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Abstract

一种评价污染土腐蚀性的方法，该方法包括污染土样的配制、测试环刀的制作、电化学阻抗谱的测试、电化学阻抗测试评价、拟合污染土等效电路图、拟合结果评价和污染土腐蚀性的评价七个过程；比较相同测试条件下的污染土样Nyquist曲线与阻抗实部的交点和曲线的容抗弧半径，交点越小、容抗弧的半径越小，则污染土的腐蚀性越强；交点越大、容抗弧的半径越大，则污染土的腐蚀性越弱。本发明评价污染土腐蚀性的方法该方法所需测试装置简单，测量精度高，操作方便。

Description

一种评价污染土腐蚀性的方法
技术领域
本发明涉及污染土腐蚀试验领域，具体是一种评价污染土腐蚀性的方法。
背景技术
污染土的评价与治理涉及到岩土工程、环境工程、土壤科学、化学与化工工程以及测试技术等多学科领域，是国际上尚未完全解决的热点问题。电化学阻抗谱已广泛应用于多学科、逐渐成为建筑材料耐久性研究的有力手段，这为电化学阻抗谱理论在岩土工程领域的应用研究提供了新的思路；基于电化学阻抗谱理论，采用物理、化学、电化学等多种测试方法，测试不同类型污染土中的矿物成分、宏观性能与电化学特性之间的关系来评价污染土的腐蚀性。该成果将进一步深化传统的土力学理论，扩展电化学阻抗谱测试法在环境岩土工程中的应用范围，对污染土场地的腐蚀性评价提供重要基础数据和科学依据，具有重大的经济和社会效益。
目前，评价污染土腐蚀性的方法主要有传统评价法和电阻率评价法。传统评价方法需测试污染土的参数较多（pH值，SO4 2-、Cl-、Ca2+、Mg2+等易溶盐含量，氧化还原电位，电阻率，极化电流密度和质量损失等），时间较长，误差较大，而电阻率评价法虽能较准确的评价污染土的污染等级，但是只考虑了电阻率这一单一影响因素对污染土的腐蚀性影响，不能综合反映污染土的腐蚀过程动力学、双电层、电极材料、固体电解质以及腐蚀防护等机理的内容。
发明内容
本发明为了解决现有评价方法中存在污染土腐蚀评价测试内容较多、测试时间较长、影响因素不稳定、操作不方便以及考虑单一因素不能综合对污染土腐蚀性进行评价等问题，提供了一种新的评价污染土腐蚀性的方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种评价污染土腐蚀性的方法，包括如下步骤：
（1）、污染土样的配制：取未污染土样采用人工拌和方法配制相同污染浓度、不同含水量的若干个不同的污染土样，击实；
（2）、测试环刀的制作：采用绝缘管材制作测试环刀；
（3）、电化学阻抗谱的测试：利用测试环刀取污染土样，在污染土样两端放置电极，电极通过导线接到电化学工作站上，测试频率范围为105～10-2Hz，每个数量级采集10个点，交流正弦信号幅值为10mV，均在自腐蚀电位下测量污染土样的电化学阻抗谱图，即Nyquist曲线；
（4）、电化学阻抗测试评价：比较相同测试条件下的不同污染土样的Nyquist曲线与阻抗实部的交点和曲线的容抗弧半径，交点越小、容抗弧的半径越小，则表明污染土的腐蚀性越强；交点越大、容抗弧的半径越大，则表明污染土的腐蚀性越弱；
（5）、拟合污染土等效电路图：步骤（3）获得的测试结果应用ZSimpwin软件进行拟合获得拟合数据，选择拟合数据与测试结果误差控制在10%范围以内，则应用该拟合数据获得的拟合电路图作为等效污染土样的电路；所述污染土等效电路图为：Rs（Cd（RctW）），其中，Rs为污染土样电阻，Cd为污染土样内部土壤颗粒表面与孔隙水溶液之间的双电层电容，Rct为污染土样内部电荷转移电阻，W为污染土样内部的电荷扩散过程电阻（Warburg电阻）；
（6）、拟合结果评价：根据等效电路图判断污染土腐蚀性强弱规律为：污染土腐蚀性随Rs、Rct、W的降低以及随Cd的升高而增强，随Rs、Rct、W的升高以及随Cd的降低而减弱；
（7）污染土腐蚀性的综合评价：根据电化学阻抗测试以及拟合结果来评价，其中测试和拟合结果包括：Nyquist图和污染土的等效电路图。交点越小（Rs越小）、容抗弧半径越小（Rct越小、Cd越大）且Nyquist图直线段斜率越陡（W阻抗越小），则综合表明污染土的腐蚀性越强；反之污染土的腐蚀性越弱。
本发明对污染土腐蚀性的测试方法涉及污染土材料的电化学体系的测试，电化学等效电路图模型Rs（Cd（RctW））则可以表征污染土腐蚀过程。该等效电路模型由以下参数组成：Rs为污染土样电阻，Cd为污染土样内部土壤颗粒表面与孔隙水溶液之间的双电层电容，Rct为污染土样内部电荷转移电阻，W为污染土样内部的电荷扩散过程电阻（Warburg电阻）。由于组成等效电路图中元件的参数随着含水量的变化而发生规律性的变化，与污染土含水量存在一定联系，因此通过适当的等效电路图代表污染土材料，通过电化学参数的规律变化来反映污染土的腐蚀性，这种不仅避免测量参数多、时间长、误差较大的缺陷，而且能够综合反映污染土腐蚀过程的动力学、电参数以及腐蚀防护等机理方面的内容。电化学阻抗谱测试法可有效表征污染土腐蚀过程的微观结构，灵敏度高，测试重复性好，测试时间短且属于无损检测手段，是一种研究污染土腐蚀过程、腐蚀机理和评价污染土腐蚀性的快速有效的方法。
本发明所述的评价污染土腐蚀性的方法所需测试装置简单，测试重复性好，测量精度高，操作方便。
附图说明
图1是采用本方法测得3.5%NaCl的污染土样在9%、12%以及15%三种含水量状态下的Nyquist图。
图2是污染土样的电路分析图。
图3是采用本方法的测试数据拟合的污染土样等效电路图。
图中：1-导线，2-电化学工作站，3-测试环刀，4-环刀斜切口，5-电极，6-石墨粉，7-污染土样，8-电极电阻Ro，9-污染土样电阻Rs，10-污染土样内部电荷转移电阻Rct，11-污染土样内部的电荷扩散过程电阻（Warburg电阻），12-污染土样内部土壤颗粒表面与孔隙水溶液之间的双电层电容Cd。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
一种评价污染土腐蚀性的方法，包括如下步骤：
（1）、污染土样的配制：取一定量的未污染土样采用人工拌和方法配制相同污染浓度、不同含水量的三个不同的污染土样7，所述污染土样均具有相同的污染浓度为3.5%的NaCl，不同污染土样的含水量分别为9%、12%和15%；运用轻型击实筒将配置的污染土样进行击实，击实方法参照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—1999），击实标准是控制标准砂击实后的干密度为1.65g/cm3；所述未污染土样选取ISO标准砂，其中：不均匀系数Cu=5.93，曲率系数Cc=0.67。
（2）、测试环刀的制作：采用绝缘管材制作测试环刀3，即取绝缘管材的一段作为测试环刀，所述绝缘管材为PVC塑料管，外径为90mm，壁厚为2.8mm，高度为30mm（即测试环刀3的内径为87.2mm、高度为30mm）；绝缘管材的一端0～5mm范围内运用磨样机打磨成环刀斜切口4。
（3）、电化学阻抗谱的测试：利用测试环刀3按《土工试验方法标准》（GB/T 50123-1999）取污染土样7，在污染土样7两端放置电极5，为使电极5与污染土样7紧密接触，在电极5与污染土样7的接触面之间涂抹一层石墨粉6；所述电极5是直径为87.2mm、厚度为1mm的铜片，正好完全覆盖测试环刀3的端面；电极5通过导线1接到电化学工作站2上，测试频率范围为105～10-2Hz，每个数量级采集10个点，交流正弦信号幅值为10mV，均在自腐蚀电位下测量污染土样的电化学阻抗谱图，即Nyquist曲线，如图1所示。
（4）、电化学阻抗测试评价：比较相同测试条件下的污染土样Nyquist曲线与阻抗实部的交点和曲线的容抗弧半径，交点越小、容抗弧的半径越小，则表明污染土的腐蚀性越强；交点越大、容抗弧的半径越大，则表明污染土的腐蚀性越弱。
（5）、拟合污染土等效电路图：步骤（3）获得的测试结果应用ZSimpwin软件进行拟合获得拟合数据，选择拟合数据与测试结果误差控制在10%范围以内（指拟合电路中各元件参数与测试结果的误差在10%以内），选误差最小的拟合数据，则应用该拟合数据获得的拟合电路图作为等效污染土样的电路，如图2、3所示；所述污染土等效电路图为：Rs（Cd（RctW）），其中，Rs为污染土样电阻，Cd为污染土样内部土壤颗粒表面与孔隙水溶液之间的双电层电容，Rct为污染土样内部电荷转移电阻，W为污染土样内部的电荷扩散过程电阻（Warburg电阻）。
（6）、拟合结果评价：根据等效电路图判断污染土腐蚀性强弱规律为：污染土腐蚀性随Rs、Rct、W的降低以及随Cd的升高而增强，随Rs、Rct、W的升高以及随Cd的降低而减弱。
（7）污染土腐蚀性的综合评价：根据电化学阻抗测试以及拟合结果来评价，其中测试和拟合结果包括：Nyquist图和污染土的等效电路图，见表1。
表1
根据表1中拟合数据来评价污染土腐蚀性：污染土腐蚀性随Rs、Rct、W的降低以及随Cd的升高而增强，随Rs、Rct、W的升高以及随Cd的降低而减弱。
从图1中可以看出，含水量为9%的NaCl污染土的腐蚀性最弱，含水量为12%的NaCl污染土的腐蚀性居中，含水量为15%的NaCl污染土的腐蚀性最强。
类似的，与评价NaCl污染土的腐蚀性方法一样，根据测试各种类型污染土样的Nyquist图以及拟合结果的等效电路图，应用容抗弧的大小和电路图中各元件参数的大小进行综合评价污染土的腐蚀性。
通过本发明的评价方法可以方便快速地对各种类型污染土的腐蚀性进行对比评价。

Claims (8)

1.一种评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、污染土样的配制：取未污染土样采用人工拌和方法配制相同污染浓度、不同含水量的若干个不同的污染土样（7），击实；
（2）、测试环刀的制作：采用绝缘管材制作测试环刀（3）；
（3）、电化学阻抗谱的测试：利用测试环刀（3）取污染土样（7），在污染土样（7）两端放置电极（5），电极（5）通过导线（1）接到电化学工作站（2）上，测试频率范围为105～10-2Hz，每个数量级采集10个点，交流正弦信号幅值为10mV，均在自腐蚀电位下测量污染土样的电化学阻抗谱图，即Nyquist曲线；
（4）、电化学阻抗测试评价：比较相同测试条件下的污染土样Nyquist曲线与阻抗实部的交点和曲线的容抗弧半径，交点越小、容抗弧的半径越小，则表明污染土的腐蚀性越强；交点越大、容抗弧的半径越大，则表明污染土的腐蚀性越弱；
（5）、拟合污染土等效电路图：步骤（3）获得的测试结果应用ZSimpwin软件进行拟合获得拟合数据，选择拟合数据与测试结果误差控制在10%范围以内，则应用该拟合数据获得的拟合电路图作为等效污染土样的电路；所述污染土等效电路图为：Rs（Cd（RctW）），其中，Rs为污染土样电阻，Cd为污染土样内部土壤颗粒表面与孔隙水溶液之间的双电层电容，Rct为污染土样内部电荷转移电阻，W为污染土样内部的电荷扩散过程电阻；
（6）、拟合结果评价：根据等效电路图判断污染土腐蚀性强弱规律为：污染土腐蚀性随Rs、Rct、W的降低以及随Cd的升高而增强，随Rs、Rct、W的升高以及随Cd的降低而减弱；
（7）污染土腐蚀性的综合评价：根据电化学阻抗测试以及拟合结果来评价，其中测试和拟合结果包括：Nyquist图和污染土的等效电路图。
2.根据权利要求1所述的评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：所述未污染土样为ISO标准砂，其中：不均匀系数Cu=5.93，曲率系数Cc=0.67。
3.根据权利要求1或2所述的评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：步骤（1）制备三个不同的污染土样，所述污染土样均具有相同的污染浓度为3.5%的NaCl，不同污染土样的含水量分别为9%、12%和15%。
4.根据权利要求3所述的评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：所述三个不同的污染土样运用轻型击实筒进行击实，击实标准是控制标准砂击实后的干密度为1.65g/cm3。
5.根据权利要求4所述的评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：所述绝缘管材为PVC塑料管，外径为90mm，壁厚为2.8mm，高度为30mm。
6.根据权利要求5所述的评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：所述测试环刀（3）的一端0～5mm范围内运用磨样机打磨成环刀斜切口（4）。
7.根据权利要求6所述的评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：所述电极（5）是直径为87.2mm、厚度为1mm的铜片。
8.根据权利要求7所述的评价污染土腐蚀性的方法，其特征在于：所述电极（5）与污染土样（7）的接触面之间涂抹一层石墨粉（6）。
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