鈉鹽鹽漬土的電阻率特性研究

2020-01-03 05:20:20羅述偉楊秀娟樊恒輝杜宇航

水力發電 2019年9期

羅述偉，楊秀娟，樊恒輝，杜宇航

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100)

0 引言

土具有一定的自清污能力，當鹽類物質通過不同方式進入土中且累積到一定程度時，土的結構、組成和功能會受到顯著影響。鹽的累積引發了一系列環境巖土工程問題，如地基與路面的泥濘、溶陷、鹽脹、腐蝕、路基翻漿和凍脹等。一般采用物探方法對鹽漬土地區進行工程地質勘測。常用的彈性波法[1]對于沒有明顯波阻抗區別但鹽分與水分分布呈不規律分布時的地層變化不敏感，而電阻率法[2]因其無損、低廉、高效等優點在工程中應用較為廣泛。因此，研究鹽漬土的電阻率特性對于利用電阻率評價鹽漬土的工程性質具有重要意義。

自Archie[3]采用電阻率法對飽和砂巖的微結構特征進行研究后，許多學者開始對土體電阻率開展了一系列室內外研究。Gil Lim Yoon等[4]研究了污染土電阻率隨影響因素的變化趨勢，并用電阻率法解決相關的環境巖土工程問題。劉松玉、于小軍等[5]通過分析電阻率的影響因素，對國內外現有的土電阻率測試原理與方法進行了總結，并對其研制的土電阻率測試儀可行性進行了驗證。韓立華、劉松玉[6]通過室內外試驗分析水泥土電阻率的影響因素和變化規律，并探討了電阻率法能否有效對水泥樁進行無損檢測。董曉強、白曉紅等[7-9]利用電阻率法對NaOH和H2SO4污染下的水泥土電阻率與各參數、強度的關系開展了研究，推導出相應的電阻率公式，并證明了電阻率法能有效評估和檢測H2SO4污染水泥土。劉國華等[10]通過正交試驗分析電阻率影響因素的主次順序，并在此基礎上推導出粘性土電阻率模型。劉松玉、査甫生等[11]通過基本室內試驗研究擊實膨脹土隨其影響因素的變化規律，探討了膨脹土在脹縮變形中其特征參數與電阻率的關系，這對有效預測現場膨脹土特征提供了理論依據。白蘭等[12]通過室內模擬試驗分析了污染物的種類和含量對黃土電阻率的影響。葉萌等[13]研究了多種因素對電阻率的影響以及電阻率變化規律，為快速有效檢測重金屬污染場地起到參考作用。韓立華、劉松玉等[2]通過室內模擬試驗證明了電阻率法可以有效診斷污染土。弓國軍、孔啟明等[14]通過對氯鹽污染下混凝土電阻率的主要影響因素進行分析，從而推導出混凝土電阻率的模型公式。李玲等[1]通過正交試驗研究了鹽漬土的影響因素，研究了電阻率隨含水率、含鹽量、孔隙率及飽和度的變化規律和特點。王樂凡、張仁義等[15]通過研究飽和狀態下硫酸鹽和氯鹽電阻率，反算土體含鹽量。霍海峰、王文博[16]通過室內試驗探究了鹽溶液對水泥土電阻率和抗壓強度的影響。何斌、白曉紅等[17]研究了電阻率、土體壓縮性以及稠度指標隨洗衣粉含量的變化規律，并提出適用于洗衣粉污染土電阻率模型。

表1 土樣的基本參數指標

目前，關于土體電阻率特征的室內試驗研究已經涉及到了砂、砂巖、粘土、黃土、污染土、膨脹土、水泥土等，且電阻率法也廣泛地應用于工程中，但對鹽漬土電阻率的研究比較缺乏，有待繼續進一步研究。本文研究了含不同質量分數的3種鈉鹽以及3種混合鈉鹽鹽漬土試樣的電阻率特性，揭示了電阻率參數與含鹽量、含水率之間的關系，并根據電阻率試驗數據提出鈉鹽鹽漬土電阻率模型。

1 試驗材料與方法

1.1 試樣材料

本試驗采用楊凌臺塬地區的黃土，取土深度約為2.0 m，挖去土壤表層后取土。土樣風干碾碎后過2 mm篩備用。試驗測得楊凌黃土的pH為8.63，易溶鹽總量為0.16 g/kg，難溶鹽CaCO3為84.98 g/kg，有機質為5.06 g/kg，其基本物理指標見表1。按照0、0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的質量分數計算3種鈉鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)和混合鈉鹽(NaCl和Na2CO3、NaCl和Na2SO4、Na2CO3和Na2SO4，質量比均按1∶1混合)，并將溶液分層均勻噴灑至土樣中，攪拌均勻靜置48 h。試驗中所用鹽漬土土樣含水率w分別設置為14%、16%、18%和20%。試驗土樣用直徑39.1 mm、高度80 mm規格的試模壓樣成形。制樣干密度控制在1.67 g/cm3，并在恒溫箱內18 ℃條件下養護24 h。

1.2 試驗方法

土的電阻率等于電導率的倒數，其定義為單位長度的土體電阻的平均值與截面面積乘積，單位為Ω·m[2]。綜合而言，土的電阻率由土顆粒電阻率和孔隙水電阻率2部分組成。試驗中采用TH2827C型數字電橋(見圖1)。電橋儀采用交流電通過試塊，測出試塊兩端電壓，根據下式[5]計算試樣電阻率，即

(1)

式中，ρ為試樣電阻率；R為試樣電阻；S為電流通過試樣的橫截面面積；L為電極片之間的間距；ΔU為點位差；I為電流強度。

先將電阻率儀器開機穩定后，從恒溫箱中取出試樣，涂上導電膏；然后將電極片與試樣夾緊以保證接觸緊密，依次測試每個試樣的電阻率，每個試樣的電阻率測量控制在1 min左右。在電阻率測試中，要考慮對接觸電阻進行修正，因為試樣與金屬電極接觸處會產生明顯的阻抗。因此，可以通過依次測出幾組不同長度試樣間的電阻來減小試驗誤差，繪制出R-L的擬合直線(見圖2)，將直線延長直至與R軸相交，截距即為接觸電阻。本次試驗的接觸電阻R0=1 553.5 Ω。試樣電阻值在數值上等于實測電阻值R與接觸電阻R0的差值。本次試驗測試頻率選擇20 kHz。

圖1 TH2827C型精密LCR數字電橋儀器

圖2 R-L的擬合直線

2 試驗結果與分析

2.1 單鹽含量對土體電阻率的影響

分別加入單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)后土樣電阻率試驗結果見圖3。從圖3可知，在相同的含水率w下，土體電阻率ρ隨單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量的增加而減小，剛開始下降速度較快，而后趨于穩定。這主要是因為剛開始當鹽進入土體完全溶解后，土體中的電荷總量劇增，此時電阻率ρ大小取決于土體中的電荷總量，電荷總量越多，則導電性越強，即電阻率ρ越小；而后當鹽溶解度達到飽和時，電荷總量趨于穩定，則導電性變化很小，即電阻率ρ基本保持不變；隨著含水率w的增加，土體電阻率ρ呈下降趨勢，這主要是因為隨著含水率w的增加，土體中的孔隙不斷被水分填充，土體飽和度增加，使得孔隙之間的連通性越來越好，則土體的導電性增強，電阻率ρ下降。但當單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量達到一定值時，含水率w對電阻率ρ的影響變小。

不同含水率w下，土樣電阻率ρ與單鹽(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量的擬合公式和相關關系表2。從表2可以看出，隨著單鹽含量的增加，土樣電阻率ρ均呈現出指數函數的下降趨勢，且都具有較好的擬合相關性。土樣電阻率ρ與Na2CO3含量關系擬合度最高，其次為NaCl和Na2SO4。可以利用該公式，對不同含水率和Na2CO3含量的土樣電阻率進行預測，準確性較高。

圖3 土樣電阻率與單鹽含量的關系

表2 土樣電阻率與單鹽含量的擬合公式和相關關系

不同類型的鈉鹽會對鹽漬土土樣電阻率產生不同程度的影響。在同一鹽含量下，鹽漬土土樣的電阻率呈現Na2SO4>NaCl>Na2CO3的趨勢。這主要由于電荷總量和離子遷移速度很大程度上決定了土體的導電性。鹽含量相同時，Na2CO3鹽漬土土樣中離子含量高于NaCl，NaCl鹽漬土土樣中離子含量高于Na2SO4；此外，硫酸根離子的活度相對較低，且硫酸鹽結晶會導致土體體積增大，孔隙變大，電阻率增大，這是由于硫酸鹽在結晶過程中會結合土體中一部分水分子。因此，Na2CO3鹽漬土土樣導電性大于NaCl，NaCl鹽漬土土樣導電性大于Na2SO4。

2.2 混合鈉鹽對土體電阻率的影響

加入混合鈉鹽(NaCl和Na2CO3、NaCl和Na2SO4、Na2CO3和Na2SO4，按質量比1∶1混合)后土樣電阻率結果見圖4。從圖4可知，在相同的含水率w下，土體電阻率ρ同樣隨混合鹽含量的增加而減小，剛開始下降速度較快，而后趨于穩定。在鹽含量由0變為0.3%時，電阻率ρ發生突變，這是因為土體中水分使得加入的鹽能充分地溶解在土體中，此時電荷總量是影響導電性的主要因素。隨后，隨著鹽含量的變化，電阻率ρ下降速度逐漸趨于平緩，這是因為土體電阻率由土顆粒電阻率和孔隙液電阻率組成，而后期孔隙液電阻率隨著鹽含量的變化趨于穩定。土體電阻率ρ隨含水率w的增加而減小，這是由于孔隙水的填充增強了土體孔隙的連通性，使得土體整體導電性增強，電阻率ρ下降。但當混合鹽含量達到一定值時，電阻率ρ受含水率w的影響變小。

圖4 土樣電阻率與混合鹽含量的關系

不同含水率w下，土樣電阻率ρ與混合鹽含量的擬合公式和相關關系見表3。從表3可知，土樣電阻率ρ均隨鹽含量的增大呈指數關系降低，指數曲線擬合相關系數都較高。同時，不同的混合鹽類型對電阻率有一定影響，當混合鹽含量相同，鹽漬土土樣電阻率則表現出NaCl和Na2SO4>Na2CO3和Na2SO4>NaCl和Na2CO3的趨勢。其原因是在相同鹽含量下，混合鹽NaCl和Na2CO3鹽漬土土樣離子含量最高，NaCl和Na2SO4鹽漬土土樣離子含量最低。因此，混合鹽NaCl和Na2CO3鹽漬土土樣電阻率最小，NaCl和Na2SO4鹽漬土土樣電阻率最大。

表3 土樣電阻率與混合鹽含量的擬合公式和相關關系

2.3 鈉鹽鹽漬土的電阻率模型

通過依次分析單因素(鈉鹽含量、含水率、鈉鹽種類)對土體電阻率的影響發現，鈉鹽含量和含水率對電阻率影響都較大，而相對于鈉鹽含量和含水率的影響程度，鈉鹽種類對電阻率的影響較小，屬于次要因素，同時考慮到土體含水率與飽和度、孔隙比之間存在一定換算關系，對實際工程而言，鹽漬土的孔隙水電阻率和土顆粒的性質在特定的區域差異不大。因此，可以通過推廣的Archie[3]公式來表示鈉鹽鹽漬土電阻率ρ，即

(2)

式中，P為鈉鹽含量；Sr為土的飽和度；ρw為孔隙水電阻率；K、m和n為土性有關的參數。

通過對上述試驗數據進行統計分析，推導出基于阿爾奇公式的鈉鹽鹽漬土電阻率公式為

(3)

以單鈉鹽NaCl為例，將實際測得的NaCl鹽漬土電阻率進行擬合，觀察實際測得的電阻率與鈉鹽鹽漬土電阻率模型公式計算結果的擬合程度，其中，含水率14%、16%、18%和20%分別對應飽和度Sr分別為0.613、0.700、0.788和0.876。實際測得的電阻率與鈉鹽鹽漬土電阻率模型公式計算結果的擬合結果見圖5。從圖5可知，擬合程度較高。