3.砂巖電阻率與毛細(xì)吸水量的關(guān)系

圖10為工況Q4試樣不同深度節(jié)點(diǎn)處相對電阻率隨時(shí)間的變化趨勢以及試樣毛細(xì)吸水量的變化規(guī)律，x為試樣對角線的高度值。為了便于比較，使用測試電阻率與同一深度最大電阻率的比值進(jìn)行分析。圖10a為試樣深度0.1 cm時(shí)電阻率變化情況，在毛細(xì)吸水加速階段及近線性階段初期(0~100 s0.5)，表層各節(jié)點(diǎn)的電阻率迅速下降，其中低高度節(jié)點(diǎn)的變化主要是由于毛細(xì)溶液的運(yùn)移和填充，而靠近試樣頂端節(jié)點(diǎn)雖未直接受毛細(xì)溶液的浸潤影響，但在蒸發(fā)冷凝作用下，其電阻率值也有所下降。之后時(shí)間段內(nèi)，雖然試樣毛細(xì)吸水量仍在持續(xù)上升，但整體相對電阻率的變化較小。

圖10不同深度處工況Q4試樣的相對電阻率比與吸水量：(a)深度0.1 cm；(b)深度0.5 cm；(c)深度1.0 cm

圖10b中，試樣深度0.5 cm時(shí)可將變化曲線分為x=0.5~2.5 cm的底部節(jié)點(diǎn)，以及x=3.5~5.5 cm的頂部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。在毛細(xì)吸水0~100 s0.5時(shí)間段內(nèi)，各節(jié)點(diǎn)的相對電阻率均快速下降，底部節(jié)點(diǎn)變化率大于頂部節(jié)點(diǎn)。由于前期凝結(jié)的孔隙水被孔隙填充物吸收變?yōu)榻Y(jié)合水，而造成頂部節(jié)點(diǎn)的相對電阻率比在100~190 s0.5時(shí)間段內(nèi)出現(xiàn)波動。隨后，x=3.5 cm節(jié)點(diǎn)的相對電阻率發(fā)生了驟降，表明濕潤鋒在此時(shí)段通過該節(jié)點(diǎn)。對比圖10a和圖10b，不同深度的頂部節(jié)點(diǎn)在100 s0.5后出現(xiàn)較大的電阻率變化差異，表明試樣中“凹”形濕潤鋒的存在，試樣內(nèi)濕潤鋒通過節(jié)點(diǎn)的時(shí)間隨深度增加而延后。

圖10c中，在毛細(xì)水上升初期(0~100 s0.5)，試樣底部節(jié)點(diǎn)相對電阻率迅速降低，并始終保持穩(wěn)定。而頂部節(jié)點(diǎn)相較于底層節(jié)點(diǎn)相對電阻率降低程度較小，并在高度上呈現(xiàn)離散性。考慮到內(nèi)部節(jié)點(diǎn)受表面的蒸汽凝結(jié)作用較小，底部上升的毛細(xì)溶液在孔隙中蒸發(fā)運(yùn)移，并在凝結(jié)后形成飽和度梯度，從而造成電阻率下降。在100~190 s0.5時(shí)間段內(nèi)，頂部節(jié)點(diǎn)的相對電阻率與試樣深度0.5 cm處出現(xiàn)相同的先增后降過程。

Archie在試驗(yàn)中總結(jié)出非飽和多孔介質(zhì)中孔隙率、電導(dǎo)率以及飽和度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為：

式中：σ為非飽和材料的電導(dǎo)率；σp為孔隙溶液的電導(dǎo)率；φ為材料的孔隙率；S為材料的飽和度；m和n分別為Archie指數(shù)，對于親水性砂巖，可取m=2和n=2。

由式(2)可得，材料飽和度的提升會導(dǎo)致砂巖電阻率的降低。從圖10可以看出，砂巖電阻率變化與毛細(xì)吸水量存在時(shí)空分布差異，兩者的變化趨勢相反，在一定程度上說明了電阻率和飽和度之間的負(fù)對應(yīng)關(guān)系。從更深層次的分析看來，孔隙度飽和度隨試樣毛細(xì)吸水量的增加有一個(gè)緩慢增加的過程。具體表現(xiàn)為試樣底部最先浸潤，相對較低的飽和度迅速增加，電阻率大幅下降，其次頂部和深層節(jié)點(diǎn)的電阻率隨毛細(xì)吸水量的增加逐漸降低。當(dāng)孔隙吸水達(dá)到較高飽和度后，電阻率敏感性降低，因此試驗(yàn)后期電阻率下降速率減慢。

4.結(jié)論

利用自主設(shè)計(jì)的毛細(xì)吸水和微電極試驗(yàn)裝置，研究了孔隙結(jié)構(gòu)、孔隙溶液、干濕循環(huán)和相對濕度對砂巖質(zhì)文物內(nèi)部毛細(xì)水運(yùn)移規(guī)律及電阻率分布特性的影響，得出主要結(jié)論如下：

(1)砂巖的毛細(xì)吸水過程可分為初始非線性階段、近線性階段、過渡階段和穩(wěn)定階段。松散的孔隙介質(zhì)和較低的相對濕度使毛細(xì)溶液擴(kuò)散速率更快，最終飽和區(qū)的視電阻率也處于低值范圍。

(2)可溶鹽成分改變了溶液表面張力對砂巖毛細(xì)吸水量的影響，從而在青砂巖毛細(xì)吸水的近線性階段，可溶鹽溶液的毛細(xì)運(yùn)移速率均大于蒸餾水。在毛細(xì)作用下，導(dǎo)電性較強(qiáng)的溶液使砂巖更快達(dá)到飽和狀態(tài)。

(3)干濕循環(huán)作用導(dǎo)致內(nèi)部孔隙通道的擴(kuò)張，吸水量和毛細(xì)運(yùn)移速率均出現(xiàn)顯著增大。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，可溶鹽溶液對砂巖結(jié)構(gòu)的損傷，同一區(qū)域的視電阻率顯著下降。

(4)毛細(xì)上升過程中，通過試樣同一高度的視電阻率差異，在時(shí)空分布特征上識別濕潤鋒形態(tài)呈現(xiàn)顯著的“凹”形，鋒面出現(xiàn)時(shí)間隨試樣深度增加有延后效應(yīng)，視電阻率范圍為R=70~160Ω·m，砂巖表層的鹽結(jié)晶會在濕潤鋒位置富集。

(5)砂巖電阻率與毛細(xì)吸水量關(guān)系隨時(shí)間呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)趨勢，電阻率變化在孔隙低飽和度下比高飽和度更為敏感。在今后開展砂巖質(zhì)文物保護(hù)時(shí)，應(yīng)高度重視對地下水中可溶鹽離子的監(jiān)測。