不同pH條件下紅層泥巖崩解特性研究

趙 順 良，查 煥 奕

(1.青海省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，青海 西寧 810000； 2.長江理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

0 引 言

紅層泥巖是一類特殊的軟弱巖體，在自然狀態(tài)下力學(xué)性能良好，但當(dāng)外部環(huán)境改變時極易發(fā)生軟化和崩解[1-2]。紅層泥巖的風(fēng)化崩解不僅會使其自身性質(zhì)發(fā)生改變，還可形成松散細(xì)小顆粒，嚴(yán)重破壞紅層泥巖邊坡的整體性能，給工程建設(shè)造成巨大的影響。

近年來，隨著高速公路和鐵路的發(fā)展，對紅層軟巖作為公路和鐵路路基填料的相關(guān)研究逐漸成為熱點[3-4]。影響紅層泥巖崩解性能的因素很多，目前研究主要集中在水環(huán)境對紅層泥巖的崩解性能影響方面。申培武等[5]通過開展巴東組紫紅色泥巖室內(nèi)干濕循環(huán)崩解試驗，研究了紅層泥巖崩解過程中顆粒的分形與形態(tài)特征，建立了評價紅層泥巖穩(wěn)定程度的模型。吳道祥等[6]通過對銅陵至黃山高速公路湯口—屯溪段沿線的紅層軟巖進(jìn)行研究，初步揭示了紅層軟巖的崩解機(jī)制。周翠英等[7-8]根據(jù)室內(nèi)軟巖靜態(tài)崩解和軟巖碎片浸水試驗以及不同浸泡階段的軟巖掃描電鏡試驗，揭示了水-軟巖界面的細(xì)觀演化規(guī)律?，F(xiàn)有研究雖已深入探討了水環(huán)境對紅層泥巖崩解性能的影響，但受試驗方法和試驗環(huán)境的限制，其考慮的環(huán)境條件較為單一，大多研究集中在溫度或濕度對紅層泥巖崩解特性的影響方面[9-10]，而對復(fù)雜環(huán)境下紅層泥巖的崩解機(jī)制研究尚屬少見。加之自然環(huán)境中紅層泥巖所處環(huán)境比較復(fù)雜，尤其隨著環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，在中國南方地區(qū)降雨或地下水并不只是呈中性，酸、堿等化學(xué)環(huán)境對紅層泥巖影響日益突出[11-12]。因此，研究紅層泥巖在不同pH條件下的崩解特性成為工程實際的迫切需要。

基于此，本文開展了不同pH條件下紅層泥巖崩解試驗，深入分析了酸堿環(huán)境對紅層泥巖崩解特性的影響。并通過對比觀測不同pH環(huán)境作用下紅層泥巖的掃描電鏡特征，探討了不同pH環(huán)境作用加劇紅層泥巖崩解的機(jī)理。

1 不同pH條件下紅層泥巖崩解試驗

試驗用紅層泥巖試塊均取自浙江省湖州市某高速公路邊坡上。選取完整性較好的紅層泥巖，制作9塊φ10 cm×20 cm，重2 kg±20 g的圓柱體試樣。共設(shè)計3組pH，分別為3，7，11 (pH誤差為±0.1)。為減小試驗誤差，將試樣分3組，在溫度20 ℃條件下同時進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果取3組試驗結(jié)果的平均值。按照SL/T 264—2020《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》進(jìn)行崩解試驗，具體試驗步驟如下：

(1) 取試樣切割過程中的碎屑粉碎后置于烘箱中80 ℃烘干，在用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)篩取小于0.075 mm 的紅層泥巖粉末進(jìn)行XRD試驗，同時在碎屑中選取4個大小合適的塊狀紅層泥巖制備SEM試樣，其中1個烘干后進(jìn)行SEM試驗，其余3個干濕循環(huán)試樣一起進(jìn)行干濕循環(huán)試驗。

(2) 利用濃硫酸及氫氧化鈉配置pH為3，7，11的溶液各1 000 mL，溶液pH值誤差為±0.1。

(3) 將制備好的紅層泥巖試樣置于塑料盤中，再注入配置好的溶液，標(biāo)明相應(yīng)的pH值后連同塑料盤置于恒溫恒濕箱中。恒溫恒濕箱中溫濕度分別設(shè)置為25 ℃和95%。

(4) 浸泡24 h后，將盤中溶液上層清液倒掉，余下溶液及試樣轉(zhuǎn)入已標(biāo)號的鋼盤中。

(5) 將鋼盤置于105 ℃烘箱中烘干24 h(此時試樣已達(dá)到恒重)，再將樣品置于干燥箱內(nèi)冷卻至室溫，此時認(rèn)為試樣完成一次干濕循環(huán)。

(6) 利用標(biāo)準(zhǔn)篩(篩孔分別為40，20，10，5，2，1，0.5，0，25，0.075 mm)對崩解試樣進(jìn)行篩分，記錄每個粒徑的紅層泥巖質(zhì)量，繪制其粒徑級配曲線。

(7) 重復(fù)上述(2)～(6)，直至干濕循環(huán)16次，結(jié)束試驗。試驗過程中在第一次干濕循環(huán)后取出步驟(1)中制備的SEM試樣進(jìn)行SEM試驗，此SEM試樣不再進(jìn)行后續(xù)崩解試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 崩解現(xiàn)象

紅層泥巖在不同pH條件下其崩解現(xiàn)象基本相同。以pH=7時紅層泥巖的崩解現(xiàn)象為例(見圖1)，可以看出，紅層泥巖樣品置于水中時，試樣表面黏附大量氣泡，表層紅層泥巖急劇剝落成細(xì)小顆粒，溶液逐漸變渾濁(見圖1(b)～(e))，試樣表面氣泡上升至水面隨即破碎。浸泡5 min時，試樣表面已出現(xiàn)細(xì)小裂縫，裂縫急劇擴(kuò)展、貫通。浸泡10 min時，已出現(xiàn)粒徑為2～5 mm、5～10 mm及10～20 mm不規(guī)則球狀顆粒，同時出現(xiàn)20～40 mm的塊狀巖體(見圖1(c))。隨著浸泡時間增長，樣品表面愈加酥松，越來越多軟巖碎片脫落或松散拼搭在樣品表面(見圖1(d))。浸泡30 min時，樣品已有大量松散碎片脫落，樣品喪失整體性(見圖1(e))。因此，整個崩解過程可大致描述為：表層出現(xiàn)大量氣泡→氣泡破裂→細(xì)小裂紋出現(xiàn)→裂紋擴(kuò)展→裂紋貫通→表層剝落，以此循環(huán)直至完全崩解。但紅層泥巖在不同pH條件下各現(xiàn)象出現(xiàn)的時間并不相同，pH=3時，氣泡最多，裂縫出現(xiàn)最早，貫通最快，pH=11次之，pH=7時最慢。

為更清楚說明紅層泥巖崩解過程中巖體表面變化規(guī)律，從pH=7的試樣中選取粒徑為20～40 mm的塊狀巖體拍照觀察，如圖2所示?？梢钥闯?，紅層泥巖表面的裂縫可分為3類：即貫通裂縫、未貫通裂縫、新生裂縫。同時，紅層泥巖表面的部分裂縫呈鱗片狀，置于水中會繼續(xù)發(fā)育、貫通從而出現(xiàn)鱗片狀剝落(見圖3)。

對3組不同pH條件下紅層泥巖的崩解形態(tài)進(jìn)行觀察，以pH=3時的紅層泥巖崩解形態(tài)為例說明，如圖4所示。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，紅層泥巖顆粒從大塊巖體變成小粒徑顆粒；干濕循環(huán)1次后，試樣粒徑變化劇烈，崩解后紅層泥巖形態(tài)呈不規(guī)則球狀；干濕循環(huán)5次后試樣中已無粒徑大于20 mm的紅層泥巖顆粒，此時崩解趨于穩(wěn)定；干濕循環(huán)11次后試樣中粒徑進(jìn)一步變小，顆粒粒徑基本小于2 mm，依據(jù)SL/T 264—2020《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》，認(rèn)定此時試樣崩解完全。

2.2 粒徑級配特征

為研究pH對紅層泥巖崩解特性的影響，需對不同pH下紅層泥巖粒徑級配特征的演化規(guī)律進(jìn)行分析。圖5為不同pH下紅層泥巖各粒徑顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化曲線。由圖5可知：進(jìn)行第1次干濕循環(huán)時，紅層泥巖粒徑變化最明顯；溶液pH值為3，7，11時紅層泥巖分別在第5，8，7次干濕循環(huán)后趨于穩(wěn)定。同時，紅層泥巖經(jīng)干濕循環(huán)崩解后的粒徑均從大粒徑變成小粒徑，粒徑大于40 mm的紅層泥巖快速減小最終變成0；r=20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯現(xiàn)出明顯的峰值變化；r<2 mm粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增長，最終趨于穩(wěn)定。崩解完全后，r=1～2 mm粒組的紅層泥巖質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，均表現(xiàn)出先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢，但在溶液的pH=3時，r=1～2 mm粒組在第9次干濕循環(huán)后也表現(xiàn)出一定的下降，由此可見，此時紅層泥巖雖然整體崩解趨于完全，但粒徑小于2 mm粒組依然可持續(xù)崩解。

以2～5 mm粒組為例，不同pH下紅層泥巖的粒徑顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化劇烈的原因主要為：一方面干濕循環(huán)過程中r>5 mm粒組的崩解產(chǎn)物進(jìn)入該粒組，增加了該粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；另一方面，該粒組中顆粒繼續(xù)崩解成更小粒徑的顆粒，從而減小了該粒組的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。一增一減，從而導(dǎo)致該粒組質(zhì)量分?jǐn)?shù)劇烈變化。同時，在酸堿影響下，水巖相互作用更加明顯，紅層泥巖膨脹不均勻，造成內(nèi)部應(yīng)力分布不均，從而導(dǎo)致小顆粒逐漸從大塊巖體表面剝落；紅層泥巖中化學(xué)成分與酸堿發(fā)生化學(xué)作用，溶蝕不斷增加，導(dǎo)致微小裂縫急劇擴(kuò)展，從而加劇了紅層泥巖破裂成松散小顆粒。

2.3 崩解率與崩解比

可以利用崩解率和崩解比來表征紅層泥巖經(jīng)干濕循環(huán)后的崩解狀態(tài)。一般認(rèn)為，崩解率Dre為粒徑小于2 mm的巖體的質(zhì)量與巖樣總質(zhì)量之比，即：

Dre=mrp2/m總×100%

(1)

圖6為不同pH條件下紅層泥巖崩解試樣的崩解率及崩解比隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線。由圖6(a)可知，不同pH條件下紅層泥巖崩解率均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增長，3種不同的pH作用下紅層泥巖崩解率的增長速率從大到小依次為pH=3>pH=11>pH=7，由此說明，酸性環(huán)境對紅層泥巖的損傷最大，堿性環(huán)境次之，中性環(huán)境最小，這與文獻(xiàn)[13]中所述結(jié)果一致。造成紅層泥巖崩解率持續(xù)增加的原因主要是由于水巖作用下，紅層泥巖中的黏土礦物溶解，削弱了紅層泥巖顆粒間的黏結(jié)作用，造成空洞或裂隙[13-14]。而不同pH條件下紅層泥巖崩解率的增長速率不同是因為酸、堿環(huán)境下，紅層泥巖中的黏土礦物除溶解，同時還與酸堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，加速了紅層泥巖中微小空洞的形成，裂隙發(fā)育更加迅速。

Erguler認(rèn)為崩解比Dr也可以很好評價泥巖的崩解特征，并將其定義為第n次篩分曲線下方面積與整體面積之比，本文以pH=7、第5次干濕循環(huán)時的粒徑級配曲線為例說明：

Dr=SABJ/SABCD×100%

(2)

式中：Dr表示第5次干濕循環(huán)時篩分崩解比；SABJ為第5次干濕循環(huán)時粒徑級配曲線下方面積；SABCD為第5次干濕循環(huán)時所有粒徑級配曲線整體面積。

由式(2)計算可得不同pH條件下紅層泥巖的崩解比隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線，如圖6(c)所示?？梢钥闯觯翰煌琾H條件下紅層泥巖崩解比均與干濕循環(huán)次數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系；且經(jīng)一次干濕循環(huán)后紅層泥巖崩解比下降幅度最大，分別下降16.38%(pH=3)，17.07%(pH=7)，17.47%(pH=11)，此時，崩解比大小基本相同；但從第二次干濕循環(huán)開始，紅層泥巖崩解比的下降速率開始有所區(qū)別，從小到大依次為pH=7

2.4 不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)

不均勻系數(shù)(Cu)與曲率系數(shù)(Cs)可以用于評價紅層泥巖崩解后的級配特征，其中不均勻系數(shù)(Cu)用于評價紅層泥巖崩解后顆粒的不均勻程度，曲率系數(shù)(Cs)用于評價紅層泥巖顆粒粒徑曲線的整體形狀，兩者可用下式進(jìn)行計算：

Cu=d60/d10×100%

(3)

(4)

式中：d10，d30，d60為紅層泥巖崩解后的特征粒徑。

圖7(a)、(b)分別為不同pH條件下紅層泥巖崩解后顆粒粒徑的不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線。由圖可知，不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，這與付宏淵[16]所得炭質(zhì)泥巖結(jié)論相似。但紅層泥巖與炭質(zhì)泥巖相比，其不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)變化更加明顯，造成這種現(xiàn)象的原因主要是紅層泥巖中的黏土礦物的含量更多，其崩解性更強(qiáng)。從圖7中還可看出，酸、堿對紅層泥巖崩解后顆粒的不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)影響更加明顯，與中性環(huán)境相比其增長幅度更大；且酸、堿環(huán)境中紅層泥巖的不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)達(dá)到峰值的干濕循環(huán)次數(shù)明顯比中性環(huán)境下要少，崩解完全時，不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)均比中性環(huán)境小，表明在酸、堿環(huán)境中紅層泥巖的崩解更加劇烈，更易崩解完全。

2.5 比表面積增量表征

紅層泥巖崩解過程中試樣粒徑從大塊巖體變成細(xì)小顆粒，其比表面積會急劇變化。李昆鵬認(rèn)為，比表面積增量可在一定程度上表征紅層泥巖的破碎程度[17]。比表面積增量的計算方法如下：

ΔS=Si-S0

(5)

(6)

M=kDi3ρ

(7)

即：

(8)

各式中：ΔS為試樣比表積增量；Si為徑i次干濕循環(huán)后的比表面積；S0為初始比表面積；Mi為徑i次干濕循環(huán)后的紅層泥巖質(zhì)量；Di表示每次干濕循環(huán)后紅層泥巖的特征粒徑。由于本文紅層泥巖崩解產(chǎn)物為不規(guī)則球狀顆粒，依據(jù)文獻(xiàn)[17]，k=π/6，因此，式(8)可變?yōu)?/p>

(9)

進(jìn)一步化簡得：

(10)

式中：Di表示每次干濕循環(huán)后紅層泥巖的特征粒徑。本文中粒徑選擇為r>40 mm，20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.075～0.25 mm，<0.075 mm等10組，其中r>40 mm粒組取50 mm，即紅層泥巖初始狀態(tài)的大小，<0.075 mm粒組取0～0.075 mm平均值，其他組取Dmid=(Dmax+Dmin)/2，即10組特征粒徑分別為50，30，15，7.5，3.5，1.5，0.75，0.325，0.162 5，0.037 5 mm，ρ取2.40 g/cm3。

依據(jù)式(10)計算得到不同pH作用下紅層泥巖崩解后顆粒比表面積增量隨干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線，如圖8所示。由圖8可知：紅層泥巖崩解后顆粒比表面積增量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加；在酸性條件下，紅層泥巖的比表面積增幅最快，遠(yuǎn)高于堿性和中性環(huán)境。這主要是因為紅層泥巖中的黏土礦物在酸性環(huán)境中更易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而造成紅層泥巖中Ca2+、Mg2+、Na+等離子的快速溶解，進(jìn)而加速了紅層泥巖的崩解速率。

3 討 論

經(jīng)XRD分析可知(見圖9)，紅層泥巖中含有石英、云母、碳酸鈣以及黏土礦物(高嶺石、蒙脫石、伊利石等)。圖10為原始紅層泥巖的SEM圖，從圖中可以看出，紅層泥巖未被作用前的表面光滑平整、顆粒間膠結(jié)緊密，未見明顯的空洞。圖11為不同pH作用下紅層泥巖的SEM，可見，經(jīng)不同pH作用后，紅層泥巖的微觀形貌變化較大，均出現(xiàn)不同程度的破壞，表面粗糙、凹凸不平，有細(xì)小顆粒剝落，顆粒邊緣較光滑，出現(xiàn)明顯的溶蝕痕跡。3種pH作用后紅層泥巖表層粗糙度從大至小依次為pH=3>pH=11>pH=7，這與上述宏觀分析所得結(jié)果一致。

試驗結(jié)果表明，不同pH條件下紅層泥巖的崩解特性各不相同，酸性條件下紅層泥巖崩解較快，堿性環(huán)境次之，中性最慢。這主要是因為紅層泥巖中含有豐富的高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物，這些黏土礦物在水巖作用下極易被溶蝕、軟化，并產(chǎn)生了可溶性陽離子(如Ca2+、Mg2+、Na+等離子)，削弱了巖體顆粒間的黏結(jié)作用導(dǎo)致解體；同時黏土礦物遇水極易發(fā)生膨脹，使紅層泥巖巖體內(nèi)部應(yīng)力分布不均，使巖體進(jìn)一步破損，導(dǎo)致巖體發(fā)生崩解[16-20]。

黏土礦物與酸發(fā)生反應(yīng)一方面加速了高嶺石、蒙脫石、伊利石等的溶蝕，使紅層泥巖內(nèi)部出現(xiàn)細(xì)小空洞、裂隙，裂隙快速發(fā)育、貫通，加速了紅層泥巖的崩解；另一方面破壞了紅層泥巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，削弱了巖體間的黏聚力，使其出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，因此紅層泥巖在酸性條件下表現(xiàn)出極大的崩解性。

而在堿性環(huán)境下，紅層泥巖中的黏土礦物雖然比較穩(wěn)定，與OH-反應(yīng)不明顯，但紅層泥巖中硅酸鹽、碳酸鈣等在一定程度上會與OH-發(fā)生明顯的反應(yīng)，破壞了巖體的微觀結(jié)構(gòu)，使微小裂縫快速發(fā)育，加速了紅層泥巖的崩解。但其反應(yīng)劇烈程度較小，因此紅層泥巖在堿性環(huán)境中的崩解速率強(qiáng)于中性環(huán)境而弱于酸性環(huán)境。

4 結(jié) 論

本文通過開展紅層泥巖在不同pH條件下的崩解試驗研究，詳細(xì)闡述了紅層泥巖在不同pH條件下的崩解過程，分析了其崩解產(chǎn)物的粒徑級配、崩解率、崩解比、不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)及比表面積增量等參數(shù)的變化，得到以下結(jié)論：

(1) 紅層泥巖在不同pH條件下的崩解現(xiàn)象基本相同，崩解過程可描述為：表層出現(xiàn)大量氣泡→氣泡破裂→細(xì)小裂紋出現(xiàn)→裂紋擴(kuò)展→裂紋貫通→表層剝落，以此循環(huán)直至完全崩解。不同pH溶液中崩解的劇烈程度從大至小依次為：pH=3>pH=11>pH=7。

(2) 不同pH條件下紅層泥巖經(jīng)干濕循環(huán)后的顆粒粒徑均表現(xiàn)出r>40 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，r=20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小，r<2 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增大后趨于穩(wěn)定的趨勢。但在pH=3時，r=1～2 mm粒組與pH=7、pH=11的變化趨勢有所不同，具體表現(xiàn)為在前9次干濕循環(huán)其質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加，而后表現(xiàn)出一定的下降。

(3) 不同pH作用下紅層泥巖崩解率均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增長，崩解比均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而減小。但3種不同的pH作用下紅層泥巖崩解率與崩解比的變化速率均有所不同，從大到小依次為pH=3>pH=11>pH=7。

(4) 紅層泥巖崩解產(chǎn)物的不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，但酸、堿對紅層泥巖崩解產(chǎn)物的不均勻系數(shù)及曲率系數(shù)影響更加明顯，與中性環(huán)境相比，其增長幅度更大。

(5) 紅層泥巖崩解產(chǎn)物比表面積增量均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而增加；在酸性條件下，紅層泥巖崩解產(chǎn)物的比表面積增幅最快，遠(yuǎn)高于堿性和中性環(huán)境。