中圖分類號(hào)：TU472.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-6717（2025）04-0010-09

Experimental study of electro-osmotic interface resistance of soft soil based on electrochemical reaction

HU Hao1，GAN Qiyun23， ZHOU Jian2，MA Yuchun L¹ ， JIANG Yicheng ² ， ZHU Zeming2 （1. China Railway Construction Group Southern Enginering Co.，Ltd.，Guangzhou 5l1466，P.R.China；2.Coastal and Urban Geotechnical Engineering Research Center; Zhejiang Urban Underground Space Development Engineering Research Center， Zhejiang University，Hangzhou 31Oo58，P.R.China；3. Zhejiang Jiantou Innovation Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，P.R.China）

Abstract： In order to solve the issue of high energy consumption and significant potential loss at the soilelectrode interface during electroosmotic consolidation，this study investigates the impact of electrode reactions on interface resistance from an electrochemical perspective.By using a self-designed one-dimensional electroosmotic consolidation device，indoor experiments were conducted to explore the trend of the clay-electrode interface resistance under diffrent electrode materials and diffrent power supply modes.The trend of interfacial resistance of four diffrent electrode materials，electric geosynthetics （EKG），iron，aluminum and copper， under continuous power supply was investigated through laboratory electroosmotic tests.Further，the electrochemical mechanism of action of two optimized power supply modes，intermittent current and polarity reversal，were investigated.Results show that electrode reactions alter the interface electrochemical properties， affecting interface resistance and thus the electroosmotic drainage rate.The rapid growth of the interfacial resistance is one of the reasons for the high energy consumption of electro-osmosis The anode interface resistance is significantly afected by electrode reactions，with a smaller anode interface resistance observed in the EKG electrode under long-term electrification，while the metal electrode exhibits a larger anode interface resistance due to the combined efects of concentration polarization and surface membrane resistance.Using an optimized power supply strategy could help alleviate interface polarization and inhibit interface resistance growth.

Keywords： electro-osmotic; interfacial resistance; electrode reaction; experiment study; ground improvement; electrochemistry

電滲法是一種加快細(xì)粒土排水固結(jié)的有效方法，被應(yīng)用于軟土地基加固、疏浚淤泥排水、重金屬污染土修復(fù)以及尾礦脫水等領(lǐng)域[。相較于堆載預(yù)壓和真空預(yù)壓等常規(guī)加固方法，電滲法排水速率不取決于水力滲透系數(shù)，具有顯著優(yōu)勢(shì)[2]。但在長(zhǎng)期應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，電滲法能耗較高[3，特別是在黏土-電極的界面處電勢(shì)損失（界面電阻所消耗的電勢(shì)）較大4，限制了該方法的推廣應(yīng)用。在工程界，界面電勢(shì)損失常被視為經(jīng)驗(yàn)值，占總電勢(shì)的 50%～ 90% 。Bjerrum等5在挪威現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，界面電勢(shì)損失約 50% ；李存誼在電滲加固海相吹填土?xí)r發(fā)現(xiàn)，電滲后期階段界面消耗的外電勢(shì)一度超過(guò)總電勢(shì)的 70% ，即在界面處的能耗甚至高于土體消耗的能耗。由此可見，研究電滲過(guò)程中黏土-電極界面過(guò)程機(jī)理，從而降低界面電阻、減小界面處的能耗是亟待解決的問(wèn)題。

目前針對(duì)黏土-電極界面電阻的研究多采用室內(nèi)試驗(yàn)方法，Zhuang等結(jié)合電滲試驗(yàn)現(xiàn)象，首次提出界面電壓降的假定并給出了界面電阻表達(dá)式。張雷等8發(fā)現(xiàn)，電滲過(guò)程中電勢(shì)損失主要發(fā)生在電極-土體界面處，并將其歸因于電極材料腐蝕。謝新宇等9基于金屬元件間的接觸電阻理論，研究了電極腐蝕及導(dǎo)電面積對(duì)界面電阻的影響。Gan等[0]將電化學(xué)經(jīng)典理論引入電滲加固領(lǐng)域，用于闡釋界面電阻變化機(jī)理，建立了基于電極反應(yīng)過(guò)程的界面電阻計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)界面電阻的主要影響因素包括電極材料、電極反應(yīng)持續(xù)時(shí)間、電極表面的電流密度以及孔隙液pH值等。上述模型的提出為從電極反應(yīng)差異研究電滲過(guò)程中界面電阻變化提供了理論基礎(chǔ)。電極反應(yīng)是電滲時(shí)電流自電極板進(jìn)入土體的必要步驟。土體通電后，黏土-電極界面處的電極反應(yīng)保證了電子在電極（電子導(dǎo)體）和黏土（離子導(dǎo)體）間的跨相傳遞。不同電極材料的電極電化學(xué)反應(yīng)各不相同，式（1）和式（2）所示分別為金屬電極和

惰性電極的陽(yáng)極反應(yīng)。

式中：Me指代不同金屬元素； n 為電荷數(shù)。

陰極處主要發(fā)生析氫反應(yīng)

2H₂O+2e^-H₂↑+2OH^-

不同的電化學(xué)反應(yīng)會(huì)造成黏土-電極界面處電阻變化規(guī)律的極大差異。

在電滲法的應(yīng)用中，電極反應(yīng)變化主要體現(xiàn)在電極材料和通電模式上。電極材料對(duì)電滲產(chǎn)生的影響廣受學(xué)者關(guān)注[4.8，11-12]，較多學(xué)者將目光聚焦于整體電滲排水表現(xiàn)，對(duì)產(chǎn)生電滲排水效果差異的內(nèi)在機(jī)理研究較少。陶燕麗等[12]總結(jié)了電極材料對(duì)電滲的影響，并指出電極材料對(duì)電滲過(guò)程的影響主要通過(guò)電勢(shì)損失和離子遷移過(guò)程實(shí)現(xiàn)。進(jìn)一步地，為降低傳統(tǒng)電滲法的能耗，提升排水效率，在工程現(xiàn)場(chǎng)往往會(huì)采用優(yōu)化通電模式[5-6.13-14]。優(yōu)化通電模式包括間歇通電和反轉(zhuǎn)通電等，與持續(xù)通電相比，優(yōu)化模式以中斷或變換電極反應(yīng)的方式改變黏土-電極界面狀況，對(duì)界面電阻同樣會(huì)產(chǎn)生較大影響。目前學(xué)者較多關(guān)注通電參數(shù)與排水速率，如Micic等[15]和Malekzadeh等[16使用鐵電極進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)通電時(shí)間和通電斷電時(shí)間比（通斷比）展開了研究；Ou等發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)時(shí)間反轉(zhuǎn)通電不利于電滲排水；沈揚(yáng)等[18]和蔣熠誠(chéng)等[19利用EKG電極研究了電極反轉(zhuǎn)規(guī)律。上述研究集中于電極材料和通電模式對(duì)排水效率的直接影響，缺乏對(duì)界面電阻變化規(guī)律的研究，未考慮電極反應(yīng)差異在其中的作用。

綜上所述，針對(duì)電極反應(yīng)差異對(duì)電滲界面電阻以及排水效率的影響，筆者首先開展不同電極材料電滲排水室內(nèi)試驗(yàn)，基于電化學(xué)模型分析界面電阻變化。其次，開展間歇通電和反轉(zhuǎn)通電兩種通電模式的電滲試驗(yàn)，研究非連續(xù)電極反應(yīng)下界面電阻的變化規(guī)律。通過(guò)多組室內(nèi)電滲試驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注電滲過(guò)程中的電學(xué)現(xiàn)象，研究電化學(xué)反應(yīng)、界面電阻以及電滲排水效率三者的相互關(guān)系，為降低電滲界面電阻、緩解電滲高能耗提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)分為兩個(gè)部分。第1部分為不同材料電極的持續(xù)通電試驗(yàn)：分別使用EKG、鐵、鋁、銅電極，分析界面電阻變化規(guī)律，并探尋界面電阻對(duì)排水效率的影響。其中，EKG電極由添加碳黑的塑料排水板包裹銅絲構(gòu)成，具有良好的導(dǎo)電性，耐腐蝕，是近年來(lái)逐步推廣使用的一種電極材料。EKG電極通電后發(fā)生的電極反應(yīng)與惰性電極（式（2））相似，試驗(yàn)結(jié)果一定程度上代表了石墨等惰性電極的情況。第2部分為優(yōu)化通電模式對(duì)各電極界面電阻的影響：選取第1部分試驗(yàn)中排水效果較好的鐵電極和EKG電極開展優(yōu)化通電模式試驗(yàn)研究，重點(diǎn)研究不同電極材料下間歇通電和反轉(zhuǎn)通電時(shí)界面電阻變化趨勢(shì)，具體試驗(yàn)方案見表1。

RC-1和RC-2試驗(yàn)采用反轉(zhuǎn)通電模式，為避免混淆，將持續(xù)通電試驗(yàn)下通電方向定義為正向，反轉(zhuǎn)后稱反向通電。所有試驗(yàn)中正向通電電壓取30V ，電勢(shì)梯度 1.5V/cm ，為電滲室內(nèi)試驗(yàn)常用取值范圍[20]。持續(xù)通電組（CC1-4）通電時(shí)間為 24h 。這是由于前期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)EKG電極持續(xù)通電 24h 后基本不再排水，排水速率連續(xù) 3h 小于 1mL/h ，因此推廣至各金屬電極試驗(yàn)中。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，雖然金屬電極通電 24h 后仍會(huì)有一定量的水排出，但本研究重點(diǎn)關(guān)注界面電阻的變化及影響，后續(xù)排水對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。對(duì)于優(yōu)化通電模式的試驗(yàn)組，蔣熠誠(chéng)等[19總結(jié)了現(xiàn)有研究中存在的一些分歧，并通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于EKG電極，在適當(dāng)電壓下短時(shí)間反轉(zhuǎn)通電有利于電滲排水。因此，參考文獻(xiàn)[19]，本研究反轉(zhuǎn)通電采用正向通電 20min ，反向通電4min ，反向通電電壓 20V 的方案，間歇通電采用通電

20min ，斷電 4min 的模式。試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間由正向通電時(shí)間控制，當(dāng)正向累積通電達(dá)到 24h 時(shí)停止試驗(yàn)，即間歇及反轉(zhuǎn)試驗(yàn)組的真實(shí)持續(xù)時(shí)間為 28.8h 。

1. 2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用自主研發(fā)的電滲室內(nèi)試驗(yàn)系統(tǒng)（如圖1所示），由模型箱、供電模塊及數(shù)據(jù)采集模塊組成。相較于以往研究中常用的電滲裝置，該裝置主要對(duì)供電模塊和數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行了改進(jìn)，克服了需要人工切換電源，無(wú)法高頻次間歇、反轉(zhuǎn)通電的缺陷。供電模塊包括直流供電電源、計(jì)時(shí)器、反轉(zhuǎn)切換開關(guān)以及控制回路電源，輸出功率為 60V/ （3A），能穩(wěn)定提供直流電，輸出精度控制在±0.2% 。通過(guò)計(jì)時(shí)器和反轉(zhuǎn)切換開關(guān)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)間歇通電和反轉(zhuǎn)通電，可以控制時(shí)間范圍在 的電源切換，控制精度為 1% 。數(shù)據(jù)采集模塊頻率為 1Hz ，電壓表精度為 1mV ，電流表精度為0.1mA ○

模型箱 （200mm×100mm×120mm） 由有機(jī)玻璃組成，兩側(cè)利用固定扣件將工作電極與電勢(shì)探針固定在側(cè)壁處，避免發(fā)生相對(duì)位移。工作電極整體高度為 140mm ，插入土體部分長(zhǎng) 120mm 。試驗(yàn)時(shí)土體表面覆有密封膜，防止水分蒸發(fā)干擾試驗(yàn)結(jié)果，在陰極處設(shè)置排水管、儲(chǔ)水燒杯及電子天平，記錄試驗(yàn)排水情況。

1.3 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土為杭州淤泥，取自某杭州亞運(yùn)基坑工程。原狀土各項(xiàng)物理指標(biāo)如下：含水量 w=58.5% 土粒比重 G_s=2.75 ，孔隙比 e=1.47 ，液限 45.3% ，塑限 w_p=23.5% ，土體電導(dǎo)率 σ_e=0.16S/m 。試驗(yàn)時(shí)為確保黏土試樣均勻，將原狀土烘干研磨成土粉，加人去離子水，調(diào)制成試驗(yàn)所需目標(biāo)含水量（ 80% 的重塑淤泥，制備完成后密封靜置 72h 以上。

工作電極采用鐵、鋁、銅、EKG四種材料的電極板。金屬電極（ （1mm×100mm×140mm） 包括鐵、鋁、銅電極，在陰極板處開有小孔，確保順利排水，孔徑約 3mm 。EKG電極采用板式EKG電極，尺寸為 5mm×100mm×140mm ，陰極板處開孔方式同金屬電極。由于EKG電極與土體接觸部分主要是由石墨組成的非金屬材料，因此，其陽(yáng)極表面所發(fā)生的電極反應(yīng)為析氧反應(yīng)（式（2）），EKG電極的試驗(yàn)結(jié)果一定程度上代表了一系列陽(yáng)極發(fā)生析氧反應(yīng)的惰性電極情況。

2 不同電極反應(yīng)界面電阻試驗(yàn)結(jié)果

大量電滲試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)界面電勢(shì)降的存在[7，9]，但大多僅在試驗(yàn)前、中、后期進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間間隔較大，少有研究連續(xù)測(cè)量其隨時(shí)間的變化。本研究利用高頻率電壓電流表對(duì)界面電勢(shì)降進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并通過(guò)式（4）分別計(jì)算陽(yáng)極和陰極界面電阻

式中： R_a，R_c 分別為陽(yáng)極界面電阻和陰極界面電阻，Ω;V_a¹V_c¹ 為陽(yáng)極電勢(shì)降及陰極電勢(shì)降，V，由電壓表實(shí)測(cè)所得； I 為電流，A，由電流表測(cè)得。Gan等[從黏土-電極界面電化學(xué)反應(yīng)角度推導(dǎo)了金屬和非金屬電極界面電阻計(jì)算方法。該模型將界面所消耗的電勢(shì)分解成分解電壓、活化電勢(shì)差和濃差電勢(shì)差3個(gè)部分依次計(jì)算，并分析了其影響因素和產(chǎn)生機(jī)理。因此，本研究依據(jù)該模型，從活化電阻和濃差電阻的角度對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)中界面電阻的變化進(jìn)行分析。

2.1 陽(yáng)極界面電阻

圖2是陽(yáng)極界面電阻隨時(shí)間的變化曲線，其中，由于銅電極界面電阻過(guò)大，在圖2（b）中單獨(dú)呈現(xiàn)。試驗(yàn)開始時(shí)EKG電極陽(yáng)極界面電阻為 11Ω ，大于金屬電極的初始界面電阻，但增長(zhǎng)較緩慢，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍能保持較小的陽(yáng)極界面電阻。

金屬電極陽(yáng)極界面電阻增長(zhǎng)迅速，其變化趨勢(shì)可分為3個(gè)階段。

1第1階段陽(yáng)極電阻極小，僅為 3～5Ω 。此時(shí)界面電阻主要由分解電壓控制，在相同的電流密度下，金屬材料分解電壓遠(yuǎn)小于EKG等惰性電極材料，符合電極動(dòng)力學(xué)普遍規(guī)律[21]。

2）隨著通電的持續(xù)，界面電阻變化趨勢(shì)進(jìn)入第2階段，金屬表面逐漸發(fā)生鈍化，表面膜阻的增大使陽(yáng)極界面電阻迅速增長(zhǎng)。根據(jù)金屬材料的不同，鈍化發(fā)生時(shí)刻與電阻突增幅度也各不相同。就發(fā)生時(shí)刻而言，鋁電極最早出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，隨后是鐵電極與銅電極。其中又以銅電極持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，電阻增幅最明顯， 3.39h 后銅電極陽(yáng)極界面電阻增至 145Ω 。

3）進(jìn)入第3階段，界面電阻增長(zhǎng)速率逐漸穩(wěn)定，依次為銅電極 gt; 鋁電極 gt; 鐵電極。第3階段陽(yáng)極界面電阻的增長(zhǎng)是活化電阻、濃差電極和表面膜阻的共同作用，電流密度下降導(dǎo)致活化電阻升高，金屬離子累積導(dǎo)致濃差電阻增大，電極表面的沉積物進(jìn)一步加大了膜阻。

金屬電極的陽(yáng)極界面電阻增長(zhǎng)速率遠(yuǎn)大于EKG電極，這是由陽(yáng)極處的電化學(xué)反應(yīng)決定的。金屬陽(yáng)極反應(yīng)如式（1）所示，在通電的過(guò)程中伴隨著陽(yáng)極金屬的溶解，生成的金屬離子必然會(huì)在電極表面累積。金屬離子的累積會(huì)導(dǎo)致濃差極化現(xiàn)象，與此同時(shí)，還會(huì)生成一些副產(chǎn)物，如金屬氧化物、氫氧化物附著在電極表面，進(jìn)而形成極大的表面膜阻。圖3是電滲后各電極的照片，可以發(fā)現(xiàn)，銅電極陽(yáng)極表面有一層“紅泥”（氧化沉積物），嚴(yán)重阻礙了電極反應(yīng)的發(fā)生；鋁電極試驗(yàn)后雖然質(zhì)量變化不大，但在陽(yáng)極可以發(fā)現(xiàn)透明度較高的白色物質(zhì)，難以去除。表面膜阻也導(dǎo)致鋁、銅電極陽(yáng)極界面電阻在驟降后快速增長(zhǎng)。

總的來(lái)說(shuō)，金屬電極陽(yáng)極界面電阻的增長(zhǎng)主要由濃差電阻和表面膜阻兩部分構(gòu)成。

2.2 陰極界面電阻

圖4是陰極界面電阻變化曲線，對(duì)比陽(yáng)極曲線（圖2）發(fā)現(xiàn)，陰極界面電阻的增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)不及陽(yáng)極，以銅電極為例，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)陰極電阻為 65Ω 左右，遠(yuǎn)小于陽(yáng)極界面電阻（ 786Ω ）。試驗(yàn)初期，EKG電極和鋁電極的電阻初始值大于鐵電極和銅電極；隨著通電的持續(xù)，EKG電極和鐵電極界面電阻維持在較低水平，鋁電極和銅電極的陰極界面電阻增長(zhǎng)較為顯著；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，EKG電極和鐵電極的陰極界面電阻較小，分別為 8.9.6.5Ω ，鋁電極 （45.0Ω） 以及銅電極 （61.9Ω 相對(duì)較大。總體而言，陰極界面電阻受電極材料影響較小，主要是由于各材料在陰極均發(fā)生了析氫反應(yīng)（式（3）），相同的電化學(xué)反應(yīng)使其呈現(xiàn)出一定的相似性。

綜合對(duì)比陽(yáng)極界面電阻和陰極界面電阻可以發(fā)現(xiàn)，在通電過(guò)程中，陽(yáng)極界面電阻對(duì)電滲效率起主導(dǎo)作用。無(wú)論是金屬電極還是EKG電極，陽(yáng)極界面電阻均大于陰極。陰極界面電阻增長(zhǎng)不明顯，是由于電極反應(yīng)生成物氫氧根離子隨排水離開電極板表面，因此濃差極化不明顯。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，陰極界面電阻增長(zhǎng)較為迅速的銅、鋁電極陰極電阻的變化趨勢(shì)與陽(yáng)極類似，這是由于銅、鋁電極陽(yáng)極濃差電阻和表面膜阻較大，使電流下降，較小的電流值導(dǎo)致陰極活化電阻大增，因此，這兩種電極的陰極界面電阻增長(zhǎng)稍顯迅速。

2.3 排水量和電流

電滲試驗(yàn)中，排水量是最為直觀的判斷電滲效果的指標(biāo)2，圖5為不同電極在持續(xù)通電下電滲排水量隨時(shí)間的變化曲線。由圖5可知，EKG電極的排水效果最佳，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)排水量超過(guò) 250mL ；在試驗(yàn)條件下，相較金屬電極，EKG電極具有較大優(yōu)勢(shì)，鐵、鋁、銅電極的排水量?jī)H為EKG的 85.6% 、77.3%.64.1% 。排水量變化曲線斜率反映了該試驗(yàn)組的排水速率，EKG電極在通電 10h 內(nèi)排水速率較快，隨后逐漸放緩；而對(duì)于金屬電極，電滲開始后4h內(nèi)排水較快，總體而言，排水速率均不及EKG電極。界面電阻越大的試驗(yàn)組排水效果越差，因此，界面電阻一定程度上可以作為電滲過(guò)程中反映排水效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

試驗(yàn)采用恒定電壓供電，外電壓保持為 30V 不變，電流的變化反映了電滲體系整體電阻的變化。圖6是電流隨時(shí)間的變化曲線，各試驗(yàn)組電流在前期均有小幅上升。從局部放大圖中可以發(fā)現(xiàn)，鋁電極最快達(dá)到電流峰值，隨后迅速衰減；EKG電極和鐵電極電流上升趨勢(shì)較鋁電極慢，但持續(xù)時(shí)間更久；銅電極上升不明顯。經(jīng)歷上升段后，電流開始下降，其中EKG電極電流下降幅度明顯小于金屬電極，能在較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)保持較大電流。金屬電極的電流均存在一個(gè)快速下降的過(guò)程，如鐵電極的1.25～2.4h， 鋁電極的 0.5～1.9h 和銅電極的1.25～3.6h ，其中又以銅電極的突降持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，突降幅值最大。

儲(chǔ)亞等[22]發(fā)現(xiàn)，土體電阻率隨含水量的減小而增大，在電滲排水中土體電阻不可避免地會(huì)上升。但對(duì)比EKG電極和金屬電極（特別是銅電極）的電流變化情況可以發(fā)現(xiàn)，EKG電極的最終排水量和電流值均遠(yuǎn)大于金屬電極，即EKG組土體電阻大于金屬電極的情況下，其整體電阻仍小于金屬電極。

值得一提的是，在持續(xù)通電中后期（EKG電極的 9.6h 、鐵電極的 14h 、鋁電極的 16.5h 以及銅電極的 20h 處）可以觀察到電流的突升，且排水效果越佳的試驗(yàn)組電流突升越早出現(xiàn)（EKG電極 gt; 鐵電極 gt; 鋁電極 gt; 銅電極）。這是由于持續(xù)通電時(shí)排水效果不均勻，陽(yáng)極處土體排水效果好，失水收縮較為嚴(yán)重，導(dǎo)致電極板與土體發(fā)生脫裂。電極板與土體的部分脫裂使其接觸面積減小，在電流相同時(shí)，接觸面積的逐步減小使電流密度增大，活化電阻驟降，因此出現(xiàn)了圖2中所示的陽(yáng)極界面電阻驟降的情況，電阻的下降使電流升高，電滲效率提高。

3優(yōu)化通電模式試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)持續(xù)通電試驗(yàn)中排水效果較好的EKG電極和鐵電極開展優(yōu)化通電模式試驗(yàn)。首先分析排水量，以直觀反映各通電模式下的電滲效果，如圖7所示。在本試驗(yàn)條件下，EKG電極和鐵電極在兩種優(yōu)化模式下均體現(xiàn)出良好的排水效果，間歇通電時(shí)排水量分別提高了 15.4% 和 14.8% ，反轉(zhuǎn)模式下則提高了 4.0% 和 18.0% 。采用短時(shí)間反轉(zhuǎn)或間歇的通電模式有助于提高電滲排水效率。

分析通電過(guò)程中各試驗(yàn)組電流、界面電阻變化情況，討論優(yōu)化通電模式對(duì)界面電阻的影響。

3.1 EKG電極試驗(yàn)結(jié)果

EKG電極各試驗(yàn)組電流變化如圖8所示。間歇與反轉(zhuǎn)通電模式均不改變電流整體趨勢(shì)變化，表現(xiàn)為先小幅增長(zhǎng)，而后隨著排水電流不斷下降的趨勢(shì)。電流從大到小依次為間歇通電、反轉(zhuǎn)通電和持續(xù)通電，與排水效率一致。在試驗(yàn)開始后 ^10h 內(nèi)，持續(xù)組電流下降最快，其后依次為反轉(zhuǎn)組和間歇組。采用優(yōu)化通電模式對(duì)小周期電流變化影響較大：間歇組小周期電流在試驗(yàn)初期呈“T\"形， ^10h 后變?yōu)椤癓\"形，通電開始時(shí)刻電流值大于上一周期結(jié)束時(shí)刻，而后緩緩下降；反轉(zhuǎn)組同樣呈前期“T\"形、后期“L\"形的趨勢(shì)。該變化主要受界面電阻影響，需要結(jié)合界面電阻分析。

圖9是3種通電模式下EKG電極陽(yáng)極界面電阻變化曲線。在整體趨勢(shì)上，持續(xù)通電組增長(zhǎng)最快，間歇組與反轉(zhuǎn)組陽(yáng)極電阻增長(zhǎng)較緩，特別是在試驗(yàn)最初 ^10h 內(nèi)，與持續(xù)組有較大差異。觀察各組小周期的陽(yáng)極界面電阻變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，間歇或反轉(zhuǎn)通電后小周期內(nèi)電阻變化呈“T\"形。小周期界面電阻變化主要受黏土-電極界面處氫離子（陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物）濃度影響：在間歇通電時(shí)，斷電期間電極表面累積的氫離子在化學(xué)勢(shì)作用下向土體方向擴(kuò)散遷移；在反轉(zhuǎn)通電時(shí)，原陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)由式（2）轉(zhuǎn)變?yōu)槭剑?），反應(yīng)生成氫氧根離子消耗累積在電極表面的氫離子。陽(yáng)極表面氫離子濃度下降，濃差電阻下降，因此，每個(gè)小周期恢復(fù)通電時(shí)均能發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極界面電阻減小。

陰極界面電阻變化趨勢(shì)見圖10。相較于持續(xù)組，間歇通電的陰極電阻前 8h 變化較小，維持在 6Ω 左右， 8h 后有所增加；反轉(zhuǎn)通電陰極電阻在試驗(yàn)開始 2h 內(nèi)突增，而后也持續(xù)上升。陰極界面電阻小周期變化趨勢(shì)分為兩個(gè)階段，前期呈\"L\"形，后期轉(zhuǎn)變?yōu)椤癟\"形。結(jié)合電流變化（圖8）可以發(fā)現(xiàn)，EKG電極同時(shí)受陰、陽(yáng)極界面電阻變化影響，前期陽(yáng)極電阻較小，電流變化受陰極電阻影響較大，后期隨著陽(yáng)極界面電阻增大，陰極電阻影響逐漸減小，電流變化與陽(yáng)極電阻變化趨于一致。

3.2鐵電極試驗(yàn)結(jié)果

鐵電極電流變化情況如圖11所示。采用優(yōu)化的通電模式后，電流整體趨勢(shì)在3個(gè)方面有所變化：首先，整體電流大小明顯提升且反轉(zhuǎn)組 gt; 間歇組gt;持續(xù)組，符合電滲排水量與電流大小成正比的規(guī)律；其次，電流突降時(shí)刻明顯延后，由持續(xù)通電時(shí)的2h 左右延后至反轉(zhuǎn)通電的4h和間歇通電的6h左右，前期較大的電流保證了電滲初期的快速排水；最后，采用優(yōu)化通電可以緩解陽(yáng)極脫裂現(xiàn)象，使加固效果更為均勻，反映在電流變化中即為電滲后期電流突增時(shí)刻的推遲。將每個(gè)正向通電的 20min 稱為一小周期，間歇與反轉(zhuǎn)試驗(yàn)組電流在小周期呈“L\"形，即通電開始時(shí)刻電流值大于上一周期結(jié)束時(shí)刻，而后逐漸下降。

鐵電極陽(yáng)極界面電阻變化趨勢(shì)如圖12所示。各試驗(yàn)組整體趨勢(shì)相同，采用優(yōu)化通電模式可以在一定程度上緩解電極表面鈍化的發(fā)生，反轉(zhuǎn)組與間歇組界面電阻分別在試驗(yàn)開始后約4、6h開始迅速增長(zhǎng)，晚于持續(xù)通電組。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，電阻增長(zhǎng)峰值依次為持續(xù)組 gt; 間歇組 gt; 反轉(zhuǎn)組，優(yōu)化通電模式限制了界面電阻的增長(zhǎng)。

進(jìn)一步觀察小周期內(nèi)陽(yáng)極界面電阻變化發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化通電后各組均呈“T”形趨勢(shì)。其主要原因是，當(dāng)采用間歇通電模式時(shí)，斷電期間在電極表面累積的陽(yáng)極反應(yīng)產(chǎn)物在化學(xué)勢(shì)的作用下向土體方向擴(kuò)散遷移，濃差極化現(xiàn)象有所緩解，濃差電阻下降，因此，恢復(fù)通電后陽(yáng)極界面電阻減??；而采用反轉(zhuǎn)通電時(shí)，原陽(yáng)極（正向通電時(shí)作為陽(yáng)極的電極）發(fā)生析氫反應(yīng)，生成氫氧根離子，氫氧根離子濃度的增大會(huì)使金屬離子發(fā)生沉淀析出，同樣有利于濃差電阻的降低。

在電滲試驗(yàn)中，整體電阻由土體電阻和界面電阻兩部分構(gòu)成，上述陽(yáng)極界面電阻變化趨勢(shì)與電流變化趨勢(shì)一一對(duì)應(yīng)，說(shuō)明采用優(yōu)化通電模式可以緩解陽(yáng)極界面電阻增長(zhǎng)，促進(jìn)電流提高，進(jìn)而有利于電滲固結(jié)排水。

陰極界面電阻變化趨勢(shì)如圖13所示，與陽(yáng)極界面電阻相比，金屬電極陰極電阻值較小，主要受活化電阻控制；小周期變化與陽(yáng)極相同，呈“T\"形，同樣是由于濃差極化有所緩解。

從界面電阻角度來(lái)看，采用間歇與反轉(zhuǎn)通電模式后，鐵電極促進(jìn)電滲排水的原因主要有：1）推遲金屬電極表面鈍化的發(fā)生，抑制表面膜阻增長(zhǎng)；2）通過(guò)緩解濃差極化現(xiàn)象降低每個(gè)小周期初始界面電阻，提高有效電勢(shì)；3）使排水處理效果更均勻，緩解陽(yáng)極電極板與土體的脫裂。

4結(jié)論

通過(guò)多組電滲室內(nèi)試驗(yàn)，結(jié)合電化學(xué)界面電阻模型，從多個(gè)角度研究電極反應(yīng)差異對(duì)黏土-電極界面電阻的影響，得到以下結(jié)論：

1）電極反應(yīng)是界面電阻的重要影響因素。電極材料和通電模式均會(huì)改變黏土-電極界面均會(huì)改變黏土-電極界面處的離子分布和電化學(xué)反應(yīng)速率，進(jìn)而影響電滲排水速率。

2）在本研究的電勢(shì)梯度下，試驗(yàn)初期金屬陽(yáng)極界面電阻均小于EKG電極，主要由于EKG陽(yáng)極析氧反應(yīng)分解電壓遠(yuǎn)高于金屬；試驗(yàn)后期界面電阻EKG lt; 鐵電極 lt; 鋁電極銅電極，鋁、銅電極的膜阻增長(zhǎng)嚴(yán)重影響了電滲排水效率。

3）界面電阻變化趨勢(shì)與排水效率高度一致。降低電滲過(guò)程中的界面電勢(shì)損失有助于促進(jìn)電滲排水，提高能源利用效率。

4）采用優(yōu)化通電模式有利于緩解界面極化現(xiàn)象，抑制界面電阻增長(zhǎng)。對(duì)于EKG電極，優(yōu)化模式可以在小周期內(nèi)減小濃差極化，有利于降低界面電阻；對(duì)于鐵電極，間歇與反轉(zhuǎn)通電均可推遲電極表面鈍化的發(fā)生。

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（編輯王秀玲）