酸堿溶液環(huán)境中軟巖的崩解試驗(yàn)及能量耗散特征研究

黃 明，詹金武

（福州大學(xué) 土木工程學(xué)院，福建 福州 350108）

1 引 言

分布于江西贛南的泥質(zhì)頁巖存在顯著的水理特征，在挖掘或爆破出來后易風(fēng)化，具有明顯的遇水崩解、失水干裂的性質(zhì)。由于該地區(qū)濕熱多雨，對(duì)泥質(zhì)頁巖的巖性特征產(chǎn)生較大影響，加速了巖石的崩解速率，如圖1 所示為瑞金火車站建成兩年后站前廣場泥質(zhì)頁巖風(fēng)化崩解后的緩丘陵地貌。事實(shí)上，水的化學(xué)成分對(duì)巖土的崩解影響也較為顯著，酸堿廢水的任意排放將加速巖土的崩解，室內(nèi)崩解試驗(yàn)結(jié)果表明[1]，酸堿條件下原狀土樣的崩解率比正常條件下的崩解率大得多，酸性溶液條件下（加HCl）的崩解率約為40.1 cm/a，而正常條件下的崩解率平均僅為1.29 cm/a，相差極為懸殊。隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)廢氣排放量的上升將造成大氣環(huán)境的惡化，并直接導(dǎo)致雨水酸堿程度的變化，因此，深入研究酸堿環(huán)境的變化對(duì)巖石崩解特性的影響具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖石的崩解特性開展了大量的研究工作，特別是在巖石崩解機(jī)制的研究上，已從不同的角度或采取不同的方法獲得了豐碩的成果[2－15]，而針對(duì)酸堿溶液環(huán)境對(duì)巖石特性的影響研究，主要集中在溶液對(duì)巖石腐蝕、強(qiáng)度弱化、變形發(fā)展和裂紋萌生與擴(kuò)散影響等方面[16]，對(duì)酸堿環(huán)境下巖石崩解特性的影響研究鮮見相關(guān)報(bào)道。本文將采用贛南地區(qū)常見的泥質(zhì)頁巖，開展不同pH溶液環(huán)境下的崩解特性研究，嘗試從能量耗散的角度研究pH 值變化時(shí)泥質(zhì)頁巖崩解過程中相關(guān)指標(biāo)的表征規(guī)律。

圖1 瑞金火車站前廣場泥質(zhì)頁巖崩解形成的沙化地貌Fig.1 Desertification landscape after argillaceous shale disintegration in front of the Ruijin Railway Station

2 泥質(zhì)頁巖崩解特性試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

從現(xiàn)場采集的泥質(zhì)頁巖通過XRD 進(jìn)行半定量測試（見圖2），結(jié)果表明：石英含量為33%，方解石為9%，水云母為38%，赤鐵礦為1%，鎳鋁蛇紋石為3%，鈉長石為15%，羥錳礦為1%。從礦物成分中可發(fā)現(xiàn)，該頁巖膠結(jié)類型主要為黏土質(zhì)及少量鈣質(zhì)膠結(jié)，顆粒間的固結(jié)力較小，在雨水、溫度變化及風(fēng)霜的循環(huán)作用下，膠結(jié)物溶解而極易發(fā)生崩解，所形成的丘陵地不易產(chǎn)生崖坡。

圖2 巖樣X 射線衍射結(jié)果Fig.2 X-ray diffraction result

將微風(fēng)化泥質(zhì)頁巖巖塊粗略切割成5 塊，并用天平稱重，得到質(zhì)量約為50 g 左右的小試塊，如圖3 所示。對(duì)5 組巖塊分別在pH 值為12、10、7、5和2 的水溶液環(huán)境下進(jìn)行浸水－失水－再浸水的干濕循環(huán)靜態(tài)崩解試驗(yàn)，其中pH 分別為12、10 的溶液采用NaOH 配置，pH 分別為2、5 的溶液采用HCl 配置，仔細(xì)觀察并記錄其崩解現(xiàn)象及過程，將崩解物烘干，并進(jìn)行顆粒分析，確定其崩解速度與崩解等級(jí)，分析崩解物級(jí)配的變化規(guī)律，具體過程如下：①將選取的巖樣烘干，并在干燥器中冷卻至室溫，稱重后放入透明敞口容器，注入預(yù)先選定pH值的溶液直至浸沒巖樣，觀察崩解現(xiàn)象及過程，并記錄初崩時(shí)間，對(duì)比10 min和30 min 后[5]巖石的崩解特征；②首次浸泡30 min 后，帶溶液過篩濾去液體，得到巖樣浸泡后的崩解物，之后則每次浸泡時(shí)間不少于24 h；③崩解物風(fēng)干30 min 后置于105 ℃烘箱中烘干至恒重，然后將其取出并置于干燥器中冷卻至室溫，依次采用5、2、0.5、0.25 mm 的標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)崩解物進(jìn)行篩分；④將崩解不完全且粒徑大于0.25 mm 的崩解物再次放入容器中，注入相同pH值的溶液浸沒，達(dá)到浸泡時(shí)間后取其崩解物烘干、篩分，并進(jìn)行顆粒分析。如此反復(fù)直到百分含量基本穩(wěn)定為止。

圖3 泥質(zhì)頁巖室內(nèi)試驗(yàn)樣品Fig.3 Samples of argillaceous shale

2.2 現(xiàn)象及特征分析

巖石的崩解性能主要與巖石的結(jié)構(gòu)、礦物成分、膠結(jié)物成分、膠結(jié)類型等性質(zhì)有關(guān)。從泥質(zhì)頁巖的崩解試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，任何一種pH 值水溶液下，初次崩解時(shí)巖塊崩解速度較快，巖樣表面可見細(xì)微裂紋，且由一塊較完整的主體崩塌為若干個(gè)小塊，崩解物主要呈顆粒狀，夾帶些碎塊，其次呈泥狀，溶液較為渾濁。隨著循環(huán)崩解的次數(shù)不斷增加，大顆粒的崩解物逐漸消失，小顆粒崩解物的含量逐漸增大，最后崩解穩(wěn)定，各粒徑范圍的崩解物含量趨于穩(wěn)定。

圖4 不同pH 值下顆粒的崩解特征曲線Fig.4 Disintegrating characteristic curves of granules at different values of pH

如圖4 所示為不同粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量百分含量隨崩解次數(shù)增加的動(dòng)態(tài)變化曲線，總體結(jié)果表明，從第2 次崩解開始，曲線均發(fā)生明顯變化，在曲線中段形成一次波峰，出現(xiàn)了顯著的拐點(diǎn)，由單調(diào)遞增變成了單調(diào)遞減，且隨著崩解次數(shù)的增加，波峰逐漸向右移動(dòng)，拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)顆粒粒徑越小，直到崩解接近穩(wěn)定時(shí)，最后兩次崩解粒徑分布曲線的波形極為相似，波峰位置較為接近；此外，分析曲線分布可以發(fā)現(xiàn)，pH 值較小時(shí)，粒徑小于0.25 mm 的顆粒百分含量普遍較大，且隨著崩解次數(shù)的增大而增大，變化率隨崩解次數(shù)增加而逐漸減小。

通過對(duì)比不同pH 值溶液的試驗(yàn)結(jié)果表明，任何溶液環(huán)境下泥質(zhì)頁巖的崩解雖有數(shù)值上的差異，但趨勢基本相似，僅通過以上分析手段難以得到溶液酸堿度變化對(duì)顆粒崩解的顯著性影響規(guī)律。

3 巖石崩解過程的能量耗散模型

研究表明，軟巖的崩解破裂是干燥的軟巖表面吸附水分形成對(duì)裂隙的楔裂壓力造成的[8]。巖石裂隙和微裂隙的表面具有較大的表面能，與水接觸時(shí)能強(qiáng)烈地吸附水分子。吸附將使表面能減小，并在被水分子所覆蓋的裂隙面上形成表面吸附層。由于吸附水分子而減小的表面能較大部分轉(zhuǎn)化為促使巖石相界面增大的力學(xué)破壞能。裂隙表面的水分子吸附量越大，產(chǎn)生的楔裂壓力愈大。從泥質(zhì)頁巖崩解的干濕循環(huán)過程分析，其崩解破裂是巖塊干燥且具有較大的吸附作用產(chǎn)生的，較高的表面能則是干燥過程中表面水分不斷蒸發(fā)獲得的，水分蒸發(fā)所需熱量或來自周圍熱氣體，或由其他熱源通過輻射、熱傳導(dǎo)提供。水分蒸發(fā)后，材料表面吸附量下降，材料表面重新具有吸附水分的能力和再度吸水時(shí)對(duì)外做功的能力[9]。

可見，巖石在破碎過程中能量起著決定性作用[10]。隨著泥質(zhì)頁巖礦物表面吸水獲得結(jié)合能，礦物的溶解獲得化學(xué)能，在光和熱作用下，巖塊的水分喪失，獲得較高的表面能，然后在潮濕的環(huán)境中以顆粒的膨脹形式做功，崩解形成更多的表面，新的表面又接受相同的作用過程而繼續(xù)崩解，由此轉(zhuǎn)換成更多的表面能，這樣往復(fù)循環(huán)下去，其間多因素的作用均可導(dǎo)致能量的傳遞、轉(zhuǎn)化和耗散。因此，泥質(zhì)頁巖崩解是一個(gè)破碎過程，也是一個(gè)力學(xué)過程，是高品質(zhì)的能量向低品質(zhì)的能量轉(zhuǎn)換的過程，其能量耗散的主要類型包括彈性變形能、表面能、塑性變形能、發(fā)熱和聲、電磁輻射能[10]。而考慮到巖石崩解過程中沒有顯著的聲音和電磁輻射現(xiàn)象，因此，聲和電磁輻射能的轉(zhuǎn)換可忽略不計(jì)；此外，除了表面能的轉(zhuǎn)換相對(duì)較為明確外，其他能量的轉(zhuǎn)換過程都比較復(fù)雜，且轉(zhuǎn)換過程中涉及到礦物溶解及吸熱、放熱過程，定量計(jì)算十分困難。巖石表面能的增加主要表現(xiàn)為，巖石表面外力大于巖石各基元粒子間的結(jié)合力時(shí)，將導(dǎo)致價(jià)鍵斷裂，產(chǎn)生新的表面或微裂隙，由此導(dǎo)致巖石內(nèi)部新表面能的增加，可見，通過分析巖石崩解后新表面能的遞增規(guī)律可以直觀地反映巖石在不同環(huán)境下的崩解特性。

假定巖石顆粒崩解前的初始粒徑為R，則表面積為4πR2，崩解成多個(gè)粒徑 ri后的表面積總和為，由于巖石崩解后顆粒粒徑較為離散，因此，按照標(biāo)準(zhǔn)篩分方法，假定某一粒徑范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量百分比為 Pi，對(duì)應(yīng)平均粒徑為，崩解后表面積總和可近似表示成，因此新增表面積可表示為

結(jié)合文獻(xiàn)[11]提出的巖石單位表面能公式為

式中：α為應(yīng)力狀態(tài)因子；l為組成巖石的晶粒粒徑；df為裂紋剖線的分形維數(shù)；d為裂紋分布的分形維數(shù)；G為荷載系統(tǒng)與裂紋方位的常數(shù)；γ為裂紋平均密度；V為巖石的體積；Γ為Gama 函數(shù)；σR為巖石顆粒粒徑為R 時(shí)巖石抗拉強(qiáng)度；r為軟巖崩解后的顆粒粒徑；D為巖石的損傷變量；E為巖石的彈性模量。

本文假定不同酸堿度條件下巖石崩解過程中參數(shù)α和彈性模量E 始終相等且為常量，令S=為不變量，則得到第1 次崩解新增表面能的計(jì)算公式為

若崩解循環(huán)次數(shù)大于1 且不斷增加，則每次新增表面能的計(jì)算通式可表示為

式中：j=2,3…n，因此，崩解n 次后，表面能的累積增加量 ΔW總可用下式進(jìn)行計(jì)算：

通過對(duì)式（3）、（5）的分析表明，泥質(zhì)頁巖通過崩解后能量轉(zhuǎn)化新增的表面能與顆粒粒徑大小及所占百分比都存在較大關(guān)系，單次崩解中顆粒越小且百分比越高，則新增表面能越大；隨著崩解次數(shù)的增加，顆粒粒徑越來越小，理論上顆粒粒徑最終全部小于0.25 mm，則通過公式計(jì)算可得表面能累積增加量可達(dá)到極大值：

4 考慮pH 值影響的能量耗散過程

4.1 不同酸堿度軟巖崩解能量耗散特征

結(jié)合以上關(guān)于巖石崩解的能量耗散過程機(jī)制分析結(jié)果，參考文獻(xiàn)[9]提供的相關(guān)參數(shù)，假定泥質(zhì)頁巖S=1×10－7，α=1.0，單軸抗拉強(qiáng)度取1.5 MPa，E 取平均值12 MPa，泥質(zhì)頁巖初始損傷與含水率相關(guān)，自然含水狀態(tài)下取D=12.5%，計(jì)算過程中當(dāng)粒徑大于5 mm 時(shí)取平均粒徑=5 mm，小于0.25 mm取=0.25 mm，其余粒徑大小取范圍內(nèi)的平均值，則通過計(jì)算得到不同酸堿環(huán)境下崩解過程表面能累積增量 ΔW總及增加速率ΔWj與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系如圖5、6 所示。

圖5 不同pH 值下表面能累積增量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between cumulative incremental surface energy and cycle number at different values of pH

圖6 不同pH 值下表面能單次增加與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.6 Single incremental surface energy and cycle number at different values of pH

由圖5 可知，循環(huán)崩解相同次數(shù)后，水溶液pH值越小，巖石表面能的累積增加量越大，特別是第1 次崩解后，pH=2 時(shí)，表面能增加量達(dá)到0.51 J；而pH=10 的試樣才0.17 J；崩解循環(huán)5 次后，pH=7時(shí)，表面能增加量約為0.84 J；而pH=2 時(shí)表面能的增加量達(dá)到了1.05 J，說明酸性溶液對(duì)泥質(zhì)頁巖崩解性能的影響較為劇烈；相比之下，pH 分別為10、12 的水溶液環(huán)境中，崩解循環(huán)5 次后表面能的增加量分別為0.47 J和0.74 J，均小于pH=7 的情況，可見堿性溶液不但沒有加劇泥質(zhì)頁巖的崩解，反而對(duì)巖石的崩解存在阻滯作用，說明pH 值越低的酸性溶液中H3O+的含量越大，巖石膠結(jié)物部分將與酸性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)被溶解，巖石由于失去顆粒間的氧-氧鍵聯(lián)結(jié)而解體[12－14]，而在堿性溶液環(huán)境下大量H3O+已被OH－離子中和，較pH=7 的溶液中存在的H3O+要少，此時(shí)結(jié)構(gòu)層中黏土礦物的氧–氧鍵聯(lián)結(jié)很難在堿性溶液中被解體，故對(duì)巖石崩解影響較小。此后顆粒表面能單次增量逐漸減小，累積表面能增量趨于穩(wěn)定，且隨著溶液pH 值的減小，這一過程所需的循環(huán)次數(shù)越少，說明酸性溶液可加速泥質(zhì)頁巖的崩解直到穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，pH 值在2～12 之間均能逐漸衰減至穩(wěn)定階段。此外，需要注意的是，pH=10 情況下顆粒表面能累積增量比pH=12 的要小，且趨于穩(wěn)定的循環(huán)次數(shù)要大，較大可能是由于試樣成分的細(xì)微差異造成的試驗(yàn)誤差，但總體上不足以干擾總體趨勢的分析。

對(duì)不同pH 值下表面能單次增加量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系分析表明，隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增加，巖石表面能的單次增量越小。計(jì)算可知，不同酸堿溶液中泥質(zhì)頁巖單次崩解的表面能增量最終均趨于0，間接反映了巖石崩解已基本穩(wěn)定，這也為今后判斷巖石崩解穩(wěn)定與否提供了一種新的判別方法?？傮w上，泥質(zhì)頁巖崩解過程表面能單次增量隨循環(huán)次數(shù)的增加均呈先陡后緩的衰減趨勢。

4.2 軟巖崩解的能量耗散預(yù)測模型

通過對(duì)泥質(zhì)頁巖崩解過程中表面能累積增量與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系進(jìn)一步分析得到兩者的函數(shù)關(guān)系式如下：

式中：A、B為正常數(shù)；n為循環(huán)次數(shù)。

分別對(duì)不同pH 值條件下的曲線進(jìn)行最小二乘法擬合，不同pH 值溶液對(duì)應(yīng)參數(shù)A、B 結(jié)果如表1所示，相關(guān)系數(shù)R2均在0.98 以上，表明擬合效果較好。

表1 不同酸堿溶液對(duì)應(yīng)的模型參數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results of model parameters in the acid and alkali solution

通過對(duì)表1 中模型參數(shù)A和B 進(jìn)行分析，得到隨pH 值變化的關(guān)系曲線如圖7 所示，參數(shù)A和B均隨pH 值的增大而減?。ǔ齪H=12 存在一定的試驗(yàn)離散性外），且線性變化趨勢基本接近，故在構(gòu)建考慮pH值變化的累積表面能增量統(tǒng)一預(yù)測模型時(shí)，可考慮將A和B 進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成以pH 值為變量的函數(shù)，從而為構(gòu)建ΔW總、n和pH 值的三維關(guān)系提供依據(jù)。

圖7 參數(shù)A和B 隨pH 值變化的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship among A,B and pH value

5 結(jié) 論

（1）不同酸堿溶液環(huán)境下，泥質(zhì)頁巖的崩解趨勢基本相似，巖石第1 次崩解后粒徑顆粒百分含量分布曲線隨粒徑減小，呈先陡后緩的單調(diào)遞減趨勢。而從第2 次崩解開始在曲線中段出現(xiàn)一次波峰，形成顯著的拐點(diǎn)，由初始單調(diào)遞增轉(zhuǎn)換為單調(diào)遞減；隨著崩解次數(shù)的增加，波峰逐漸向右推移，且拐點(diǎn)出現(xiàn)的地方對(duì)應(yīng)顆粒粒徑越小，直到接近穩(wěn)定時(shí)的末尾兩次崩解，其曲線的波形極為相似，波峰位置較為接近。pH 值較小時(shí)，粒徑越小的顆粒百分含量普遍較大，且隨著崩解次數(shù)的增大而增大，最終也逐漸趨于穩(wěn)定。

（2）巖石崩解后新增表面能與顆粒粒徑及所占百分比有關(guān)，單次崩解中顆粒越小且百分比越高，則新增表面能越大。崩解循環(huán)相同次數(shù)后，水溶液pH 值越小，泥質(zhì)頁巖表面能累積增量越大，酸性溶液對(duì)泥質(zhì)頁巖崩解性能的影響較為劇烈，堿性溶液影響甚微。隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增加，巖石表面能單次增量越小，關(guān)系曲線呈先陡后緩的衰減趨勢，且溶液pH 值越小，將加速泥質(zhì)頁巖的崩解直到穩(wěn)定。

（3）結(jié)合表面能累積增量曲線的分析，擬合得到了泥質(zhì)頁巖崩解過程能量耗散的預(yù)測模型。進(jìn)一步探討pH 值變化對(duì)模型參數(shù)的影響表明，參數(shù)A和B 均為正常數(shù)，且隨pH 值的增大呈相似的遞減規(guī)律。研究成果可為多因素影響下巖石循環(huán)崩解過程中累積表面能增量預(yù)測模型的構(gòu)建提供理論參考。

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