Cu2+對溫州軟粘土電阻率特性影響的試驗研究

蔣吉方，余闖，廖饒平，朱超鵬

(溫州大學 建筑工程學院，浙江 溫州 325035)

溫州位于浙江省東南沿海地區，東瀕東海，南接福建，是中國著名的軟粘土地區。溫州軟粘土成因類型為瀉湖相，沉積厚度達到35 m，呈現流塑狀態，深厚均勻，有不規則的粉砂層或透鏡體，屬于高壓縮性、低強度的軟弱土[1]。溫州市輕工業比較發達，制革、電鍍等行業污染嚴重，工業廢水中含有大量的鉻、銅、鎳等重金屬離子，對電路板電子元件等進行酸洗時，所產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，也可以表征土體的導電性，具有連續、快捷、無損等優點[2]。自1942年Archie[3]首次提出了適用于飽和無粘性土的電阻率模型以來，電阻率法在土體和巖石的工程現狀的研究中得到了重視。Cai等[4]用電阻率參數作為重要的技術指標來評價氧化鎂固化砂土的性質；Hassan等[5]對非飽和土的干濕循環特性進行研究，發現電阻率是一個有效的評價指標；劉松玉等[6]在中國率先對電阻率室內測試技術進行了研究，建立了分析模型,并在土顆粒的組成方面對土電阻率的影響進行了研究；查甫生等[7]在地基處理中運用電阻率法，并在膨脹土改良等方面進行評價，都有著顯著的效果；劉志彬等[8]研究鋅離子對膨脹土一維壓縮特性的影響，并在對黃土的研究中也充分運用了電阻率法；章定文等[9]在污染土干濕循環的耐久性研究中也運用到了電阻率法，效果顯著；董曉強等[10]對污染水泥土攪拌樁取芯的檢測也使用了電阻率這種新方法，通過室內進行模擬試驗得到有效驗證，建立了一定的相關關系；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的研究。

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

1 土的電阻率理論及測試方法

土體的導電性有3個不同路徑：孔隙水導電、顆粒表面(陽離子)導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 Rhoadels 等[12])Fig.1 Three conductance pathways unsaturated soil

同時，土體的導電性能主要由兩個參數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。電流通過單位立方土體產生的電阻值被稱為電阻率(Ω·m)，用ρ表示。土體是三相系統，其電阻率也是受孔隙水、土體顆粒與結構共同影響的結果[13]。目前主要有兩種方法[14]對它進行測定:

1)Wenner 方法。直接通電流的Wenner 法(DC 法)是室內和現場測定的主流方法，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)，內部電極測誘導電壓，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。可分為兩大類：第一類是土樣電阻R是用兩相電極法測得，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得土樣兩端電位差，回路電流強度用電流表測得，再由公式ρ=(ΔU·S)/(I·l)計算獲得土樣電阻率。式中：ρ為土樣電阻率，Ω·m；ΔU為電位差，V；I為電流強度，A；S為電流通過土樣的橫截面面積，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 試驗準備及方法

2.1 測試儀器

試驗在改裝過的一維固結儀(WG-2A型雙聯固結儀)下進行，環刀采用自制高強度樹脂絕緣環刀；打了小孔的透水石；分析天平；電阻測試采用Precision LCR Meter(LCR-800)電阻測試儀，用兩相電極法測得土樣電阻R，由公式ρ=RS/l求得土樣電阻；標準養護箱。

2.2 試驗材料

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

2.3 試驗方法

1)試驗準備。首先改裝固結儀，將原有的不銹鋼護環進行絕緣處理，用絕緣環刀代替不銹鋼環刀，絕緣上蓋代替原不銹鋼上蓋。再制作數片圓形薄銅片，使其直徑與環刀內徑一致；最后，在透水石上鉆孔，方便測試電阻的導線與試樣上的金屬片接觸。

2)試驗開始。最先進行的是常規試驗，根據土工試驗規范對土樣進行基本測試，測出其基本物理指標。然后進行試樣的制備。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。對土樣進行烘干磨細，稱量后緩慢倒入托盤內，緩慢倒入溶液進行充分攪拌后，擊實制成環刀樣(先用不銹鋼環刀制樣，制樣前內壁涂上凡士林，然后，再平穩地轉移到絕緣環刀內)。環刀兩側附上銅片，放置改裝的固結儀上進行電阻測試。

圖4 固結儀上土電阻率測試示意圖Fig.4 Electrical resistivity measurement with modified oedometer consolidation

采用上述制樣方法，制定相應的實驗方案控制變量，如表1所示。

表1 實驗方案Table 1 Experiment of different conditions

3 試驗結果與分析

土體基本物理力學性質指標: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，不同的離子濃度下電阻率試驗結果見圖5、圖6。

圖5 不同濃度Cu2+污染土電阻率試驗結果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結果Fig.6 Electrical resistivity test results of contaminated

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

3.2 含水量

Cu2+濃度為3 g/kg時，不同含水量下的電阻率試驗結果見如圖7。

圖7 污染土不同含水量電阻率試驗結果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，隨含水量變化測得的電阻率在一維壓縮過程中的結果。由圖可知：電阻率值在含水量較低時變化很明顯，當含水量到達50%左右，其值變化很小，可見，當含水量較大時，電阻率法用來評估土體性質改變的區分度降低，不宜采用。

3.3 水泥摻入量

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

圖8 污染土不同水泥含量電阻率試驗結果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，在一維壓縮固結過程中測得的電阻率結果。由圖可知：水泥含量增加到30%左右時，電阻率的值會有一個突增，隨著固結的進行，其變化值較大。可見，該土體中水泥摻入量較多時，電阻率法可以很好的反映土體的性質的改變。

3.4 養護齡期

同一含水量40%，離子濃度12 g/kg，水泥摻入量為10%，不同養護時間下電阻率試驗結果見圖9。

圖9 水泥污染土不同齡期電阻率試驗結果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，將土體分別養護不同時間，分別在一維固結壓縮過程中測得的電阻率值。由圖可知，進行養護后，水泥污染土的電阻率有很明顯的增高；養護越久，水泥污染土電阻率越大；未養護土體的電阻率與養護后的相比微乎其微，可以推測出，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，故沒有對養護28 d后的土樣進行分析比較。

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護后，Cu2+污染土體的電阻率有很大幅度升高。由此，有以下幾點分析：1)測試時，薄銅片與土體表面沒有很好地接觸，只接觸了一部分，實際接觸面積較小，但通過計算公式P=RS/l算出的電阻率比實際值偏大；2)試驗控制含水量為變量，重塑土樣，土體未達到飽和狀態，Archie提出的適用于飽和無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，水泥水化的程度變高，水泥土與粘土的反應增強，水化形成硅酸鈣膠體增多；隨著水泥量的增加，水泥水化產物充填粘土顆粒間的空隙程度也隨之增大，致使結構密實，因而導致了導電性降低，電阻率升高；4)未養護過的土樣電阻率值比養護過的小很多，可能是因為所摻水泥初期階段反應不完全，但隨著時間的推移，水泥土的反應充分發展，形成的產物填充了孔隙，結構密實，導電性降低，電阻率升高；5)從礦物成分分析角度，水泥中硅酸三鈣(3CaO·SiO2)水化反應生成氫氧化鈣Ca(OH)2使得環境pH>7，形成氫氧化銅Cu(OH)2沉淀，降低了Cu2+對水泥水化的不利影響，該沉淀同時還會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生反應生成碳酸鈣沉淀導致空隙被填充，從而降低了Cu2+污染土的導電性，電阻率升高，生成的水化硅酸鈣具有膠結包裹及吸附作用，較大的土團粒因此粘結起來，形成蜂窩狀結構，并且封閉了空隙，使Cu2+無法流動，弱化了其影響，Cu2+的流動減少后，相對原污染土的導電性也大幅降低，電阻率大幅升高。

4 結論

1)孔隙率較小時，電阻率特性不明顯，不能很好地評估土體特性的改變。

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

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

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