溫度及pH值對(duì)鹽漬土導(dǎo)電率影響的試驗(yàn)研究

王興為，王 旭,2，張延杰，李建東，蔣代軍，劉德仁

(1. 蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2. 蘭州交通大學(xué) 道橋工程災(zāi)害防治技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070)

鹽漬土對(duì)工程建設(shè)的影響，主要取決于鹽漬土所含易溶鹽的成分及含量.近幾十年來，在巖土工程和公路工程領(lǐng)域，國內(nèi)學(xué)者從易溶鹽浸出液的制備效率、檢測(cè)方法和測(cè)定精度等方面入手，研究了土體中易溶鹽含量的檢測(cè)方法.鹽漬土地區(qū)易溶鹽測(cè)試方法有溶液滴定法[1]、烘干質(zhì)量法[2-3]、離子色譜儀法[4-5]、和溶液電導(dǎo)率法[6].溶液滴定法、烘干質(zhì)量法、離子色譜儀法操作過程復(fù)雜、成本高、周期長，測(cè)試局限于室內(nèi)，不能滿足現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)試需要.電導(dǎo)率法具有便捷快速的特點(diǎn)，而且隨科技發(fā)展，便攜式電導(dǎo)率測(cè)定儀精度日益提高，該方法的推廣使用，加速了鹽漬土的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)速度，滿足快速施工的要求.電導(dǎo)率法是通過測(cè)試土體浸出液的電導(dǎo)率來標(biāo)定土體可溶鹽含量.在測(cè)試時(shí)將兩個(gè)電極板放入待測(cè)溶液中，在極板兩端加上一定的電勢(shì)，兩極板和外界溶液形成閉合回路，回路中產(chǎn)生電流.外界條件一定時(shí)，土體浸出液中自由移動(dòng)的離子濃度越大、離子所帶電荷數(shù)越多，溶液導(dǎo)電能力越強(qiáng)，通過測(cè)定電導(dǎo)率，建立起電導(dǎo)率與被測(cè)定溶液的濃度的關(guān)系，進(jìn)而標(biāo)定土體可溶鹽含量.

田巍巍[7]結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析軟件，研究了羅布泊地區(qū)的鹽漬土樣，發(fā)現(xiàn)鹽漬土中的易溶鹽含量與電導(dǎo)率具有較高的相關(guān)性.潘國勇等[8]考慮浸出液土水比、溶解時(shí)間、震蕩時(shí)間等因素，采用電導(dǎo)率法對(duì)古黃土樣品中的易溶鹽總量進(jìn)行了測(cè)定.趙星潔[9]發(fā)現(xiàn)電導(dǎo)率法測(cè)定土壤易溶鹽含量的相對(duì)誤差較小、復(fù)現(xiàn)性較好.張曉琴等[10]采用電導(dǎo)率法對(duì)硫酸鹽土壤含鹽量測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單位質(zhì)量土體中的易溶鹽含量偏低或偏高時(shí)，電導(dǎo)率與含鹽量存在不同的相關(guān)性.Cai等[11]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，濱海鹽漬土的電導(dǎo)率與含鹽量之間存在定量關(guān)系.郭青林等[12]采用電導(dǎo)率法測(cè)定土遺址易溶鹽含量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電導(dǎo)率法具有較高的精度，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)快速測(cè)定的要求.于興詳?shù)萚13]采用電導(dǎo)率法測(cè)定了蘭新二線沿途鹽漬土地區(qū)570個(gè)土樣含鹽量，得出了鹽漬土含鹽量快速分析的經(jīng)驗(yàn)公式.

鹽漬土地區(qū)氣候條件特殊，夏季炎熱，冬季干冷，晝夜溫差大，溫度起伏劇烈，最高溫度超40 ℃.規(guī)范[14]中規(guī)定電導(dǎo)率儀測(cè)試環(huán)境溫度參比值或范圍為23 ℃，容差為±2 ℃.在現(xiàn)場(chǎng)采用電導(dǎo)率法進(jìn)行易溶鹽含量測(cè)試時(shí)，溫度很難維持在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi).此外，因鹽漬土鹽漬化程度不同、易溶鹽組成不同、電解質(zhì)產(chǎn)生的易溶鹽溶液中的氫離子與氫氧根離子濃度(酸堿度)不同而導(dǎo)致鹽漬土pH值不同.鑒于此，采用模擬試驗(yàn)方法，研究溫度和pH值對(duì)易溶鹽溶液電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果的影響規(guī)律，能為鹽漬土地區(qū)電導(dǎo)率法的工程應(yīng)用和推廣提供參考.

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

通過室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試不同類型、不同濃度鹽溶液電導(dǎo)率隨溫度和pH值變化規(guī)律，研究環(huán)境溫度和鹽漬土pH值變化對(duì)土樣浸出液電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生的影響.

1.2 試驗(yàn)方案

1.2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

采用哈納HI8733電導(dǎo)率測(cè)定儀，電導(dǎo)率量程為0.00～19.99 mS/cm、0.00～199.9 mS/cm，使用環(huán)境為0～50 ℃，測(cè)量精度±1% F.S.,手動(dòng)單點(diǎn)校準(zhǔn).試驗(yàn)參照規(guī)范[15]執(zhí)行.

1.2.2 試樣制備

實(shí)驗(yàn)一：選取西北地區(qū)鹽漬土中常見的3種易溶鹽NaCl、K2SO4及Na2CO3，分別配制濃度為0.1～1.9 g/L(濃度梯度0.2 g/L)10組溶液，在恒溫水浴鍋中加熱至所需溫度后測(cè)定其在3 ℃、8 ℃、12 ℃、17 ℃、23 ℃、28 ℃、33 ℃、38 ℃下的電導(dǎo)率，以探求溫度對(duì)易溶鹽溶液電導(dǎo)率的影響規(guī)律.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 溫度對(duì)溶液電導(dǎo)率影響

按照實(shí)驗(yàn)一，不同濃度易溶鹽溶液電導(dǎo)率隨溫度變化規(guī)律如圖1所示.

由圖1可知，隨溫度升高，不同濃度的各種易溶鹽溶液及現(xiàn)場(chǎng)鹽漬土浸出液的電導(dǎo)率線性增大，溶液溫度與電導(dǎo)率均呈現(xiàn)出線性正相關(guān).當(dāng)濃度較低，為0.1 g/L時(shí)，溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響不甚明顯.當(dāng)易溶鹽濃度增大為0.3～0.9 g/L時(shí)，溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響增大.當(dāng)易溶鹽濃度繼續(xù)增大到1.1～1.9 g/L范圍時(shí)，溫度對(duì)電導(dǎo)率的影響顯著增大，且隨著各種易溶鹽溶液濃度增大，電導(dǎo)率隨溫度變化曲線的斜率增大.原因是當(dāng)溫度增大時(shí)，電解質(zhì)溶液中的離子或分子動(dòng)能增大，導(dǎo)電物質(zhì)運(yùn)移速率加快，使得易溶鹽溶液的電導(dǎo)率隨溫度的增大而增大.在濃度較小的溶液中，由于溶液中離子或分子總量有限，溫度升高對(duì)于溶液導(dǎo)電能力增加并不明顯，當(dāng)濃度低于0.1 g/L，電導(dǎo)率隨溫度增加不甚明顯，在測(cè)量溶液電導(dǎo)率時(shí)可以不予考慮.隨易溶鹽濃度增大，電導(dǎo)率隨溫度變化加劇，在測(cè)量時(shí)需考慮溫度對(duì)于電導(dǎo)率測(cè)量的影響.

圖1 溫度對(duì)易溶鹽溶液電導(dǎo)率的影響Fig.1 Effect of temperature on conductivity of soluble salt solution

2.2 溶液pH值對(duì)電導(dǎo)率的影響

調(diào)整后各種易溶鹽溶液、模擬液、現(xiàn)場(chǎng)鹽漬土浸出液的pH值與其電導(dǎo)率的關(guān)系如圖2所示.分析試驗(yàn)結(jié)果可知，在NaCl、K2SO4、Na2CO3溶液中加入適量酸或堿溶液調(diào)整pH值后，由于溶液中自由移動(dòng)的離子濃度增大，其電導(dǎo)率比原溶液增大.當(dāng)原溶液濃度較低，小于2 g/L時(shí)，電導(dǎo)率增加幅度很小，可以忽略不計(jì)，隨濃度增大，電導(dǎo)率隨pH值變化幅度加劇.

由圖2(a)可知，對(duì)于NaCl溶液，pH值在4～11變化時(shí)，pH值與電導(dǎo)率關(guān)系曲線近似為一條直線，pH值小于4或大于11時(shí)，電導(dǎo)率隨pH降低或增大而增大.由圖2(b)可知，對(duì)于K2SO4溶液，pH值在5～11間變化時(shí)，pH值與電導(dǎo)率關(guān)系曲線近似為一條直線，pH值低于5大于11時(shí)，電導(dǎo)率隨pH降低或增大而增大.由圖2(c)可知，對(duì)于不同濃度的Na2CO3溶液，在濃度低于4 g/L時(shí)，其電導(dǎo)率隨pH值的變化曲線近似為一條直線，大于4 g/L時(shí)，電導(dǎo)率隨pH值曲線呈現(xiàn)先減小后增大趨勢(shì).

由圖2(d)和圖2(e)可知，對(duì)于氯鹽模擬液、硫酸鹽模擬液和現(xiàn)場(chǎng)取樣鹽漬土浸出液，其電導(dǎo)率隨pH值的增大均呈現(xiàn)出先減小、再保持不變，最后增大的變化規(guī)律.當(dāng)溶液pH值在4～11范圍變化時(shí)，其電導(dǎo)率也接近一定值，這表明實(shí)驗(yàn)采用模擬液模擬現(xiàn)場(chǎng)鹽漬土溶液是可行的.對(duì)于室內(nèi)制備的模擬液和現(xiàn)場(chǎng)取樣制備的氯鹽漬土溶液和硫酸鹽漬土溶液，當(dāng)溶液pH值介于4～10范圍內(nèi)時(shí)，溶液電導(dǎo)率變化可以忽略不計(jì).對(duì)于模擬堿性鹽漬土，隨pH值的增加或減少而持續(xù)變化.

圖2 pH值對(duì)易溶鹽溶液電導(dǎo)率的影響Fig.2 Effect of pH value on conductivity of soluble salt solution

3 結(jié)論

1) 隨著溫度升高，各種易溶鹽溶液的電導(dǎo)率線性增大，溶液溫度與其電導(dǎo)率呈現(xiàn)出線性正相關(guān)，且溫度對(duì)溶液電導(dǎo)率的影響隨易溶鹽濃度的增大而增大.在溶液濃度低于0.1 g/L時(shí)，溫度對(duì)于電導(dǎo)率影響并不大，可以忽略溫度對(duì)電導(dǎo)率測(cè)試結(jié)果的影響.

2) 當(dāng)易溶鹽溶液濃度較低，小于2 g/L時(shí)，電導(dǎo)率隨pH值變化很小，可以忽略pH值對(duì)電導(dǎo)率影響，隨溶液濃度增大，電導(dǎo)率隨pH值變化幅度增大.當(dāng)pH值在5～10范圍內(nèi)時(shí)，pH值對(duì)硫酸鹽和氯鹽電導(dǎo)率的影響不明顯，不影響易溶鹽含量測(cè)定結(jié)果.但對(duì)于堿性鹽漬土，電導(dǎo)率隨pH值的變化而持續(xù)變化，在測(cè)定過程中需要考慮溶液pH值對(duì)電導(dǎo)率的影響.