巖石自由膨脹率試驗分析

邱良軍 李慧芝

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

巖石的膨脹性試驗包括自由膨脹率、側向約束膨脹率、飽和吸水率和膨脹壓力試驗。其中巖石的自由膨脹率相對容易檢測，試驗數據也相對準確。試驗方法是，將試件放入膨脹測定儀內，上下放置透水板，上部和四側對稱安裝千分表，記錄初讀數，加入潔凈水至淹沒上透水板，并在48 h內按規定的讀數時間讀取變形表讀數。由測得的膨脹值和試件原始尺寸分別計算軸向和徑向自由膨脹率。巖石的自由膨脹率適用于浸水不崩解的巖石。

1 工作中的難點和問題

1.1 現場取樣時保證巖石的天然狀態

按規范要求，巖石在工地取樣時就應保持天然狀態，然后密封送實驗室。而一般工地現場取樣都是用鉆機鉆取巖芯。如果干鉆，一方面容易卡鉆，另一方面鉆進時產生熱量也會使巖樣中的水分散失;如果水鉆，巖樣遇水產生膨脹，不能保證巖樣的天然狀態。

1.2 室內加工試件時保證巖石的天然狀態

巖石芯樣送到實驗室后，要加工成規范要求的標準尺寸，怎樣加工才能保證巖石的天然狀態是一個難題。按規范要求應干鉆或干鋸，干鉆時，由于做膨脹試驗的巖芯大部分為泥巖或砂巖，強度較小，芯樣鉆好后經常卡鉆，敲出來后就會破碎;另外，由于干鉆、干鋸產生熱量，也會使巖樣失水;如果濕鉆、濕鋸，又會破壞巖石的天然含水狀態。

1.3 千分表讀數的問題

在實驗室采用的是量程1 mm的千分表，試驗過程中，有時白天讀完數，第二天早上來一看經常會有超過千分表量程的試件，造成讀數不準確，無法繼續試驗。

2 問題的解決

2.1 現場取樣

嚴禁用爆破法取巖塊和用濕鉆法取巖芯。巖樣應有良好的包裝和密封，保證結構不受損壞，天然濕度不發生變化。現場地質人員應嚴格要求，規范取樣，保證巖石的天然狀態。有條件時不要鉆芯取樣，應采用人工開挖法，取樣后立即密封。

2.2 室內制件

干法鉆取制件加工起來成功率極低，鉆取芯樣時80%以上的會卡鉆，或由于干鉆震動、失水，試件也會開裂;干鋸芯樣，由于芯樣的強度很小，干鋸阻力又大，也會造成試件開裂和失水。

通過大量的試驗摸索出一些經驗，對于非泥巖(如泥質砂巖等)，中等強度(10 MPa左右)、不易破碎、含水量也較小(＜1%)的巖石用快速濕鋸來加工試件。做膨脹試驗的巖石一般較軟，在鋸的過程中可適當調快鋸的前進速度，使試件接觸水時間較短，以減少水對試件的浸泡。在濕鋸的過程中，有的巖石會開裂崩解，巖石自由膨脹率只適用于不崩解的巖石，這樣也可初步判定巖石是否崩解，是否能進行自由膨脹率試驗，崩解的巖石則改做石粉的自由膨脹率Fs。濕鋸后巖石含水率與天然狀態相比發生了變化，可將試件先風干3～5 d，再進行試驗。因為巖石本身含水量較小，經過現場的取樣再送到試驗室也基本上為風干狀態。另一方面，巖石風干后再做自由膨脹率得到的結果應該是最大的，更能反映巖石的膨脹特性。

對于純泥質巖石，還是用干鋸法。對于這種巖石(強度在1～3 MPa左右，天然含水量＞10%，有的天然含水量能達到30%以上，類似于硬泥，天然狀態下浸水也不崩解)，遇水后強度變得更低，用濕鋸容易破碎，而鋸后如果風干后再浸水極易開裂，所以必須采用干鋸法加工試件，且加工好試件后立即試驗。

2.3 試驗過程和千分表的調整

將試件放入自由膨脹率儀內，在試件上下各放置一塊透水板。在試件上部和標志的四側直角對稱的中心部位分別安裝好量表，四側量表與試件接觸處應墊上一塊厚約0.2 mm的薄銅片。量表測桿浸水部分應涂有防水材料。測量表讀數，精確至0.001 mm。開始時每10 min測記一次，3次讀數不變后，緩緩的向儀器內注水，直至淹沒上透水板。之后在開始的第1 h內，每隔10 min測量表變形一次(膨脹量小的可延長一些，膨脹量大的要勤讀一些)，以后每隔1 h測一次，直至3次讀數差不大于0.001 mm為止，浸水后試驗時間不得少于48 h。

圖1

最好采用量程較大的千分表進行試驗。一般來說膨脹量超過1 mm的巖樣較少，大部分膨脹量大的巖樣都是崩解的或開裂的。做巖石自由膨脹率試驗一般應選在早晨剛上班時開始裝樣試驗，對一些膨脹量大的試件應勤讀數，當即將超過千分表量程時，讀數后立即重新調整千分表，讀取新讀數，以新讀數為起點再繼續讀數。開始裝樣時，千分表也要盡量調整到較小的刻度，以滿足大量程的需要。一天工作結束時應觀察千分表的狀態，如接近最大量程，應重新將千分表調零，以免造成第二天膨脹超出量程。

3 結束語

巖石的自由膨脹率試驗是測定巖石膨脹性的一項重要指標，試驗過程中的主要問題是保證巖樣試驗前的天然狀態，取樣和制件是最關鍵、也是最難達到規范要求的環節。一般來說，膨脹性大的巖石(標準試件膨脹量超過1 mm)大部分都會崩解或者開裂，而不崩解、開裂的巖石其膨脹性一般較小。經過一些對比，對于一些不易崩解、開裂的巖石(泥質砂巖等)做自由膨脹率試驗后烘干，再做1～2次自由膨脹率試驗，經對比其膨脹數據無太大變化。作者認為，巖芯加工的過程中為了增加試件加工的成功率，可用濕鋸法進行加工。干鋸雖然符合規范要求，但存在很多缺點，其一，試件容易開裂，制件成功率低;其二、鋸的磨擦生熱會使巖樣中的水分散失;其三、加工過程中粉塵很大。

對于一些天然含水量較大、天然狀態浸水不易崩解、有些強度(1－3MPa)的純泥巖則必須使用干鋸法，因為其風干后再浸水極易崩解，不能進行試驗。

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