором расстоянии от катода способствуют закреплению зоны. 3) промежуточная незакрепленная зона, в которой свойства грунтов близки к исходному состоянию.

Для глинистых грунтов с Кф 0,005-0,01 м/сут эффективным способом является совместное действие электроосмотического и электрохимического процессов, усиленных введением раствора электролита. Введение CaCl₂ является наиболее эффективным. Ионы Cl разряжаются (окисляются) на аноде и, реагируя с веществом анода, образуют хлористое железо, последнее гидролизуясь, превращается в гидрат закиси железа:

FeCl₂ + 2H₂O = Fe(OH)₂ + 2HCl

Образующаяся при этом HCl способствует еще большему подкислению среды анодной зоны и растворению анода. Гидрат закиси железа при доступе кислорода из воздуха переходит в гидрат окиси железа и выпадает в осадок в анодной зоне. Ионы Са²⁺ под действием эл тока передвигаются к катоду, и попав в его щелочную зону, образуют гидроокись кальция и железа, являясь цементирующими веществами для частиц грунта. За счет CO₂ воздуха Ca(OH)₂ + CO₂ = CaCO₃↓ + H₂O, что также способствует закреплению грунтов. При этом обменный комплекс грунта в катодной зоне насыщается Ca²⁺, а в анодной – Fe³⁺, H⁺, Al³⁺. Частицы коагулируют и становятся водостойкими, уменьшается набухание, пучение и усадка грунта, увеличивается угол внутреннего трения и сцепление.

Количество вводимого CaCl₂ зависит от минерального состава (емкости обмена) грунта, его влажности, концентрации порового раствора. При расчете количества необходимо учитывать также и разбавление раствора при его введении в переувлажненный глинистый грунт.

В морских илах добавление электролита может оказаться нецелесообразным ввиду высокого содержания в них растворимых солей. В этом случае достаточно провести электрообработку, а электрохимические преобразования будут содействовать повышению прочности за счет изменения влажности, электрохим и обменных реакций, выноса легкорастворимых солей и тп. В засоленных грунтах, где электроосмотический перенос влаги подавлен, воздействие эл тока может оказать упрочняющее влияние на грунт в рез-те исключительно электрохим преобразований в нем.

Улучшение свойств происходит в 3 стадии. 1) электрокинетические и электрохимич процессы. 2) интенсивность влагопереноса сокращается, накапливаются новообразования, цементирующие частицы грунта. 3) самопроизвольное упрочнение грунта уже после снятия воздействия, за счет кристаллизации и перекристаллизации новообразований.

В производстве в грунт забивают по контуру объекта ряды анодных и катодных перфорированных электродов. Используемые концентрации электролита изменяются от 4 до 20%. При этом для закрепления грунта текучей консистенции используют обычно меньшие концентрации, для более существенного преобразования грунта (борьба с пучением) – большие. Время обработки грунта зависит от вида работ и их назначения и составляет от 0,5 до 120 сут.