O niektórych procesach chemicznych podczas elektroosmozy w gruntach

~~lSZA SZKOŁA INlYNIERSKA IM. J. GAGARIHA W ZIELONEJ GóRZE • ZESZYTY NAUKOWE ~ NR 84

Nr 4 INlYNIERIA ŚROOOWISKA 1988

Tadeusz Zezyk

O NIEKTóRYCli PROCf:SACH DEMICZHYOi POOCZAS ELEKTROOH!lY W ~TAili

Streszczenie

W oparciu o dane literaturowe przedstallliono wyniki badań procesów a-icznych, za-

chodzących w gruntach spoistych w wyniku oddziaływanie na nie pola stałego prp elek- trycznego. Przytoczono niektóre aechaniZII)' tych Zlaian. Zbadanie ich • ~~~&ble znacze-

nie teoretyczne i praktyczne. ·

1. ~

Elel<troosmotyczneau przepłr-i liiOdy w gruncie towrzyszy szereg zjawisk,\ z których najważniejsze to [ 2 J :

- wymiana jonowa, - dyfuzja,

- wytwarzanie się gradientu OSIOtycznego 1 Zlaian pH, - wysychanie na skutek wytworzonego ciepła,

- rozkład minerałów,

- wytrącenie wtórnych minerałów,

- elektroliza,

- utlenienie i redukcja,

- flzyczna i ~~iczna adsorpcja,

- ~lany pierwotnej budowy strukturalnej.

Z powodu istnienia tych zjawisk prognozowanie Zlllian własności gruntów poddanych elektroosmotycznemu ~~,ien1~ nie jest łat.e na~t w ~iu o uproszczone teorie elektroosmozy. Konsek~ncję tych zjawisk mogę być korzystne zalany w gruncie powodu- jQce zwięk5zenie jego nośności. w ^{wielu wypadkach} obserwowano bowiem wzrost wytrzyma-

łości gruntu, du2:o większą n1:2: mo2:na by to przewidywać na skutek redlkcji wody z gru- ntu oraz powstania w wodzie por~j ujenlleQO ciśnienia porowego pod wpływe~~ gradientu

stałego pola el~ttrycznego. Podstawowa rola w przyroście wytrzymałości gruntu nalety zatem do reakcji chemicznych Li, :B .

2. Zasadnicze reakcj~ elek~iczne

Do elektroc.hemicznych procesów zachodzących w gruntach spoistych po przyłoteniu do nich stałego pola elektrycznego naletą:

- elektroliza (w ty~ przAmieszczan1e jonów),

- chsruczne procesy prowadzące do nieodwnclllnych zaian, - reakcje W)'lliiany [ 6 J •

20 , TADEUSZ ZfZYK

_'

W

rezultacie

tych

zmian zachodzę

procesy cheaticzno-mineralne

w składzie gruntÓlll. Masa gruntu podlegająca

elektroosmotycznemu odwodnieniu, z achowuje

się j ak elektro- chemiczne og1iwo, w któr}'llł kationy wędrują do katody, a aniony do

anody

(rys. l).

to .~ ^{l i} stateg:>

: l ^t

t

e-

l _KATODA r-

ANOOA

+

-

₊

r- 02

l

^r-

ct

₂

~2

^-_Cl⁰² _z.

WODA

l l

^WODA

NASYCO'N GRUNT

: l

^{2Cl- -}

^{z e -}

^{Cl 2}

2H~ • 2e- H2

l l

^{Fe" - 3e- Fe+++ r'l}

l ^l

e

-

_e

_-

_e -

_e-

::<=

•

Rys

. l.

Reakcje chEJaiczne przy

elektrodach

f _- ⁴ _-

^-~

Przy

anodzie

z

nieutleoiajpgo

się Materiału (np. węgiel,

platyna) zachodz

i

utlenianie anionów zawartych w gruncie

z

wydzielaniem gazu:

W przypadku

zastosowania anod z materiału utleniającego (np. ~elazc) zachodzi

i ch

^utlenianie~

•

Fe - 2e • Fe •2

Jony

telaza

oddziaływując

z

wodą tworzą wodorotlril Z&laza podwyższaj~c stętenl.

j onów wodoru:

iJ niektórych procesach chemicznych ... 21

Wodorotlenek ~elazawy Fe(OH)2 ^{pod wpływem} tlenu zawartego w powietrzu i wodzie

przekształca slę w wodo~otlenek telazowy:

~rotlenk! - ~elazawy i ~elazowy zwięzują swoję aaorficzną masą cząstki grunto- we. W miarę OSYSzanie się strefy anodowej, wodorotlenek telazowy zagęazcza siQ i krys- talizuje wzmacniając grunt. Doświadczenia pokazały, te zwiQI<szenie stQtenia jonów w- derowych w strefie anodowej w gruncie, uni~~liwia tworzenie się wodorotlenku tela- zowego przyczyniając się do przemieszczania w kieruri<u katody jonów dwwartodciowego

~elaza.

W strefę ka~ przeroszone są oprócz cząstek wdy jony wodoru i Etali alkali- cznych. W strefie tej przewatają procesy elektrolitycznej redukcji wody oraz wydziela- nie wodoru w postaci gazu:

Jony IIW!tali alkalicznych tworzą zasady:

+2 - ( )

Ca + 2IJi = Ca IJi 2

Kationy sodu i potasu nie radukują się przy katodzie, ale zostają w postaci jo- nów ." razboiorze gruntowym lub s~ usuwane razem z wodą oq,rowadzaną z katody [),~.

Kationy wapnis ea+~magnezu Mg+2 zawarte w roztworze gruntowym lub wprowadzone do niego, przenosz~e są w strefę katody i gromadzą się w niej w postaci wdorotlenków, które związują SWOJ~ amorficzną masą cząstki gruntu. Grunt tej strefy wzmacnia się

nie tylko wodorotlenk~ml wapnia i magnezu ale węgl~, które tworzą się w wyniku pochłaniania dwutlenku węgla co2 i połączeń z wodorotleri<ami zgodnie z rówvlnilllll:

Pod wpływem d7.iałania stałego pola elektrycznego zachodzą rn..nie~ inne reakcje

r~. rozpuszcz~nie soli zawartych w gruncie. W strefie kwaśnej anodowej i zasadowej katodowej 1110gą powstawać reakcje wywołane oddziaływaniem na gru1ty kwasów i zasad.

Zmiany st.ętenia jonów wodorowych pH•) stvierdzone w szeregu pracach [np. l, J} podają wzrost wartości pH w strefie katody w granicach 9 - 12, natomiast w strefie anody spa-

•) pli - wykłaooik jOińl wodorowych ~ ^uj..--J logary~i(o ^{zasadzie lO) ze} stęte­

nla jonów wodorowych pH • - _!glH+]. z definicji pH wynika, te i• wytsze jest

stętenie jon.J IIIOdorowego [H+], tYli nitszą war~ .a pH i odwrotnie.

2 2. TADEUSZ ZEZYK

~~---~----~~~~---- ·---

dek

pH do 4. Tak wysokie ^pH w pobliŻU katody korzystne jest dla ~ozpuszczenia za~

krzamialki jak i tlenku glinu [ 2 ] • Rozpuszczanie składników gruntu ~owoduje,

te

w elektrochemiczne procesy wstępuje, nowe jony, zmienia się pojen110ść wymiany ⁱ skł

2

^d

wymiennych · kationów gruntu.

3. Wnioski

Badanie procesów chemicznych podczas elektroosmozy w gruncie ma ^ważne teoretyczn

i praktyczne znaczenie. ZwictZane jest ono z polepszeniem budowlanych ^{właściwości} grun tów - podwyZszeniem ich nośności.

Problematyka ta jest bardzo złotona ze względu na dutą ró:rnorodność mineral~­

chaaiczną gruntów, a uwidacznia ^{się to} jeszcze bardziej gdy przy pomocy zjawiska e lek traosmozy rozprowadzamy środ<i cheudczne.

OotychczasoiiiS badania wskazują na zmiany w chellliczno-łłlineralnym składzie grunUS.

i

wody parowej.

Zau.ata się przy tya strefowaść przemian

w

gruncie. Wydziela się za- zwyczaj trzy strefy

[5,

6, 7] :

- anodowa, najbardzlej osuszona 1 wZIMlCI•iona, posiadającą odczyn kwaśny (pH panitej 7

a

w

k~leksie

wymiennya zawarte

s~

^przede wszystki.rD jony H+, Fe • 3, Al • 3 ,

a

w porac nierozpuszczalne sole i wodorotlenki Zelaza,

- katodowa, najbardziej nawodniona ^{i słaba.} Posiada ona odczyn zasadowy ^{( pH} powytej

7

W kanpleksie wy~~~iennym przewstają jedno i częściowo dwuwartościowe jony, a ^{w porach} .xiorotlenki i węglany dwuwartościowych

metali

ziem alkalicznych, które w pewnej oó

ległości

od

katody częściowo wzmacniajlł ' tę strefę,

- środkowa, nie wZIIOCiliona strefa,

w

której własności gruntu zbliZone s~ do stanu wyj-

~ciowego.

Badania istoty procesów chemicznych

w

gruntach przy oddziaływaniu na nie pola

stałego pr~du elektrycznego, prowadzone ^są od wielu lat. Pmimo, ^że przedstawiono

niektóre uproszczone wzory tych zmian w gruncie i przy elektrodach, to nadal pozosta~

je wiele niejasnych zagadnień chemicznych lub są one

w sposób

niejednoznaczny wyjaś­

nione. Temat ten powinien być przecilłiotelll dalszych dokłamych badań naukowych specj a- listów z różnych dziedzin nauki.

Literatura

[ l ] Esrig M. I., Gameinhardt I.P. - Electrokinetic Stabilization

ot

an Illi tic Clay.

Journal

ot

^the Soil Mech. and Fnd. Oiv. ASCE Vol. 94 No SM 4 July 1966.

[ 2 ]

Mi

tcłlell

J.K. - In place treatment

ot

foundation Soils. Journal CJf the Soil

Mech. and Fnd. Oiv. ASCE Vol. 96 No SM l January 1970.

[ 3 ] ttltoozow J. J. - Islied.owanije roll chi':"iczieskich procesow w razwi tii pr:-xz- nosti ^mor~i<ich iłow pri elektrozalerieplenL ^Materiały VII Wsiesojuznowo So- wieszczenij a po .zakrepl enij u i upłotnieniju gruntow 1971.

[ 4

J

^{Segall B. A., 0'8anrat Ol.E. s} Matthias J.A. - Elektro-oStrl)Sis chemistry ano water quality. Journal

ot

the Geotachnical

Eng .

Oiv ASCE

V3l.

106 No GT lO,

October 1980.

G niektórych procesach chemicznych __ _ .23

[ 5 J Tiechniczieskaja &ielloracja porod-· pod redakcj'i S.D. WQR(Jł(IEWICZA 1981.

[ 6 J 2iri<in G.N. - Elektrochimiczeskoje zllkrieplienije gruntow w stroitelstwle 1966.

[ 1] 2iri<in G.N., Kałganow W.F. - Hektrochiaiczieskaja obrabotka ¹ glinistych gruntow w ~ijach soorużenij 1980.

Dr inż. Tadeusz Zezyk - Wyższa Szkoła Inżynierska w Zielonej Górze._