3.砂巖電阻率與毛細吸水量的關系

圖10為工況Q4試樣不同深度節點處相對電阻率隨時間的變化趨勢以及試樣毛細吸水量的變化規律，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行分析。圖10a為試樣深度0.1 cm時電阻率變化情況，在毛細吸水加速階段及近線性階段初期(0~100 s0.5)，表層各節點的電阻率迅速下降，其中低高度節點的變化主要是由于毛細溶液的運移和填充，而靠近試樣頂端節點雖未直接受毛細溶液的浸潤影響，但在蒸發冷凝作用下，其電阻率值也有所下降。之后時間段內，雖然試樣毛細吸水量仍在持續上升，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時可將變化曲線分為x=0.5~2.5 cm的底部節點，以及x=3.5~5.5 cm的頂部節點進行分析。在毛細吸水0~100 s0.5時間段內，各節點的相對電阻率均快速下降，底部節點變化率大于頂部節點。由于前期凝結的孔隙水被孔隙填充物吸收變為結合水，而造成頂部節點的相對電阻率比在100~190 s0.5時間段內出現波動。隨后，x=3.5 cm節點的相對電阻率發生了驟降，表明濕潤鋒在此時段通過該節點。對比圖10a和圖10b，不同深度的頂部節點在100 s0.5后出現較大的電阻率變化差異，表明試樣中“凹”形濕潤鋒的存在，試樣內濕潤鋒通過節點的時間隨深度增加而延后。

圖10c中，在毛細水上升初期(0~100 s0.5)，試樣底部節點相對電阻率迅速降低，并始終保持穩定。而頂部節點相較于底層節點相對電阻率降低程度較小，并在高度上呈現離散性。考慮到內部節點受表面的蒸汽凝結作用較小，底部上升的毛細溶液在孔隙中蒸發運移，并在凝結后形成飽和度梯度，從而造成電阻率下降。在100~190 s0.5時間段內，頂部節點的相對電阻率與試樣深度0.5 cm處出現相同的先增后降過程。

Archie在試驗中總結出非飽和多孔介質中孔隙率、電導率以及飽和度之間的經驗關系為：

式中：σ為非飽和材料的電導率；σp為孔隙溶液的電導率；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，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吸水量存在時空分布差異，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對應關系。從更深層次的分析看來，孔隙度飽和度隨試樣毛細吸水量的增加有一個緩慢增加的過程。具體表現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，其次頂部和深層節點的電阻率隨毛細吸水量的增加逐漸降低。當孔隙吸水達到較高飽和度后，電阻率敏感性降低，因此試驗后期電阻率下降速率減慢。

4.結論

利用自主設計的毛細吸水和微電極試驗裝置，研究了孔隙結構、孔隙溶液、干濕循環和相對濕度對砂巖質文物內部毛細水運移規律及電阻率分布特性的影響，得出主要結論如下：

(1)砂巖的毛細吸水過程可分為初始非線性階段、近線性階段、過渡階段和穩定階段。松散的孔隙介質和較低的相對濕度使毛細溶液擴散速率更快，最終飽和區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吸水量的影響，從而在青砂巖毛細吸水的近線性階段，可溶鹽溶液的毛細運移速率均大于蒸餾水。在毛細作用下，導電性較強的溶液使砂巖更快達到飽和狀態。

(3)干濕循環作用導致內部孔隙通道的擴張，吸水量和毛細運移速率均出現顯著增大。隨著循環次數的增加，可溶鹽溶液對砂巖結構的損傷，同一區域的視電阻率顯著下降。

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

(5)砂巖電阻率與毛細吸水量關系隨時間呈現負相關趨勢，電阻率變化在孔隙低飽和度下比高飽和度更為敏感。在今后開展砂巖質文物保護時，應高度重視對地下水中可溶鹽離子的監測。