CC BY
11
УДК 625.033.38
О возможности электрохимической обработки глинистых грунтов железнодорожного земляного полотна с помощью фосфатных соединений
В. В. Ганчиц, Е. В. Черняев, В. А. Черняева
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Ганчиц В. В., Черняев Е. В., Черняева В. А. О возможности электрохимической обработки глинистых грунтов земляного полотна с помощью фосфатных соединений // Бюллетень результатов научных исследований. - 2019. - Вып. 3. - С. 46-55. 001: 10.20295/2223-9987-2019-3-46-55
Аннотация
Цель: Рассмотреть вопрос о возможности применения фосфатных электролитов для электрохимического закрепления грунтов земляного полотна эксплуатируемых железных дорог. Изучить взаимодействие соединений на основе фосфорной кислоты с глинистыми грунтами в поле постоянного электрического тока. Разработать рецептуры и режимы введения электролита, позволяющие равномерно упрочнить грунты во всем межэлектродном пространстве. Методы: Проведены лабораторные исследования электрохимической обработки глинистых грунтов фосфатными соединениями при разных режимах пропускания постоянного электрического тока. Результаты: Приведены рецептуры и режимы введения электролита, равномерно упрочняющие грунты во всем межэлектродном пространстве. Установлено, что максимальная прочность и равномерность закрепления грунта в межэлектродной зоне обеспечивается при использовании добавки оксида цинка в 5 %-ной концентрации при плотности электролита 1,12 г/см. Наибольшая равномерность закрепления достигается обработкой Zn0 5 %-ной концентрации. Наилучшая равномерность и качество закрепления образцов получены при градиенте напряжения 1 В/см. Практическая значимость: Доказана возможность применения фосфатных электролитов для усиления железнодорожного земляного полотна, сложенного глинистыми грунтами. Получены прочностные характеристики закрепленных грунтов, которые могут быть использованы при проектировании мероприятий по усилению земляного полотна.
Ключевые слова: Электрохимическое закрепление, электроосмос, ортофосфорная кислота, связные грунты, фосфатные вяжущие.
Введение
В работах многих исследователей установлено, что тонкодисперсная часть грунта не является инертной и вступает в активные и сложные взаимодействия с вяжущими и другими веществами [1]. Следовательно, одним из эффективных методов улучшения физико-механических свойств связных грунтов с коэффициентом фильтрации менее 0,5 м/сутки может являться
электрохимическая обработка [1-8]. Она заключается в том, что одновременно с пропусканием через закрепляемый грунт постоянного электрического тока через электроды в грунт вводятся определенного состава электролиты. При этом в зоне контакта микроагрегатов или на поверхности частиц синтезируются новые цементирующие вещества, в состав которых в качестве компонентов входят как продукты новообразований, так и составные части тонкодисперсных минеральных частиц. В результате прохождения различных физико-химических процессов с участием компонентов электролитов в грунте происходят его осушение, коагуляция тонкодисперсной фракции в электродных зонах, варьирование химического состава поглощенного комплекса и другие явления, которые обусловливают изменение первоначальных свойств грунта. Перечисленные процессы и реакции преобразуют грунт в новый с улучшенными строительными свойствами.
Однако, как показывает опыт, существующие способы электрохимической обработки, основанные на введении в грунт электролитов на основе хлористого кальция, алюмокалиевых квасцов, жидкого стекла и т. д., не обеспечивают требуемую прочность и равномерность закрепления грунта. В связи с этим большое значение приобретает совершенствование методов электрохимической обработки грунтов, в частности применения электролитов на основе ортофосфорной кислоты.
Анализ фундаментальных исследований
Имеющиеся фундаментальные работы в области электрохимической обработки грунтов дают возможность разработать принципиально новый электролит, позволяющий более активно и направленно использовать природные свойства грунта, усилить или ослабить влияние химико-минералогического состава, дисперсности, ионообменной способности и при этом обеспечить укрепленному грунту повышенную прочность, водо- и морозостойкость.
Фосфатные вяжущие для укрепления грунтов применяются достаточно давно. Предложены различные технологии по их механическому внедрению в закрепляемые грунты. В. М. Кнатько разработана теория о взаимодействии глинистых грунтов с фосфорной кислотой и ее производными [9]. Обобщение результатов исследований позволило прийти к следующим выводам.
Наиболее пригодными для закрепления фосфатами являются малокарбонатные или бескарбонатные грунты, имеющие кислую реакцию среды и отличающиеся преобладающим содержанием в поглощающем комплексе катионов Н+, А1 3+, Fe 2+, Fe 3+, а также гидрослюдистые и каолиновые грунты; наименее - монтморилловые грунты.
Однако это относится к тем случаям, когда фосфатное вяжущее вводится в грунт механическим путем. При электрохимической обработке воз-
никают принципиально иные зависимости и закономерности, которые до настоящего времени были не изучены.
Под воздействием постоянного электрического поля в глинистом грунте происходят значительные структурные изменения. В анодной зоне накапливаются ионы Н+, Fe 2+, Fe 3+, значительно уменьшается рН среды; все эти факторы являются благоприятными для синтеза фосфатного вяжущего. В то же время резкое снижение влажности в результате электроосмоса приводит к ухудшению диссоциации Н3Р04.
В катодной зоне под влиянием электрохимических и электрокинетических процессов возрастает содержание ионов Са 2+, М§ 2+, гидроксильных групп и карбонатов [4]. Значительно увеличивается рН. С точки зрения теории синтеза фосфатных вяжущих создается абсолютно неблагоприятная для закрепления среда.
Таким образом, надежное закрепление грунта будет происходить только в анодной зоне.
Экспериментальные исследования
Для подтверждения этих предположений и поиска решений, позволяющих повысить равномерность закрепления, была проведена серия экспериментов по электрохимической обработке глинистых грунтов фосфатными электролитами, целями которых являлись изучение взаимодействия соединений на основе фосфорной кислоты с глинистыми грунтами в поле постоянного электрического тока и подбор оптимальных рецептур и режимов введения электролита, позволяющих равномерно упрочнить грунты во всем межэлектродном пространстве.
Образцом грунтов в лабораторных опытах служил молотый суглинок полиминерального состава.
Для проведения экспериментов использовалась специальная установка, представляющая собой горизонтально расположенные разборные формы, в виде цилиндров, выполненные из пластика. Внутри них находится закрепляемый грунт. Спереди и сзади цилиндры закрываются герметическими крышками. В формах имеются отверстия для подачи электролита, отвода выделившейся воды и подключения проводов к электродам. Длина закрепляемого образца грунта - 40 см, диаметр - 7 см. Схема установки приведена на рис. 1.
После окончания соответствующего этапа эксперимента формы разбирались, а образцы обработанного грунта делились на три части (анодную, промежуточную, катодную) и помещались в эксикатор, где хранились во влажной среде с капиллярной подпиткой.
Поскольку использование чистой фосфорной кислоты при электрохимической обработке не дает хороших результатов, необходимо исследовать
Рис. 1. Установка для электрохимической обработки грунтов: 1 - хомуты; 2 - трубки; 3 - резиновые прокладки; 4 - заглушки; 5 - стяжные болты; 6 - пружины; 7 - резиновые шланги; 8 - корпус; 9 - электроды; 10 - образец грунта;
11 - провода
возможность применения различных композиций на ее основе. В их состав должны входить соли различных металлов, ионы которых будут под воздействием поля постоянного электрического тока перемещаться в катодную зону и, взаимодействуя там с обменными катионами грунта, образовывать водонерастворимые структурные соединения. К ним могут относиться оксид цинка ZnO, никель N1, оксиды меди СиО и Си20. Схему происходящих процессов можно представить в следующем виде:
Zn0 + Н3Р04 ^ Zn(H3P04)2 + Н20,
после диссоциации в условиях избытка кислоты:
Zn (Н3Р04)2 ^ Zn 2+ + 2Н2Р04-.
При проникновении ионов металла, например Zn 2+, в катодную зону возможно их вступление в реакцию с №2С03, №0Н. В результате будут образовываться как водорастворимые цинкаты №^п02, CaZn03, так и водонерастворимые соединения ZnC03 и Zn (0Н)2. Однако, с точки зрения теоретической электрохимии, образование подобного рода соединений не абсолютно.
Для определения принципиальной возможности использования фосфатов была проведена электрохимическая обработка грунта несколькими типами электролитов с последующим испытанием образцов после их выдерживания во влажной среде, так как при электрохимической обработке значительное
место занимают электроосмотические явления, в результате которых значительно уменьшается влажность обрабатываемого грунта, что само по себе существенно увеличивает его прочность.
На второй стадии исследовался электролит, давший наилучшие результаты. Устанавливались оптимальная концентрация соли, плотность электролита и режимы электрообработки.
Изучались несколько типов электролитов на основе фосфорной кислоты с добавками Zn0, N1, Си20 и СиО. Концентрация солей была принята равной 5 и 10 %. Растворы подавались к анодам на протяжении всей электрообработки [10].
Результаты исследований
В результате проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:
- прочность анодной зоны не зависит от типа добавки и обусловливается воздействием Н2Р0-4;
- повышение концентрации соли не приводит к увеличению прочности промежуточной и катодной зон;
- максимальную равномерность закрепления показал грунт, обработанный Zn0 5 %-ной концентрации;
- наибольшую прочность в анодной зоне 0,89 МПа и равномерность закрепления дает электролит с плотностью 1,12 г/см 3;
- наилучшая равномерность закрепления получена при градиенте 1 В/см;
- интенсивное нарастание прочности в катодной и промежуточной зонах идет первые 100 ч обработки, затем процесс затухает. Устойчивая водостойкость грунта в катодной зоне достигается после 100-150 ч обработки [10].
Для определения влияния минерального состава грунта на результаты обработки фосфатным электролитом была проведена серия опытов с грунтами различного минерального состава. В качестве электролита использовалась фосфорная кислота с Zn0. Плотность электролита составляла 1,12 г/см 3, концентрация оксида цинка - 5 %. Градиент падения напряжения был принят равным 1 В/см, время электрообработки - 120 ч.
В эксперименте изучались два типа суглинка различного минерального состава, отличающихся от базового грунта, использовавшегося в предыдущих экспериментах. Химический состав грунтов и их физико-механические характеристики после электрохимической обработки приведены в табл. 1 и 2.
В результате лабораторных опытов был подобран электролит на основе ортофосфорной кислоты. Его применение при электрохимической обработке позволяет получить среднюю прочность закрепления глинистого грунта
Грунт В % N к абсолютно сухому составу навески
БЮ2 ^2°3 А12°3 Са° Mg0
Суглинок тяжелый пылеватый 66,33 7,45 15,2 1,14 1,61
Суглинок легкий пылеватый 59,73 8,12 16,11 3,08 4,72
Суглинок тяжелый песчанистый 66,52 7,14 15,87 2,96 4,52
ТАБЛИЦА 2. Физико-механические характеристики грунтов, подвергавшихся электрохимической обработке
гя 2 о гя 2 о % % л т с о Пластичность и т Гранулометрический состав мм
Грунт а) с с а (м с « м й а, т е л е к с а с с а 2 ая к м е о оаг л в ая д л Граница текучести Граница раскатывания с о н ч и т с а л п о л с и 2,0-0,25 5 0 0 2 0 0
ы н л л е £ н м е б О м и с к а Е Р > 2,0 0, - 5 ,2 0, 0, - 5 ,0 0, 0, 1,01 0, < 0,002
Суглинок
тяжелый 2,71 1,75 15,2 32,7 17,1 15,6 2,1 11,2 11,1 15,8 30,7 29,1
пылеватый
Суглинок
легкий 2,7 1,6 25,5 30,6 18,8 11,8 0,1 2 8 61,5 18 10,4
пылеватый
Суглинок
тяжелый 2,73 1,76 20,2 33,4 16,5 16,9 0,2 59,7 9,6 2,3 6,1 22,1
песчанистый
до 0,7 МПа. При этом прочность катодной зоны составляет 77 % от прочности анодной. Результаты представлены на рис. 2.
Заключение
Проведенные лабораторные исследования показали, что максимальная прочность и равномерность закрепления грунта в межэлектродной зоне обеспечиваются при использовании добавки оксида цинка 5 %-ной концентрации при плотности электролита 1,12 г/см.
с
S
Ê u О x т о
Рис. 2. Зависимость прочности грунта от его физико-механических характеристик и минерального состава через 30 суток после электрохимической обработки: 1 - суглинок тяжелый пылеватый; 2 - суглинок пылеватый; 3 - суглинок
тяжелый песчаный
Повышение концентрации соли не дает существенного увеличения прочности промежуточной и катодной зон. Наибольшая равномерность закрепления достигается обработкой ZnO 5 %-ной концентрации.
Наибольшая равномерность и качество закрепления образцов получены при градиенте напряжения 1 В/см.
Минеральный состав глинистого грунта влияет на эффективность применения электролита незначительно.
Сравнение фосфатного электролита с другими типами использовавшихся электролитов показало, что он дает наибольшую прочность закрепления в глинистых грунтах с малыми коэффициентами фильтрации (менее 0,005 м/сутки).
Библиографический список
1. Жинкин Г. Н. Электрохимическое закрепление грунтов в строительстве / Г. Н. Жин-кин. - Л. : Стройиздат, 1966. - 192 с.
2. Ребиндер П. А. Структурно-механические свойства глинистых пород и современные представления физико-химии коллоидов / П. А. Ребиндер // Труды совещания по инженерно-геологическим свойствам горных пород и методам их изучения. - М. : Изд-во АН СССР, 1956. - Т. 1. - С. 31-44.
3. Rachmasyah A. Stabilization of sandy clay using electrochemical injection / A. Ra-chmasyah, Y. Zaika // Journal of Basic and Applied Scientific Research. - Malang, Est Java of Indonesia : Toray Fondation Press, 2012. - Vol. 2 (5). - P. 4684-4690.
4. Rachmansyah A. Model test perbaikan tanah dengan metode injeksi / A. Rachmasyah, Y. Zaika // Elektrokimia Konferens Teknik Sipil. - Denpasar, Bali. - 2010. - P. 485-492.
5. Ганчиц В. В. Усиление железнодорожного земляного полотна электрохимической обработкой с применением фосфатных электролитов / В. В. Ганчиц // Ресурсосберегающие технологии в транспортном строительстве и путевом хозяйстве железных дорог : сб. науч. трудов по материалам Междунар. науч.-практич. интернет-конференции. - СПб. : ПГУПС, 2005. - URL : http://library.pgups.ru (дата обращения : 15.06.2019).
6. Ganchits V. V. Study of phosphates use in electrochemical treatment of water-saturated argillaceous soils / V. V. Ganchits, V.A. Cherniaeva // Preface. Procedia Engineering Proceedings of the International Scientific Conference Transportation Geotechnics and Geoecology (TGG-2017). - Saint Petersburg: PGUPS, 2017. - Vol. 189, N 1. - P. 268-271. D0I:10.1016/ j.proeng.2017.05.001
7. Azzam R. Elektrochmeische Bodenverfestigung des Baugrunds der St. Nikolauskirche in Welbeck Geldern / R. Azzam, D. Tondera, S. Hoepner // Geotechnik (Deutschen Gesels-chaftfuer Geotechnik). - 1997. - Vol. 20, N 3. - P. 203-214.
8. Жинкин Г. Н. О некоторых химических процессах, происходящих в глинистых грунтах при воздействии на них постоянного электрического тока / Г. Н. Жинкин, К. К. Сергеенкова // Труды совещания по теоретическим основам технической мелиорации грунтов. - М. : Изд-во МГУ, 1978. - С. 186-189.
9. Кнатько В. М. Укрепление дисперсных грунтов путем синтеза неорганических вяжущих / В. М. Кнатько. - Л. : Изд-во ЛГУ, 1989. - 257 с.
10. Ганчиц В. В. Применение фосфатных электролитов для электрохимического закрепления грунтов железнодорожного земляного полотна / В. В. Ганчиц // Современные технологии - железнодорожному транспорту и промышленности : сб. трудов науч.-технич. конференции. - Хабаровск : Изд-во ХабИИЖТ, 2003. - Т. 3. - С. 210-215.
Дата поступления: 28.06.2019 Решение о публикации: 10.07.2019
Контактная информация:
ГАНЧИЦ Виктор Всеволодович - науч. сотрудник; lumina1993@mail.ru ЧЕРНЯЕВ Евгений Владимирович - канд. техн. наук, доцент; chernyaev@pgups.ru ЧЕРНЯЕВА Виктория Андреевна - канд. техн. наук, доцент; chernyaeva@pgups.ru
On the possibility of electrochemical treatment of roadbed clay soils using phosphate compounds
V. V. Ganchits, E. V. Chernyayev, V. A. Chernyayeva
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Ganchits V. V., Chernyayev E. V., Chernyayeva V. A. On the possibility of electrochemical treatment of roadbed clay soils using phosphate compounds. Bulletin of scientific research results, 2019, iss. 3, pp. 46-55. DOI: 10.20295/2223-9987-2019-3-46-55 (In Russian)
Summary
Objective: To consider the possibility of using phosphate electrolytes for the roadbed electrochemical stabilization of operated railways. To study the interaction of compounds based on phosphoric acid with clay soils under a direct current electric field. To develop formulations and schedules of electrolyte introduction allowing uniformly hardening the soils throughout the interelectrode space. Methods: Laboratory studies of clay soils hardening by various phosphate electrolytes under different modes of direct electric current application. Results: Formulations and schedules of electrolyte introduction allowing uniformly hardening the soils throughout the entire interelectrode space are provided. It was found that the maximum strength and uniformity of soil stabilization in the interelectrode area are ensured by using 5 % zinc oxide additive at an electrolyte density of 1,12 g/cm. The greatest uniformity of stabilization is achieved by treatment with a 5 % ZnO compound. The greatest uniformity and quality of stabilization of the samples was achieved under a voltage gradient of 1 V/cm. Practical importance: The possibility of using phosphate electrolytes to reinforce the railway roadbed composed of clay soils, has been proved. The study allowed obtaining the strength characteristics of the stabilized soils, which can be used to develop measures to reinforce the roadbed.
Keywords: Electrochemical stabilization, electro-osmosis, phosphoric acid, cohesive soils, phosphate binders.
References
1. Zhinkin G. N. Elektrokhimicheskoyezakrepleniyegruntov v stroitel'stve [Electrochemical soil stabilization in construction]. Leningrad, Stroyizdat Publ., 1966, 192 p. (In Russian)
2. Rebinder P.A. Strukturno-mekhanicheskiye svoystva glinistykh porod i sovremen-nyye predstavleniya fiziko-khimii kolloidov [Structural and mechanical properties of clay rocks and current concepts of the physical and chemical properties of colloids]. Trudy soveshchaniya po inzhenerno-geologicheskim svoystvam gornykh porod i metodam ikh izucheniya [Proceedings of the Meeting on the engineering and geological properties of rocks and methods for their study]. Moscow, Academy of Sciences of USSR Publ., 1956, vol. 1, pp. 31-44. (In Russian)
3. Rachmasyah A. & Zaika Yu. Stabilization of sandy clay using electrochemical injection. Journal of Basic and Applied Scientific Research. Malang, East Java of Indonesia, Toray Foundation Press, 2012, vol. 2 (5), pp. 4684-4690.
4. Rachmansyah A. & Zaika Y. Model test perbaikan tanah dengan metode injeksi. Elek-trokimia, Konferensi Teknik Sipil. Denpasar, Bali, 2010, pp. 485-492.
5. Ganchits V. V. Usileniye zheleznodorozhnogo zemlyanogo polotna elektrokhimicheskoy obrabotkoy s primeneniyem fosfatnykh elektrolitov [Reinforcement of the railway roadbed by electrochemical treatment using phosphate electrolytes]. Resursosberegayushchiye tekhnologii v transportnom stroitel'stve iputevom khozyaystve zheleznykh dorog. Sb. nauch. trudov po mate-rialam Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy internet-konferentsii [Resource-saving technologies in transport construction and railway equipment. Coll. scientific papers based on the Proceedings of the International Scientific and Practical Internet Conference]. Saint Petersburg,
PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2005. Available at: http://library.pgups.ru (accessed: 15.06.2019). (In Russian)
6. Ganchits V. V. & Cherniaeva V.A. Study of phosphates use in electrochemical treatment of water-saturated argillaceous soils. Preface. Procedia Engineering/Proceedings of the International Scientific Conference Transportation Geotechnics and Geoecology (TGG-2017). Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, vol. 189, no. 1, pp. 268-271. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.05.001
7. Azzam R., Tondera D. & Hoepner S. Elektrochmeische Bodenverfestigung des Baugrunds der St. Nikolauskirche in Welbeck Geldern. Geotechnik (Deutschen Geselschaftfuer Geotechnik), 1997, vol. 20, no. 3, pp. 203-214.
8. Zhinkin G. N. & Sergeyenkova K. K. O nekotorykh khimicheskikh protsessakh, proisk-hodyashchikh v glinistykh gruntakh pri vozdeystvii na nikh postoyannogo elektricheskogo toka [On certain chemical processes occurring in clay soils under a direct electric current]. Trudy soveshchaniya po teoreticheskim osnovam tekhnicheskoy melioratsii gruntov [Proceedings of the meeting on the theoretical background of technical soil reclamation]. Moscow, MGU [Lo-monosov Moscow State University] Publ., 1978, pp. 186-189. (In Russian)
9. Knat'ko V. M. Ukrepleniye dispersnykh gruntovputem sinteza neorganicheskikh vya-zhushchikh [Reinforcement of dispersive soils through the synthesis of inorganic binders]. Leningrad, LGU [Leningrad State University] Publ., 1989, 257 p. (In Russian)
10. Ganchits V. V. Primeneniye fosfatnykh elektrolitov dlya elektrokhimicheskogo zakre-pleniya gruntov zheleznodorozhnogo zemlyanogo polotna [Usage of phosphate electrolytes for electrochemical stabilization of railway roadbed soils]. Sovremennyye tekhnologii -zheleznodo-rozhnomu transportu i promyshlennosti. Sb. trudov nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [Modern technologies - for railway transport and industry. Coll. papers of the Scientific and Technical Conference]. Khabarovsk, KhIIZhT [Khabarovsk Institute of Railway Engineers] Publ., 2003, vol. 3, pp. 210-215. (In Russian)
Received: June 28, 2019. Accepted: July 10, 2019.
Author's information:
Viktor V. GANCHITS - Research Associate; lumina1993@mail.ru
Evgeniy V. CHERNYAYEV - PhD in Engineering, Associate Professor; chernyaev@pgups.ru Viktoriya A. CHERNYAYEVA - PhD in Engineering, Associate Professor; chernyaeva@pgups.ru
