泥質巖在不同pH值溶液中的崩解特性試驗研究

梁 冰，譚曉引，姜利國，焦波波

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

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泥質巖在不同pH值溶液中的崩解特性試驗研究

梁 冰，譚曉引，姜利國，焦波波

(遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000)

為了研究泥質巖在不同pH值溶液中的崩解特性，為酸雨地區泥質巖的利用提供理論依據和技術指導，選取阜新海州露天礦泥質巖為例，進行室內浸水崩解試驗。對泥質巖在不同pH值溶液中的崩解現象、崩解物的顆粒含量和崩解比進行分析、利用X射線衍射(XRD)、熒光光譜分析，測試巖樣礦物化學成分。試驗得到以下結論：不同pH值溶液中崩解強度大小關系是：酸>堿>中性；隨著循環的進行，泥質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；泥質巖中許多不能溶于水的礦物成分可以和酸發生化學反應生成可溶性鹽類，是泥質巖在酸中崩解最劇烈的主要原因；考慮泥質巖所處環境pH值不同對工程建設有重要意義。

與其他巖性的巖石相比，易于風化崩解是泥質巖最為顯著的特征之一。崩解作用對泥質巖物理力學性狀最直接的影響是使其粒徑在崩解前后發生明顯改變，由崩解前粒徑較大的塊體變為崩解后粒徑較小的顆粒。泥質巖不同程度的崩解不僅會使其自身性質由巖性向土性轉變，而且由于崩解所造成的粒度變化會改變其周圍區域內孔隙的充填及連通狀況，給基坑開挖、隧道施工、坡面處理、地基穩定性等造成了諸多困擾[1-4]。

如何才能有效地處理泥質巖的崩解性，學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，獲取泥質巖崩解特性的定量化指標參數主要選用以下幾種方法：1)采用由Wood等[5]提出并經Santi[6]改進的靜態崩解試驗(Jar Slake Test)方法來定性描述泥質巖在蒸餾水中浸泡30 min和48 h時的崩解狀態，依據崩解狀態參照Santi所建立的劃分依據來判定靜態崩解指數(Jar Slake Index)；2)采用Deo[7]崩解試驗(Slake Test)測試其崩解指數(Slake Index)；3)采用Gamble[8]所提出的耐崩解試驗(Slake Durability Test)測試其耐崩解指數(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。中國《工程巖體試驗方法標準》[9](GB/T 50266—99)中對耐崩解試驗及SDI的測試方法和技術標準提出了相關要求。

但是，由于在標準試驗中考慮的環境條件較為單一，而實際上泥質巖所處的環境相對于試驗室條件又比較復雜。由于研究所涉及的問題是多學科的交叉點，加之問題的復雜性，所以，大多研究集中在溫度、水流或化學等因素對泥質巖崩解特性的影響方面[10-13]，而針對泥質巖所處環境的酸堿性，對泥質巖崩解特性所進行的研究還很薄弱。因此，對泥質巖不同pH值環境下的崩解特性的研究，可為與之密切相關的環境地質問題提供理論依據及技術支持。

1 試驗設計

試驗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回試驗室。將取回的巖石加工成50 g左右的小塊，并從中挑選無裂紋、材質均勻的巖塊。本次試驗總共設計了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)，每組設計了3個平行樣，每個樣品由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，每份質量在250 g左右，稱量后分別裝入密封袋中，準備用于后續試驗。試驗全程控制環境溫度及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成分。

2)另取部分巖樣進行物理性質試驗，得到巖樣基本物理指標見表1。

3)利用硫酸和氫氧化鈉配置好相應酸堿度的溶液，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，標上相應pH值。將泥樣連同容器放入恒溫箱中，恒溫箱設置為25 ℃。試驗中使用酸堿滴定儀保持浸泡液在相應pH上下0.5浮動。

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入事先已經進行標號的鋼盆。

6)將鋼盆放入烘箱，在105 ℃下烘干至恒重，烘干時間不少于8 h。

7)烘干后將樣品取出置于干燥器內冷卻至室溫，結合粗篩分要求和本試驗樣品特點，選擇粒徑級配為10、5、2、1 mm的分樣篩進行篩分。

8)把每個樣品篩上的樣品匯總，密封，進入下一個循環。根據崩解情況，試驗總共進行了5個循環。

表1 泥巖物理性質指標

2 試驗結果與分析

2.1 試驗現象

因巖樣組數及循環太多，列出部分崩解現象匯總如表2，其中pH為6的樣品浸泡中及烘干后的變化情況如圖1。

表2 泥巖崩解現象

圖1 pH=6的樣品變化情況Fig.1 Changes of sample of pH=6

參照Wood等[5]所建立的判定靜態崩解指數的劃分依據，吳道祥等人依據崩解狀態，將泥巖崩解的強弱程度定性地分為強崩解、中崩解、弱崩解、不崩解4個等級[14]。試驗所選的各組泥樣浸水24 h內均不崩解，僅有一些小裂紋，水中有少量細渣和泥質沉淀，經過一次干濕循環后才呈塊狀崩解，屬于上述當中的弱崩解。

2.2 顆粒含量分析

第1次循環之后崩解量小于試樣總重量的1%，故可認為這次循環沒有崩解，不需要做顆粒分析。隨著循環次數的增加，崩解物的粒徑級配在不斷變化。當進行到第5個循環，大粒徑顆粒崩解穩定，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，多為云母、細小的礫石等。因此，可以認為崩解基本已達到最大限度，沒必要進行接下去的循環，本試驗總共進行了5次干濕循環，4次篩分。試驗所得不同粒徑顆粒含量隨干濕循環次數的變化曲線見圖2。

分析圖2并結合泥質巖的崩解現象可以得到以下結論：

1)由圖2(a)、(b)可以發現，巖樣第1個循環>5 mm的顆粒百分含量為100%，幾乎未發生崩解；第2個循環為87.38%～91.64%，崩解速度較快；第3個循環百分含量則降為54.83%～73.08%，泥質巖發生劇烈崩解。泥質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，導致巖石崩解。當巖石經歷失水后再遇水這樣的過程時，這種現象更明顯。本次試驗樣品在第1循環時崩解量少，第2、3個循環卻迅速崩解間接證明了這一結論。

2)第3個循環時，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。

圖2 不同粒徑顆粒含量變化曲線Fig.2 Change curves of content of grain with different sizes

3)隨著循環的進行，>10 mm的顆粒含量逐漸減少至零，而5～10 mm的顆粒含量趨于穩定，到第5個循環時，各種級別的顆粒含量和第4個循環的結果變化較小，崩解達到最大限度，可認為沒有必要進行接下去的循環。

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，達到峰值或谷底所需干濕循環的次數越少，并且達到漸進線所需的循環次數也越少。圖2(c)中2～5 mm的顆粒含量在第3個循環出現峰值，且斜率大、曲線陡；由圖2(d)、(e)同樣可發現，第3個循環的曲線最陡，第3個循環之后所有曲線漸漸趨于平緩，崩解速度減慢。同時，隨著循環的進行，圖2(d)、(e)均呈上升趨勢，泥質巖的崩解物不斷細化，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)這一定量化參數對泥質巖的崩解特性進行綜合評價。本文引用此研究成果，崩解比的計算方法如下：

1)繪制樣品粒度變化曲線圖，橫坐標為粒徑大小，縱坐標為小于該粒徑大小的顆粒百分含量。

2)崩解比采用計算公式

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。

通過上述方法計算崩解比，其崩解比變化情況如圖3、圖4。

圖3 崩解比曲線圖(橫向比較)Fig.3 The curve of disintegration ratio(horizontal comparison)

觀察圖3可發現以下3點：1)第1次篩分曲線明顯上凸，蒸餾水中樣品的崩解比遠遠高于酸堿環境中的崩解比，表明第1次篩分時，酸堿環境下泥質巖的崩解強度遠遠大于中性；2)隨著循環的進行，尤其第3次和第4次篩分時，崩解比曲線趨于平緩，但依然有輕微上凸，說明隨著循環的進行，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；3)第1、2次篩分，崩解比曲線間隔比較大，說明泥質巖在第2次篩分時發生劇烈崩解；而第3、4次篩分時，曲線間隔明顯減小，崩解速度減慢。從圖4可以看出，整體上酸性環境下的崩解比曲線在下方，曲線較陡，堿性環境在中間，中性環境在下方，曲線相對比較平緩。表明不同酸堿度環境中的泥巖崩解強度大小關系是：酸>堿>中性。

圖4 崩解比曲線圖(縱向比較)Fig.4 The curve of disintegration ratio(longitudinal comparison)

2.3.2 礦物與化學成分分析 使用熒光光譜法對巖石化學成分進行分析，結果如表3所示。

表3 巖石化學成分 %

圖5 泥巖X射線衍射圖譜Fig.5 mudstone X-ray diffraction spectrum

由X射線衍射圖譜可見(圖5)，阜新海州露天礦泥質巖屬于天然巖石，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。石英化學性質穩定，具較強的抗水性與抗風化能力，親水性極弱。方解石和白云石的主要成分是碳酸鈣，碳酸鈣遇酸極易發生反應：CaCO3+H2SO4→CaSO4+H2O+CO2。高嶺石等粘土礦物具有親水性，并能與硫酸發生化學反應，生成可溶性鹽類。伊利石與硫酸化學反應方程式為

K0.9Al2.9Si3.1O10(OH)2+4.8H2SO4→0.45K2SO4+1.45Al2(SO4)3+3.1SiO2+5.8H2O

高嶺石與硫酸化學反應化學方程式為

Al4Si4O10(OH)8+6H2SO4→2Al2(SO4)3+4SiO2+10H2O

粘土礦物與硫酸發生化學反應，生成可溶性鹽類溶于水，一方面破壞了原來巖石的內部結構體系,使得巖石出現泥化現象；另一方面形成巖石內部連通的“空間”，使得水分子與黏土礦物充分接觸而加速巖石崩解，導致泥質巖在酸中崩解最快。碳酸鈣在堿性浸泡液中更加穩定，本文泥質巖碳酸鈣含量少，碳酸鈣的堿溶液穩定性在崩解過程中表現不明顯。最終導致泥質巖在不同pH值溶液中崩解強度大小關系為：酸>堿>中性。

3 結論

以阜新海州露天礦泥質巖為研究材料，進行不同酸堿度下泥質巖靜態崩解試驗，觀察泥巖的崩解現象，計算崩解物的顆粒含量、崩解比，并得到以下結論：

1)隨著干濕循環的進行，泥質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個循環崩解速度最快。

2)不同pH值溶液中的泥巖崩解強度大小關系是：酸>堿>中性，其中酸性比堿性略強，二者遠遠大于中性。泥質巖對所處環境的酸堿性比較敏感，酸雨能造成泥質巖耐崩解能力很大程度降低。將酸雨地區泥質巖用于工程建設時，應當檢測所處環境的酸堿性，并減少該地SO2等酸性氣體排放量，減少造成泥質巖崩解的環境因素。

3)泥質巖中不溶于水的礦物成分，可以和酸發生化學反應生成可溶性鹽類，破壞了原來巖石的內部結構體系,形成巖石內部連通的“空間”，是泥質巖在酸中崩解最劇烈的主要原因。

4)泥質巖的崩解特性受多重因素影響，實際中泥質巖所處的環境相對于試驗室條件比較復雜，本文通過對比發現，單一水化環境條件下的干濕循環不足以反應工程實際情況，考慮泥質巖所處環境pH值的不同對工程建設有重要意義。

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(編輯 王秀玲)

Expevimental analysis of slaking characteristics of mudstone in different pH solutions

LiangBing，TanXiaoyin，JiangLiguo，JiaoBobo
(College of Mechanics and Engineering，Liaoning Technology University，Fuxin 123000，Liaoning，P.R.China)

In order to identify the slaking characteristics of mudstone in different pH solutions and provide some theoretical basis and technical guidance for utilization of mudstone in areas polluted by acid rain,some laboratory tests of slaking were performed on mudstone from the open-pit mine of Haizhou in Fuxin. The slaking phenomena in different pH solutions and changes in grain contents and slaking ratio of mudstone samples in slaking process were analyzed. Through X-ray diffractometer(XRD)and fluorescence spectrum analysis system，the mineral & chemical composition of mudstone were made clear. The test results showed that the rank of these samples as slaking degree was acid>alkali>neutral. With an increase in the number of cycles，the slaking degree decreased while the slaking rate increased at first two cycle，and then it gradually slowed down. The slaking of mudstone in the acid solutions was the most severe. The fundamental reason was that most of the mineral composition of mudstone could not dissolve in water but chemical reaction between it and acid solutions produced soluble salts. It was significant to take into account the acidity of mudstone’s surroundings in engineering construction.

environmental engineering; mudstone; dry-wet cycle; slaking characteristics; pH; water-rock interaction

10.11835/j.issn.1674-4764.2015.02.004

2014-09-05 基金項目：國家自然科學基金(51304113、51374124)

梁 冰(1962-)，女，教授,博士生導師，主要從事巖石力學和滲流力學研究，(E-mail)lbwqx@163.com。

Foundation item：National Natural Sciencal Foundation of China(No.51304113, 51374124)

TU458

A

1674-4764(2015)02-0023-05

Received：2014-09-05

Author brief：Liang Bing(1962-)，professor, doctorial tutor, main research interests: rock mechanics and seepage flow mechanics，(E-mail)lbwqx@163.com.