砒砂巖的礦物成分及其抗蝕性

李長明,宋麗莎,王立久?

(1.大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院,116024,遼寧大連;2.水利部黃土高原水土流失過程與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,大連理工大學(xué)材料工程研究中心,116024,遼寧大連;3.河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院,450064,鄭州)

砒砂巖是一種發(fā)育不充分的特殊泥巖、泥沙巖,形成在古生代二疊紀(jì)、中生代三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)和白堊紀(jì),主要分布在黃河中游的內(nèi)蒙古、山西和陜西3省(區(qū))交界地區(qū)。該特殊泥巖、泥沙巖,給當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成了較惡劣的影響,學(xué)者形容其危害毒如砒霜,固稱其為砒砂巖[1]。砒砂巖分布區(qū)氣候干燥,植被稀疏,巖層風(fēng)化嚴(yán)重,地形支離破碎,多溝壑、陡坡。全年降水較為集中,多在每年的6—9月[2],且多以暴雨形式降下,在降水和洪水沖蝕下,砒砂巖浸水膨脹崩解、潰散成沙,被水流挾裹進(jìn)入河流中,淤積在河道中,抬升河床。

砒砂巖地區(qū)水土流失十分嚴(yán)重,是黃河中游地區(qū)發(fā)生劇烈侵蝕作用的中心,土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)2萬t/(km2·a)[3],部分地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)高達(dá)3萬～4萬t/(km2·a)[4],是黃河中游黃土高原地區(qū)最集中的碎屑基巖產(chǎn)沙區(qū)。砒砂巖區(qū)的面積僅占黃土高原面積的2.6%,但其產(chǎn)沙量占到黃土高原地區(qū)輸入黃河中上游泥沙量的30%[5-6]左右。砒砂巖是黃河中上游及其支流泥沙沉積物的主要來源[7-9],砒砂巖區(qū)是水土保持工作的重點(diǎn)地區(qū)。土壤侵蝕與水土流失給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境帶來了災(zāi)難性的影響。砒砂巖也是黃河中上游及其支流泥沙沉積物的主要來源[7-8]。目前針對砒砂巖區(qū)水土流失的治理措施主要有種植沙棘(Hippophae rhamnoides)構(gòu)筑沙棘柔性壩[10-11],修筑淤地壩淤積泥沙,攔蓄水源[12-13]等。這些工程措施中淤地壩攔沙蓄水效率最高[14-15];然而,砒砂巖區(qū)現(xiàn)有的淤地壩大多是直接使用砒砂巖碾壓而成,壩體材料的強(qiáng)度和耐水性能不能滿足工程要求,在降水過后往往因砒砂巖遇水潰散性而被洪水沖毀[16]。

可見,改善砒砂巖的抗蝕性,可將砒砂巖轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N筑壩材料利用起來,變害為寶,通過在溝壑或支流河流上筑壩,蓄水?dāng)r沙,將泥沙沉積在庫區(qū)內(nèi)減少輸入黃河泥沙量,攔蓄的洪水可為植物生長提供水源,這對當(dāng)?shù)氐乃亮魇е卫砑昂笃谥脖恍迯?fù)具有重要意義。筆者主要對砒砂巖的抗蝕性進(jìn)行分析,應(yīng)用光學(xué)顯微鏡、電子掃描電鏡(SEM)、X射線衍射,研究砒砂巖的礦物組成及微觀結(jié)構(gòu),搞清楚砒砂巖的巖石結(jié)構(gòu)、巖性特征及化學(xué)組分,為砒砂巖潰散機(jī)制研究、砒砂巖改性研究、以及砒砂巖的開發(fā)利用與治理提供參考和建議。

1 砒砂巖基本物理性質(zhì)

1.1 砒砂巖基本物理參數(shù)

從顏色上分,砒砂巖主要有灰黃、灰白、白色、紫紅色等顏色,不同顏色的砒砂巖呈層狀交疊分布,形同“五花肉”,砒砂巖區(qū)地貌如圖1所示。本次試驗(yàn)主要選用具有代表性的白色和紅色2種砒砂巖。試驗(yàn)砒砂巖采自內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗沙圪堵鎮(zhèn)二老虎溝。自然狀態(tài)下的砒砂巖成塊狀,但經(jīng)自然風(fēng)蝕和水蝕后破碎成塊粒狀。本次試驗(yàn)用的砒砂巖有塊狀的,也有散沙狀的。塊狀砒砂巖制作成規(guī)則形狀的立方體塊體,進(jìn)行力學(xué)性能測試。散沙狀的砒砂巖,用來做顆粒分析實(shí)驗(yàn)。

圖1 砒砂巖地區(qū)地貌Fig.1 Feature of Pisha sandstone area

1.1.1 耐水性試驗(yàn) 將砒砂巖塊體浸泡在水中,觀測砒砂巖在水中的變化情況,砒砂巖在水中變化過程如圖2所示,可以看出:砒砂巖巖塊放入水中后,立刻有氣泡冒出,有少量的顆粒從巖塊上散落;2 min后,有大量顆粒散落,巖塊周圍已落有厚厚一層,巖塊依然能保持成一個整體;5 min后,有塊狀砒砂巖從巖塊上剝落,巖塊崩解開裂;10 min后巖塊完全崩解潰散成散沙。可見,砒砂巖遇水后會迅速崩解潰散,整個歷程只有10 min左右,這是在靜水條件下測得的崩解潰散時間,若是在降水和水流沖蝕下,崩解潰散的過程會更短?？梢?砒砂巖的抗蝕性很差,遇水崩解,在水流沖蝕下很快就會潰散成散沙,其表層生長的植被也往往會隨著其崩解潰散而遭到破壞,砒砂巖地區(qū)的水土流失和植被損壞情況十分嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境較為惡劣。

1.1.2 基本物理性能指標(biāo) 參照GB/T 50123—1999《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[17],對砒砂巖顆粒的基本物理性能進(jìn)行測試。采用篩分法分析顆粒粒徑分布,蠟封法測自然密度,比重瓶法測表觀密度,重型擊實(shí)法測最大干密度和最優(yōu)含水率。砒砂巖自然密度、表觀密度、顆粒不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、最優(yōu)含水率及最大干密度測試結(jié)果見表1。

圖2 砒砂巖水中潰散過程示意圖Fig.2 Course of Pisha sandstone collapse in water

表1 砒砂巖物理性能指標(biāo)Tab.1 Physical index of Pisha sandstone

砒砂巖顆粒粒徑分布如圖3所示。按水利部發(fā)布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[18]對土的工程分類可知,白色砒砂巖可歸類為級配不良砂(SP),紅色砒砂巖歸類為含細(xì)粒土砂(SF)。砒砂巖的擊實(shí)曲線如圖4所示,有較為明顯的峰值點(diǎn)。白色砒砂巖的最優(yōu)含水率wop=11.6%,最大干密度ρdmax=2.03 g/cm3;紅色砒砂巖最優(yōu)含水率wop=12%,最大干密度ρdmax=1.95 g/cm3。2種砒砂巖相差不大,較為接近。

圖3 砒砂巖顆粒級配曲線圖Fig.3 Grading curve of Pisha sandstone

1.1.3 砒砂巖力學(xué)性能 將取來的砒砂巖塊體處理成近似150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊,一組3個試塊,在壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行立方體抗壓試驗(yàn),砒砂巖立方體試塊及受壓破壞情況如圖5所示。砒砂巖原巖成巖不充分,巖體結(jié)構(gòu)疏松,巖體強(qiáng)度不高,白色砒砂巖立方體抗壓強(qiáng)度在0.4～1.2 MPa之間,紅色砒砂巖立方體抗壓強(qiáng)度在0.9～2.8 MPa之間。砒砂巖塊體強(qiáng)度較為離散,變化較大,這與選取的塊體的成巖情況有關(guān)。紅色砒砂巖巖塊強(qiáng)度略高于白色砒砂巖;但砒砂巖塊體泡水后,因膠結(jié)物質(zhì)遇水反應(yīng)溶解,巖體崩解,潰散成沙,強(qiáng)度喪失,試驗(yàn)中未能測出砒砂巖飽水抗壓強(qiáng)度。

圖4 砒砂巖擊實(shí)試驗(yàn)曲線Fig.4 Compaction curve of Pisha sandstone

1.2 砒砂巖礦物組分

使用德國布魯克(German Bruker)公司生產(chǎn)的型號為SRS3400,發(fā)射靶為Cu Kα的X射線熒光發(fā)射譜分析儀(XRF),對砒砂巖的氧化物成分進(jìn)行分析,分析結(jié)果見表2。可以看出:砒砂巖主要氧化物成分為 SiO2、Al2O3、Fe2O3和 CaO,其中 SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,在65%左右;其次是Al2O3,在14%左右;其余各氧化物成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)都在10%以下。白色和紅色砒砂巖氧化物成分沒有差別,主要氧化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較為接近,差別較為明顯的是Fe2O3和CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù);其中Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不同,是引起二者顏色上差異的主要原因。

圖5 砒砂巖巖塊Fig.5 Pisha sandstone block

表2 砒砂巖各氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.2 Chemical composition(XRF)of Pisha sandstone(wt.) %

使用德國西門子(German Siemens)公司生產(chǎn)的型號為D500的X射線衍射光譜分析儀(XRD),對砒砂巖的礦物成分進(jìn)行了分析,掃描范圍從5°到80°(2θ),掃描速率為 2°/min,步長 0.02°,XRD 分析結(jié)果見圖6,可見,砒砂巖礦物成分中,主要以石英、長石為主,石英的最強(qiáng)峰出現(xiàn)在26.6°(2θ)附近,長石的最強(qiáng)峰出現(xiàn)在27°(2θ)附近。另外還有赤鐵礦和云母峰被檢測出來,但峰強(qiáng)度較弱。除上述礦物成分之外,其他礦物分的峰并不明顯,這是由于這些礦物結(jié)晶度較差,未形成結(jié)晶,在XRD圖上難以表現(xiàn)出來。

圖6 砒砂巖XRD分析圖Fig.6 X-ray diffraction patterns of Pisha sandstone

2 砒砂巖微觀形貌

使用光學(xué)顯微鏡,對砒砂巖塊體進(jìn)行觀察,能夠很直觀地了解砒砂巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)、物質(zhì)形貌、孔隙結(jié)構(gòu)以及各類物質(zhì)之間的結(jié)合方式。圖7和8是砒砂巖放大20倍和50倍后的光學(xué)顯微鏡照片,可以看出,砒砂巖表面較為粗糙,結(jié)構(gòu)疏松,結(jié)晶度較好的塊狀晶體和黏土類物質(zhì)膠結(jié)在一起,并存在較多的孔隙。紅色砒砂巖含黏土類泥礫物質(zhì)較多,白色晶體摻雜在黏土類物質(zhì)中,相較于白色砒砂巖,顆粒更為細(xì)小,類似粉砂質(zhì)泥巖。白色砒砂巖黏土類物質(zhì)較少,主要為結(jié)晶度較好的白色晶體物質(zhì),晶體顆粒較為粗大,類似石英粗砂巖。結(jié)合XRD分析可以判斷,砒砂巖中的這些晶體顆粒為石英或長石顆粒。

使用掃描電鏡(日本電子株式會社生產(chǎn),JEOL JSM-6460LV型)對砒砂巖的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,進(jìn)一步分析砒砂巖微觀結(jié)構(gòu)及膠結(jié)物質(zhì)形貌,并通過能譜分析(EDS)對化學(xué)成分進(jìn)行分析。砒砂巖的SEM圖如圖9所示,砒砂巖微觀形貌主要是呈絮狀、片狀或蜂窩狀的凝膠物質(zhì),其微觀結(jié)構(gòu)主要呈塊粒鏈接或絮狀鏈接。

砒砂巖各化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表3,化學(xué)組成元素的能譜分析(EDS)結(jié)果見圖10。從圖10可以看出,硅元素的波峰最大,其余出現(xiàn)較為明顯波峰的元素有鈣、鐵和鋁,另外還有鉀元素和鈉元素的波峰出現(xiàn)。從表3可以看出,2種顏色砒砂巖各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異不大,這與XRF測試結(jié)果較為一致。

圖7 砒砂巖20倍光學(xué)顯微鏡圖Fig.7 20×optical micrograph of Pisha sandstone

圖8 砒砂巖50倍光學(xué)顯微鏡圖Fig.8 50×optical micrograph of Pisha sandstone

圖9 砒砂巖SEM圖Fig.9 SEM micrograph of Pisha sandstone

表3 砒砂巖化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab.3 Composition of Pisha sandstone by SEM-EDS %

3 結(jié)論

1)砒砂巖顆粒粒徑分布不均勻,紅色和白色有較大差異,相較于白色砒砂巖,紅色砒砂巖細(xì)小顆粒更多,可歸類為含細(xì)粒土砂(SF),而白色砒砂巖則可歸類為級配不良砂(SP)。白色砒砂巖的最優(yōu)含水率wop=11.6%,最大干密度ρdmax=2.03 g/cm3;紅色砒砂巖最優(yōu)含水率 wop=12%,最大干密度ρdmax=1.95 g/cm3。二者相差不大,較為接近。紅色砒砂巖巖塊強(qiáng)度略高于白色砒砂巖,本次試驗(yàn)測得的紅色砒砂巖立方體抗壓強(qiáng)度在0.9～2.8 MPa之間,白色砒砂巖在0.4～1.2 MPa之間。

圖10 砒砂巖化學(xué)元素能譜圖Fig.10 EDSpatterns of Pisha sandstone

2)紅色和白色砒砂巖的礦物成分及氧化物成分沒有差異,主要礦物均為石英、長石,還有赤鐵礦和云母。主要氧化物成分為 SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO,其中SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,為65%左右;其次是Al2O3,為14%左右;其余各氧化物成分都在10%以下。Fe2O3和CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有差異。

3)紅色砒砂巖含有較多的黏土類物質(zhì),孔隙較大,結(jié)構(gòu)疏松,主要以黏土類膠結(jié)在一起;白色砒砂巖黏土類物質(zhì)較少,主要是結(jié)晶度較好的石英、長石顆粒,主要是顆粒間咬合在一起,膠結(jié)物質(zhì)較少。砒砂巖微觀形貌主要是呈絮狀、片狀或蜂窩狀的凝膠物質(zhì),其微觀結(jié)構(gòu)主要呈塊粒鏈接或絮狀鏈接。