Cu2+對(duì)溫州軟粘土電阻率特性影響的試驗(yàn)研究

蔣吉方，余闖，廖饒平，朱超鵬

(溫州大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 溫州 325035)

溫州位于浙江省東南沿海地區(qū)，東瀕東海，南接福建，是中國(guó)著名的軟粘土地區(qū)。溫州軟粘土成因類型為瀉湖相，沉積厚度達(dá)到35 m，呈現(xiàn)流塑狀態(tài)，深厚均勻，有不規(guī)則的粉砂層或透鏡體，屬于高壓縮性、低強(qiáng)度的軟弱土[1]。溫州市輕工業(yè)比較發(fā)達(dá)，制革、電鍍等行業(yè)污染嚴(yán)重，工業(yè)廢水中含有大量的鉻、銅、鎳等重金屬離子，對(duì)電路板電子元件等進(jìn)行酸洗時(shí)，所產(chǎn)生的廢液中含有大量的Cu2+，多處水源和土壤已受到一定程度污染。

土的電阻率作為土體的固有參數(shù)，也可以表征土體的導(dǎo)電性，具有連續(xù)、快捷、無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)[2]。自1942年Archie[3]首次提出了適用于飽和無(wú)粘性土的電阻率模型以來(lái)，電阻率法在土體和巖石的工程現(xiàn)狀的研究中得到了重視。Cai等[4]用電阻率參數(shù)作為重要的技術(shù)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)氧化鎂固化砂土的性質(zhì)；Hassan等[5]對(duì)非飽和土的干濕循環(huán)特性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)電阻率是一個(gè)有效的評(píng)價(jià)指標(biāo)；劉松玉等[6]在中國(guó)率先對(duì)電阻率室內(nèi)測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了研究，建立了分析模型,并在土顆粒的組成方面對(duì)土電阻率的影響進(jìn)行了研究；查甫生等[7]在地基處理中運(yùn)用電阻率法，并在膨脹土改良等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，都有著顯著的效果；劉志彬等[8]研究鋅離子對(duì)膨脹土一維壓縮特性的影響，并在對(duì)黃土的研究中也充分運(yùn)用了電阻率法；章定文等[9]在污染土干濕循環(huán)的耐久性研究中也運(yùn)用到了電阻率法，效果顯著；董曉強(qiáng)等[10]對(duì)污染水泥土攪拌樁取芯的檢測(cè)也使用了電阻率這種新方法，通過(guò)室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗(yàn)得到有效驗(yàn)證，建立了一定的相關(guān)關(guān)系；宋志偉等[11]在重金屬污染砂土方面也做了交流電阻率相關(guān)的研究。

本文在分析前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用電阻率法研究不同銅離子濃度和水泥摻入量對(duì)溫州軟粘土的影響特性，揭示電阻率與其他參數(shù)之間的關(guān)系。

1 土的電阻率理論及測(cè)試方法

土體的導(dǎo)電性有3個(gè)不同路徑：孔隙水導(dǎo)電、顆粒表面(陽(yáng)離子)導(dǎo)電或二者的綜合作用，如圖1所示。

圖1 粘性土中電流的3種流通路徑示意圖(據(jù) Rhoadels 等[12])Fig.1 Three conductance pathways unsaturated soil

同時(shí)，土體的導(dǎo)電性能主要由兩個(gè)參數(shù)控制孔隙水中的鹽含量及其飽和度：土的比表面積與粘土礦物含量。電流通過(guò)單位立方土體產(chǎn)生的電阻值被稱為電阻率(Ω·m)，用ρ表示。土體是三相系統(tǒng)，其電阻率也是受孔隙水、土體顆粒與結(jié)構(gòu)共同影響的結(jié)果[13]。目前主要有兩種方法[14]對(duì)它進(jìn)行測(cè)定:

1)Wenner 方法。直接通電流的Wenner 法(DC 法)是室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定的主流方法，其示意圖見圖2。作為一種四相電極法，外部電極通電流I(mA)，內(nèi)部電極測(cè)誘導(dǎo)電壓，半空間電阻率ρ為

ρ=2πaV/I

圖2 Wenner 法示意圖Fig.2 Wenner method for determining soil

2)二相電極法。二相電極法示意圖如圖3所示?？煞譃閮纱箢悾旱谝活愂峭翗与娮鑂是用兩相電極法測(cè)得，再由公式ρ=RS/l求出。其中：ρ為土樣電阻率，Ω·m；R為土樣電阻，Ω；S為電流通過(guò)土樣的橫截面面積，m2；l為電極片距離，m。另外一類用高阻抗電壓表測(cè)得土樣兩端電位差，回路電流強(qiáng)度用電流表測(cè)得，再由公式ρ=(ΔU·S)/(I·l)計(jì)算獲得土樣電阻率。式中：ρ為土樣電阻率，Ω·m；ΔU為電位差，V；I為電流強(qiáng)度，A；S為電流通過(guò)土樣的橫截面面積，m2；l為電極片距離，m。

圖3 二相電極法示意圖Fig.3 Two electrodes method for determining soil

2 試驗(yàn)準(zhǔn)備及方法

2.1 測(cè)試儀器

試驗(yàn)在改裝過(guò)的一維固結(jié)儀(WG-2A型雙聯(lián)固結(jié)儀)下進(jìn)行，環(huán)刀采用自制高強(qiáng)度樹脂絕緣環(huán)刀；打了小孔的透水石；分析天平；電阻測(cè)試采用Precision LCR Meter(LCR-800)電阻測(cè)試儀，用兩相電極法測(cè)得土樣電阻R，由公式ρ=RS/l求得土樣電阻；標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱。

2.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土為溫州地區(qū)軟黏土，Cu2+采用分析純的CuCl2·2H2O晶體，高純水和普通水泥。

2.3 試驗(yàn)方法

1)試驗(yàn)準(zhǔn)備。首先改裝固結(jié)儀，將原有的不銹鋼護(hù)環(huán)進(jìn)行絕緣處理，用絕緣環(huán)刀代替不銹鋼環(huán)刀，絕緣上蓋代替原不銹鋼上蓋。再制作數(shù)片圓形薄銅片，使其直徑與環(huán)刀內(nèi)徑一致；最后，在透水石上鉆孔，方便測(cè)試電阻的導(dǎo)線與試樣上的金屬片接觸。

2)試驗(yàn)開始。最先進(jìn)行的是常規(guī)試驗(yàn)，根據(jù)土工試驗(yàn)規(guī)范對(duì)土樣進(jìn)行基本測(cè)試，測(cè)出其基本物理指標(biāo)。然后進(jìn)行試樣的制備。配置不同含量Cu2+的土樣，稱量CuCl2·2H2O晶體，置于燒杯中，緩緩倒入高純水，并持續(xù)攪拌，配置樣本污染液，以每千克土樣中所含不同Cu2+的量作為梯度濃度，分別為3、6、9、12 g/kg。對(duì)土樣進(jìn)行烘干磨細(xì)，稱量后緩慢倒入托盤內(nèi)，緩慢倒入溶液進(jìn)行充分?jǐn)嚢韬?，擊?shí)制成環(huán)刀樣(先用不銹鋼環(huán)刀制樣，制樣前內(nèi)壁涂上凡士林，然后，再平穩(wěn)地轉(zhuǎn)移到絕緣環(huán)刀內(nèi))。環(huán)刀兩側(cè)附上銅片，放置改裝的固結(jié)儀上進(jìn)行電阻測(cè)試。

圖4 固結(jié)儀上土電阻率測(cè)試示意圖Fig.4 Electrical resistivity measurement with modified oedometer consolidation

采用上述制樣方法，制定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案控制變量，如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experiment of different conditions

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

土體基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo):天然含水量為70.34%，密度為1.870 g/cm3，比重為2.71，液限為58%，塑限為26%。

3.1 Cu2+ 濃度

含水量30%時(shí)，不同的離子濃度下電阻率試驗(yàn)結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 不同濃度Cu2+污染土電阻率試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Electrical resistivity test results of contaminated soils with different Cu2+

圖6 不同孔隙率污染土電阻率試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Electrical resistivity test results of contaminated

圖5、圖6所示為含水量較小時(shí)，不同Cu2+濃度的污染土在一維壓縮固結(jié)過(guò)程中測(cè)得的電阻率結(jié)果。由圖可見：初始孔隙較大時(shí)，電阻率值的變化較為明顯，當(dāng)孔隙比減少到0.6左右時(shí)，電阻率變化值趨于平緩，由于電阻率值變化不明顯，此時(shí)，不宜再用電阻率法來(lái)表征土體性質(zhì)； Cu2+濃度較高時(shí)的電阻率值變化較低濃度時(shí)小很多，此時(shí)也不宜用電阻率法來(lái)表征土體性質(zhì)的變化。

3.2 含水量

Cu2+濃度為3 g/kg時(shí)，不同含水量下的電阻率試驗(yàn)結(jié)果見如圖7。

圖7 污染土不同含水量電阻率試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Electrical resistivity test results of contaminated soils with different water

圖7所示為土中Cu2+濃度為一定時(shí)，隨含水量變化測(cè)得的電阻率在一維壓縮過(guò)程中的結(jié)果。由圖可知：電阻率值在含水量較低時(shí)變化很明顯，當(dāng)含水量到達(dá)50%左右，其值變化很小，可見，當(dāng)含水量較大時(shí)，電阻率法用來(lái)評(píng)估土體性質(zhì)改變的區(qū)分度降低，不宜采用。

3.3 水泥摻入量

含水量40%，Cu2+濃度12 g/kg時(shí)，不同的水泥摻入量下土樣電阻率試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 污染土不同水泥含量電阻率試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Electrical resistivity test results of contaminated soils with different cement

圖8所示為土體Cu2+濃度、含水量為固定值，水泥摻入量分別為5%、10%、20%、30%、35%情況下，在一維壓縮固結(jié)過(guò)程中測(cè)得的電阻率結(jié)果。由圖可知：水泥含量增加到30%左右時(shí)，電阻率的值會(huì)有一個(gè)突增，隨著固結(jié)的進(jìn)行，其變化值較大。可見，該土體中水泥摻入量較多時(shí)，電阻率法可以很好的反映土體的性質(zhì)的改變。

3.4 養(yǎng)護(hù)齡期

同一含水量40%，離子濃度12 g/kg，水泥摻入量為10%，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下電阻率試驗(yàn)結(jié)果見圖9。

圖9 水泥污染土不同齡期電阻率試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Electrical resistivity test results of contaminated soil-cement with different curing

圖9所示為土體在Cu2+濃度、含水量、水泥摻入量一定的情況下，將土體分別養(yǎng)護(hù)不同時(shí)間，分別在一維固結(jié)壓縮過(guò)程中測(cè)得的電阻率值。由圖可知，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后，水泥污染土的電阻率有很明顯的增高；養(yǎng)護(hù)越久，水泥污染土電阻率越大；未養(yǎng)護(hù)土體的電阻率與養(yǎng)護(hù)后的相比微乎其微，可以推測(cè)出，在Cu2+影響下的溫州軟黏土與水泥土之間有著微觀上的改變，使得土體電阻率增大太多，故沒有對(duì)養(yǎng)護(hù)28 d后的土樣進(jìn)行分析比較。

3.5 綜合分析

如圖7和圖8所示，在土體中加入一定量水泥亦或養(yǎng)護(hù)后，Cu2+污染土體的電阻率有很大幅度升高。由此，有以下幾點(diǎn)分析：1)測(cè)試時(shí)，薄銅片與土體表面沒有很好地接觸，只接觸了一部分，實(shí)際接觸面積較小，但通過(guò)計(jì)算公式P=RS/l算出的電阻率比實(shí)際值偏大；2)試驗(yàn)控制含水量為變量，重塑土樣，土體未達(dá)到飽和狀態(tài)，Archie提出的適用于飽和無(wú)粘性土的電阻率模型在此處不適用；3)摻入水泥比值增大的同時(shí)，水泥水化的程度變高，水泥土與粘土的反應(yīng)增強(qiáng)，水化形成硅酸鈣膠體增多；隨著水泥量的增加，水泥水化產(chǎn)物充填粘土顆粒間的空隙程度也隨之增大，致使結(jié)構(gòu)密實(shí)，因而導(dǎo)致了導(dǎo)電性降低，電阻率升高；4)未養(yǎng)護(hù)過(guò)的土樣電阻率值比養(yǎng)護(hù)過(guò)的小很多，可能是因?yàn)樗鶕剿喑跗陔A段反應(yīng)不完全，但隨著時(shí)間的推移，水泥土的反應(yīng)充分發(fā)展，形成的產(chǎn)物填充了孔隙，結(jié)構(gòu)密實(shí)，導(dǎo)電性降低，電阻率升高；5)從礦物成分分析角度，水泥中硅酸三鈣(3CaO·SiO2)水化反應(yīng)生成氫氧化鈣Ca(OH)2使得環(huán)境pH>7，形成氫氧化銅Cu(OH)2沉淀，降低了Cu2+對(duì)水泥水化的不利影響，該沉淀同時(shí)還會(huì)充填土體顆粒之間的間隙；另外，氫氧化鈣和水中的二氧化碳發(fā)生反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀導(dǎo)致空隙被填充，從而降低了Cu2+污染土的導(dǎo)電性，電阻率升高，生成的水化硅酸鈣具有膠結(jié)包裹及吸附作用，較大的土團(tuán)粒因此粘結(jié)起來(lái)，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，并且封閉了空隙，使Cu2+無(wú)法流動(dòng)，弱化了其影響，Cu2+的流動(dòng)減少后，相對(duì)原污染土的導(dǎo)電性也大幅降低，電阻率大幅升高。

4 結(jié)論

1)孔隙率較小時(shí)，電阻率特性不明顯，不能很好地評(píng)估土體特性的改變。

2)含水量和Cu2+濃度較高時(shí)，土體電阻率的變化區(qū)間減小，不宜采用電阻率法來(lái)表征土體的性質(zhì)的改變。

3)加入水泥和養(yǎng)護(hù)之后，電阻率值突變綜合分析表明：溫州軟黏土中Cu2+的流動(dòng)性在水泥固化土中被抑制，水化反應(yīng)越完全，土體中孔隙越小，導(dǎo)電性能降低，電阻率升高。

4)電阻率值可用于評(píng)估工程中土體重金屬的污染程度，反應(yīng)水泥固化土體中重金屬的效果。