不同黏土礦物對(duì)巖石相似材料性質(zhì)的影響

崔遠(yuǎn), 薛雷, 許超, 董金玉, 楊繼紅, 趙海溪

(1. 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所， 中國(guó)科學(xué)院頁(yè)巖氣與地質(zhì)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029； 2. 中國(guó)科學(xué)院地球科學(xué)研究院， 北京 100029； 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)地球與行星科學(xué)學(xué)院， 北京 100049； 4. 華北水利水電大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院， 鄭州 450046)

巖石作為一種相對(duì)復(fù)雜的天然非均質(zhì)地質(zhì)材料，在長(zhǎng)期受水浸泡后，其內(nèi)部顆粒間的摩擦系數(shù)和黏聚力會(huì)逐漸減小，同時(shí)伴隨孔隙、裂隙的產(chǎn)生，由此導(dǎo)致其強(qiáng)度和剛度等力學(xué)性質(zhì)發(fā)生劣化。為此，許多學(xué)者研究了諸如石灰?guī)r、砂巖和花崗巖等在水巖相互作用下的劣化效應(yīng)和機(jī)制，為揭示水巖作用下巖石損傷機(jī)制奠定了基礎(chǔ)。Tang等[1]通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)研究了水巖作用對(duì)紅砂巖剪切蠕變特性的影響；Qiao等[2]研究了不同酸堿度水溶液對(duì)砂巖試樣的影響；朱明禮等[3]通過(guò)循環(huán)加卸載試驗(yàn)研究了風(fēng)化程度對(duì)黑云母花崗巖的動(dòng)力特性；李男等[4]研究了水巖作用對(duì)砂巖蠕變應(yīng)變量、應(yīng)變速率和蠕變破壞強(qiáng)度的影響；鄧華鋒等[5]通過(guò)循環(huán)加卸載和浸泡-風(fēng)干循環(huán)水巖作用試驗(yàn)，揭示了水巖作用下砂巖的損傷演化規(guī)律；Liu等[6]認(rèn)為水力圍壓對(duì)巖石蠕變特性具有顯著影響；于懷昌等[7]分別對(duì)干燥與飽水狀態(tài)下的粉砂質(zhì)泥巖進(jìn)行了三軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，揭示了水對(duì)巖石非線性應(yīng)力松弛損傷模型參數(shù)的影響；黃智剛等[8]發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)板巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨吸水時(shí)間增大而減小；陳光波等[9]發(fā)現(xiàn)水巖作用對(duì)煤巖組合體的劣化效應(yīng)是從微觀到宏觀的損傷累積過(guò)程。然而，僅靠對(duì)實(shí)驗(yàn)室尺度原巖試樣的研究難以提升人們對(duì)諸如隧道開挖、煤層開采及滑坡災(zāi)變預(yù)測(cè)等大尺度工程所面臨的水巖作用這一難題的全面認(rèn)識(shí)，因此很多學(xué)者開始采用地質(zhì)力學(xué)模型相似試驗(yàn)方法來(lái)分析此類問題。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是基于相似理論，通過(guò)不同類型的相似材料來(lái)模擬不同工況下的巖土性質(zhì)，進(jìn)而通過(guò)試驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)類比實(shí)際案例，其成功與否的關(guān)鍵在于相似材料的選取。自地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)發(fā)展以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖土體相似材料的研制進(jìn)行了大量研究，Glushikhin等[10]將巖石相似材料分為鉛氧化物與石膏混合料和環(huán)氧樹脂、重晶石粉與甘油混合料兩大類；韓伯鯉等[11]采用鐵粉、重晶石粉、紅丹粉、松香和石蠟等材料，研制了具有高容重、低彈模、低強(qiáng)度等特點(diǎn)的MIB材料；馬芳平等[12]利用礦粉、河砂、水泥等材料，研發(fā)了一種新型的NIOS地質(zhì)力學(xué)模型材料；張強(qiáng)勇等[13-14]利用鐵礦粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉和松香酒精溶液，研制出一種新型鐵晶砂膠結(jié)巖土材料，并得到了推廣應(yīng)用[15]；史小萌等[16]研制了以水泥、石膏為膠結(jié)劑，石英砂和重晶石粉為骨料的巖石相似材料，該材料與天然巖石的結(jié)構(gòu)及破壞方式較為接近；陳雨志等[17]以粗粒石英砂、細(xì)粒石英砂、粗河沙、細(xì)河沙、石膏和膨潤(rùn)土為原料，研究了不良填筑路基在降雨條件下變形破壞機(jī)制；王昊統(tǒng)等[18]以河砂、水泥和石膏為原料，研發(fā)了可模擬不同風(fēng)化程度粗粒花崗巖的相似材料；朱權(quán)威等[19]利用不同級(jí)配石英砂，水泥和石膏研制了三峽庫(kù)區(qū)巖質(zhì)滑坡離心模擬實(shí)驗(yàn)中所需的黏結(jié)材料。

需強(qiáng)調(diào)的是，以往相似材料的研究多關(guān)注于其物理力學(xué)性質(zhì)，而較少涉及其水理性質(zhì)，這就導(dǎo)致當(dāng)研究原型涉及復(fù)雜水巖作用時(shí)，基于未考慮水理性質(zhì)的常規(guī)相似材料進(jìn)行物理模型試驗(yàn)難以滿足研究需求。例如，以水泥、石膏和石英砂為原料的常規(guī)相似材料，在一定配比和養(yǎng)護(hù)條件下具有與巖石相似的物理力學(xué)性質(zhì)，在滑坡失穩(wěn)機(jī)制等物理模型試驗(yàn)中得到了廣泛的應(yīng)用，但由于其遇水不易崩解[20]，且難以在自重作用下發(fā)生變形失穩(wěn)破壞，因此無(wú)法適用于水巖相互作用導(dǎo)致巖石強(qiáng)度劣化致使邊坡失穩(wěn)啟滑案例的物理模型試驗(yàn)研究。因此，在研發(fā)巖石相似材料時(shí)，除了關(guān)注其物理力學(xué)性質(zhì)外，對(duì)其水理性質(zhì)的研究亦極為關(guān)鍵。

基于此，以石英砂和重晶石粉為骨料，水泥和石膏為膠結(jié)材料，依據(jù)黏土礦物遇水劣化的特征，分別以膨潤(rùn)土、伊利石粉和高嶺土3種黏土礦物作為水敏性調(diào)節(jié)劑材料研制了不同類型的巖石相似材料，研究了不同黏土礦物類型和不同摻入量對(duì)巖石相似材料物理力學(xué)性質(zhì)與水理性質(zhì)的影響，旨在為研制適用于開展水巖相互作用的物理模型試驗(yàn)相似材料提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 材料選擇

參照史小萌等[21]的研究，本次試驗(yàn)以重晶石粉、石英砂為骨料，以水泥、石膏為膠結(jié)材料，以水敏性較強(qiáng)的膨潤(rùn)土、伊利石粉以及高嶺土為水敏性調(diào)節(jié)劑，相關(guān)材料參數(shù)如表1所示，不同類型黏土礦物的X射線衍射圖如圖1所示。

表1 相似材料原料參數(shù)Table 1 The material parameters of similar materials

圖1 不同黏土礦物X射線衍射圖Fig.1 X-ray diffraction diagram of different clay minerals

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

以骨膠比4∶1、水膠比1∶1、黏土礦物摻入量為0的配比方案作為基礎(chǔ)對(duì)照組，通過(guò)調(diào)節(jié)黏土礦物類型及摻入量等因素，采用單因素控制法深入分析了不同黏土礦物在不同摻入量條件下對(duì)相似材料試樣物理力學(xué)性質(zhì)與水理性質(zhì)的影響。本試驗(yàn)共10組，每組10個(gè)平行試樣，分別用于單軸壓縮、直剪和水理性試驗(yàn)，具體配比方案如表2所示。需指出的是，傳統(tǒng)水泥石膏膠結(jié)相似材料通常依據(jù)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)將摻水量確定為試樣質(zhì)量的10%[22]，但考慮到水敏性材料的加入，必然會(huì)對(duì)摻水量更為敏感，根據(jù)之前開展的摻水量對(duì)相似材料物理力學(xué)參數(shù)影響的研究，知含有水敏性材料的水泥石膏膠結(jié)物的最佳摻水量約為11%，故本次試驗(yàn)方案所選擇摻水量為11%。

表2 黏土礦物占固體質(zhì)量比值試驗(yàn)方案Table 2 Bentonite to solid mass ratio experimental scheme

1.3 制作工藝

本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)三瓣鋼模具制作φ50 mm×100 mm和φ50 mm×50 mm兩類標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣，在試樣制作過(guò)程中加入了2%的石膏緩凝劑以調(diào)控凝結(jié)時(shí)間，詳細(xì)的制作工藝可按下列步驟進(jìn)行(圖2)。

圖2 材料準(zhǔn)備及制作工藝Fig.2 Material preparation and sample making process

第一步：準(zhǔn)備原材料，清洗鋼制模具并在其內(nèi)表面涂抹一層潤(rùn)滑油，以便脫模。

第二步：將原材料按試驗(yàn)配比方案稱重后倒入攪拌盆內(nèi)充分?jǐn)嚢杈鶆?，然后將水溶液加入均勻干料中，再次攪拌、過(guò)篩，得到均勻濕料。

第三步：將均勻濕料，分3層倒入鋼制模具內(nèi)，并在分層處刻制劃痕，防止試樣出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象，填充完成后置于液壓脫模儀上進(jìn)行壓實(shí)，靜置5 min后卸壓，以防止試樣產(chǎn)生較大回彈。

第四步：卸壓后的試樣靜置20～30 min，待試樣成型穩(wěn)定后拆模。

第五步：在試樣表面貼上標(biāo)簽，放置在常溫下干燥條件下養(yǎng)護(hù)8～10 d。

第六步：養(yǎng)護(hù)完成的試樣通過(guò)壓、切、磨等工序, 加工成兩端面平行度≤0.002 mm，垂直度≤±0.1 mm/100 mm，表面平整度≤±0.1 mm/100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)備采用圖3所示微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)(YAW6206)，其可進(jìn)行巖石的單軸壓縮試驗(yàn)和雙面剪切試驗(yàn)等，軸向最大載荷2 000 kN, 加載速率0.4～40 kN/s，上下壓板間最大距離為600 mm，可采用力、位移、軸向應(yīng)變、橫向應(yīng)變控制方式，測(cè)試的精度高，性能穩(wěn)定。本次試驗(yàn)采用位移加載控制方式，其加載速率為0.5 mm/min。

圖3 試樣力學(xué)參數(shù)測(cè)試Fig.3 Mechanical parameter test of specimens

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

按照《工程巖體試驗(yàn)方法規(guī)范》(GB/T 50266—2013)、《巖土工程試驗(yàn)方法規(guī)范》(GB/T 50123—2019)的要求，對(duì)10組不同配比材料的試樣分別進(jìn)行了密度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角等物理力學(xué)參數(shù)的測(cè)試，結(jié)果見表3。結(jié)果表明：相似材料的密度分布均勻，集中在2.00 g/cm3附近，最大密度為2.10 g/cm3，最小密度為1.99 g/cm3，二者僅相差0.11 g/cm3；抗壓強(qiáng)度分布在11.66～25.91 MPa，彈性模量分布在1.44～6.62 GPa，內(nèi)摩擦角分布在16.83°～64.93°，黏聚力分布在2.54～8.66 MPa，其物理力學(xué)參數(shù)分布范圍廣，能滿足巖石相似試驗(yàn)的需求。

表3 相似材料配比試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Experiment results of similar material ratio

2.1 物理力學(xué)參數(shù)敏感性分析

2.1.1 密度

待試樣在常溫下質(zhì)量穩(wěn)定后，首先將10組不同配比材料試樣打磨至接近標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，并用精度分別為0.01 mm、0.01 g的游標(biāo)卡尺和電子天平測(cè)量其幾何尺寸及質(zhì)量，通過(guò)計(jì)算獲得試樣密度，如圖4所示。

圖5直觀地展示了各變量對(duì)密度的影響程度，可看出：雖然試樣密度整體集中在2.00 g/cm3附近，相差不大，但依然存在一定的規(guī)律，即增大黏土礦物質(zhì)量占比后，試樣的密度總體會(huì)有明顯的下降趨勢(shì)，主要是由于黏土礦物的重度相對(duì)于重晶石粉和石英砂偏低所致；同時(shí)，3種黏土礦物在相同質(zhì)量占比情況下，含有高嶺土的試樣密度會(huì)高一些。

2.1.2 單軸抗壓強(qiáng)度

圖6為相似材料試樣(編號(hào)3)單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，其呈現(xiàn)出典型的5個(gè)階段，即壓密階段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(Ⅲ)、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段(Ⅳ)和峰后階段(Ⅴ)，這說(shuō)明該相似材料試樣具有良好的彈塑性，與天然巖體典型的破壞特征高度相似，可較好反映天然巖體的力學(xué)特性。

圖6 試樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curve of the sample under uniaxial compression

圖7為不同配比方案試樣的單軸抗壓強(qiáng)度敏感性分析圖，可看出：隨著不同黏土礦物摻入量的增大，試樣單軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，這主要是因?yàn)轲ね恋V物吸水性較好，且隨著黏土礦物摻入量的持續(xù)增加，水泥在發(fā)生水化反應(yīng)時(shí)需要的水量相應(yīng)提高，這就導(dǎo)致試樣內(nèi)部裂隙數(shù)量和尺寸增加，在固化泥漿內(nèi)部形成大量孔隙，削弱了結(jié)構(gòu)密實(shí)度，進(jìn)而導(dǎo)致材料的單軸抗壓強(qiáng)度降低[23]，這也說(shuō)明了黏土礦物摻入量對(duì)于試樣抗壓強(qiáng)度起主要控制作用；此外，含有高嶺土的試樣強(qiáng)度通常遠(yuǎn)高于含有伊利石粉和膨潤(rùn)土的試樣，而摻入膨潤(rùn)土試樣的強(qiáng)度與初始強(qiáng)度相比，降幅最大。

圖7 水敏材料類型和含量對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度敏感性的影響Fig.7 Effect of types and proportions of water-sensitive materials on the uniaxial compressive strength sensitivity

2.1.3 彈性模量

圖8為不同配比方案試樣的彈性模量敏感性分析圖，可看出：加入膨潤(rùn)土和伊利石粉后，試樣的彈性模量出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象，尤其是含有膨潤(rùn)土的試樣，其彈性模量降幅超過(guò)近70%，這說(shuō)明膨潤(rùn)土對(duì)材料彈性模量的敏感程度要高于伊利石粉和高嶺土，能夠很好地調(diào)節(jié)試樣的彈性模量；當(dāng)不同黏土礦物摻入量相同時(shí)，含有膨潤(rùn)土、伊利石粉和高嶺土的試樣彈性模量依次增加，這主要是由于蒙脫石實(shí)一種多裂隙性結(jié)構(gòu)材料[24]，其作為膨潤(rùn)土的主要成分，在試樣養(yǎng)護(hù)期會(huì)產(chǎn)生大量微裂縫導(dǎo)致材料孔隙率增大，從而降低了相似材料彈性模量。

圖8 水敏材料類型和含量對(duì)彈性模量敏感性的影響Fig.8 Effect of types and proportions of water-sensitive materials on the elastic modulus sensitivity

2.1.4 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

相似材料試樣的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)通過(guò)雙面直剪儀進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果示于圖9，可看出：增加黏土礦物后，試樣黏聚力出現(xiàn)大幅降低，而內(nèi)摩擦角明顯增大，這說(shuō)明黏土礦物的加入對(duì)試樣抗剪強(qiáng)度的變化有著顯著的影響；且隨著膨潤(rùn)土摻入量增加，試樣保持黏聚力降低、內(nèi)摩擦角增大的趨勢(shì)，當(dāng)伊利石粉與高嶺土摻入量繼續(xù)增大后，黏聚力出現(xiàn)先降低后增大的規(guī)律，這主要是因?yàn)槌ゼ?xì)伊利石粉和高嶺土能夠以微集料的形式填充于其他粗骨料的孔隙內(nèi)，能夠促使相似材料的結(jié)構(gòu)更加致密，進(jìn)而提高材料的黏聚力。

圖9 水敏材料類型和含量對(duì)抗剪強(qiáng)度敏感性的影響Fig.9 Effect of types and proportions of water-sensitive materials on the shear strength sensitivity

2.2 水理性質(zhì)分析

2.2.1 吸水率

吸水率是反映巖石水理特性的重要指標(biāo)。本試驗(yàn)對(duì)在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)10 d的試樣進(jìn)行稱重獲得其天然質(zhì)量m0，然后將其置于105°的烘箱中烘干24 h獲得其烘干質(zhì)量md，再將烘干后的試樣置于清水中浸泡48 h，獲得試樣浸水48 h質(zhì)量ma，從而計(jì)算巖石天然含水率ω0、吸水率ωa，計(jì)算公式為

(1)

由表4所示計(jì)算結(jié)果可以看出，含有黏土礦物的相似材料試樣天然含水率為3.42%～8.75%，吸水率為11.07%～13.52%，且含有膨潤(rùn)土的試樣出現(xiàn)明顯的崩解現(xiàn)象，無(wú)法測(cè)量其吸水率。相似材料吸水率相較于原巖明顯偏高，后者吸水率一般在1%～10%[25]，這主要是由于含黏土礦物的相似材料所吸收的水，除了一部分用于充填內(nèi)部孔隙外，還有很大一部分是被黏土礦物、水泥和石膏所吸附。此外，不同巖土礦物的含水率和吸水率也各不相同，其中含有膨潤(rùn)土相似材料的試樣含水率明顯高于不含黏土礦物的試樣，且隨著膨潤(rùn)土摻入量的增加，試樣天然含水率呈上升趨勢(shì)，與之相反的是，含有伊利石粉和高嶺土相似材料的試樣含水率低于不含黏土礦物的試樣，且試樣含水率隨礦物成分增加呈下降趨勢(shì)。

表4 試樣吸水率試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of water absorption of samples

2.2.2 崩解性

崩解是反映巖石遇水劣化特性的一個(gè)重要特征。巖石的崩解會(huì)呈現(xiàn)出碎屑狀、顆粒狀、泥狀以及破塊狀等不同形式。巖石相似材料試樣的崩解是否發(fā)生與試樣的礦物成分、粒度的構(gòu)成及膠結(jié)形式等密切相關(guān)。為研究巖石相似材料崩解性質(zhì)，采用φ50 mm×50 mm的圓柱試樣進(jìn)行崩解試驗(yàn)。為方便觀察試樣在崩解過(guò)程中的變化，將其置于裝滿水的透明玻璃鋼內(nèi)，試驗(yàn)具體崩解過(guò)程(圖10)如下。

圖10 相似材料試樣崩解性試驗(yàn)Fig.10 Disintegration test of similar material samples

(1)相似材料試樣浸水1 h后，含有膨潤(rùn)土的試樣出現(xiàn)明顯裂紋，且其摻入量較高試樣開始出現(xiàn)崩落，而含有伊利石粉和高嶺土的試樣基本無(wú)變化，試樣仍較完整。

(2)浸水48 h后，摻入量為20%、25%的膨潤(rùn)土試樣出現(xiàn)不同程度的崩解，但試樣仍處于相對(duì)完整的狀態(tài)，此時(shí)含有伊利石粉和高嶺土的試樣，變化依舊不明顯，僅出現(xiàn)部分的顆粒散落。在浸水全過(guò)程，黏土礦物摻入量為0的試樣，基本無(wú)變化。(3)對(duì)浸水48 h后的試樣進(jìn)行烘干處理，獲取各組試樣的耐崩解指數(shù)，其中摻入量為20%、25%的膨潤(rùn)土試樣，其耐崩解指數(shù)分別為0.91、0.83，其他各組均在0.95以上，且黏土礦物摻入量為0的試樣耐崩解指數(shù)最高，達(dá)到0.99。

綜上可知，黏土礦物的摻入量對(duì)相似材料的崩解性影響顯著，尤其是含有膨潤(rùn)土的試樣，遇水崩解效果最為明顯，更適合作為研究水巖相互作用的物理模型試驗(yàn)相似材料的水敏性調(diào)劑。

3 結(jié)論

通過(guò)分析膨潤(rùn)土、伊利石粉和高嶺土3種黏土礦物對(duì)物理模型試驗(yàn)相似材料試樣物理力學(xué)性質(zhì)與水理性質(zhì)的影響，得出了以下結(jié)論。

(1)黏土礦物類型與摻入量對(duì)巖石相似材料的物理力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。隨著黏土礦物的添加，試樣的密度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量以及黏聚力顯著降低，內(nèi)摩擦角增大，其中膨潤(rùn)土對(duì)相似材料試樣物理力學(xué)性質(zhì)的影響最為顯著。

(2)不同黏土礦物對(duì)巖石相似材料試樣水理性質(zhì)的影響區(qū)別較大，其中含有膨潤(rùn)土試樣的吸水率及崩解性均敏感于伊利石粉和高嶺土，更適合作為研究水巖相互作用的物理模型試驗(yàn)相似材料的水敏性添加劑。

上述認(rèn)識(shí)可為研制適用于開展水巖相互作用的物理模型試驗(yàn)相似材料提供參考，有望滿足更多物理模型試驗(yàn)需求，如考慮水致強(qiáng)度劣化的滑坡物理模型試驗(yàn)。