2.結(jié)果

2.1孔隙結(jié)構(gòu)對電阻率分布的影響

由于蒸餾水的電導(dǎo)率僅為0.0547μS·cm-1，且固相或氣相通常被視為絕緣介質(zhì)，因此未能測出蒸餾水測試中試樣剖面視電阻率分布情況。在鹽溶液測試中，工況Q1和H1試樣在第1次干濕循環(huán)中剖面視電阻率的演化過程，如圖4和圖5所示。圖中橫軸為試樣深度方向，縱軸為試樣對角線高度方向。圖4a中可以看出，砂巖的電阻率對可溶鹽溶液的敏感程度較高。毛細上升3 h時，工況Q1試樣靠近液面部分的視電阻率迅速下降至低視電阻率(R＜25Ω·m)，高度2.4 cm以上區(qū)域相對干燥，表現(xiàn)為高視電阻率(R＞500Ω·m)，而工況H1試樣內(nèi)大部分孔隙已由毛細上升的NaHCO3溶液充填，區(qū)域孔隙飽和度較高。

毛細上升6 h時，工況Q1試樣表面的干燥區(qū)分界面和濕潤面分別上升0.2 cm和0.5 cm，而過渡區(qū)范圍(R=25~500Ω·m)進一步壓縮。由于試樣表層的毛細上升速率要大于內(nèi)部，在試樣中形成了“凹”形濕潤鋒，對應(yīng)視電阻率范圍為R=70~160Ω·m，該區(qū)域高度隨毛細上升而增加，在水泥基材料毛細上升的電阻率測試中也有相似結(jié)論。同一時刻下，工況H1試樣低阻值區(qū)域向頂部和深部呈現(xiàn)明顯的梯度擴散。毛細上升24 h時，工況Q1試樣濕潤鋒范圍顯著擴大，而工況H1試樣整體視電阻率穩(wěn)定在10Ω·m左右，未出現(xiàn)明顯的濕潤鋒。

由此表明，孔隙結(jié)構(gòu)差異影響試樣電阻率的變化。在相同的毛細作用時間下，密度較小的紅砂巖毛細溶液擴散范圍更廣，對應(yīng)的孔隙充盈程度更高，因此，紅砂巖所測得的視電阻率遠小于青砂巖試樣。隨著毛細吸水時間的增加，毛細溶液逐漸填充孔隙通道，使孔隙飽和度增加，紅砂巖試樣視電阻率呈現(xiàn)低阻值區(qū)域向頂部和深部擴散，而青砂巖試樣出現(xiàn)明顯的濕潤鋒變化趨勢。

2.2孔隙溶液對電阻率分布的影響

圖6為工況Q2試樣在第1次干濕循環(huán)中剖面視電阻率的演化過程。可以看出，在毛細上升過程中，由于表層和內(nèi)部毛細水上升速率差異，試樣中的濕潤鋒從表層向試樣深處逐漸呈“凹”形，表層濕潤鋒所處高度為3 cm。但在表層濕潤鋒附近存在高阻值區(qū)域，考慮到試樣表層的蒸發(fā)作用，使表層孔隙中的溶液含量減少，導(dǎo)致視電阻率值較高。隨著試驗時間的增加，試樣中所測剖面的視電阻率逐漸穩(wěn)定，表層的高阻值區(qū)由于可溶鹽溶液的持續(xù)上升而消失。由于表層蒸發(fā)的影響，最終在試樣表層中部形成因溶液濃縮而導(dǎo)致的低阻值區(qū)(R<10Ω·m)，并向四周呈梯度增大。

對比圖4與圖6，同一時刻下，試樣在NaHCO3溶液中的視電阻率均大于KCl溶液。對于相同質(zhì)量分數(shù)的溶液，溶液中所含溶質(zhì)的量越大，溶解后電離出的離子越多，溶液的導(dǎo)電性越強。表5為試驗所用溶液的電導(dǎo)率，其值越大，溶液的導(dǎo)電性越強，對應(yīng)的電阻率越小。

表5 20℃時水溶液中電解質(zhì)不同濃度的電導(dǎo)率(單位：S·m-1)

工況Q1和Q2分別使用8%質(zhì)量分數(shù)的NaHCO3溶液和KCl溶液，對應(yīng)濃度分別為1.04 mol·L-1和1.17 mol·L-1，通過計算可得對應(yīng)電導(dǎo)率分別約為6.43 S·m-1和11.24 S·m-1。因此，雖然工況Q1和Q2的孔隙結(jié)構(gòu)和組成成分相近，但由于孔隙溶液的導(dǎo)電性差異，KCl溶液中試樣飽和區(qū)的視電阻率小于NaHCO3溶液中試樣飽和區(qū)的視電阻率。由此可得，孔隙溶液中的可溶鹽離子對多孔介質(zhì)的整體電性有著重要作用。

2.3干濕循壞對電阻率分布的影響

圖7為工況Q1試樣在第5次干濕循環(huán)中剖面視電阻率的演化過程。在毛細上升3 h時，表層的濕潤鋒約達到4 cm的高度，而深度1 cm處的濕潤鋒高度僅為2.5 cm，試樣內(nèi)部的濕潤鋒形態(tài)呈現(xiàn)顯著的“凹”形。這是由于試樣表層的毛細水由側(cè)表面和底部吸水面提供，而內(nèi)部則主要由底部供給，因此在剖面視電阻率演化中試樣表層的毛細上升高度大于內(nèi)部。試樣表層過快的毛細上升速率，導(dǎo)致同一高度出現(xiàn)顯著的視電阻率差異，同時也加快了試樣內(nèi)部的毛細運移速率。在毛細上升3~10 h過程中，試樣表層和內(nèi)部濕潤鋒上升速率有所減緩。當毛細上升24 h時，試樣大部分區(qū)域已達飽和狀態(tài)，整體視電阻率穩(wěn)定在20Ω·m左右。Salih et al.(2020)在試驗中發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)對材料的強度和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯變化，電阻率在前5次干濕循環(huán)中出現(xiàn)持續(xù)的緩慢下降，與本次試驗中電阻率變化趨勢相近。

圖7工況Q1試樣第5次循環(huán)剖面視電阻率的演化過程

對比圖4與圖7可看出，在毛細上升3 h時，5次干濕循環(huán)后的試樣表層濕潤鋒上升高度較第1次循環(huán)增加了一倍，表明干濕循環(huán)對孔隙結(jié)構(gòu)有明顯的破壞作用，孔隙通道的擴張使毛細運移速率加快，進而在濕潤鋒區(qū)域出現(xiàn)明顯的表層鹽結(jié)晶劣化現(xiàn)象，如圖8所示。與第1次循環(huán)不同的是，內(nèi)部孔隙因反復(fù)干濕循環(huán)而增大，導(dǎo)致在第5次循環(huán)狀態(tài)下，試樣的孔隙飽和度迅速增加，最終飽和區(qū)域較第1次循環(huán)也有明顯的擴大。

圖8干濕循環(huán)作用下砂巖表面劣化圖

2.4相對濕度對電阻率分布的影響

圖9為工況Q4在第1次干濕循環(huán)中剖面視電阻率的演化過程。對比圖4可以看出，在濕度較低情況下，相對較快的毛細運移速率促使低視電阻率區(qū)域出現(xiàn)的時間有所提前。在毛細上升3~10 h過程中，相對濕度為65%的濕潤鋒視電阻率范圍(R=70~160Ω·m)較相對濕度為85%時有所增大，當毛細上升24 h時，工況Q4的剖面視電阻率濕潤鋒呈現(xiàn)先凸后凹的形態(tài)，與工況Q1有所差異。由式(1)可知，相對濕度一方面改變?nèi)芤核苊汄?qū)動力的大小，而在另一方面會影響試樣表面蒸發(fā)率，從而改變巖石內(nèi)部的孔隙溶液分布。

圖9工況Q4試樣第1次循環(huán)剖面視電阻率的演化過程

由此可得，孔隙溶液在較低濕度的作用下，水分蒸發(fā)快，在濕潤鋒下方區(qū)域的孔隙通道內(nèi)更容易出現(xiàn)鹽結(jié)晶，導(dǎo)致濕潤鋒區(qū)域內(nèi)有一定程度的速率差，從而擴大了濕潤鋒的范圍。同時，毛細水在砂巖內(nèi)以隨高度降低的速率上升到巖石孔隙中，而在試樣的外表面，液體的蒸發(fā)速率幾乎是均勻的，致使試樣底部毛細水上升速率大于蒸發(fā)速率。在毛細上升高度趨于穩(wěn)定時，由于試樣表面蒸發(fā)率大于內(nèi)部，表層孔隙的飽和度會下降，而內(nèi)部孔隙的飽和度在毛細遷移作用下逐漸升高，因此在低濕度狀態(tài)下濕潤鋒處形成表層高電阻內(nèi)部低電阻的現(xiàn)象。