泥質(zhì)巖在不同pH值溶液中的崩解特性試驗(yàn)研究

摘 要：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值不同對工程建設(shè)有重要意義。

關(guān)鍵詞：環(huán)境工程學(xué)；泥質(zhì)巖；干濕循環(huán)；崩解性；pH；水巖相互作用

中圖分類號：TU458 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2015）02-0023-05

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《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[9]（GB/T 50266—99）中對耐崩解試驗(yàn)及SDI的測試方法和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提出了相關(guān)要求。

梁 冰，等：泥質(zhì)巖在不同pH值溶液中的崩解特性試驗(yàn)研究

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)境相對于試驗(yàn)室條件又比較復(fù)雜。由于研究所涉及的問題是多學(xué)科的交叉點(diǎn)，加之問題的復(fù)雜性，所以，大多研究集中在溫度、水流或化學(xué)等因素對泥質(zhì)巖崩解特性的影響方面[10-13]，而針對泥質(zhì)巖所處環(huán)境的酸堿性，對泥質(zhì)巖崩解特性所進(jìn)行的研究還很薄弱。因此，對泥質(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)。

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。

4主體未坍塌，有明顯大裂縫崩解物以顆粒為主，含少量細(xì)碎塊崩解物主要為泥狀，含少量顆粒狀

5主體未崩解，產(chǎn)生少量裂紋崩解物以顆粒狀、細(xì)碎塊混合細(xì)顆粒狀與泥狀崩解物均勻混合

6未崩解，整體無裂紋崩解物以細(xì)碎塊為主，含少量中等碎塊崩解物以顆粒狀為主，含少量泥狀

7未崩解，整體無裂紋仍以碎塊為主，但整體有變細(xì)的趨勢崩解物顆粒狀為主

8未崩解，整體無裂紋細(xì)碎塊和中等碎塊共存崩解物以顆粒狀為主，含少量泥狀

9未崩解，整體無裂紋崩解物以細(xì)碎塊為主崩解物以顆粒狀為主，含少量泥狀

10未崩解，產(chǎn)生少量裂紋崩解物以顆粒狀、細(xì)碎塊混合崩解物以細(xì)顆粒狀為主，泥狀次之

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[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。

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，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]通過綜合研究，提出用崩解比（Disintegration Ratio， DR）這一定量化參數(shù)對泥質(zhì)巖的崩解特性進(jìn)行綜合評價(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。

通過上述方法計(jì)算崩解比，其崩解比變化情況如圖3、圖4。

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，說明隨著循環(huán)的進(jìn)行，酸、堿和中性的崩解比越來越接近，崩解程度越來越接近，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。

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

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

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)境相對于試驗(yàn)室條件比較復(fù)雜，本文通過對比發(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值的不同對工程建設(shè)有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]張志沛，彭惠，段立莉.勉寧高速公路沿線泥巖遇水崩解特征的研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2010，18（Sup）：1-5.

Zhang Z P，Peng H，Duan L L. Studying on the softening characteristics of mudstone along mianning freeway [J]. Journal of Engineering Geology，2010，18（Sup）：1-5.（in Chinese）

[2]鄧濤，詹金武.酸堿環(huán)境下紅層軟巖—泥質(zhì)頁巖的崩解特性試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào)，2014，22（2）：238-243.

Deng T，Zhan J W. Distinggration characteristics tesr of red-bed soft rock argillaceous shale in acid and alkali environment [J]. Joernal of Engineering Geology，2014，22（2）：238-243.（in Chinese）

[3]劉長武，陸士良.泥巖遇水崩解軟化機(jī)理的研究[J].巖土力學(xué)，2000，21（1）：28-31.

Liu C W，Lu S L. Research on mechanism of mudstone degradation and softening in water [J].Rock and Soil Mechanics，2000，21（1）：28-31.（in Chinese）

[4]車平，宋翔東.巢湖地區(qū)墳頭組泥巖遇水軟化特性與機(jī)理試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)報(bào)，2012，40（3）：396-401.

Che P，Song X D. Experiment study on softening characteristics and mechanism of soaking mudstone from Fentou formation in Chaohu area [J]. Journal of Tongji University，2012，40（3）：396-401.（in Chinese）

[5]Wood L E，Deo P. A suggested system for classifying shales materials for embankments [J]. Bulletin of the Association of Engineering Geologists，1975，12（1）：39-55.（in Chinese）

[6]Santi P M. Improving the jar slake，slake index，and slake durability tests for shales [J]. Environmental and Engineering Geoscience，1998，IV（3）：385-396.

[7]Deo P. Shales as embankment materials [D]. Purdue University，West Lafayette，1972.

[8]Gamble J C. Durability-plasticity classification of shales and other argillaceous rocks [D]. University of Illinois，Urbana-Champaign，1971.

[9]中華人民共和國電力工業(yè)部. GB/T 50266—99 工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國計(jì)劃出版社，1999.

[10]Ghobadi M H，Mousavi S. The effect of pH and salty solutions on durability of sandstones of the Aghajari Formation in Khouzestan province，southwest of Iran [J]. Arabian Journal of Geosciences，2014，7（2）：641-653.

[11]黃宏偉，車平.泥巖遇水軟化微觀機(jī)理研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，35（6）：1-5.

Huang H W，Che P. Research on micromechanism of softening and argillitization of mudstone [J]. Journal of Tongji University：Natural Science，2007，35（6）：1-5.（in Chinese）

[12]譚羅榮.關(guān)于粘土巖崩解、泥化機(jī)理的討論[J].巖土力學(xué)，2001，22（1）：1-5.

Tan L R. Discussion on mechanism of disintegration and argillitization of clay-rock [J].Rock and Soil Mechanics，2001，22（1）：1-5.（in Chinese）

[13]余宏明，胡艷欣，張純根.三峽庫區(qū)巴東地區(qū)紫紅色泥巖的崩解特性研究[J].地質(zhì)科技情報(bào)，2002，21（4）：77-80.

Yu H M，Hu Y X，Zhang C G. Research on disintegration characters of red mudstone of Xirangpo in Badong area of the reservior of three gorge project [J].Geological Science and Technology Information，2002，21（4）：77-80.（in Chinese）

[14]吳道祥，劉宏杰，王國強(qiáng).紅層軟巖崩解性室內(nèi)試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（Sup2）：4173-4179.

Wu D X，Liu H J，Wang G Q. Laboratory experimental study of slaking characteristics of red-bed soft rock [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29（Sup2）：4173-4179.（in Chinese）

[15]Erguler Z A，Shakoor A. Relative contribution of various climatic processes in disintegration of clay-bearing rocks [J]. Engineering Geology，2009，108：36-42.（in Chinese）

[16]Walsri C，Sriapai T，Phueakphum D，et al. Simulation of sandstone degradation using large-scale slake durability index testing device [J]. Songklanakarin Journal of Science and Technology，2012，34（5）：587-596.

（編輯 王秀玲）