钠盐盐渍土的电阻率特性研究

罗述伟，杨秀娟，樊恒辉，杜宇航

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)

0 引 言

土具有一定的自清污能力，当盐类物质通过不同方式进入土中且累积到一定程度时，土的结构、组成和功能会受到显著影响。盐的累积引发了一系列环境岩土工程问题，如地基与路面的泥泞、溶陷、盐胀、腐蚀、路基翻浆和冻胀等。一般采用物探方法对盐渍土地区进行工程地质勘测。常用的弹性波法[1]对于没有明显波阻抗区别但盐分与水分分布呈不规律分布时的地层变化不敏感，而电阻率法[2]因其无损、低廉、高效等优点在工程中应用较为广泛。因此，研究盐渍土的电阻率特性对于利用电阻率评价盐渍土的工程性质具有重要意义。

自Archie[3]采用电阻率法对饱和砂岩的微结构特征进行研究后，许多学者开始对土体电阻率开展了一系列室内外研究。Gil Lim Yoon等[4]研究了污染土电阻率随影响因素的变化趋势，并用电阻率法解决相关的环境岩土工程问题。刘松玉、于小军等[5]通过分析电阻率的影响因素，对国内外现有的土电阻率测试原理与方法进行了总结，并对其研制的土电阻率测试仪可行性进行了验证。韩立华、刘松玉[6]通过室内外试验分析水泥土电阻率的影响因素和变化规律，并探讨了电阻率法能否有效对水泥桩进行无损检测。董晓强、白晓红等[7-9]利用电阻率法对NaOH和H2SO4污染下的水泥土电阻率与各参数、强度的关系开展了研究，推导出相应的电阻率公式，并证明了电阻率法能有效评估和检测H2SO4污染水泥土。刘国华等[10]通过正交试验分析电阻率影响因素的主次顺序，并在此基础上推导出粘性土电阻率模型。刘松玉、査甫生等[11]通过基本室内试验研究击实膨胀土随其影响因素的变化规律，探讨了膨胀土在胀缩变形中其特征参数与电阻率的关系，这对有效预测现场膨胀土特征提供了理论依据。白兰等[12]通过室内模拟试验分析了污染物的种类和含量对黄土电阻率的影响。叶萌等[13]研究了多种因素对电阻率的影响以及电阻率变化规律，为快速有效检测重金属污染场地起到参考作用。韩立华、刘松玉等[2]通过室内模拟试验证明了电阻率法可以有效诊断污染土。弓国军、孔启明等[14]通过对氯盐污染下混凝土电阻率的主要影响因素进行分析，从而推导出混凝土电阻率的模型公式。李玲等[1]通过正交试验研究了盐渍土的影响因素，研究了电阻率随含水率、含盐量、孔隙率及饱和度的变化规律和特点。王乐凡、张仁义等[15]通过研究饱和状态下硫酸盐和氯盐电阻率，反算土体含盐量。霍海峰、王文博[16]通过室内试验探究了盐溶液对水泥土电阻率和抗压强度的影响。何斌、白晓红等[17]研究了电阻率、土体压缩性以及稠度指标随洗衣粉含量的变化规律，并提出适用于洗衣粉污染土电阻率模型。

表1 土样的基本参数指标

目前，关于土体电阻率特征的室内试验研究已经涉及到了砂、砂岩、粘土、黄土、污染土、膨胀土、水泥土等，且电阻率法也广泛地应用于工程中，但对盐渍土电阻率的研究比较缺乏，有待继续进一步研究。本文研究了含不同质量分数的3种钠盐以及3种混合钠盐盐渍土试样的电阻率特性，揭示了电阻率参数与含盐量、含水率之间的关系，并根据电阻率试验数据提出钠盐盐渍土电阻率模型。

1 试验材料与方法

1.1 试样材料

本试验采用杨凌台塬地区的黄土，取土深度约为2.0 m，挖去土壤表层后取土。土样风干碾碎后过2 mm筛备用。试验测得杨凌黄土的pH为8.63，易溶盐总量为0.16 g/kg，难溶盐CaCO3为84.98 g/kg，有机质为5.06 g/kg，其基本物理指标见表1。按照0、0.3%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%的质量分数计算3种钠盐(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)和混合钠盐(NaCl和Na2CO3、NaCl和Na2SO4、Na2CO3和Na2SO4，质量比均按1∶1混合)，并将溶液分层均匀喷洒至土样中，搅拌均匀静置48 h。试验中所用盐渍土土样含水率w分别设置为14%、16%、18%和20%。试验土样用直径39.1 mm、高度80 mm规格的试模压样成形。制样干密度控制在1.67 g/cm3，并在恒温箱内18 ℃条件下养护24 h。

1.2 试验方法

土的电阻率等于电导率的倒数，其定义为单位长度的土体电阻的平均值与截面面积乘积，单位为Ω·m[2]。综合而言，土的电阻率由土颗粒电阻率和孔隙水电阻率2部分组成。试验中采用TH2827C型数字电桥(见图1)。电桥仪采用交流电通过试块，测出试块两端电压，根据下式[5]计算试样电阻率，即

(1)

式中，ρ为试样电阻率；R为试样电阻；S为电流通过试样的横截面面积；L为电极片之间的间距；ΔU为点位差；I为电流强度。

先将电阻率仪器开机稳定后，从恒温箱中取出试样，涂上导电膏；然后将电极片与试样夹紧以保证接触紧密，依次测试每个试样的电阻率，每个试样的电阻率测量控制在1 min左右。在电阻率测试中，要考虑对接触电阻进行修正，因为试样与金属电极接触处会产生明显的阻抗。因此，可以通过依次测出几组不同长度试样间的电阻来减小试验误差，绘制出R-L的拟合直线(见图2)，将直线延长直至与R轴相交，截距即为接触电阻。本次试验的接触电阻R0=1 553.5 Ω。试样电阻值在数值上等于实测电阻值R与接触电阻R0的差值。本次试验测试频率选择20 kHz。

图1 TH2827C型精密LCR数字电桥仪器

图2 R-L的拟合直线

2 试验结果与分析

2.1 单盐含量对土体电阻率的影响

分别加入单盐(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)后土样电阻率试验结果见图3。从图3可知，在相同的含水率w下，土体电阻率ρ随单盐(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量的增加而减小，刚开始下降速度较快，而后趋于稳定。这主要是因为刚开始当盐进入土体完全溶解后，土体中的电荷总量剧增，此时电阻率ρ大小取决于土体中的电荷总量，电荷总量越多，则导电性越强，即电阻率ρ越小；而后当盐溶解度达到饱和时，电荷总量趋于稳定，则导电性变化很小，即电阻率ρ基本保持不变；随着含水率w的增加，土体电阻率ρ呈下降趋势，这主要是因为随着含水率w的增加，土体中的孔隙不断被水分填充，土体饱和度增加，使得孔隙之间的连通性越来越好，则土体的导电性增强，电阻率ρ下降。但当单盐(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量达到一定值时，含水率w对电阻率ρ的影响变小。

不同含水率w下，土样电阻率ρ与单盐(NaCl、Na2CO3、Na2SO4)含量的拟合公式和相关关系表2。从表2可以看出，随着单盐含量的增加，土样电阻率ρ均呈现出指数函数的下降趋势，且都具有较好的拟合相关性。土样电阻率ρ与Na2CO3含量关系拟合度最高，其次为NaCl和Na2SO4。可以利用该公式，对不同含水率和Na2CO3含量的土样电阻率进行预测，准确性较高。

图3 土样电阻率与单盐含量的关系

表2 土样电阻率与单盐含量的拟合公式和相关关系

不同类型的钠盐会对盐渍土土样电阻率产生不同程度的影响。在同一盐含量下，盐渍土土样的电阻率呈现Na2SO4>NaCl>Na2CO3的趋势。这主要由于电荷总量和离子迁移速度很大程度上决定了土体的导电性。盐含量相同时，Na2CO3盐渍土土样中离子含量高于NaCl，NaCl盐渍土土样中离子含量高于Na2SO4；此外，硫酸根离子的活度相对较低，且硫酸盐结晶会导致土体体积增大，孔隙变大，电阻率增大，这是由于硫酸盐在结晶过程中会结合土体中一部分水分子。因此，Na2CO3盐渍土土样导电性大于NaCl，NaCl盐渍土土样导电性大于Na2SO4。

2.2 混合钠盐对土体电阻率的影响

加入混合钠盐(NaCl和Na2CO3、NaCl和Na2SO4、Na2CO3和Na2SO4，按质量比1∶1混合)后土样电阻率结果见图4。从图4可知，在相同的含水率w下，土体电阻率ρ同样随混合盐含量的增加而减小，刚开始下降速度较快，而后趋于稳定。在盐含量由0变为0.3%时，电阻率ρ发生突变，这是因为土体中水分使得加入的盐能充分地溶解在土体中，此时电荷总量是影响导电性的主要因素。随后，随着盐含量的变化，电阻率ρ下降速度逐渐趋于平缓，这是因为土体电阻率由土颗粒电阻率和孔隙液电阻率组成，而后期孔隙液电阻率随着盐含量的变化趋于稳定。土体电阻率ρ随含水率w的增加而减小，这是由于孔隙水的填充增强了土体孔隙的连通性，使得土体整体导电性增强，电阻率ρ下降。但当混合盐含量达到一定值时，电阻率ρ受含水率w的影响变小。

图4 土样电阻率与混合盐含量的关系

不同含水率w下，土样电阻率ρ与混合盐含量的拟合公式和相关关系见表3。从表3可知，土样电阻率ρ均随盐含量的增大呈指数关系降低，指数曲线拟合相关系数都较高。同时，不同的混合盐类型对电阻率有一定影响，当混合盐含量相同，盐渍土土样电阻率则表现出NaCl和Na2SO4>Na2CO3和Na2SO4>NaCl和Na2CO3的趋势。其原因是在相同盐含量下，混合盐NaCl和Na2CO3盐渍土土样离子含量最高，NaCl和Na2SO4盐渍土土样离子含量最低。因此，混合盐NaCl和Na2CO3盐渍土土样电阻率最小，NaCl和Na2SO4盐渍土土样电阻率最大。

表3 土样电阻率与混合盐含量的拟合公式和相关关系

2.3 钠盐盐渍土的电阻率模型

通过依次分析单因素(钠盐含量、含水率、钠盐种类)对土体电阻率的影响发现，钠盐含量和含水率对电阻率影响都较大，而相对于钠盐含量和含水率的影响程度，钠盐种类对电阻率的影响较小，属于次要因素，同时考虑到土体含水率与饱和度、孔隙比之间存在一定换算关系，对实际工程而言，盐渍土的孔隙水电阻率和土颗粒的性质在特定的区域差异不大。因此，可以通过推广的Archie[3]公式来表示钠盐盐渍土电阻率ρ，即

(2)

式中，P为钠盐含量；Sr为土的饱和度；ρw为孔隙水电阻率；K、m和n为土性有关的参数。

通过对上述试验数据进行统计分析，推导出基于阿尔奇公式的钠盐盐渍土电阻率公式为

(3)

以单钠盐NaCl为例，将实际测得的NaCl盐渍土电阻率进行拟合，观察实际测得的电阻率与钠盐盐渍土电阻率模型公式计算结果的拟合程度，其中，含水率14%、16%、18%和20%分别对应饱和度Sr分别为0.613、0.700、0.788和0.876。实际测得的电阻率与钠盐盐渍土电阻率模型公式计算结果的拟合结果见图5。从图5可知，拟合程度较高。

图5 钠盐盐渍土电阻率模型

3 结 语

本文以杨凌黄土为研究对象，配制含不同质量分数的3种钠盐和3种混合钠盐的盐渍土土样，分别测试不同含水率下钠盐盐渍土的电阻率变化规律，得出以下结论：

(1)钠盐盐渍土电阻率随单盐或混合盐含量的增加而减小，而后趋于稳定；当单盐或混合盐含量达到一定值时，含水率对电阻率的影响变小，含盐量对电阻率的敏感程度大于含水率对电阻率的敏感程度。

(2)不同类型的钠盐对盐渍土土样电阻率产生不同程度的影响，在同一盐含量下，盐渍土土样的电阻率呈现Na2SO4>NaCl>Na2CO3的趋势。当混合盐含量相同时，混合盐则表现出NaCl和Na2SO4>Na2CO3和Na2SO4>NaCl和Na2CO3的趋势。

(3)通过分析电阻率与钠盐含量之间的相关性，基于阿尔奇电阻率模型，推导了钠盐盐渍土的电率模型。