石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水特性與孔隙特征研究

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(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074；2.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)院，河南 駐馬店 463000)

1 研究背景

巴東十字埡隧道在施工完成后僅僅投入運(yùn)營(yíng)2 a就發(fā)生了破壞[1]，造成了巨大損失。不僅是十字埡隧道，在我國(guó)西部的隧道工程中，有23座隧道不同程度穿過石膏質(zhì)巖層[2]，其中19座隧道由于圍巖滲水導(dǎo)致混凝土襯砌發(fā)生不同程度的腐蝕和破壞[3-4]。在隧道建設(shè)過程中，原巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，圍巖次生裂隙的產(chǎn)生為地下水的滲透提供了通道。在降雨補(bǔ)給地下水的過程中巖石遭到侵蝕，干濕交替條件下巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生改變[5]，造成巖石劣化，往往會(huì)造成嚴(yán)重的工程問題。

巖石是一種典型的多孔介質(zhì)材料，毛細(xì)作用下巖石的水分傳輸特性主要取決于其內(nèi)部孔裂隙的數(shù)量、大小、張開程度及其連通性，同時(shí)也受其礦物成分、組成晶粒大小等因素的影響。巖石的毛細(xì)吸水過程不僅反映巖石介質(zhì)內(nèi)孔隙特征，也是巖石劣化的重要考慮因素，在干濕交替情況下，巖石劣化更為嚴(yán)重。

因此本次將對(duì)十字埡隧道石膏質(zhì)巖進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗(yàn)，并比較研究干濕循環(huán)后吸水特性和孔隙特征的變化，為石膏質(zhì)巖劣化研究提供依據(jù)。

2 巖樣特征與礦物成分分析

試驗(yàn)所需石膏質(zhì)巖均來自于巴東十字埡隧道，統(tǒng)一切割成尺寸約為? 50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件。S1，S2，S3，S4巖樣取自不同位置，S5-1，S5-2，S5-3分別為同一巖塊經(jīng)過0，5，10次干濕循環(huán)之后切割得到的標(biāo)準(zhǔn)試件，表1為石膏質(zhì)巖試件的基本參數(shù)。

表1 石膏質(zhì)巖試件的基本參數(shù)

X衍射試驗(yàn)半定量給出各試件的礦物成分及其含量。結(jié)果顯示，巴東十字埡隧道石膏質(zhì)巖所含礦物主要有石膏、白云石、沸石和石英，其中以石膏為主，含量大于90%，白云石含量為2%～5%，并含有微量的石英和沸石等其他礦物。

石膏質(zhì)巖主要為細(xì)粒晶粒結(jié)構(gòu)，水平層狀構(gòu)造，層理由石膏和白云石含量不同的小層平行排列表現(xiàn)出來。石膏主要為板狀或片狀，板狀晶體一般長(zhǎng)0.21 mm左右，寬0.1 mm左右，晶體無(wú)色透明，常有1組解理明顯可見。

3 吸水實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)采用一維單面吸水方式，僅將試樣一個(gè)底面浸入水面以下0.2 mm進(jìn)行吸水，并用石蠟密封試樣側(cè)面，稱取試樣質(zhì)量m1。吸水過程t時(shí)刻將試樣取出，用吸水毛巾擦去巖樣底表面多余水分，并將試樣放在電子天平上并迅速記錄讀數(shù)m2，m2-m1便是試樣在t時(shí)間內(nèi)的累計(jì)吸水量。

這種實(shí)驗(yàn)方法雖簡(jiǎn)單易行，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境下的連續(xù)吸水過程，且毛巾擦拭試樣會(huì)造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 石膏質(zhì)巖吸水曲線和吸水過程函數(shù)

圖1中的實(shí)線是試件S1，S2，S3，S4累計(jì)吸水量隨吸水時(shí)間的變化曲線。本次實(shí)驗(yàn)各試件持續(xù)吸水22 d，22 d后試件基本達(dá)到毛細(xì)吸水穩(wěn)定狀態(tài)，最大累計(jì)吸水量為6.22 g，最小累計(jì)吸水量?jī)H為1.26 g?？紫堵试酱螅瑢?duì)累計(jì)吸水量的貢獻(xiàn)也就越大[6]，試件S1，S2，S3，S4的孔隙率約為毛細(xì)吸水率的5倍，呈近正比例關(guān)系，正比例系數(shù)與孔徑大小分布以及孔隙結(jié)構(gòu)特征等因素有關(guān)。

圖1 試件S1，S2，S3，S4的吸水曲線與擬合曲線

用對(duì)數(shù)函數(shù)式(1)對(duì)石膏質(zhì)巖持續(xù)22 d的吸水過程曲線進(jìn)行近似擬合：

M=aln(t)+b, 0

(1)

擬合結(jié)果如圖1中虛線所示，對(duì)數(shù)函數(shù)雖然可以近似說明吸水量、吸水速率的整體變化趨勢(shì)，但不能準(zhǔn)確表現(xiàn)出具體的變化過程。為了更準(zhǔn)確地描述石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水過程，將吸水曲線分段研究[7]，對(duì)前期快速吸水段和后期近恒速吸水段分別采用不同的過程函數(shù)進(jìn)行描述。

快速吸水階段采用二次函數(shù)方程式(2)進(jìn)行擬合：

m=a1t2+b1t+c1, 0

(2)

式中：T為快速吸水階段持續(xù)時(shí)間。

不同試件的快速吸水階段持續(xù)時(shí)間T也不相同(見圖2)，本次實(shí)驗(yàn)中，試件S1快速吸水時(shí)間約為24 h，試件S2和S4約為96 h，而試件S3最大，大概需要144 h。T的大小反映了孔隙有效性的相對(duì)強(qiáng)弱。T時(shí)間點(diǎn)之前試件吸水速率較大，且隨著時(shí)間增加而逐漸減小，在T時(shí)間點(diǎn)之后吸水速率基本穩(wěn)定。各試件的吸水量主要集中在T時(shí)間點(diǎn)之前，試件S1，S2，S3，S4在T時(shí)間點(diǎn)前的吸水量分別占累計(jì)吸水量的87.78%，92.02%，84.21%和81.21%。

圖2 快速吸水階段擬合曲線

恒速吸水階段吸水速率近于0，吸水量略有增加，吸水至22 d的恒速吸水曲線可以用線性函數(shù)近似擬合。

為了更加全面細(xì)致地了解石膏質(zhì)巖在各段時(shí)間內(nèi)的毛細(xì)吸水過程，分別對(duì)4個(gè)石膏質(zhì)巖試件在0.4和4 h內(nèi)的吸水特征曲線進(jìn)行近似擬合(圖3)，同樣建立起0.4和4 h內(nèi)毛細(xì)吸水二次函數(shù)方程式，即

(3)

圖3 0.4和4 h內(nèi)吸水過程擬合曲線

表2列出各試件在0.4，4 h內(nèi)和快速吸水階段毛細(xì)吸水過程函數(shù)的擬合參數(shù)，擬合參數(shù)a反映的是吸水速率的變化快慢。通過比較a的大小可以看出，試件S1的吸水速率減少得較快，而試件S3的吸水速率減小得最慢，隨著時(shí)間的增加，吸水速率減小得越來越慢。在T點(diǎn)之后，各試件吸水加速度幾乎為0。

表2 吸水曲線擬合參數(shù)

4.2 干濕循環(huán)前后吸水曲線特征比較

在干濕交替過程中，巖石孔隙特征會(huì)發(fā)生一定的變化，孔隙特征的變化必然導(dǎo)致巖石吸水過程發(fā)生改變。在石膏質(zhì)巖塊經(jīng)歷0，5和10次干濕循環(huán)后，分別切割得到標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件S5-1，S5-2和S5-3，每次干濕循環(huán)過程浸泡10 d，干燥7 d，分析比較干濕循環(huán)對(duì)石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水過程的影響。

干濕循環(huán)后，巖石密度減小，循環(huán)次數(shù)越多，巖石密度越小，但顆粒密度幾乎沒有發(fā)生變化，孔隙率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而增大。吸水曲線描述的是累計(jì)吸水22 d吸水量的變化過程，吸水率分別為0.2%，0.86%和2.1%。干濕循環(huán)前后試件吸水均可近似分為快速階段和恒速階段，但2個(gè)階段的分界時(shí)間點(diǎn)T不同，S5-1快速吸水持續(xù)72 h，S5-2和S5-3的快速吸水時(shí)間變?yōu)?和5 h。這2個(gè)階段均可滿足二次函數(shù)式(2)和線性函數(shù)(圖4)，前0.4 h內(nèi)吸水曲線同樣遵循二次函數(shù)式(3)(圖5)，擬合結(jié)果見表3。

圖4 干濕循環(huán)前后快速吸水段擬合曲線

圖5 干濕循環(huán)前后0.4h內(nèi)吸水?dāng)M合曲線

表3 干濕循環(huán)前后吸水過程擬合

干濕循環(huán)之后，巖石累計(jì)吸水量增加，循環(huán)次數(shù)越多，瞬時(shí)吸水量越大，累計(jì)吸水量也越大。在前0.4 h內(nèi)，與試件S5-1和S5-2相比，試件S5-3吸水比例最大，約完成累計(jì)吸水量的25%。在接下來的3.6 h內(nèi)，試件S5-2的吸水比例最大，約為54.08%。7 h以后，試件S5-3的吸水比例最大，約為54.76%?？梢姡蓾窠惶娲螖?shù)越多，前期吸水比例越大，吸水飽和速度越快，快速吸水時(shí)間也就越短。而在快速吸水階段，循環(huán)次數(shù)越多，巖石平均吸水速率越大，且吸水速率減小越快。在7 h之后，干濕循環(huán)試件進(jìn)入近恒速吸水階段，而試件S5-1仍處于快速吸水階段，吸水速率大于循環(huán)后試件。72 h后試件S5-1近恒速吸水，其平均吸水速率小于循環(huán)后試件，且循環(huán)次數(shù)越多，恒速吸水階段平均吸水速率越大。

4.3 干濕循環(huán)前后石膏質(zhì)巖孔隙特征

毛細(xì)吸水特性的變化在微觀上主要由孔隙特征決定[8]。石膏質(zhì)巖孔隙類型主要為粒間孔隙,含少量裂隙及溶孔。從經(jīng)歷0，5和10次干濕循環(huán)的試件S5-1，S5-2和S5-3上分別取樣進(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn)，通過壓汞曲線(圖6)提取特征參數(shù)，比較干濕循環(huán)前后孔隙大小和孔隙分選性的變化。

圖6 干濕循環(huán)前后毛管壓力曲線

根據(jù)試件S1，S2，S3，S4和S5-1的壓汞數(shù)據(jù)計(jì)算分析得到，十字埡隧道出露的石膏質(zhì)巖孔隙率較低，平均最大連通孔徑為2.85 μm，平均孔隙直徑約為0.88μm，孔隙分選性較差。對(duì)于試件S5-1，最大連通孔隙為2 μm，平均孔隙直徑為0.54 μm，大孔隙在孔隙中所占的比例較小，孔隙偏于細(xì)孔徑?？讖酱笥?.0 μm的孔隙約占總孔隙體積的34%，分布在0.1～1.0 μm區(qū)間的約占62.3%，小于0.1 μm的孔隙約占3.8%?？紫斗诌x性較差[9]，分選系數(shù)約為2.9。

比較圖6中壓汞曲線并提取特征參數(shù)可知，干濕循環(huán)之后，石膏質(zhì)巖孔隙率增大，5次循環(huán)后，最大連通孔隙直徑增大到4.2 μm，平均孔隙直徑增至1.6 μm，大孔隙比例顯著增加，孔隙偏于粗孔隙?？讖酱笥? μm的孔隙約占77%，分布在0.1～1.0 μm區(qū)間的約占22%，小于0.1 μm的孔隙僅有1%。分選系數(shù)為1.4，孔隙大小分布相對(duì)集中。10次干濕交替之后，最大連通孔隙直徑增大到10.6 μm，平均孔隙半徑為4.5 μm，大孔隙比例繼續(xù)增加，孔隙偏向大孔隙更多?？讖酱笥?.0 μm孔隙約占89%，分布在0.1～1.0 μm區(qū)間的約占10.9%，小于0.1 μm的孔隙不足0.1%，孔隙分選性有所提高。

需要指出的是，由于本次實(shí)驗(yàn)壓汞儀精度有限，石膏質(zhì)巖中還可能有精度以外的微孔隙存在。

4.4 毛細(xì)吸水孔徑區(qū)間近似確定

儲(chǔ)層研究中認(rèn)為可以滿足液體自由流動(dòng)的毛細(xì)管孔隙直徑區(qū)間為0.000 2～0.5 μm，但是由于巖石類型、孔隙結(jié)構(gòu)、流動(dòng)液體等眾多差異性的存在，實(shí)際吸水毛管孔隙范圍并不相同，因此對(duì)有效孔隙下限的研究也比較多[10]。本次利用石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水量和飽和毛細(xì)吸水量以及毛細(xì)管曲線近似確定石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水孔徑區(qū)間。

飽和吸水的體積可以近似認(rèn)為是飽和吸水有效孔徑下限r(nóng)以上的所有孔隙體積之和，也可認(rèn)為是壓汞實(shí)驗(yàn)中大于r孔隙累計(jì)進(jìn)汞量。由此可根據(jù)飽和吸水量以及壓汞實(shí)驗(yàn)中累計(jì)進(jìn)汞量與孔隙直徑的關(guān)系確定有效孔徑下限。假定自然毛細(xì)吸水孔徑下限也是r，那么可用飽和吸水量與毛細(xì)吸水量之差近似表示有效孔隙上限R以上孔隙體積之和，同樣利用飽和吸水量與毛細(xì)吸水量之差和壓汞數(shù)據(jù)確定毛細(xì)吸水有效孔徑上限R。表4為簡(jiǎn)單計(jì)算得到的有效孔徑上、下限值，可以看出有效孔隙上限值和壓汞曲線得到的最大連通孔徑相差不大。

表4 有效孔隙直徑區(qū)間值

5 結(jié) 論

(1) 石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水特性和孔隙特征有直接的關(guān)系，巖石孔隙特征決定著其毛細(xì)吸水特性，而反復(fù)的吸水干燥過程也會(huì)引起巖石孔隙特征的變化。

(2) 十字埡隧道石膏質(zhì)巖中石膏含量普遍大于90%，石膏質(zhì)巖主要為細(xì)粒晶粒結(jié)構(gòu)，水平層狀構(gòu)造。最大連通孔徑為2.85 μm，平均孔隙直徑的均值約0.88 μm，孔隙分選性差。

(3) 石膏質(zhì)巖在0.4 h內(nèi)、4 h內(nèi)和快速吸水階段吸水量與吸水時(shí)間均近似滿足二次函數(shù)關(guān)系，二次函數(shù)的二次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值近似表示吸水速率的變化快慢。

(4) 干濕循環(huán)后，石膏質(zhì)巖孔隙率增加，前期吸水比例增大，快速吸水時(shí)間變短。微觀角度上看，孔隙最大連通孔徑和平均直徑變大，孔隙偏于粗孔隙，孔隙分選性提高。

(5) 利用飽和吸水量、毛細(xì)吸水量和壓汞數(shù)據(jù)可以近似得到毛細(xì)吸水孔徑區(qū)間，但存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊 榮.十字埡隧道病害原因分析及治理[J].鐵路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008,(10):91-95.(YANG Rong.Diseases Cause Analysis and Treatment Measures of Shiziya Tunnel[J].Railway Standard Design,2008,(10):91-95.(in Chinese))

[2] 肖允發(fā),楊華琨,羅 健, 等.硬石膏水化和芒硝結(jié)晶膨脹性的測(cè)定[J].勘察科學(xué)技術(shù)，1985，(5)：7-10.(XIAO Yun-fa, YANG Hua-kun，LUO Jian,etal.Determination of Anhydrite Hydration and Mirabilite Crystallization Expansibility[J].Site Investigation Science and Technology，1985，(5)：7-10.(in Chinese))

[3] 劉艷敏,余宏明,汪 燦,等.白云巖層中硬石膏巖對(duì)隧道結(jié)構(gòu)危害機(jī)制研究[J].巖土力學(xué),2011,32(9):2704-2708.(LIU Yan-min, YU Hong-ming, WANG Can,etal.Research on Mechanism of Damage of Anhydrock in Dolomite Layer to Tunnel Structure[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(9)：2704-2708.(in Chinese))

[4] 吳銀亮.石膏質(zhì)巖工程地質(zhì)特性及其對(duì)隧道混凝土結(jié)構(gòu)危害機(jī)制研究[D].武漢:中國(guó)地質(zhì)大學(xué),2012.(WU Yin-liang.The Engineering Geological Characteristics of Gypsum Rock and the Damage Mechanism on Tunnel Concrete Structure[D].Wuhan:China University of Geosciences,2012.(in Chinese))

[5] 沈照理,王焰新.水-巖相互作用研究的回顧與展望[J].地球科學(xué)：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，27(2)：127-133.(SHEN Zhao-li, WANG Yan-xin.Review and Outlook of Water-Rock Interaction Studies[J].Earth Science：Journal of China University of Geosciences，2002,27(2):127-133.(in Chinese))

[6] 何滿潮,周 莉,李德建,等.深井泥巖吸水特性試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008,27(6):1113-1120.(HE Man-chao, ZHOU Li, LI De-jian,etal.Experimental Research on Hydrophilic Characteristics of Mudstone in Deep Well[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008，27(6)：1113-1120.(in Chinese))

[7] 柳培玉,張 娜,何滿潮, 等.平莊煤礦砂質(zhì)泥巖吸水特性試驗(yàn)研究[J].金屬礦山,2011,(9): 49-53.(LIU Pei-yu, ZHANG Na, HE Man-chao,etal.Experimental Study on Water Absorption Processes of Sandy Mudstone in Pingzhuang Coal Mine[J].Metal Mine,2011,(9): 49-53.(in Chinese))

[8] 周 莉,何滿潮,李京陽(yáng),等.砂巖吸水特性試驗(yàn)[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009,10(6):580-585.(ZHOU Li, HE Man-chao, LI Jing-yang，etal.Experimental Research on Hydrophilic Characteristics of Sandstone in Deep Mine[J].Journal of PLA University of Science and Technology(Natural Science),2009,10(6):580-585.(in Chinese))

[9] 汪新光,李 茂,覃利娟,等.利用壓汞資料進(jìn)行低滲儲(chǔ)層孔隙結(jié)構(gòu)特征分析——以W11-7油田流沙港組三段儲(chǔ)層為例[J].海洋石油,2001,31(1):42-47.(WANG Xin-guang, LI Mao, QIN Li-juan,etal.Analysis of Pore Structure Characteristics of Low Permeability Reservoir with Mercury Injection Data:Taking E2l3 Reservoir in W11-7 Oilfield for Example[J].Offshore Oil,2001,31(1):42-47.(in Chinese))

[10] 王兆峰,孔垂顯,戴雄軍,等.復(fù)雜火山巖油藏儲(chǔ)集空間類型及其有效性評(píng)價(jià)——以克拉瑪依油田克92井區(qū)石炭系油藏為例[J].石油天然氣學(xué)報(bào),2007,(6):58-61.(WANG Zhao-feng, KONG Chui-xian, DAI Xiong-jun,etal.Reservoir Spaces and Effectiveness Evaluation on Lower Palaeozoic Reservoir of Complex Volcanic:Taking Karamay Carboniferous Reservoir in 92 Oilfield for Example[J].Journal of Oil and Gas Technology,2007,(6):58-61.(in Chinese))