重塑污染Q3黃土的電阻率特征演變試驗研究

劉 華，胡文樂，牛澤林，王松鶴，胡鵬飛

(1.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055； 2.陜西省巖土與地下空間工程重點實驗室，陜西 西安 710055； 3.西安理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引言

黃土是一種廣泛分布于我國西北地區(qū)的獨特地質(zhì)載體，在西部大開發(fā)和東部經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整的各項工程建設(shè)中，有關(guān)黃土工程問題備受關(guān)注。在我國密集型產(chǎn)業(yè)向西部地區(qū)轉(zhuǎn)移和工業(yè)化不斷推進(jìn)的過程中[1]，越來越多的工業(yè)廢水和廢液也隨之產(chǎn)生，工業(yè)廢水和廢液會產(chǎn)生大量的酸堿污染源并對水土造成污染，黃土體受到酸堿污染后的物理力學(xué)特性將會發(fā)生顯著變化，其作為建筑地基、公路與鐵路路基及路堤填料時的工程性能備受關(guān)注[2]。因此對擊實酸堿污染黃土的研究具有重要的實際工程意義[3-4]。20世紀(jì)70年代以來，歐美等許多國家就已開始土體污染方面的研究[5-8]，國內(nèi)學(xué)者在20世紀(jì)80年代也意識到了這方面研究的重要性，劉漢龍[9-10]、顧季威[11]、黃世銘[3]、陳筠[12]、李琦[13]、孫重初[14]等學(xué)者對酸堿污染土的物理力學(xué)性質(zhì)開展了相關(guān)研究工作，但到現(xiàn)階段還沒有較為完善的污染場地勘察試驗及分析的應(yīng)用方法和儀器設(shè)備[15]，巖土工程界和工程地質(zhì)界相關(guān)學(xué)者仍采用巖土勘察的手段對污染場地進(jìn)行評價[16]。因此，對酸堿污染場地進(jìn)行快速評價的研究有重要工程意義且備受關(guān)注。

電阻率法以土、水、氣及水氣分界面等相關(guān)介質(zhì)的導(dǎo)電性為基礎(chǔ)，是勘察地球物理的常用方法之一，具有連續(xù)、快速、無損傷等特點，可以有效準(zhǔn)確地對土體性質(zhì)進(jìn)行評估[17]。前人研究經(jīng)驗表明[18-19]，擊實土的電阻率受擊實條件、礦物組成、飽和度、含水率、孔隙液成分等多種因素的影響。但上述成果都是在無污染的條件下進(jìn)行擊實，查甫生等[4]在探討擊實黃土電阻率的基礎(chǔ)上證明了土的電阻率與物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間的關(guān)系。然而，將電阻率法用于酸堿污染黃土擊實特性評價方面的研究還未見報道。

本研究以銅川黃土為研究對象，采用4種濃度的HCl，H2SO4，HNO3及NaOH溶液作為污染物，人工配制不同含水率和不同污染濃度的污染試樣，對不同工況下的土樣進(jìn)行擊實試驗，并對擊實后的土樣進(jìn)行不同直流電壓下的電阻率測試，探明不同含水率下常見污染物種類及濃度對擊實的影響規(guī)律，分析擊實酸堿污染黃土的電阻率基本特征，為采用電阻率指標(biāo)評價擊實污染黃土體的質(zhì)量評價提供數(shù)據(jù)支撐和理論參考。

1 試驗概況

1.1 污染土樣的制備

試驗采用陜西銅川耀州區(qū)Q3黃土(取樣現(xiàn)場見圖1)，土質(zhì)呈黃褐色，且較為均勻，屬黃土狀粉質(zhì)黏土，取土深度1.5～3.0 m，顆粒分析曲線見圖2。土樣經(jīng)陽光下暴曬風(fēng)干后碾碎，含水率約為1%～2%，過5 mm標(biāo)準(zhǔn)篩備用。試驗土樣的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示[20]。

圖1 取樣現(xiàn)場Fig.1 Sampling site

圖2 銅川Q3黃土試樣的顆粒分析曲線Fig.2 Particle analysis curve of Tongchuan Q3 loess

1.2 試驗方案設(shè)計及試驗原理

為了模擬不同工業(yè)廢水成分對土體力學(xué)及電學(xué)特性的影響，配制4個等級濃度(0.1 mol/L，0.5 mol/L，1.0 mol/L，2.0 mol/L)的H2SO4，HCl，HNO3及NaOH溶液作為污染物，再分別與風(fēng)干后的土樣進(jìn)行人工拌和形成含水率依次為15%，17%，19%，21%，23%的污染土樣，在保鮮袋中密封保存24 h后進(jìn)行輕型擊實試驗，包括5種含水率下的污染土樣，共計85個擊實試樣，然后對擊實試樣進(jìn)行不同電壓(1～30 V)下的電阻率測試。根據(jù)前人研究結(jié)果，先對擊實土樣進(jìn)行不同高度(11.6，8，4 cm)下的電阻率修正。

表1 試驗土樣的物理指標(biāo)Tab.1 Physical indicators of loess for experiment

土的電阻率受到諸多因素的影響，但土的導(dǎo)電性能主要涉及3個過程：孔隙水導(dǎo)電、土顆粒導(dǎo)電及孔隙水-土顆粒導(dǎo)電，如圖3所示。而土體的固、液、氣等三相中，氣相認(rèn)為不導(dǎo)電。因此，土導(dǎo)電性能的大小主要有以下參數(shù)控制[21-24]：一是孔隙水離子含量等成分，二是土顆粒表面吸附特征及土顆粒間的黏結(jié)特性，三是孔隙水-顆粒的拌和結(jié)構(gòu)特性。

1.3 試驗方法

將拌和好的污染土經(jīng)密封保存達(dá)到試驗要求后，進(jìn)行同條件下的輕型擊實試驗，所用擊實筒為標(biāo)準(zhǔn)擊實筒，內(nèi)徑102 mm，筒高116 mm，護(hù)筒高度為50 mm。為保證試樣的均勻性與整體性，將制備好的

圖3 基本電路圖Fig.3 Basic circuit diagram

足量土樣分3層擊實，各擊實25下。用針刀在兩層交界面處進(jìn)行刮毛。擊實工作完成后將試樣從擊實筒中推出，依照試驗規(guī)范及方案設(shè)計進(jìn)行電阻率測試。

試驗裝置為自行研制的伏安法電阻率測試設(shè)備，其測試部分原理如圖3所示。電源采用交流電供電轉(zhuǎn)換為0.1～30.0 V的直流(DC)電壓，A、V分別為測試試樣兩端電流和電勢差的高精度表；Rx為待測擊實試樣。對每個試樣進(jìn)行了1，3，5，10，12，15，20，25，30 V等不同電壓下的電阻率測試。為減小潛在電泳、極化以及污染物運移等有關(guān)現(xiàn)象產(chǎn)生的可能性，在切換電壓時應(yīng)不斷地上下顛倒土樣，從而改變與正負(fù)電極接觸。土的電阻率計算公式為：

(1)

式中，U為實測電壓讀數(shù)；I為實測電流讀數(shù)；Rx為土的電阻；S為擊實試樣面積；H為試樣高度。

1.4 試驗數(shù)據(jù)修正

為了避免四相電極測量時電極擠入給試樣帶來影響，采用二相電極進(jìn)行測試。二相電極的測試結(jié)果中包含著兩極銅板土樣間的接觸電阻，而且該處電阻對于金屬電極和土樣都會發(fā)生明顯變化，因此，對不同高度(11.6，8，4 cm)試樣的電阻進(jìn)行測試，每個高度取5次測試結(jié)果對應(yīng)的中值進(jìn)行線性擬合，得到接觸電阻的值為2.77 Ω，見圖4。

圖4 R-H數(shù)據(jù)修正擬合線Fig.4 R-H data correction fitting curve

2 污染土電阻率測試分析

2.1 電壓的影響

電壓大小是影響污染土電阻率測量結(jié)果的重要因素，Sherif Yehia[25]曾認(rèn)為，電阻率性能隨電壓升高會出現(xiàn)線性、可控制及擊穿3個階段。在前人研究成果的基礎(chǔ)上，揭示了電壓大小對污染土電阻率的影響規(guī)律：考慮濃度影響的污染液電阻率隨電壓變化情況如圖5(a)所示，在低濃度下，各不同類型污染液電阻率的變化規(guī)律：氫氧化鈉>硝酸>鹽酸>硫酸；隨著濃度的升高，不同類型酸污染液電阻率均隨著濃度的升高而降低。

如圖5(b)～(f)所示為不同含水率下三酸一堿污染土擊實土樣的電阻率測試曲線。從圖中可以看出，擊實污染土樣的電阻率隨著電壓的增加表現(xiàn)出先減小再逐漸趨于穩(wěn)定的趨勢。不同含水率下電阻率的變化范圍不同，總體表現(xiàn)為隨著含水率的升高，集中區(qū)段變化范圍從15%時的(0～300 Ω·m)高區(qū)段降低至23%時的(0～50 Ω·m)區(qū)段。隨著電壓的增加，電阻率下降趨勢明顯，隨著電壓的進(jìn)一步增大，變化稍顯平緩。原因在于：電壓的升高使得土體內(nèi)部電子的能量得到提高，更易遷移，導(dǎo)致土樣電阻率降低；采用試觸法和顛倒土樣兩極接觸等，以減小部分電子累積在電極一端而產(chǎn)生極化效應(yīng)的可能。隨著電壓的增加，直流電具備的單向性和試驗過程中極有可能觸發(fā)的極化效應(yīng)對內(nèi)部電子移動的影響減小，土顆粒在強電場下發(fā)生導(dǎo)電，電阻率呈現(xiàn)較為穩(wěn)定狀態(tài)。因此，在使用直流電壓進(jìn)行土樣電阻率測量時建議采用12～20 V的電壓值。本研究以下討論部分選用電阻率為12 V 電壓對應(yīng)值。

2.2 含水率及濃度的影響

污染物作用下電阻率與含水率間的關(guān)系，如圖6所示。圖6(a)～(d)依次為不同濃度下的HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染黃土。由圖6(a)～(d)可知，在不同污染物種類及濃度下，隨著含水率的升高，電阻率值均呈現(xiàn)減小的變化趨勢。其中，未污染擊實試樣的電阻率與含水率間呈現(xiàn)冪函數(shù)關(guān)系，而圖6(a)～(d)所示HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染土擊實試樣的電阻率與含水率間表現(xiàn)為線性減小關(guān)系，且相對未污染土擊實試樣的電阻率變化顯得較為平緩。

如圖6所示，含水率較低時，較小的含水率增量使土樣電阻率明顯降低，當(dāng)含水率增加至某一值時，相同梯度的含水率增量對土樣的電阻率影響較小，擊實土樣的電阻率降低幅度也減小。其中，鹽酸、硝酸污染土擊實試樣的電阻率隨含水率變化規(guī)律相似，都表現(xiàn)為在低濃度下電阻率較大，高濃度下電阻率隨含水率變化曲線相對集中。NaOH污染土隨濃度增加逐漸降低，隨含水率增加呈接近線性減小。

實際上，土顆粒和孔隙液成分對輕型擊實試樣的電阻率大小起到了決定性作用[26]。當(dāng)土體含水率小于一定值時，土顆粒難以擠密，同等擊實條件下的孔隙較大，此時飽和度也較低，土體內(nèi)部存在大量氣體，土體密實性較差，顆粒間接觸性較差，且土顆粒周圍的雙電層結(jié)構(gòu)并未完全形成，土體孔隙及土顆粒幾乎不導(dǎo)電，使得土樣產(chǎn)生較大電阻率。反之，當(dāng)擊實試樣的含水率大于該臨界值時，土體擁有較高的飽和度，孔隙水的連通性相對較好，孔隙水的導(dǎo)電性能能夠得到充分發(fā)揮，使得土體孔隙與土顆粒表面的電阻率均減小[27]，擊實試樣的電阻率也隨之逐漸減小。

圖5 電阻率隨電壓大小變化關(guān)系Fig.5 Relations of resistivity varying with voltage

圖6 電阻率隨含水率變化關(guān)系Fig.6 Relations of resistivity varying with water content

從圖6(a)和(c)中可以看出，污染土的電阻率隨含水率的變化趨勢與未污染土相似，且電阻率隨濃度的增加均呈現(xiàn)了不同程度的降低，尤其0.1 mol/L 低濃度污染時降幅最為明顯。且在含水率相同條件下，污染土擊實試樣電阻率隨著污染濃度的增加而降低；同一濃度下，污染土的電阻率隨含水率升高降幅較小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，HCl、HNO3等污染物對黃土進(jìn)行污染時，黃土中的化學(xué)成分有較多氧化物等次生礦物，當(dāng)被酸污染后，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的幾率會大大增加，生成氯化物以及水分，通過擴散作用運移至土顆粒之外，增大了孔隙液的連通性，增強了土顆?？紫都巴令w粒表面的電學(xué)性能，且濃度越高，該反應(yīng)進(jìn)行得越完全。具體反應(yīng)方程式[28]如式(2)～(3)所示(以HCl為例)。同時，土體中含有的微量SiO2，能夠與水發(fā)生雙向可逆的水解反應(yīng)，隨著酸濃度的增大，反應(yīng)式逆向進(jìn)行，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，也使污染土的電阻率降低，反應(yīng)方程式見公式(4)。

(2)

(3)

(4)

從圖6(b)中可以看出，H2SO4污染土的電阻率隨含水率的變化趨勢也與未污染土擊實試樣電阻率變化規(guī)律相似，但其電阻率與污染濃度的關(guān)系呈現(xiàn)先減后增的現(xiàn)象，甚至在污染物濃度2.0 mol/L 時,擊實土樣的電阻率高于未污染[29]。分析其原因可知，較低濃度的硫酸腐蝕性相對較弱，使得孔隙液成分類似鹽酸和硝酸，離子增多，增大了孔隙液的連通性，導(dǎo)電性能得到增強，促使電阻率降低；隨著硫酸濃度的增加，致使土顆粒間的原生結(jié)構(gòu)破壞以及新生膠結(jié)結(jié)構(gòu)的形成，使得粒徑及孔徑均增大[30]，濃度越高，腐蝕性越強，孔隙液中析出的膠結(jié)物質(zhì)的黏滯作用和沉淀作用極易造成孔隙連通性降低，使得高濃度下電阻率高于未污染土。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

3 基本參數(shù)間的相互關(guān)系

3.1 HCl污染與電阻率的關(guān)系

圖7 不同含水率下電阻率-HCl濃度關(guān)系曲線Fig.7 Curves of resistivity vs. HCl concentration with different water contents

圖7為擊實鹽酸污染試樣的電阻率隨鹽酸濃度變化關(guān)系，由圖可知，隨著污染濃度的增加，擊實試樣電阻率變化幅度呈指數(shù)關(guān)系減小。在濃度較低時，電阻率變化幅度大；濃度較高時，電阻率變化幅度減小且逐漸趨于穩(wěn)定[31]。且隨著含水率的增加，擬合的指數(shù)函數(shù)模型(11)中a值逐漸減小，低含水率時，b值在-4.8～-6.8左右；高含水率時，b值在-15左右。這也與前人的研究成果相互契合：一方面，孔隙水的連通性提高，孔隙液導(dǎo)電性能得到改善，使得擊實土體的導(dǎo)電性能增強，試樣的電阻率值降低；另一方面，鹽酸污染使得土顆粒表面電荷發(fā)生改變。

ρ=aebn，

(11)

式中，ρ為電阻率;n為濃度;a、b為系數(shù)。

3.2 H2SO4污染與電阻率的關(guān)系

圖8為不同含水率下電阻率-H2SO4濃度關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著污染濃度的增大，粒徑及孔徑均增大，孔隙液中析出的膠結(jié)物質(zhì)的黏滯作用和沉淀作用極易造成孔隙連通性降低，電阻率增加。擬合參數(shù)結(jié)果見表2。其中，0.1～2 mol/L電阻率的擬合度很高，且隨著含水率的升高，式(12)擬合線的斜率逐漸降低，截距也逐漸減小。原因在于，硫酸污染造成了原生結(jié)構(gòu)破壞及新膠結(jié)物的形成，黃土中土顆粒的分解與再造是電阻率升高的主要原因；同時硫酸污染土通過改變顆粒新生膠結(jié)鹽的綜合作用使得擊實土樣的孔隙連通性較差，而孔隙水導(dǎo)電是土體中電荷移動的重要途徑，因此，硫酸污染土電阻率在濃度稍大時出現(xiàn)升高。而在0.1 mol/L 時出現(xiàn)了硫酸污染土電阻率均低于未污染時的“異常現(xiàn)象”，可能是由于濃度較低時，腐蝕性較差，孔隙液的離子含量升高，而此時孔隙連通性并未發(fā)生明顯變化所致。此外，圖8中17%擬合線與試驗數(shù)據(jù)存在偏差，17%含水率下，隨著H2SO4污染濃度升高，電阻率呈現(xiàn)增加趨勢，但在1.0 mol/L和2.0 mol/L時與擬合線偏差較大，可能是由于該含水率接近擊實土的最佳含水率，相同擊實功條件下，污染對該擊實土樣的電阻率影響改變較小所致。

ρ=kn+b，

(12)

式中，ρ為電阻率;n為濃度;k、b為系數(shù)。

圖8 不同含水率下電阻率-H2SO4濃度關(guān)系曲線Fig.8 Curves of resistivity vs. H2SO4 concentration with different water contents

表2 擬合參數(shù)結(jié)果Tab.2 Parameter fitting result

3.3 HNO3污染與電阻率的關(guān)系

圖9為電阻率隨HNO3濃度變化關(guān)系。隨著酸污染濃度的升高，土體固相成分組成發(fā)生改變，使得土的電阻率明顯降低直至出現(xiàn)拐點后逐漸趨于穩(wěn)定。一方面孔隙水的導(dǎo)電性得到改善，增加了孔隙水的導(dǎo)電性；另一方面，可能與硝酸污染改變了土的顆粒級配及液塑限等相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。利用式(13)對不同含水率下?lián)魧嵲嚇拥碾娮杪逝c污染濃度的關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，如圖9所示，擬合結(jié)果中可以看出，由于硝酸污染的影響，電阻率隨濃度升高弱化了含水率的影響。

ρ=aebn+c，

(13)

式中，ρ為電阻率；n為濃度；a，b，c為系數(shù)。

圖9 不同含水率下電阻率-HNO3濃度關(guān)系曲線Fig.9 Curves of resistivity vs. HNO3 concentration with different water contents

3.4 NaOH污染與電阻率的關(guān)系

圖10為電阻率隨NaOH濃度變化關(guān)系，堿污染土的電阻率隨濃度增加逐漸降低，且降低趨勢越來越小。用式(14)擬合度較高。高含水率下，污染土的b值在0.3～0.6區(qū)間內(nèi)，比低含水率15%時污染土的b值高5～10倍左右，隨著含水率的升高，a、c兩參數(shù)值逐漸降低。原因在于，氫氧化鈉隨使得孔隙液導(dǎo)電性增強，電阻率減低，與鹽酸及硝酸不同的是，鹽酸和硝酸的電阻率在低濃度時降低較為明顯，隨濃度升高進(jìn)一步變化較小；氫氧化鈉污染土電阻率的降低隨濃度升高呈現(xiàn)逐步變化的趨勢較為明顯。氫氧化鈉浸潤黃土?xí)r的堿土作用，產(chǎn)生的膠結(jié)物質(zhì)(絮狀沉淀、晶體及膠體)會使擊實土樣更加密實，顆粒間距減小，聯(lián)絡(luò)更加緊密，導(dǎo)電性能提高，電阻率降低。

(14)

式中，ρ為電阻率；n為濃度；a，b，c為系數(shù)。

圖10 不同含水率下電阻率-NaOH濃度關(guān)系曲線Fig.10 Curves of resistivity vs. NaOH concentration with different water contents

4 結(jié)論

本研究對擊實酸堿污染黃土的電阻率特性進(jìn)行了測試分析，探明了土的含水率、污染物種類及污染濃度等因素對擊實酸堿污染黃土電阻率的影響，研究了擊實酸堿污染黃土的電阻率特性，得出了以下主要結(jié)論：

(1)擊實黃土試樣的電阻率隨含水率的增加呈現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)含水率處于較低水平時，相同梯度的含水率增量使得擊實試樣的電阻率降低較為明顯；當(dāng)含水率增加至某一臨界值時，同等梯度的含水率增量使得擊實試樣的電阻率降低幅度減小。

(2)HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染后黃土體的電阻率變化顯著，土體導(dǎo)電性受土顆粒和孔隙液化學(xué)成分影響顯著。HCl，HNO3，NaOH污染后使黃土體的電阻率明顯降低，且隨濃度增加，降低幅度減??；H2SO4污染黃土擊實試樣的電阻率值隨污染濃度增加呈現(xiàn)增大趨勢，原因在于硫酸污染對土顆粒架構(gòu)的改變以及對孔隙液成分的影響。

(3)擊實酸堿污染黃土體的電阻率隨濃度的變化關(guān)系可用具有擬合度較高的相關(guān)曲線進(jìn)行描述，二者的相關(guān)性可以用來通過電阻率法評價及預(yù)測污染土體的侵蝕程度及相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。