2.结果


2.1孔隙结构对电阻率分布的影响


由于蒸馏水的电导率仅为0.0547μS·cm-1，且固相或气相通常被视为绝缘介质，因此未能测出蒸馏水测试中试样剖面视电阻率分布情况。在盐溶液测试中，工况Q1和H1试样在第1次干湿循环中剖面视电阻率的演化过程，如图4和图5所示。图中横轴为试样深度方向，纵轴为试样对角线高度方向。图4a中可以看出，砂岩的电阻率对可溶盐溶液的敏感程度较高。毛细上升3 h时，工况Q1试样靠近液面部分的视电阻率迅速下降至低视电阻率(R＜25Ω·m)，高度2.4 cm以上区域相对干燥，表现为高视电阻率(R＞500Ω·m)，而工况H1试样内大部分孔隙已由毛细上升的NaHCO3溶液充填，区域孔隙饱和度较高。


毛细上升6 h时，工况Q1试样表面的干燥区分界面和湿润面分别上升0.2 cm和0.5 cm，而过渡区范围(R=25~500Ω·m)进一步压缩。由于试样表层的毛细上升速率要大于内部，在试样中形成了“凹”形湿润锋，对应视电阻率范围为R=70~160Ω·m，该区域高度随毛细上升而增加，在水泥基材料毛细上升的电阻率测试中也有相似结论。同一时刻下，工况H1试样低阻值区域向顶部和深部呈现明显的梯度扩散。毛细上升24 h时，工况Q1试样湿润锋范围显著扩大，而工况H1试样整体视电阻率稳定在10Ω·m左右，未出现明显的湿润锋。

由此表明，孔隙结构差异影响试样电阻率的变化。在相同的毛细作用时间下，密度较小的红砂岩毛细溶液扩散范围更广，对应的孔隙充盈程度更高，因此，红砂岩所测得的视电阻率远小于青砂岩试样。随着毛细吸水时间的增加，毛细溶液逐渐填充孔隙通道，使孔隙饱和度增加，红砂岩试样视电阻率呈现低阻值区域向顶部和深部扩散，而青砂岩试样出现明显的湿润锋变化趋势。


2.2孔隙溶液对电阻率分布的影响

图6为工况Q2试样在第1次干湿循环中剖面视电阻率的演化过程。可以看出，在毛细上升过程中，由于表层和内部毛细水上升速率差异，试样中的湿润锋从表层向试样深处逐渐呈“凹”形，表层湿润锋所处高度为3 cm。但在表层湿润锋附近存在高阻值区域，考虑到试样表层的蒸发作用，使表层孔隙中的溶液含量减少，导致视电阻率值较高。随着试验时间的增加，试样中所测剖面的视电阻率逐渐稳定，表层的高阻值区由于可溶盐溶液的持续上升而消失。由于表层蒸发的影响，最终在试样表层中部形成因溶液浓缩而导致的低阻值区(R<10Ω·m)，并向四周呈梯度增大。


对比图4与图6，同一时刻下，试样在NaHCO3溶液中的视电阻率均大于KCl溶液。对于相同质量分数的溶液，溶液中所含溶质的量越大，溶解后电离出的离子越多，溶液的导电性越强。表5为试验所用溶液的电导率，其值越大，溶液的导电性越强，对应的电阻率越小。

表5 20℃时水溶液中电解质不同浓度的电导率(单位：S·m-1)


工况Q1和Q2分别使用8%质量分数的NaHCO3溶液和KCl溶液，对应浓度分别为1.04 mol·L-1和1.17 mol·L-1，通过计算可得对应电导率分别约为6.43 S·m-1和11.24 S·m-1。因此，虽然工况Q1和Q2的孔隙结构和组成成分相近，但由于孔隙溶液的导电性差异，KCl溶液中试样饱和区的视电阻率小于NaHCO3溶液中试样饱和区的视电阻率。由此可得，孔隙溶液中的可溶盐离子对多孔介质的整体电性有着重要作用。


2.3干湿循坏对电阻率分布的影响


图7为工况Q1试样在第5次干湿循环中剖面视电阻率的演化过程。在毛细上升3 h时，表层的湿润锋约达到4 cm的高度，而深度1 cm处的湿润锋高度仅为2.5 cm，试样内部的湿润锋形态呈现显著的“凹”形。这是由于试样表层的毛细水由侧表面和底部吸水面提供，而内部则主要由底部供给，因此在剖面视电阻率演化中试样表层的毛细上升高度大于内部。试样表层过快的毛细上升速率，导致同一高度出现显著的视电阻率差异，同时也加快了试样内部的毛细运移速率。在毛细上升3~10 h过程中，试样表层和内部湿润锋上升速率有所减缓。当毛细上升24 h时，试样大部分区域已达饱和状态，整体视电阻率稳定在20Ω·m左右。Salih et al.(2020)在试验中发现干湿循环对材料的强度和结构产生明显变化，电阻率在前5次干湿循环中出现持续的缓慢下降，与本次试验中电阻率变化趋势相近。

图7工况Q1试样第5次循环剖面视电阻率的演化过程


对比图4与图7可看出，在毛细上升3 h时，5次干湿循环后的试样表层湿润锋上升高度较第1次循环增加了一倍，表明干湿循环对孔隙结构有明显的破坏作用，孔隙通道的扩张使毛细运移速率加快，进而在湿润锋区域出现明显的表层盐结晶劣化现象，如图8所示。与第1次循环不同的是，内部孔隙因反复干湿循环而增大，导致在第5次循环状态下，试样的孔隙饱和度迅速增加，最终饱和区域较第1次循环也有明显的扩大。

图8干湿循环作用下砂岩表面劣化图


2.4相对湿度对电阻率分布的影响


图9为工况Q4在第1次干湿循环中剖面视电阻率的演化过程。对比图4可以看出，在湿度较低情况下，相对较快的毛细运移速率促使低视电阻率区域出现的时间有所提前。在毛细上升3~10 h过程中，相对湿度为65%的湿润锋视电阻率范围(R=70~160Ω·m)较相对湿度为85%时有所增大，当毛细上升24 h时，工况Q4的剖面视电阻率湿润锋呈现先凸后凹的形态，与工况Q1有所差异。由式(1)可知，相对湿度一方面改变溶液所受毛细驱动力的大小，而在另一方面会影响试样表面蒸发率，从而改变岩石内部的孔隙溶液分布。

图9工况Q4试样第1次循环剖面视电阻率的演化过程


由此可得，孔隙溶液在较低湿度的作用下，水分蒸发快，在湿润锋下方区域的孔隙通道内更容易出现盐结晶，导致湿润锋区域内有一定程度的速率差，从而扩大了湿润锋的范围。同时，毛细水在砂岩内以随高度降低的速率上升到岩石孔隙中，而在试样的外表面，液体的蒸发速率几乎是均匀的，致使试样底部毛细水上升速率大于蒸发速率。在毛细上升高度趋于稳定时，由于试样表面蒸发率大于内部，表层孔隙的饱和度会下降，而内部孔隙的饱和度在毛细迁移作用下逐渐升高，因此在低湿度状态下湿润锋处形成表层高电阻内部低电阻的现象。