泥質(zhì)巖在不同pH值溶液中的崩解特性試驗(yàn)研究

梁 冰，譚曉引，姜利國(guó)，焦波波

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

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泥質(zhì)巖在不同pH值溶液中的崩解特性試驗(yàn)研究

梁 冰，譚曉引，姜利國(guó)，焦波波

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為了研究泥質(zhì)巖在不同pH值溶液中的崩解特性，為酸雨地區(qū)泥質(zhì)巖的利用提供理論依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，選取阜新海州露天礦泥質(zhì)巖為例，進(jìn)行室內(nèi)浸水崩解試驗(yàn)。對(duì)泥質(zhì)巖在不同pH值溶液中的崩解現(xiàn)象、崩解物的顆粒含量和崩解比進(jìn)行分析、利用X射線衍射(XRD)、熒光光譜分析，測(cè)試巖樣礦物化學(xué)成分。試驗(yàn)得到以下結(jié)論：不同pH值溶液中崩解強(qiáng)度大小關(guān)系是：酸>堿>中性；隨著循環(huán)的進(jìn)行，泥質(zhì)巖的崩解程度不斷加深，崩解速度先增大后逐漸減小甚至消失；泥質(zhì)巖中許多不能溶于水的礦物成分可以和酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性鹽類，是泥質(zhì)巖在酸中崩解最劇烈的主要原因；考慮泥質(zhì)巖所處環(huán)境pH值不同對(duì)工程建設(shè)有重要意義。

與其他巖性的巖石相比，易于風(fēng)化崩解是泥質(zhì)巖最為顯著的特征之一。崩解作用對(duì)泥質(zhì)巖物理力學(xué)性狀最直接的影響是使其粒徑在崩解前后發(fā)生明顯改變，由崩解前粒徑較大的塊體變?yōu)楸澜夂罅捷^小的顆粒。泥質(zhì)巖不同程度的崩解不僅會(huì)使其自身性質(zhì)由巖性向土性轉(zhuǎn)變，而且由于崩解所造成的粒度變化會(huì)改變其周圍區(qū)域內(nèi)孔隙的充填及連通狀況，給基坑開挖、隧道施工、坡面處理、地基穩(wěn)定性等造成了諸多困擾[1-4]。

如何才能有效地處理泥質(zhì)巖的崩解性，學(xué)者們已開展了大量研究。在巖石崩解特性表征方法的研究方面，獲取泥質(zhì)巖崩解特性的定量化指標(biāo)參數(shù)主要選用以下幾種方法：1)采用由Wood等[5]提出并經(jīng)Santi[6]改進(jìn)的靜態(tài)崩解試驗(yàn)(Jar Slake Test)方法來(lái)定性描述泥質(zhì)巖在蒸餾水中浸泡30 min和48 h時(shí)的崩解狀態(tài)，依據(jù)崩解狀態(tài)參照Santi所建立的劃分依據(jù)來(lái)判定靜態(tài)崩解指數(shù)(Jar Slake Index)；2)采用Deo[7]崩解試驗(yàn)(Slake Test)測(cè)試其崩解指數(shù)(Slake Index)；3)采用Gamble[8]所提出的耐崩解試驗(yàn)(Slake Durability Test)測(cè)試其耐崩解指數(shù)(Slake Durability Index)。其中，除JSI需要人工定性判斷后選取之外，SI和SDI均為定量化表征參數(shù)。中國(guó)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9](GB/T 50266—99)中對(duì)耐崩解試驗(yàn)及SDI的測(cè)試方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出了相關(guān)要求。

但是，由于在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)中考慮的環(huán)境條件較為單一，而實(shí)際上泥質(zhì)巖所處的環(huán)境相對(duì)于試驗(yàn)室條件又比較復(fù)雜。由于研究所涉及的問(wèn)題是多學(xué)科的交叉點(diǎn)，加之問(wèn)題的復(fù)雜性，所以，大多研究集中在溫度、水流或化學(xué)等因素對(duì)泥質(zhì)巖崩解特性的影響方面[10-13]，而針對(duì)泥質(zhì)巖所處環(huán)境的酸堿性，對(duì)泥質(zhì)巖崩解特性所進(jìn)行的研究還很薄弱。因此，對(duì)泥質(zhì)巖不同pH值環(huán)境下的崩解特性的研究，可為與之密切相關(guān)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題提供理論依據(jù)及技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選取阜新海州露天礦采出的新鮮巖石，巖樣取出后用保鮮膜包裹運(yùn)回試驗(yàn)室。將取回的巖石加工成50 g左右的小塊，并從中挑選無(wú)裂紋、材質(zhì)均勻的巖塊。本次試驗(yàn)總共設(shè)計(jì)了7組，每一組的pH值分別為4、5、6、7、8、9、10(每組均可在±0.5浮動(dòng))，每組設(shè)計(jì)了3個(gè)平行樣，每個(gè)樣品由5到6小塊組成，總共需要105～126塊，遂選取120塊。將這120塊泥巖分成21份，每份質(zhì)量在250 g左右，稱量后分別裝入密封袋中，準(zhǔn)備用于后續(xù)試驗(yàn)。試驗(yàn)全程控制環(huán)境溫度及pH，主要步驟為：

1)取部分巖屑烘干粉碎至100目以下，用X射線衍射儀分析礦物成分，使用熒光光譜法分析化學(xué)成分。

2)另取部分巖樣進(jìn)行物理性質(zhì)試驗(yàn)，得到巖樣基本物理指標(biāo)見表1。

3)利用硫酸和氫氧化鈉配置好相應(yīng)酸堿度的溶液，密封保存。

4)將泥樣稱重后放入透明容器中，注入事先配置好的浸泡液至浸沒巖樣，標(biāo)上相應(yīng)pH值。將泥樣連同容器放入恒溫箱中，恒溫箱設(shè)置為25 ℃。試驗(yàn)中使用酸堿滴定儀保持浸泡液在相應(yīng)pH上下0.5浮動(dòng)。

5)浸泡至24 h，將容器上清液倒掉，再把余下的液體連同樣品一同轉(zhuǎn)入事先已經(jīng)進(jìn)行標(biāo)號(hào)的鋼盆。

6)將鋼盆放入烘箱，在105 ℃下烘干至恒重，烘干時(shí)間不少于8 h。

7)烘干后將樣品取出置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫，結(jié)合粗篩分要求和本試驗(yàn)樣品特點(diǎn)，選擇粒徑級(jí)配為10、5、2、1 mm的分樣篩進(jìn)行篩分。

8)把每個(gè)樣品篩上的樣品匯總，密封，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。根據(jù)崩解情況，試驗(yàn)總共進(jìn)行了5個(gè)循環(huán)。

表1 泥巖物理性質(zhì)指標(biāo)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

因巖樣組數(shù)及循環(huán)太多，列出部分崩解現(xiàn)象匯總?cè)绫?，其中pH為6的樣品浸泡中及烘干后的變化情況如圖1。

表2 泥巖崩解現(xiàn)象

圖1 pH=6的樣品變化情況Fig.1 Changes of sample of pH=6

參照Wood等[5]所建立的判定靜態(tài)崩解指數(shù)的劃分依據(jù)，吳道祥等人依據(jù)崩解狀態(tài)，將泥巖崩解的強(qiáng)弱程度定性地分為強(qiáng)崩解、中崩解、弱崩解、不崩解4個(gè)等級(jí)[14]。試驗(yàn)所選的各組泥樣浸水24 h內(nèi)均不崩解，僅有一些小裂紋，水中有少量細(xì)渣和泥質(zhì)沉淀，經(jīng)過(guò)一次干濕循環(huán)后才呈塊狀崩解，屬于上述當(dāng)中的弱崩解。

2.2 顆粒含量分析

第1次循環(huán)之后崩解量小于試樣總重量的1%，故可認(rèn)為這次循環(huán)沒有崩解，不需要做顆粒分析。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，崩解物的粒徑級(jí)配在不斷變化。當(dāng)進(jìn)行到第5個(gè)循環(huán)，大粒徑顆粒崩解穩(wěn)定，即大于5 mm的顆粒含量趨于不變，得到一些始終不能崩解的物質(zhì)，多為云母、細(xì)小的礫石等。因此，可以認(rèn)為崩解基本已達(dá)到最大限度，沒必要進(jìn)行接下去的循環(huán)，本試驗(yàn)總共進(jìn)行了5次干濕循環(huán)，4次篩分。試驗(yàn)所得不同粒徑顆粒含量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線見圖2。

分析圖2并結(jié)合泥質(zhì)巖的崩解現(xiàn)象可以得到以下結(jié)論：

1)由圖2(a)、(b)可以發(fā)現(xiàn)，巖樣第1個(gè)循環(huán)>5 mm的顆粒百分含量為100%，幾乎未發(fā)生崩解；第2個(gè)循環(huán)為87.38%～91.64%，崩解速度較快；第3個(gè)循環(huán)百分含量則降為54.83%～73.08%，泥質(zhì)巖發(fā)生劇烈崩解。泥質(zhì)巖中含有可膨脹性的粘土礦物，黏土礦物吸水體積膨脹變形、崩裂解體，導(dǎo)致巖石崩解。當(dāng)巖石經(jīng)歷失水后再遇水這樣的過(guò)程時(shí)，這種現(xiàn)象更明顯。本次試驗(yàn)樣品在第1循環(huán)時(shí)崩解量少，第2、3個(gè)循環(huán)卻迅速崩解間接證明了這一結(jié)論。

2)第3個(gè)循環(huán)時(shí)，pH為4的樣品顆粒百分含量(>5 mm)下降32.55%，崩解速度最快，而處于蒸餾水中的樣品下降18.56%，崩解速度最慢。

圖2 不同粒徑顆粒含量變化曲線Fig.2 Change curves of content of grain with different sizes

3)隨著循環(huán)的進(jìn)行，>10 mm的顆粒含量逐漸減少至零，而5～10 mm的顆粒含量趨于穩(wěn)定，到第5個(gè)循環(huán)時(shí)，各種級(jí)別的顆粒含量和第4個(gè)循環(huán)的結(jié)果變化較小，崩解達(dá)到最大限度，可認(rèn)為沒有必要進(jìn)行接下去的循環(huán)。

4)崩解越劇烈，各種粒徑的崩解物含量變化就越劇烈，變化曲線越陡，達(dá)到峰值或谷底所需干濕循環(huán)的次數(shù)越少，并且達(dá)到漸進(jìn)線所需的循環(huán)次數(shù)也越少。圖2(c)中2～5 mm的顆粒含量在第3個(gè)循環(huán)出現(xiàn)峰值，且斜率大、曲線陡；由圖2(d)、(e)同樣可發(fā)現(xiàn)，第3個(gè)循環(huán)的曲線最陡，第3個(gè)循環(huán)之后所有曲線漸漸趨于平緩，崩解速度減慢。同時(shí)，隨著循環(huán)的進(jìn)行，圖2(d)、(e)均呈上升趨勢(shì)，泥質(zhì)巖的崩解物不斷細(xì)化，崩解程度不斷加深，崩解速度先增加后逐漸減小。

2.3 崩解比分析

2.3.1 崩解比分析 Erguler、Walsri等[15-16]通過(guò)綜合研究，提出用崩解比(Disintegration Ratio, DR)這一定量化參數(shù)對(duì)泥質(zhì)巖的崩解特性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文引用此研究成果，崩解比的計(jì)算方法如下：

1)繪制樣品粒度變化曲線圖，橫坐標(biāo)為粒徑大小，縱坐標(biāo)為小于該粒徑大小的顆粒百分含量。

2)崩解比采用計(jì)算公式

Drn=Sn/s×100

式中：Dr為樣品第n次篩分崩解比，%；Sn為第n次篩分曲線下方面積；S為整體面積。

通過(guò)上述方法計(jì)算崩解比，其崩解比變化情況如圖3、圖4。

圖3 崩解比曲線圖(橫向比較)Fig.3 The curve of disintegration ratio(horizontal comparison)

觀察圖3可發(fā)現(xiàn)以下3點(diǎn)：1)第1次篩分曲線明顯上凸，蒸餾水中樣品的崩解比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于酸堿環(huán)境中的崩解比，表明第1次篩分時(shí)，酸堿環(huán)境下泥質(zhì)巖的崩解強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中性；2)隨著循環(huán)的進(jìn)行，尤其第3次和第4次篩分時(shí)，崩解比曲線趨于平緩，但依然有輕微上凸，說(shuō)明隨著循環(huán)的進(jìn)行，酸、堿和中性的崩解比越來(lái)越接近，崩解程度越來(lái)越接近，但酸堿依然略強(qiáng)；3)第1、2次篩分，崩解比曲線間隔比較大，說(shuō)明泥質(zhì)巖在第2次篩分時(shí)發(fā)生劇烈崩解；而第3、4次篩分時(shí)，曲線間隔明顯減小，崩解速度減慢。從圖4可以看出，整體上酸性環(huán)境下的崩解比曲線在下方，曲線較陡，堿性環(huán)境在中間，中性環(huán)境在下方，曲線相對(duì)比較平緩。表明不同酸堿度環(huán)境中的泥巖崩解強(qiáng)度大小關(guān)系是：酸>堿>中性。

圖4 崩解比曲線圖(縱向比較)Fig.4 The curve of disintegration ratio(longitudinal comparison)

2.3.2 礦物與化學(xué)成分分析 使用熒光光譜法對(duì)巖石化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

表3 巖石化學(xué)成分 %

圖5 泥巖X射線衍射圖譜Fig.5 mudstone X-ray diffraction spectrum

由X射線衍射圖譜可見(圖5)，阜新海州露天礦泥質(zhì)巖屬于天然巖石，物相較多，其主要成分是高嶺石、石英，含有少量伊利石、綠泥石、方解石和白云石。石英化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具較強(qiáng)的抗水性與抗風(fēng)化能力，親水性極弱。方解石和白云石的主要成分是碳酸鈣，碳酸鈣遇酸極易發(fā)生反應(yīng)：CaCO3+H2SO4→CaSO4+H2O+CO2。高嶺石等粘土礦物具有親水性，并能與硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性鹽類。伊利石與硫酸化學(xué)反應(yīng)方程式為

K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2+4.8H2SO4→0.45K2SO4+1.45Al2(SO4)3+3.1SiO2+5.8H2O

高嶺石與硫酸化學(xué)反應(yīng)化學(xué)方程式為

Al4Si4O10(OH)8+6H2SO4→2Al2(SO4)3+4SiO2+10H2O

粘土礦物與硫酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性鹽類溶于水，一方面破壞了原來(lái)巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系,使得巖石出現(xiàn)泥化現(xiàn)象；另一方面形成巖石內(nèi)部連通的“空間”，使得水分子與黏土礦物充分接觸而加速巖石崩解，導(dǎo)致泥質(zhì)巖在酸中崩解最快。碳酸鈣在堿性浸泡液中更加穩(wěn)定，本文泥質(zhì)巖碳酸鈣含量少，碳酸鈣的堿溶液穩(wěn)定性在崩解過(guò)程中表現(xiàn)不明顯。最終導(dǎo)致泥質(zhì)巖在不同pH值溶液中崩解強(qiáng)度大小關(guān)系為：酸>堿>中性。

3 結(jié)論

以阜新海州露天礦泥質(zhì)巖為研究材料，進(jìn)行不同酸堿度下泥質(zhì)巖靜態(tài)崩解試驗(yàn)，觀察泥巖的崩解現(xiàn)象，計(jì)算崩解物的顆粒含量、崩解比，并得到以下結(jié)論：

1)隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，泥質(zhì)巖的崩解程度不斷加深，崩解速度先增大后逐漸減小甚至消失,第2、3個(gè)循環(huán)崩解速度最快。

2)不同pH值溶液中的泥巖崩解強(qiáng)度大小關(guān)系是：酸>堿>中性，其中酸性比堿性略強(qiáng)，二者遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中性。泥質(zhì)巖對(duì)所處環(huán)境的酸堿性比較敏感，酸雨能造成泥質(zhì)巖耐崩解能力很大程度降低。將酸雨地區(qū)泥質(zhì)巖用于工程建設(shè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)檢測(cè)所處環(huán)境的酸堿性，并減少該地SO2等酸性氣體排放量，減少造成泥質(zhì)巖崩解的環(huán)境因素。

3)泥質(zhì)巖中不溶于水的礦物成分，可以和酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成可溶性鹽類，破壞了原來(lái)巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)體系,形成巖石內(nèi)部連通的“空間”，是泥質(zhì)巖在酸中崩解最劇烈的主要原因。

4)泥質(zhì)巖的崩解特性受多重因素影響，實(shí)際中泥質(zhì)巖所處的環(huán)境相對(duì)于試驗(yàn)室條件比較復(fù)雜，本文通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單一水化環(huán)境條件下的干濕循環(huán)不足以反應(yīng)工程實(shí)際情況，考慮泥質(zhì)巖所處環(huán)境pH值的不同對(duì)工程建設(shè)有重要意義。

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(編輯 王秀玲)

Expevimental analysis of slaking characteristics of mudstone in different pH solutions

LiangBing，TanXiaoyin，JiangLiguo，JiaoBobo
(College of Mechanics and Engineering，Liaoning Technology University，F(xiàn)uxin 123000，Liaoning，P.R.China)

In order to identify the slaking characteristics of mudstone in different pH solutions and provide some theoretical basis and technical guidance for utilization of mudstone in areas polluted by acid rain,some laboratory tests of slaking were performed on mudstone from the open-pit mine of Haizhou in Fuxin. The slaking phenomena in different pH solutions and changes in grain contents and slaking ratio of mudstone samples in slaking process were analyzed. Through X-ray diffractometer(XRD)and fluorescence spectrum analysis system，the mineral & chemical composition of mudstone were made clear. The test results showed that the rank of these samples as slaking degree was acid>alkali>neutral. With an increase in the number of cycles，the slaking degree decreased while the slaking rate increased at first two cycle，and then it gradually slowed down. The slaking of mudstone in the acid solutions was the most severe. The fundamental reason was that most of the mineral composition of mudstone could not dissolve in water but chemical reaction between it and acid solutions produced soluble salts. It was significant to take into account the acidity of mudstone’s surroundings in engineering construction.

environmental engineering; mudstone; dry-wet cycle; slaking characteristics; pH; water-rock interaction

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.004

2014-09-05 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(51304113、51374124)

梁 冰(1962-)，女，教授,博士生導(dǎo)師，主要從事巖石力學(xué)和滲流力學(xué)研究，(E-mail)lbwqx@163.com。

Foundation item：National Natural Sciencal Foundation of China(No.51304113, 51374124)

TU458

A

1674-4764(2015)02-0023-05

Received：2014-09-05

Author brief：Liang Bing(1962-)，professor, doctorial tutor, main research interests: rock mechanics and seepage flow mechanics，(E-mail)lbwqx@163.com.