蔣吉方 余闖 廖饒平 朱超鵬

摘 要：溫州制革、電鍍等輕工業(yè)發(fā)達，廢水中Cu2+ 含量較高，多處地下水和土壤受到污染。選取典型溫州軟黏土，將土樣重塑，加入不同濃度的Cu2+ 和適量水泥進行固化，通過測試不同土樣電阻率來研究Cu2+ 對土體性能的影響。電阻率測試在改裝的一維壓縮固結(jié)試驗中進行，壓縮中部分土樣電阻率變化不顯著，但可量測到壓縮過程中電阻率的變化規(guī)律。試驗結(jié)果表明：電阻率可以很好地評估加入水泥之后土體性質(zhì)的改變，在實際工程中可以用來反映土體的污染程度;土體在Cu2+ 含量和含水量很高時，不宜采用電阻率法評估土體污染壓縮的過程。

關(guān)鍵詞： 軟黏土; 電阻率; 固化; 一維固結(jié)

中圖分類號：TU411

文獻標志碼：A? 文章編號：1674-4764（2018）06-0085-06

Tests on electrical resistivity characteristics of

Wenzhou soft clay with Cu2+

Jiang Jifang， Yu Chuang， Liao Raoping， Zhu Chaopeng

（College of Civil Engineering，Wenzhou University，Wenzhou 325035，Zhejiang，P.R. China）

Abstract：The previously developed industry has contaminated part of groundwater and soils in Wenzhou with high concentration of Cu2+ ?in waste water， such as tannery， electroplating and etc. To study the characteristics of typical Wenzhou soft clay with Cu2+ ， the soil samples are remodeled to test the electrical resistivity with different concentrations of Cu2+ ?and reasonable amount of cement for consolidation. Electrical resistivity tests were carried out via the self-designed one-dimensional consolidation compression apparatus. The resistivity variation can be directly observed during the compression process. The testing results indicate that： while the concentration of Cu2+ ?and water in soil is high， electrical resistivity measurement should not be applied to assess the compression process of the soil. However， this measurement is a good indication for characteristics changes in soil after adding cement. Therefore the electrical resistivity might be taken as an effective means to estimate the degree of contamination of soil in practical engineering.

Keywords：soft clays; electrical resistivity; solidification; One-dimensional compression

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、低強度的軟弱土[1] 。溫州市輕工業(yè)比較發(fā)達，制革、電鍍等行業(yè)污染嚴重，工業(yè)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(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電性，具有連續(xù)、快捷、無損等優(yōu)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(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)指標來評價氧化鎂固化砂土的性質(zhì);Hassan等[5] 對非飽和土的干濕循環(huán)特性進行研究，發(fā)現(xiàn)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(nèi)測試技術(shù)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(huán)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(nèi)進行模擬試驗得到有效驗證，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。

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。

同時，土體的導電性能主要由兩個參數(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] 對它進行測定：

1）Wenner 方法。直接通電流的Wenner 法（DC 法）是室內(nèi)和現(xiàn)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(nèi)部電極測誘導電壓，半空間電阻率 ρ 為

ρ=2 π aV/I

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?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=（ Δ U·S）/（I·l）計算獲得土樣電阻率。式中： ρ 為土樣電阻率，Ω·m;Δ U 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。

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(jié)儀（WG-2A型雙聯(lián)固結(jié)儀）下進行，環(huán)刀采用自制高強度樹脂絕緣環(huán)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(yǎng)護箱。

2.2 試驗材料

試驗所用土為溫州地區(qū)軟黏土，Cu2+ 采用分析純的CuCl 2·2H 2O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(jié)儀，將原有的不銹鋼護環(huán)進行絕緣處理，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(guī)試驗，根據(jù)土工試驗規(guī)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CuCl 2·2H 2O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。對土樣進行烘干磨細，稱量后緩慢倒入托盤內(nèi)，緩慢倒入溶液進行充分攪拌后，擊實制成環(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)儀上進行電阻測試。

采用上述制樣方法，制定相應(yīng)的實驗方案控制變量，如表1所示。

3 試驗結(jié)果與分析

土體基本物理力學性質(zhì)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(jié)果見圖5、圖6。

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(jié)過程中測得的電阻率結(jié)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(zhì); 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(zhì)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(jié)果見如圖7。

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(jié)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(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，不同的水泥摻入量下土樣電阻率試驗結(jié)果見圖8。

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)過程中測得的電阻率結(jié)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(jié)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(zhì)的改變。

3.4 養(yǎng)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(yǎng)護時間下電阻率試驗結(jié)果見圖9。

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)護不同時間，分別在一維固結(jié)壓縮過程中測得的電阻率值。由圖可知，進行養(yǎng)護后，水泥污染土的電阻率有很明顯的增高;養(yǎng)護越久，水泥污染土電阻率越大;未養(yǎng)護土體的電阻率與養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(tài)，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(yīng)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(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，因而導致了導電性降低，電阻率升高;4）未養(yǎng)護過的土樣電阻率值比養(yǎng)護過的小很多，可能是因為所摻水泥初期階段反應(yīng)不完全，但隨著時間的推移，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，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·SiO 2）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(fā)生反應(yīng)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(jié)包裹及吸附作用，較大的土團粒因此粘結(jié)起來，形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，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(jié)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(qū)間減小，不宜采用電阻率法來表征土體的性質(zhì)的改變。

3）加入水泥和養(yǎng)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(yīng)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(yīng)水泥固化土體中重金屬的效果。

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