重塑污染Q3黄土的电阻率特征演变试验研究

刘 华，胡文乐，牛泽林，王松鹤，胡鹏飞

(1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055； 2.陕西省岩土与地下空间工程重点实验室，陕西 西安 710055； 3.西安理工大学 土木工程学院，陕西 西安 710048)

0 引言

黄土是一种广泛分布于我国西北地区的独特地质载体，在西部大开发和东部经济结构调整的各项工程建设中，有关黄土工程问题备受关注。在我国密集型产业向西部地区转移和工业化不断推进的过程中[1]，越来越多的工业废水和废液也随之产生，工业废水和废液会产生大量的酸碱污染源并对水土造成污染，黄土体受到酸碱污染后的物理力学特性将会发生显著变化，其作为建筑地基、公路与铁路路基及路堤填料时的工程性能备受关注[2]。因此对击实酸碱污染黄土的研究具有重要的实际工程意义[3-4]。20世纪70年代以来，欧美等许多国家就已开始土体污染方面的研究[5-8]，国内学者在20世纪80年代也意识到了这方面研究的重要性，刘汉龙[9-10]、顾季威[11]、黄世铭[3]、陈筠[12]、李琦[13]、孙重初[14]等学者对酸碱污染土的物理力学性质开展了相关研究工作，但到现阶段还没有较为完善的污染场地勘察试验及分析的应用方法和仪器设备[15]，岩土工程界和工程地质界相关学者仍采用岩土勘察的手段对污染场地进行评价[16]。因此，对酸碱污染场地进行快速评价的研究有重要工程意义且备受关注。

电阻率法以土、水、气及水气分界面等相关介质的导电性为基础，是勘察地球物理的常用方法之一，具有连续、快速、无损伤等特点，可以有效准确地对土体性质进行评估[17]。前人研究经验表明[18-19]，击实土的电阻率受击实条件、矿物组成、饱和度、含水率、孔隙液成分等多种因素的影响。但上述成果都是在无污染的条件下进行击实，查甫生等[4]在探讨击实黄土电阻率的基础上证明了土的电阻率与物理力学性质指标间的关系。然而，将电阻率法用于酸碱污染黄土击实特性评价方面的研究还未见报道。

本研究以铜川黄土为研究对象，采用4种浓度的HCl，H2SO4，HNO3及NaOH溶液作为污染物，人工配制不同含水率和不同污染浓度的污染试样，对不同工况下的土样进行击实试验，并对击实后的土样进行不同直流电压下的电阻率测试，探明不同含水率下常见污染物种类及浓度对击实的影响规律，分析击实酸碱污染黄土的电阻率基本特征，为采用电阻率指标评价击实污染黄土体的质量评价提供数据支撑和理论参考。

1 试验概况

1.1 污染土样的制备

试验采用陕西铜川耀州区Q3黄土(取样现场见图1)，土质呈黄褐色，且较为均匀，属黄土状粉质黏土，取土深度1.5～3.0 m，颗粒分析曲线见图2。土样经阳光下暴晒风干后碾碎，含水率约为1%～2%，过5 mm标准筛备用。试验土样的物理力学指标如表1所示[20]。

图1 取样现场Fig.1 Sampling site

图2 铜川Q3黄土试样的颗粒分析曲线Fig.2 Particle analysis curve of Tongchuan Q3 loess

1.2 试验方案设计及试验原理

为了模拟不同工业废水成分对土体力学及电学特性的影响，配制4个等级浓度(0.1 mol/L，0.5 mol/L，1.0 mol/L，2.0 mol/L)的H2SO4，HCl，HNO3及NaOH溶液作为污染物，再分别与风干后的土样进行人工拌和形成含水率依次为15%，17%，19%，21%，23%的污染土样，在保鲜袋中密封保存24 h后进行轻型击实试验，包括5种含水率下的污染土样，共计85个击实试样，然后对击实试样进行不同电压(1～30 V)下的电阻率测试。根据前人研究结果，先对击实土样进行不同高度(11.6，8，4 cm)下的电阻率修正。

表1 试验土样的物理指标Tab.1 Physical indicators of loess for experiment

土的电阻率受到诸多因素的影响，但土的导电性能主要涉及3个过程：孔隙水导电、土颗粒导电及孔隙水-土颗粒导电，如图3所示。而土体的固、液、气等三相中，气相认为不导电。因此，土导电性能的大小主要有以下参数控制[21-24]：一是孔隙水离子含量等成分，二是土颗粒表面吸附特征及土颗粒间的黏结特性，三是孔隙水-颗粒的拌和结构特性。

1.3 试验方法

将拌和好的污染土经密封保存达到试验要求后，进行同条件下的轻型击实试验，所用击实筒为标准击实筒，内径102 mm，筒高116 mm，护筒高度为50 mm。为保证试样的均匀性与整体性，将制备好的

图3 基本电路图Fig.3 Basic circuit diagram

足量土样分3层击实，各击实25下。用针刀在两层交界面处进行刮毛。击实工作完成后将试样从击实筒中推出，依照试验规范及方案设计进行电阻率测试。

试验装置为自行研制的伏安法电阻率测试设备，其测试部分原理如图3所示。电源采用交流电供电转换为0.1～30.0 V的直流(DC)电压，A、V分别为测试试样两端电流和电势差的高精度表；Rx为待测击实试样。对每个试样进行了1，3，5，10，12，15，20，25，30 V等不同电压下的电阻率测试。为减小潜在电泳、极化以及污染物运移等有关现象产生的可能性，在切换电压时应不断地上下颠倒土样，从而改变与正负电极接触。土的电阻率计算公式为：

(1)

式中，U为实测电压读数；I为实测电流读数；Rx为土的电阻；S为击实试样面积；H为试样高度。

1.4 试验数据修正

为了避免四相电极测量时电极挤入给试样带来影响，采用二相电极进行测试。二相电极的测试结果中包含着两极铜板土样间的接触电阻，而且该处电阻对于金属电极和土样都会发生明显变化，因此，对不同高度(11.6，8，4 cm)试样的电阻进行测试，每个高度取5次测试结果对应的中值进行线性拟合，得到接触电阻的值为2.77 Ω，见图4。

图4 R-H数据修正拟合线Fig.4 R-H data correction fitting curve

2 污染土电阻率测试分析

2.1 电压的影响

电压大小是影响污染土电阻率测量结果的重要因素，Sherif Yehia[25]曾认为，电阻率性能随电压升高会出现线性、可控制及击穿3个阶段。在前人研究成果的基础上，揭示了电压大小对污染土电阻率的影响规律：考虑浓度影响的污染液电阻率随电压变化情况如图5(a)所示，在低浓度下，各不同类型污染液电阻率的变化规律：氢氧化钠>硝酸>盐酸>硫酸；随着浓度的升高，不同类型酸污染液电阻率均随着浓度的升高而降低。

如图5(b)～(f)所示为不同含水率下三酸一碱污染土击实土样的电阻率测试曲线。从图中可以看出，击实污染土样的电阻率随着电压的增加表现出先减小再逐渐趋于稳定的趋势。不同含水率下电阻率的变化范围不同，总体表现为随着含水率的升高，集中区段变化范围从15%时的(0～300 Ω·m)高区段降低至23%时的(0～50 Ω·m)区段。随着电压的增加，电阻率下降趋势明显，随着电压的进一步增大，变化稍显平缓。原因在于：电压的升高使得土体内部电子的能量得到提高，更易迁移，导致土样电阻率降低；采用试触法和颠倒土样两极接触等，以减小部分电子累积在电极一端而产生极化效应的可能。随着电压的增加，直流电具备的单向性和试验过程中极有可能触发的极化效应对内部电子移动的影响减小，土颗粒在强电场下发生导电，电阻率呈现较为稳定状态。因此，在使用直流电压进行土样电阻率测量时建议采用12～20 V的电压值。本研究以下讨论部分选用电阻率为12 V 电压对应值。

2.2 含水率及浓度的影响

污染物作用下电阻率与含水率间的关系，如图6所示。图6(a)～(d)依次为不同浓度下的HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染黄土。由图6(a)～(d)可知，在不同污染物种类及浓度下，随着含水率的升高，电阻率值均呈现减小的变化趋势。其中，未污染击实试样的电阻率与含水率间呈现幂函数关系，而图6(a)～(d)所示HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染土击实试样的电阻率与含水率间表现为线性减小关系，且相对未污染土击实试样的电阻率变化显得较为平缓。

如图6所示，含水率较低时，较小的含水率增量使土样电阻率明显降低，当含水率增加至某一值时，相同梯度的含水率增量对土样的电阻率影响较小，击实土样的电阻率降低幅度也减小。其中，盐酸、硝酸污染土击实试样的电阻率随含水率变化规律相似，都表现为在低浓度下电阻率较大，高浓度下电阻率随含水率变化曲线相对集中。NaOH污染土随浓度增加逐渐降低，随含水率增加呈接近线性减小。

实际上，土颗粒和孔隙液成分对轻型击实试样的电阻率大小起到了决定性作用[26]。当土体含水率小于一定值时，土颗粒难以挤密，同等击实条件下的孔隙较大，此时饱和度也较低，土体内部存在大量气体，土体密实性较差，颗粒间接触性较差，且土颗粒周围的双电层结构并未完全形成，土体孔隙及土颗粒几乎不导电，使得土样产生较大电阻率。反之，当击实试样的含水率大于该临界值时，土体拥有较高的饱和度，孔隙水的连通性相对较好，孔隙水的导电性能能够得到充分发挥，使得土体孔隙与土颗粒表面的电阻率均减小[27]，击实试样的电阻率也随之逐渐减小。

图5 电阻率随电压大小变化关系Fig.5 Relations of resistivity varying with voltage

图6 电阻率随含水率变化关系Fig.6 Relations of resistivity varying with water content

从图6(a)和(c)中可以看出，污染土的电阻率随含水率的变化趋势与未污染土相似，且电阻率随浓度的增加均呈现了不同程度的降低，尤其0.1 mol/L 低浓度污染时降幅最为明显。且在含水率相同条件下，污染土击实试样电阻率随着污染浓度的增加而降低；同一浓度下，污染土的电阻率随含水率升高降幅较小。出现这种现象的原因在于，HCl、HNO3等污染物对黄土进行污染时，黄土中的化学成分有较多氧化物等次生矿物，当被酸污染后，发生化学反应的几率会大大增加，生成氯化物以及水分，通过扩散作用运移至土颗粒之外，增大了孔隙液的连通性，增强了土颗粒孔隙及土颗粒表面的电学性能，且浓度越高，该反应进行得越完全。具体反应方程式[28]如式(2)～(3)所示(以HCl为例)。同时，土体中含有的微量SiO2，能够与水发生双向可逆的水解反应，随着酸浓度的增大，反应式逆向进行，水的质量分数增大，也使污染土的电阻率降低，反应方程式见公式(4)。

(2)

(3)

(4)

从图6(b)中可以看出，H2SO4污染土的电阻率随含水率的变化趋势也与未污染土击实试样电阻率变化规律相似，但其电阻率与污染浓度的关系呈现先减后增的现象，甚至在污染物浓度2.0 mol/L 时,击实土样的电阻率高于未污染[29]。分析其原因可知，较低浓度的硫酸腐蚀性相对较弱，使得孔隙液成分类似盐酸和硝酸，离子增多，增大了孔隙液的连通性，导电性能得到增强，促使电阻率降低；随着硫酸浓度的增加，致使土颗粒间的原生结构破坏以及新生胶结结构的形成，使得粒径及孔径均增大[30]，浓度越高，腐蚀性越强，孔隙液中析出的胶结物质的黏滞作用和沉淀作用极易造成孔隙连通性降低，使得高浓度下电阻率高于未污染土。

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

3 基本参数间的相互关系

3.1 HCl污染与电阻率的关系

图7 不同含水率下电阻率-HCl浓度关系曲线Fig.7 Curves of resistivity vs. HCl concentration with different water contents

图7为击实盐酸污染试样的电阻率随盐酸浓度变化关系，由图可知，随着污染浓度的增加，击实试样电阻率变化幅度呈指数关系减小。在浓度较低时，电阻率变化幅度大；浓度较高时，电阻率变化幅度减小且逐渐趋于稳定[31]。且随着含水率的增加，拟合的指数函数模型(11)中a值逐渐减小，低含水率时，b值在-4.8～-6.8左右；高含水率时，b值在-15左右。这也与前人的研究成果相互契合：一方面，孔隙水的连通性提高，孔隙液导电性能得到改善，使得击实土体的导电性能增强，试样的电阻率值降低；另一方面，盐酸污染使得土颗粒表面电荷发生改变。

ρ=aebn，

(11)

式中，ρ为电阻率;n为浓度;a、b为系数。

3.2 H2SO4污染与电阻率的关系

图8为不同含水率下电阻率-H2SO4浓度关系曲线，从图中可以看出，随着污染浓度的增大，粒径及孔径均增大，孔隙液中析出的胶结物质的黏滞作用和沉淀作用极易造成孔隙连通性降低，电阻率增加。拟合参数结果见表2。其中，0.1～2 mol/L电阻率的拟合度很高，且随着含水率的升高，式(12)拟合线的斜率逐渐降低，截距也逐渐减小。原因在于，硫酸污染造成了原生结构破坏及新胶结物的形成，黄土中土颗粒的分解与再造是电阻率升高的主要原因；同时硫酸污染土通过改变颗粒新生胶结盐的综合作用使得击实土样的孔隙连通性较差，而孔隙水导电是土体中电荷移动的重要途径，因此，硫酸污染土电阻率在浓度稍大时出现升高。而在0.1 mol/L 时出现了硫酸污染土电阻率均低于未污染时的“异常现象”，可能是由于浓度较低时，腐蚀性较差，孔隙液的离子含量升高，而此时孔隙连通性并未发生明显变化所致。此外，图8中17%拟合线与试验数据存在偏差，17%含水率下，随着H2SO4污染浓度升高，电阻率呈现增加趋势，但在1.0 mol/L和2.0 mol/L时与拟合线偏差较大，可能是由于该含水率接近击实土的最佳含水率，相同击实功条件下，污染对该击实土样的电阻率影响改变较小所致。

ρ=kn+b，

(12)

式中，ρ为电阻率;n为浓度;k、b为系数。

图8 不同含水率下电阻率-H2SO4浓度关系曲线Fig.8 Curves of resistivity vs. H2SO4 concentration with different water contents

表2 拟合参数结果Tab.2 Parameter fitting result

3.3 HNO3污染与电阻率的关系

图9为电阻率随HNO3浓度变化关系。随着酸污染浓度的升高，土体固相成分组成发生改变，使得土的电阻率明显降低直至出现拐点后逐渐趋于稳定。一方面孔隙水的导电性得到改善，增加了孔隙水的导电性；另一方面，可能与硝酸污染改变了土的颗粒级配及液塑限等相关物理力学性质有关。利用式(13)对不同含水率下击实试样的电阻率与污染浓度的关系曲线进行拟合，如图9所示，拟合结果中可以看出，由于硝酸污染的影响，电阻率随浓度升高弱化了含水率的影响。

ρ=aebn+c，

(13)

式中，ρ为电阻率；n为浓度；a，b，c为系数。

图9 不同含水率下电阻率-HNO3浓度关系曲线Fig.9 Curves of resistivity vs. HNO3 concentration with different water contents

3.4 NaOH污染与电阻率的关系

图10为电阻率随NaOH浓度变化关系，碱污染土的电阻率随浓度增加逐渐降低，且降低趋势越来越小。用式(14)拟合度较高。高含水率下，污染土的b值在0.3～0.6区间内，比低含水率15%时污染土的b值高5～10倍左右，随着含水率的升高，a、c两参数值逐渐降低。原因在于，氢氧化钠随使得孔隙液导电性增强，电阻率减低，与盐酸及硝酸不同的是，盐酸和硝酸的电阻率在低浓度时降低较为明显，随浓度升高进一步变化较小；氢氧化钠污染土电阻率的降低随浓度升高呈现逐步变化的趋势较为明显。氢氧化钠浸润黄土时的碱土作用，产生的胶结物质(絮状沉淀、晶体及胶体)会使击实土样更加密实，颗粒间距减小，联络更加紧密，导电性能提高，电阻率降低。

(14)

式中，ρ为电阻率；n为浓度；a，b，c为系数。

图10 不同含水率下电阻率-NaOH浓度关系曲线Fig.10 Curves of resistivity vs. NaOH concentration with different water contents

4 结论

本研究对击实酸碱污染黄土的电阻率特性进行了测试分析，探明了土的含水率、污染物种类及污染浓度等因素对击实酸碱污染黄土电阻率的影响，研究了击实酸碱污染黄土的电阻率特性，得出了以下主要结论：

(1)击实黄土试样的电阻率随含水率的增加呈现减小趋势，当含水率处于较低水平时，相同梯度的含水率增量使得击实试样的电阻率降低较为明显；当含水率增加至某一临界值时，同等梯度的含水率增量使得击实试样的电阻率降低幅度减小。

(2)HCl，H2SO4，HNO3，NaOH污染后黄土体的电阻率变化显著，土体导电性受土颗粒和孔隙液化学成分影响显著。HCl，HNO3，NaOH污染后使黄土体的电阻率明显降低，且随浓度增加，降低幅度减小；H2SO4污染黄土击实试样的电阻率值随污染浓度增加呈现增大趋势，原因在于硫酸污染对土颗粒架构的改变以及对孔隙液成分的影响。

(3)击实酸碱污染黄土体的电阻率随浓度的变化关系可用具有拟合度较高的相关曲线进行描述，二者的相关性可以用来通过电阻率法评价及预测污染土体的侵蚀程度及相关物理力学参数。