一種評價污染土腐蝕性的方法
【專利摘要】一種評價污染土腐蝕性的方法，該方法包括污染土樣的配制、測試環(huán)刀的制作、電化學阻抗譜的測試、電化學阻抗測試評價、擬合污染土等效電路圖、擬合結(jié)果評價和污染土腐蝕性的評價七個過程；比較相同測試條件下的污染土樣Nyquist曲線與阻抗實部的交點和曲線的容抗弧半徑，交點越小、容抗弧的半徑越小，則污染土的腐蝕性越強；交點越大、容抗弧的半徑越大，則污染土的腐蝕性越弱。本發(fā)明評價污染土腐蝕性的方法該方法所需測試裝置簡單，測量精度高，操作方便。
【專利說明】一種評價污染土腐蝕性的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及污染土腐蝕試驗領(lǐng)域，具體是一種評價污染土腐蝕性的方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 污染土的評價與治理涉及到巖土工程、環(huán)境工程、土壤科學、化學與化工工程以及 測試技術(shù)等多學科領(lǐng)域，是國際上尚未完全解決的熱點問題。電化學阻抗譜已廣泛應用于 多學科、逐漸成為建筑材料耐久性研究的有力手段，這為電化學阻抗譜理論在巖土工程領(lǐng) 域的應用研究提供了新的思路；基于電化學阻抗譜理論，采用物理、化學、電化學等多種測 試方法，測試不同類型污染土中的礦物成分、宏觀性能與電化學特性之間的關(guān)系來評價污 染土的腐蝕性。該成果將進一步深化傳統(tǒng)的土力學理論，擴展電化學阻抗譜測試法在環(huán)境 巖土工程中的應用范圍，對污染土場地的腐蝕性評價提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學依據(jù)，具有 重大的經(jīng)濟和社會效益。
[0003] 目前，評價污染土腐蝕性的方法主要有傳統(tǒng)評價法和電阻率評價法。傳統(tǒng)評價方 法需測試污染土的參數(shù)較多（pH值，S04 2'Cl'Ca2+、Mg2+等易溶鹽含量，氧化還原電位，電阻 率，極化電流密度和質(zhì)量損失等)，時間較長，誤差較大，而電阻率評價法雖能較準確的評價 污染土的污染等級，但是只考慮了電阻率這一單一影響因素對污染土的腐蝕性影響，不能 綜合反映污染土的腐蝕過程動力學、雙電層、電極材料、固體電解質(zhì)以及腐蝕防護等機理的 內(nèi)容。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明為了解決現(xiàn)有評價方法中存在污染土腐蝕評價測試內(nèi)容較多、測試時間較 長、影響因素不穩(wěn)定、操作不方便以及考慮單一因素不能綜合對污染土腐蝕性進行評價等 問題，提供了一種新的評價污染土腐蝕性的方法。
[0005] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的： 一種評價污染土腐蝕性的方法，包括如下步驟： (1) 、污染土樣的配制：取未污染土樣采用人工拌和方法配制相同污染濃度、不同含水 量的若干個不同的污染土樣，擊實； (2) 、測試環(huán)刀的制作：采用絕緣管材制作測試環(huán)刀； (3) 、電化學阻抗譜的測試：利用測試環(huán)刀取污染土樣，在污染土樣兩端放置電極，電極 通過導線接到電化學工作站上，測試頻率范圍為1〇 5?l〇_2Hz，每個數(shù)量級采集10個點，交 流正弦信號幅值為10mV，均在自腐蝕電位下測量污染土樣的電化學阻抗譜圖，即Nyquist 曲線； (4) 、電化學阻抗測試評價：比較相同測試條件下的不同污染土樣的Nyquist曲線與阻 抗實部的交點和曲線的容抗弧半徑，交點越小、容抗弧的半徑越小，則表明污染土的腐蝕性 越強；交點越大、容抗弧的半徑越大，則表明污染土的腐蝕性越弱； (5) 、擬合污染土等效電路圖：步驟（3)獲得的測試結(jié)果應用ZSimpwin軟件進行擬合獲 得擬合數(shù)據(jù)，選擇擬合數(shù)據(jù)與測試結(jié)果誤差控制在10%范圍以內(nèi)，則應用該擬合數(shù)據(jù)獲得 的擬合電路圖作為等效污染土樣的電路；所述污染土等效電路圖為：RS (cd (R。，)），其中， Rs為污染土樣電阻，CdS污染土樣內(nèi)部土壤顆粒表面與孔隙水溶液之間的雙電層電容，R。， 為污染土樣內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移電阻，W為污染土樣內(nèi)部的電荷擴散過程電阻(Warburg電阻）； (6) 、擬合結(jié)果評價：根據(jù)等效電路圖判斷污染土腐蝕性強弱規(guī)律為：污染土腐蝕性隨 Rs、Rrt、W的降低以及隨Cd的升高而增強，隨Rs、R rt、W的升高以及隨Cd的降低而減弱； (7) 污染土腐蝕性的綜合評價：根據(jù)電化學阻抗測試以及擬合結(jié)果來評價，其中測試和 擬合結(jié)果包括：Nyquist圖和污染土的等效電路圖。交點越?。≧ s越小)、容抗弧半徑越小 (Rrt越小、Cd越大）且Nyquist圖直線段斜率越陡(W阻抗越小)，則綜合表明污染土的腐蝕 性越強；反之污染土的腐蝕性越弱。
[0006] 本發(fā)明對污染土腐蝕性的測試方法涉及污染土材料的電化學體系的測試，電化學 等效電路圖模型& (Cd (R。，)）則可以表征污染土腐蝕過程。該等效電路模型由以下參數(shù) 組成：RS為污染土樣電阻，Cd為污染土樣內(nèi)部土壤顆粒表面與孔隙水溶液之間的雙電層電 容，R rt為污染土樣內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移電阻，W為污染土樣內(nèi)部的電荷擴散過程電阻（Warburg電 阻)。由于組成等效電路圖中元件的參數(shù)隨著含水量的變化而發(fā)生規(guī)律性的變化，與污染土 含水量存在一定聯(lián)系，因此通過適當?shù)牡刃щ娐穲D代表污染土材料，通過電化學參數(shù)的規(guī) 律變化來反映污染土的腐蝕性，這種不僅避免測量參數(shù)多、時間長、誤差較大的缺陷，而且 能夠綜合反映污染土腐蝕過程的動力學、電參數(shù)以及腐蝕防護等機理方面的內(nèi)容。電化學 阻抗譜測試法可有效表征污染土腐蝕過程的微觀結(jié)構(gòu)，靈敏度高，測試重復性好，測試時間 短且屬于無損檢測手段，是一種研究污染土腐蝕過程、腐蝕機理和評價污染土腐蝕性的快 速有效的方法。
[0007] 本發(fā)明所述的評價污染土腐蝕性的方法所需測試裝置簡單，測試重復性好，測量 精度高，操作方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1是采用本方法測得3. 5%NaCl的污染土樣在9%、12%以及15%三種含水量狀態(tài) 下的Nyquist圖。
[0009] 圖2是污染土樣的電路分析圖。
[0010] 圖3是采用本方法的測試數(shù)據(jù)擬合的污染土樣等效電路圖。
[0011] 圖中：1_導線，2-電化學工作站，3-測試環(huán)刀，4-環(huán)刀斜切口，5-電極，6-石墨 粉，7-污染土樣，8-電極電阻Ro, 9-污染土樣電阻Rs，10-污染土樣內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移電阻R# 11-污染土樣內(nèi)部的電荷擴散過程電阻（Warburg電阻)，12-污染土樣內(nèi)部土壤顆粒表面與 孔隙水溶液之間的雙電層電容C d。

【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。
[0013] 一種評價污染土腐蝕性的方法，包括如下步驟： (1)、污染土樣的配制：取一定量的未污染土樣采用人工拌和方法配制相同污染濃度、 不同含水量的三個不同的污染土樣7,所述污染土樣均具有相同的污染濃度為3. 5%的 NaCl，不同污染土樣的含水量分別為9%、12%和15%;運用輕型擊實筒將配置的污染土樣 進行擊實，擊實方法參照《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999)，擊實標準是控制標 準砂擊實后的干密度為1.65g/cm3;所述未污染土樣選取ISO標準砂，其中：不均勻系數(shù) Cu=5. 93,曲率系數(shù) Cc=0. 67。
[0014] (2)、測試環(huán)刀的制作：采用絕緣管材制作測試環(huán)刀3,即取絕緣管材的一段作為 測試環(huán)刀，所述絕緣管材為PVC塑料管，外徑為90mm，壁厚為2. 8mm，高度為30mm(即測試環(huán) 刀3的內(nèi)徑為87. 2mm、高度為30mm);絕緣管材的一端0?5mm范圍內(nèi)運用磨樣機打磨成環(huán) 刀斜切口 4。
[0015] (3)、電化學阻抗譜的測試：利用測試環(huán)刀3按《土工試驗方法標準》（GB/T 50123-1999)取污染土樣7,在污染土樣7兩端放置電極5,為使電極5與污染土樣7緊密接 觸，在電極5與污染土樣7的接觸面之間涂抹一層石墨粉6 ;所述電極5是直徑為87. 2_、 厚度為1mm的銅片，正好完全覆蓋測試環(huán)刀3的端面；電極5通過導線1接到電化學工作站 2上，測試頻率范圍為10 5?10_2Hz，每個數(shù)量級采集10個點，交流正弦信號幅值為10mV，均 在自腐蝕電位下測量污染土樣的電化學阻抗譜圖，即Nyquist曲線，如圖1所示。
[0016] (4)、電化學阻抗測試評價：比較相同測試條件下的污染土樣Nyquist曲線與阻抗 實部的交點和曲線的容抗弧半徑，交點越小、容抗弧的半徑越小，則表明污染土的腐蝕性越 強；交點越大、容抗弧的半徑越大，則表明污染土的腐蝕性越弱。
[0017] (5)、擬合污染土等效電路圖：步驟（3)獲得的測試結(jié)果應用ZSimpwin軟件進行 擬合獲得擬合數(shù)據(jù)，選擇擬合數(shù)據(jù)與測試結(jié)果誤差控制在10%范圍以內(nèi)（指擬合電路中各 元件參數(shù)與測試結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)），選誤差最小的擬合數(shù)據(jù)，則應用該擬合數(shù)據(jù)獲得 的擬合電路圖作為等效污染土樣的電路，如圖2、3所示；所述污染土等效電路圖為：R S (Cd (RrtW))，其中，Rs為污染土樣電阻，CdS污染土樣內(nèi)部土壤顆粒表面與孔隙水溶液之間的 雙電層電容，R rt為污染土樣內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移電阻，W為污染土樣內(nèi)部的電荷擴散過程電阻 (Warburg 電阻）。
[0018] (6)、擬合結(jié)果評價：根據(jù)等效電路圖判斷污染土腐蝕性強弱規(guī)律為：污染土腐蝕 性隨Ιζ、υ的降低以及隨C d的升高而增強，隨Rs、Rrt、W的升高以及隨Cd的降低而減弱。
[0019] (7)污染土腐蝕性的綜合評價：根據(jù)電化學阻抗測試以及擬合結(jié)果來評價，其中測 試和擬合結(jié)果包括：Nyquist圖和污染土的等效電路圖，見表1。
[0020] 表 1

【權(quán)利要求】
1. 一種評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：包括如下步驟： (1) 、污染土樣的配制：取未污染土樣采用人工拌和方法配制相同污染濃度、不同含水 量的若干個不同的污染土樣（7)，擊實； (2) 、測試環(huán)刀的制作：采用絕緣管材制作測試環(huán)刀（3); (3) 、電化學阻抗譜的測試：利用測試環(huán)刀（3)取污染土樣（7)，在污染土樣（7)兩端放 置電極（5)，電極（5)通過導線（1)接到電化學工作站（2)上，測試頻率范圍為10 5?1(Γ2Ηζ， 每個數(shù)量級采集10個點，交流正弦信號幅值為10mV，均在自腐蝕電位下測量污染土樣的電 化學阻抗譜圖，即Nyquist曲線； (4) 、電化學阻抗測試評價：比較相同測試條件下的污染土樣Nyquist曲線與阻抗實部 的交點和曲線的容抗弧半徑，交點越小、容抗弧的半徑越小，則表明污染土的腐蝕性越強； 交點越大、容抗弧的半徑越大，則表明污染土的腐蝕性越弱； (5) 、擬合污染土等效電路圖：步驟（3)獲得的測試結(jié)果應用ZSimpwin軟件進行擬合獲 得擬合數(shù)據(jù)，選擇擬合數(shù)據(jù)與測試結(jié)果誤差控制在10%范圍以內(nèi)，則應用該擬合數(shù)據(jù)獲得 的擬合電路圖作為等效污染土樣的電路；所述污染土等效電路圖為：R S (Cd (R。，)），其中， Rs為污染土樣電阻，CdS污染土樣內(nèi)部土壤顆粒表面與孔隙水溶液之間的雙電層電容，R。， 為污染土樣內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移電阻，W為污染土樣內(nèi)部的電荷擴散過程電阻； (6) 、擬合結(jié)果評價：根據(jù)等效電路圖判斷污染土腐蝕性強弱規(guī)律為：污染土腐蝕性隨 Rs、Rrt、W的降低以及隨Cd的升高而增強，隨Rs、R rt、W的升高以及隨Cd的降低而減弱； (7) 污染土腐蝕性的綜合評價：根據(jù)電化學阻抗測試以及擬合結(jié)果來評價，其中測試和 擬合結(jié)果包括：Nyquist圖和污染土的等效電路圖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：所述未污染土樣為 ISO標準砂，其中：不均勻系數(shù)Cu=5. 93,曲率系數(shù)Cc=0. 67。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：步驟（1)制備三 個不同的污染土樣，所述污染土樣均具有相同的污染濃度為3. 5%的NaCl，不同污染土樣的 含水量分別為9%、12%和15%。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：所述三個不同的污 染土樣運用輕型擊實筒進行擊實，擊實標準是控制標準砂擊實后的干密度為1. 65g/cm3。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：所述絕緣管材為PVC 塑料管，外徑為90mm，壁厚為2. 8mm，高度為30mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：所述測試環(huán)刀（3)的 一端0?5_范圍內(nèi)運用磨樣機打磨成環(huán)刀斜切口（4)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：所述電極（5)是直徑 為87. 2mm、厚度為1mm的銅片。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的評價污染土腐蝕性的方法，其特征在于：所述電極（5)與污染 土樣（7)的接觸面之間涂抹一層石墨粉（6)。
【文檔編號】G01N27/26GK104090001SQ201410365685
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月29日
【發(fā)明者】白曉紅, 何斌, 韓鵬舉, 杜湧, 王林浩, 馬富麗, 張文博 申請人:太原理工大學