砒砂巖膨脹潰散及抑制機理研究

李長明 宋麗莎 姚文藝 曲福來 王立久 孫宇辰

摘 要：對砒砂巖的顆粒、結構、物理及幾何組成進行了研究，重點研究了砒砂巖的水蝕潰散機理及過程，分析了影響砒砂巖吸水膨脹和膠結穩定的主要因素，在此基礎上構建了砒砂巖的膨脹一膠結二元力學模型。研究結果表明，砒砂巖的組成可劃分為顆粒物、膠結物和填充物3部分，砒砂巖的潰散主要是膠結物難以約束填充物中的黏土礦物吸水膨脹導致的，控制砒砂巖潰散需從控制填充物的吸水膨脹和增強膠結物的膠結能力著手。基于砒砂巖潰散和抑制機理的研究，提出了砒砂巖膨脹潰散的改性方案。

關鍵詞：砒砂巖；膨脹潰散；抑制機理：二元模型；力學模型

中圖分類號：S157.1； TV882.1

文獻標志碼：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.021

砒砂巖是一種風化嚴重的頁巖、砂頁巖和泥質砂巖組成的互層巖石，主要分布在黃土高原黃河粗泥沙來源的核心區[1-2]，砒砂巖分布區人黃粗泥沙量占黃土高原地區人黃粗泥沙的30%左右[3 -4。砒砂巖具有干燥堅硬如石、水蝕潰散成沙的特性，其分布地區水土流失十分嚴重，土壤侵蝕模數高達3萬～4萬t/（ km2.a）[5-6]，水土流失及生態退化給當地生態環境及經濟發展帶來了災難性影響。目前，砒砂巖遇水膨脹潰散問題尚未解決，利用砒砂巖碾筑的淤地壩壩體難以滿足工程要求，往往在洪水中損毀嚴重[7]。若從區外運人土石、水泥等材料修筑土石壩，造價較為高昂，難以在當地大范圍推廣。因此，解決砒砂巖遇水膨脹潰散問題，對其加以改造利用，研制成滿足工程要求的筑壩材料，具有十分重要的意義。

目前，對砒砂巖的侵蝕潰散機理研究較少。葉浩等[8-9]和石迎春等[10]研究了砒砂巖巖性對抗蝕性的影響，分析了砒砂巖侵蝕的內因，對砒砂巖的侵蝕特征進行了有益探索：唐政洪等[11]研究了砒砂巖地區風蝕、水蝕及重力侵蝕三者間的交互作用；畢慈芬等[12]對砒砂巖區侵蝕產沙的方式及機理等進行了研究：姚文藝等[13]對砒砂巖區抗蝕促生的治理模式進行了系統研究。然而，從力學角度對砒砂巖的水蝕潰散機理進行的研究尚未見報道。從微觀角度，采用力學方法對砒砂巖膠結力與水蝕膨脹力的關系進行研究，提高砒砂巖的抗水蝕潰散性能，對于砒砂巖的改性利用意義重大。

筆者對砒砂巖的結構、物理組成、水蝕潰散機理及過程進行研究，提出砒砂巖膨脹潰散的改性方案，以期為砒砂巖的改性利用及砒砂巖區水土流失治理和生態修復提供參考。

1 砒砂巖膨脹潰散機理

1.1 資料與研究方法

本試驗所用砒砂巖原料均取白內蒙古鄂爾多斯高原準格爾旗境內的二老虎溝附近溝道。主要采用儀器測試和力學分析方法，從宏觀結構到微觀結構，從外觀形貌觀察、顆粒組成、礦物組成到幾何結構組成，對砒砂巖的基本構造、膨脹潰散性質等進行分析研究。

1.2 砒砂巖的結構

砒砂巖中各礦物的顆粒形狀、大小差異較大，孔隙分布不均。顆粒間的連接形式、膠結類型、膠結物成分等均對砒砂巖的物理力學性能有影響。砒砂巖是在氧化或還原條件下，湖相和陸相交替作用的碎屑巖沉積物，顆粒間的連接方式以膠結為主。礦物顆粒間一般以硅質和鐵質為膠結物的膠結性能較好，而以鈣質和黏土質為膠結物的膠結性能較差。碎屑顆粒與膠結物、孔隙填充物的相對數量，以及碎屑顆粒間的接觸關系決定了碎屑巖的膠結類型。砒砂巖大部分屬于孔隙式膠結，少數成巖程度較好的屬于接觸式膠結[14]。不同顏色砒砂巖形貌見圖1。

1.3 砒砂巖的顆粒組成

砒砂巖的顆粒級配較差，粒徑分布不均，顆粒粒徑主要為0.10～ 0.50 mm，其中：0.10～ 0.25 mm的最多，占40%以上：其次是0.25～ 0.50 mm的，占30%左右；0.10 mm以下的占20%～ 30%：0.50 mm以上的粗大顆粒占比不到1%[5]。

1.4 砒砂巖的物理組成

砒砂巖物理組成可分為3類（如圖2所示）：①石英、長石和碳酸鹽等粗大顆粒物，這些顆粒物組成砒砂巖的骨架：②蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等風化黏土物質組成的填充物，這些黏土礦物屬粉粒細粒黏土物質，填充在顆粒物之間的孔隙中：③接觸界面上起黏合作用的膠結物，以游離氧化物（如氧化鐵等）為主。換句話說，砒砂巖主要以原生礦物石英、長石、碳酸鹽等顆粒物為骨架，次生黏土礦物蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等為填充物，游離氧化物等為膠結物的一種多孔隙的特殊泥質砂巖。

1.5 砒砂巖的幾何模型

砒砂巖的崩解、潰散主要是其巖體結構強度難以承受內部的膨脹作用引起的，其內部的膨脹作用由不同因素導致：其一，黏土填充物蒙脫石遇水強烈膨脹，使砒砂巖潰散（此情況下，可建立起以黏土礦物蒙脫石等為膨脹源，以游離氧化鐵將石英、長石、碳酸鹽等顆粒物膠結在一起組成的包裹物為約束環的砒砂巖幾何結構模型，如圖3（a）所示）；其二，砒砂巖內部存在較多孔隙，當有少量水存留在砒砂巖內部的孔隙中時，冬天這些孔隙水便會結冰膨脹，在冰脹的作用下砒砂巖結構遭到破壞，在風力等外部因素作用下發生崩解，如圖3（b）所示。

1.6 砒砂巖的膨脹潰散過程

砒砂巖中黏土礦物蒙脫石的晶層面之間連接松散，水容易進入。此外，蒙脫石品格間存在品格取代現象，使蒙脫石晶層表面具有負電性，大量可交換性陽離子在靜電作用下吸附在品格表面，當有水進入到蒙脫石晶層間時，吸附在晶層表面的陽離子便會發生水化，溶解到水中，形成擴散雙電層。陽離子的脫離使品格表面帶負電而具有排斥力，在斥力和滲透壓力的共同作用下使蒙脫石產生膨脹。蒙脫石膨脹解離的過程如圖4所示。

砒砂巖的水蝕潰散可分為4個階段：①水少量滲入階段（蒙脫石微潤），砒砂巖結構松散，屬顆粒支撐孔隙式膠結，存在大量的孔隙和通道，水易從粗大孔隙滲入砒砂巖中，初期只有少量水滲入時，這些水被孔隙中的黏土填充物吸收，還未進入到膨脹階段。②水力劈裂階段（蒙脫石吸水膨脹），水持續滲入到砒砂巖中，填充在孔隙中的黏土物質被充分浸濕，黏土礦物中的蒙脫石吸水開始膨脹。蒙脫石表面和晶層之間陽離子濃度高于環境溶液陽離子濃度，產生滲透壓，使水分子向蒙脫石晶層間和晶面擴散，吸附在蒙脫石表面的陽離子擴散后形成擴散雙電層，黏土品格間距進一步擴大，造成水化膨脹。持續膨脹的蒙脫石楔人粗大顆粒之間，蒙脫石膨脹產生的楔人力與粗大顆粒間的膠結力剛好達到平衡狀態，顆粒間的約束喪失。③局部潰散階段，砒砂巖表層開始剝落，水持續滲入到砒砂巖內部，顆粒間的膠結約束作用無法抵抗蒙脫石的膨脹作用而遭到破壞，顆粒間失去連接作用，砒砂巖內部局部發生潰散，形成滲流通道，滲流通道內部分蒙脫石解離遷移成泥漿。局部潰散促使孔隙進一步增大，水分更易進入，通道孔壁上的顆粒不斷剝落被水流帶走，砒砂巖局部潰散逐漸發展，開始有塊體狀剝落，甚至脹裂為數塊。但是，如果遇干旱少雨，砒砂巖就會因內部含有水分而在冬季發生凍融破壞，造成非徑流凍融風化侵蝕。④全部潰散階段，砒砂巖水蝕肢解或凍融肢解，脹裂為數個小塊，這些小塊進一步崩解碎散成更小的小塊和散粒，失去塊體結構，直至散落成一堆散沙，亦即潰散。

2 砒砂巖潰散防治機理

2.1 砒砂巖力學模型

根據砒砂巖二元物理模型，構建砒砂巖力學模型，建模時進行簡化：①將蒙脫石或冰等膨脹源簡化為形狀規則的圓形，膨脹應力在沿網周各個方向上均勻分布：②將膠結物和顆粒物組成的包裹物簡化為約束環，約束環是一個均質的、沿圓周各處厚度和約束力均相同的網環。將砒砂巖的膨脹簡化為彈性力學中網環受均布壓力的問題，砒砂巖力學模型如圖5所示。

2.2 砒砂巖潰散防治機理

防治砒砂巖的潰散可以通過兩種途徑來實現：一是對內圓膨脹物進行改性，抑制減小內圓的膨脹力q1；二是改變外部約束環包裹物的性質，增大約束環的約束力q2。

（1）減小內圓膨脹力q1。對蒙脫石進行改性，改變其泊松比及層間吸附陽離子的種類和分布等，抑制蒙脫石的水化膨脹性。

（2）增大內圓膨脹物質的彈性模量E。利用離子交換或堿溶蝕技術，對蒙脫石的層間及品格結構等進行改性，弱化其膨脹性，增強其膠結性，從而增大蒙脫石的彈性模量，抑制蒙脫石的膨脹。

（3）增大比值

。砒砂巖的潰散，實質是其體積膨脹量

，因此防治砒砂巖潰散的關鍵在于控制比值

，使

。減小比值

可以通過以下2個

方面來實現：①若膨脹物的量不變（即α值不變），則可通過摻人礦物廢棄物、黏土等，增加包裹物的量（即增大b值），使膨脹物的占比相對減小，從而達到增大比值

的目的，砒砂巖黏土壩就是依據這個原理碾

筑而成；②若膠結物的數量不變（即b值不變），則可以通過堿溶蝕、加速風化等改性手段，使部分蒙脫石發生反應，即通過減小蒙脫石的數量，從而增大比值

，達到控制砒砂巖潰散的目的。

3 結論

（1）砒砂巖的組成可分為3類：①原生礦物石英、長石和碳酸鹽等組成巖體骨架的粗大顆粒物：②由蒙脫石、高嶺石、伊利石、云母等次生黏土礦物組成的填充物，這些黏土物質填充在粗大顆粒間的孔隙中：③顆粒物之間、顆粒物與填充物接觸界面上的膠結物，如游離氧化鐵等。不同礦物粒徑相差懸殊，顆粒大小不一，顆粒之間接觸不緊密，排列混亂，無一定的方向性，孔隙發育較好，砒砂巖的膠結以孔隙式膠結（填充式膠結）和接觸式膠結為主。

（2）給出了砒砂巖遇水潰散原因及潰散過程。砒砂巖中以蒙脫石為主的親水性黏土礦物是砒砂巖的膨脹潰散源，蒙脫石吸水膨脹及膠結物質遇水喪失膠結能力，膨脹力大于膠結力是引起砒砂巖遇水潰散的主要原因。砒砂巖的膨脹潰散可分為水流少量滲入（蒙脫石微潤）、水力劈裂（蒙脫石吸水膨脹）、局部潰散、完全潰散4個階段。

（3）建立了由膨脹源和約束環構成的砒砂巖力學模型，將砒砂巖的膨脹問題轉化為彈性力學的網環受均布壓力的力學模型。對砒砂巖的潰散防治，可通過兩種途徑來實現：①對內圓膨脹物改性，減小內網的膨脹力qi（改變內圓膨脹物的物理性質、增大內圓膨脹物的彈性模量E、降低內網膨脹物的泊松比v、減小內圓膨脹體的半徑α）：②改變外部約束環包裹物的性質，增大約束環的約束力。

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