泥岩所导致的工程问题是在水化或风化作用下，岩体质量持续恶化的结果。在工程中对泥岩支护加固处理的方法有锚喷加固、强力棚式支护、砌碹或封闭混凝土拱，以及这几种方式相结合产生的各类支护方式，以确保泥岩工程的稳定与安全，但这些方法的研究重点大多数放在对已破碎或软化崩解的泥岩的加固上，只是从力的平衡角度进行加固，通过改变泥岩的外在因素实现泥岩工程的稳定性控制，存在着较多的局限性和时效性。

导致泥岩工程性质劣化的外因是工程扰动和岩体破裂，内因是泥岩所含黏土矿物特有的晶层结构和阳离子交换能力[1]。受相关领域已有成果的启发，可从两方面考虑改变泥岩的水化性能:其一是防止工程岩体失水—吸水—泥化过程的发生;其二是改变矿物的晶层结构和阳离子交换能力。考虑工程岩体的大尺度、多裂隙结构以及环境条件等，文献[2-6]曾选择前者作为切入点系统进行了泥岩包覆改性的室内试验，并将其成果应用于软岩工程支护加固的工程实践，取得了良好的社会和经济效益。笔者将从后者入手，采用电化学的方法实现泥岩矿物晶层结构和阳离子交换能力的改变。

岩土体的电化学改性的研究始于20世纪30年代。但是相关研究大多集中在岩土体污染物去除和修复方面，在改良岩土体力学和工程特性方面较少。Pinzari[7]对直流电场作用前后的煤系软岩进行拉伸试验，岩样黏土矿物含量40%～50%，颗粒粒径小于0.074 mm，硬度较低，用手可以扳开，岩芯轴向有细裂隙，自然断面光滑且有条纹。外加直流电场的电位梯度为1.47～7.9 V/cm，作用时间8 h。试验结果表明，岩样的拉伸载荷值比施加电场前提高了3.3倍。CHILINGAR[8]测试了电场作用下砂岩的渗透率，发现砂岩的渗透率随着电位梯度的增加而增加，其增加幅度与砂岩所含黏土矿物有关，黏土矿物为蒙脱石时增加幅度最大，为伊利石时次之，为高岭石时最小。进一步研究发现[9-10]，当电流流经砂岩岩芯时，砂岩矿物的晶层结构发生了很大的变化，二氧化硅的层间距减小。BERNABEU[11]通过对石灰岩的电化学固结实验发现，在电化学作用下电解质定向移动，生成难溶盐充填岩样孔隙，封闭水分、污染物等进入岩样的通道，进而使岩样的电阻率增大，防腐抗风化能力增强。

毫无疑问，这些研究为理解电化学作用下泥岩物性变化及其作用机理提供了重要参考。然而，由于问题的复杂性，要彻底掌握其本质规律，为工程建设提供有效的技术支持，还需要从不同的角度去探讨和研究。本文通过对砂质泥岩的电化学改性试验，结合液氮等温吸附、力学强度试验和扫描电镜能谱分析结果，研究了电化学作用下泥岩孔隙和强度的变化规律。

1 试验岩样与方法

1.1 试验岩样

试验所用岩样采自山西潞安矿区余吾煤业3号煤底板，为古生代二叠系山西组砂质泥岩，属陆相湖泊沉积。岩样密度2 635 kg/m3，含水率1.35%。矿物组成石英55.7%、高岭石29.6%、钠云母8.5%、沸石3.8%、其他矿物2.4%。将现场取回的大块岩样在实验室加工成φ50 mm×100 mm的试件，为保证试件加工精度控制在允许误差范围(相邻面垂直，偏差不超过0.25°;相对面平行，不平行度不大于0.05 mm)内，将试件在双端面磨石机上磨平，共加工试件20个，试验时随机抽取试件进行试验。

1.2 试验装置

试验装置如图1所示，装置由直流电源、电流表、导线、样品室、溶液槽、蠕动泵、软管等组成。样品室由内径50 mm、壁厚5 mm圆管、圆形多孔板、活塞、电极组成。圆形多孔板置于圆管底部，并与圆管胶结固定。为防止注入水溶液沿活塞顶部溢流，活塞顶部削φ 48 mm深5 mm的圆形凹槽，在凹槽内钻13个孔径为4 mm的贯通小孔，其中一个位于圆心位置，其余12个均匀分布于半径R为18 mm的圆上。电极阴阳极均采用厚8 mm的铁电极，其中阳极置于岩样顶部，阴极置于岩样底部。为便于观察，圆管、圆形多孔板以及活塞均采用有机玻璃材质。电源采用DH1722A-2型直流稳压稳流电源，输出电压0～110 V，输出电流0～3 A。导线为A040739×0.2绝缘线。蠕动泵型号BT100-1J型，转速范围0.1～10 r/min，泵头的型号DG-1六滚轮双通道型，软管为壁厚1.6 mm，内径0.8 mm的软管。

1.3 试验方法

试验时，首先将接有导线的电极、试件装入样品室中，岩样顶底部各放置一块电极，为确保岩样恰好紧密套入样品室中并降低装样过程中岩样与岩样室之间的摩擦力，在岩样环向涂一薄层凡士林。然后将岩样顶底部电极的连接导线分别穿过活塞和圆形多孔板中间的小孔，压紧，确保相互之间接触良好，连接电源，蠕动泵。岩样为自然含水状态，水溶液分别使用纯净水和1 mol/L NaCl溶液，每种水溶液试验3个岩样。试验时先打开蠕动泵，待岩样下部开始有液体渗出时，接通电源。试验过程中根据情况调节蠕动泵流速，确保溶液不从活塞顶部凹槽溢出。4 d(96 h)后断开电源，取出岩样，按照《煤和岩石物理力学性质测定方法》[12]规定的试验标准进行单轴抗压强度测试，液氮等温吸附和扫描电镜能谱分析。

2 试验结果与分析

2.1 试验现象

试验过程中，水溶液为1 mol/L NaCl时，在导线与电源正极的连接处析出大量白色局部为淡蓝色的结晶盐，进一步将导线外围绝缘层拔去，可见原本金黄色的铜丝已经变黑，如图2所示，而与电源负极连接的导线保持原状。该现象可用电泳理论加以解释，在电场作用下带负电的胶粒沿导线向阳极移动，受空间所限，最终在导线与正极接线柱的连接处积聚析出，同时暴露在潮湿环境中的铜线表面缓慢生成一层铜绿色的碱式碳酸铜，与析出物相互渗透，从而形成白色局部为淡蓝色的结晶盐。被绝缘层包裹的铜导线变黑则主要是铜的氧化变色引起的。

试验滤出液差异明显，如图3所示。水溶液为纯净水时滤出液呈现土黄色，淀清后底部可见土黄色的微细沉淀物，这是由阳极铁电极腐蚀，部分铁的氧化物溶入水溶液所致;水溶液为1 mol/L NaCl时，滤出液呈灰黑色，淀清后底部可见灰黑色微细沉淀物，其量明显大于前者，对其进行X-射线衍射分析。图4为1 mol/L NaCl时沉淀物的X-射线衍射图谱，可知其主要成分为NaCl和Fe3O4。

2.2 电极腐蚀

施加直流电场后，在电场作用下电极附近溶液发生电解反应，阳极发生氧化反应，生成氧气，试验过程中可见活塞顶部凹槽液面不时有气泡逸出;阴极发生还原反应，生成氢气，反应方程如下:

2H2O-2e-O2+4H+ (阳极)

(1)

2H2O+2e-H2+2OH- (阴极)

(2)

所不同的是，水溶液为1 mol/L NaCl时，电解过程分两步进行[13]。首先，NaCl溶液中的Cl-离子电解，阳极发生氧化反应，生成氯气;阴极发生还原反应，生成氢气，反应方程如下:

2Cl--2e-Cl2 (阳极)

(3)

2H++2e-H2 (阴极)

(4)

当溶液中的Cl-离子发生氧化反应完全生成氯气后，剩余溶液按式(1)和式(2)进行反应。电解使得电极周围的酸碱度发生了变化，阳极附近区域的pH值降低，呈酸性，阳极电极在酸性条件下发生氧化反应被腐蚀;阴极附近区域pH值升高，呈碱性，电极保持原样不变，如图5所示。由图5可知，溶液为1 mol/L NaCl时，阳极电极的腐蚀程度要远高于溶液为纯净水时，这是因为NaCl溶液为电化学反应提供电解质加速和强化了电化学反应的进程。

2.3 岩样孔隙变化

基于文献[14]对泥岩孔裂隙分布特征的研究成果，选用液氮吸附试验表征岩样孔隙，试验在3H-2000PS1/2型全自动氮吸附比表面仪上进行。运用BJH法表征各个样品的孔隙结构及主要微结构特征参数，应用密度函数理论(DFT)对样品进行全孔分布计算。表1为不同溶液电化学作用前后岩样平均孔径、比表面积累积、孔容累积的测定结果。图6为岩样孔径与比表面积的关系曲线。

由表1和图6可以看出，① 相比自然样，电化学作用后岩样阴阳极比表面积累积均出现不同程度的降低。其中水溶液为纯净水时阳极、阴极分别降低8.1%和22.7%;水溶液为1 mol/L NaCl时，阳极、阴极分别降低27.1%和27.6%。② 电化学作用后岩样阳极比表面积累积大于阴极。水溶液为纯净水时，阳极为阴极的1.19倍，且平均孔径小于40 nm时，阳极孔隙比表面积明显大于阴极;而平均孔径大于40 nm时，则表现为阴极大于阳极。水溶液为1 mol/L NaCl时，阳极略大于阴极，为阴极的1.01倍，平均孔径小于5 nm时，阴阳极比表面积相近;平均孔径介于5～50 nm时，阳极比表面积大于阴极;平均孔径大于50 nm时，则为阴极大于阳极。③ 水溶液为纯净水时无论阳极还是阴极，比表面积累积均大于水溶液为1 mol/L NaCl时。

图7为岩样孔径与孔容关系曲线。从图7可以看出：① 除纯净水阴极外，电化学作用后岩样阴阳极孔容累积均小于自然样；② 电化学作用后岩样阴极孔容累积大于阳极。水溶液为纯净水时，阴极为阳极的1.88倍;水溶液为1 mol/L NaCl时，阴极为阳极的1.14倍；③ 不同水溶液下岩样的孔容孔径关系曲线趋势一致，均为先缓后陡，水溶液为纯净水时岩样阴极尤为明显，拐点出现在平均孔径10 nm附近，即平均孔径大于10 nm的孔隙对孔容的贡献率大。

综合图6和7，不难发现:① 不同水溶液电化学作用后岩样孔隙比表面积累积阳极大于阴极，而孔容累积则是阳极小于阴极。换言之，电化学作用后岩样阳极小孔隙数量多于阴极，而大孔隙则少于阴极。上述差异可能是由电化学作用下泥岩的动电效应导致的[15]，在电化学场耦合作用下，阳极区域的极性水分子向阴极区域迁移，形成大量微小孔隙，与此同时阴极区域孔隙液中悬浮的胶体颗粒向阳极区域移动，移动过程中不断积聚，体积增大，充填阳极区域较大孔隙。② 水溶液为1 mol/L NaCl岩样阴阳极区域孔隙比表面积、孔容均小于水溶液为纯净水，这可能是由NaCl溶质的充填作用引起。

2.4 岩样显微结构变化

测试在太原理工大学的MIRA 3XMU场发射扫描电镜上进行，测试前将岩样颗粒黏附于导电胶带并置于样品台上，粘附时将颗粒分散排列，然后喷镀金导电膜。将粘有样品的胶带置于扫描电镜样品舱内，选择不同放大倍数条件观察样品微形貌特征，并进行能谱面扫描确定元素组成。图8为不同水溶液电化学作用后岩样放大20 000倍的SEM照片。从中可以看出，自然样可见片状黏土矿物颗粒杂乱堆积，孔隙以片状颗粒层间孔和颗粒集聚体间孔隙为主，如图8(a)所示;电化学作用后岩样阳极片状絮状黏土矿物颗粒清晰可辨，局部可见絮状钠云母集聚体(图8(b))和晶棱残缺不整齐彼此间杂乱堆积高岭石集聚体(图8(d))，黏土矿物晶层层间距依稀可见;岩样阴极悬浮胶粒受电化学作用向阳极迁移后，形成大量不规则孔隙(图8(c)和(e))，孔径不等，部分大孔隙孔径能达到数微米。

图9为纯净水中电化学作用后岩样阳极EDS能谱面扫描元素分布图，图10为不同水溶液电化学作用后岩样元素百分含量分布柱状图。岩样化学元素主要有O，C，Si，Al4种，其中O的百分含量最多，所占比例41.9%～48.5%，其次是C，所占比例16.8%～29.6%，Si所占比例14.8%～20.8%，Al所占比例9.1%～11.2%。除C元素所占比例为岩样阳极大于阴极外，其余的均为岩样阴极大于阳极。这可能是由岩样内部可溶性硅铝酸盐溶解，形成悬浮胶粒和带电微粒，在电化学作用下发生定向移动，从而导致岩样阴极、阳极元素百分含量的相对变化引起的。

2.5 单轴抗压强度变化

单轴压缩试验在太原理工大学的JL-WAW60微机控制电液伺服万能试验机上进行，采用位移控制，加载速率0.002 mm/s。图11为不同溶液电化学作用前后岩样单轴压缩应力-应变曲线，表2为岩样力学强度测试结果。可以看出：① 不同溶液电化学作用后岩样的单轴抗压强度比作用前有了显著提高。作用前岩样单轴抗压强度平均18.18 MPa;水溶液为纯净水电化学作用后平均21.39 MPa，为作用前1.18倍;水溶液为1 mol/L NaCl电化学作用后平均25.41 MPa，为作用前的1.40倍;② 压缩过程中受岩样内部缺陷开裂的影响，应力达到峰值前，部分岩样出现数次不同程度的小幅应力跌落，随后随应变增加，应力再次升高最终达到峰值应力，峰后应力分级跌落，跌落平台长度和残余应力持续时间各异;③ 本文约定取应力-应变曲线弹性段切线模量(取峰值强度的40%～60%)为弹性模量E，峰值强度与坐标原点间的割线模量为变形模量Ed。作用前岩样弹性模量平均1 523 MPa;水溶液为纯净水时电化学作用后平均2 099 MPa;水溶液为1 mol/L NaCl时电化学作用后平均2 014 MPa。作用前岩样变形模量平均1 294 MPa;水溶液为纯净水时电化学作用后平均1 608 MPa;水溶液为1 mol/L NaCl时电化学作用后平均1 863 MPa。可见电化学作用后，无论是单轴抗压强度，还是弹性模量或变形模量均比作用前有显著的提高，有利于岩土工程的稳定性控制。

3 讨 论

图12为岩样饱水后单轴压缩应力-应变曲线。岩样饱水后单轴抗压强度分别为13.50，17.38和14.45 MPa，平均15.11 MPa，仅为自然样的83.1%，吸水软化现象明显。周翠英等[16-17]在研究我国华南地区广泛分布的红层软岩时有相类似的结果。进一步分析发现，泥质类软岩的吸水过程实则是软岩孔裂隙充水、扩张，相互间连通性变好的过程。在孔隙充水过程中，大小孔隙形状由原来的不规则多边形趋向浑圆，颗粒间的连结趋向松散，总体结构变得疏松多孔，软岩孔隙率升高，宏观表现为力学强度的降低。

然而，泥岩的电化学作用过程则是电化学固结和水化学腐蚀的综合作用，而此时水更多的是作电解液，在电场作用下发生电解反应，导致岩样的酸碱度发生变化。在电位梯度、酸碱梯度以及水力梯度的三重耦合作用下，岩样内部出现:① 电渗，阳极区域的极性水分子向阴极区域迁移，迁移过程中不断中和，最后在阴极区域以水的形式渗出，使得岩样含水率降低;② 电泳，阴极区域孔隙液中的悬浮颗粒向阳极区域移动，移动过程中不断积聚，体积增大，充填极性水分子移出形成的孔隙，引发岩样的孔隙结构发生变化;③ 电迁移，带电颗粒基质内的液态阳离子向阴极区域移动，阴离子向阳极移动。从而引起泥岩孔隙率降低，强度升高。

4 结 论

(1)电化学作用过程中，电极腐蚀主要发生在阳极电极。

(2)相比自然样，电化学作用后岩样阴阳极比表面积和孔容累积均出现不同程度的降低;孔隙比表面积累积阳极大于阴极，而孔容累积则是阳极小于阴极。

(3)泥岩的电化学作用是电化学固结和水化学腐蚀的综合作用结果，电化学作用后岩样强度明显增强。

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