易崩解巖石膨脹性試驗研究

霍 濤

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063）

1 引言

膨脹巖是指含有較多親水礦物，含水率變化時體積發生較大變化的軟質巖石[1]，具有遇水膨脹軟化、崩解和失水收縮、開裂的特性[2-3]，是造成重大工程變形破壞或安全隱患的關鍵所在[4-6]。因此，正確判別膨脹巖，準確評價其膨脹性，為工程建設提供合理的設計參數和科學依據具有重要的現實意義。

目前，《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077-2019）[7]中規定，膨脹巖的室內判定采用自由膨脹率、膨脹力和飽和吸水率三項指標，當有兩項及以上符合技術要求時，則可判定為膨脹巖。對于易崩解巖石而言，采用巖石方法進行自由膨脹率試驗時，由于樣品吸水后崩解，會造成試驗數據偏小、結果失真，因此規范要求按照土的方法進行自由膨脹率試驗。但是對于飽和吸水率指標，現行的國家標準、鐵路標準、公路標準中的試驗方法均強調僅適用于遇水不崩解、不溶解、不干縮膨脹的巖石[8-10]，因此對于遇水易崩解的巖石無法得到飽和吸水率數據，如果自由膨脹率和膨脹力兩個指標結果不一致就無法進行膨脹巖判定，為此有必要對易崩解巖石飽和吸水率試驗進行研究，為膨脹巖的判定提供依據。

現階段對膨脹巖的吸水率試驗研究中，曲永新等[11]根據不規則巖塊的浸水破壞形式和干燥-飽和吸水率的數值，對膨脹巖進行判別，對膨脹勢進行預測；何滿潮等[12]研制了軟巖水理作用試驗系統，并對深井泥巖吸水特性進行了研究；郭偉耀等[13]借鑒阿基米德原理研制出一種巖石自由膨脹率和吸水率測定裝置。但是這些研究中，巖石只能通過毛細作用吸收水分，水也只能通過重力流動，試驗時間較長，嚴重影響整個試驗的進程，同時，由于無法將顆粒之間的自由水完全排干，導致結果偏大。

針對上述問題，本文采用自主研發的易崩解巖石飽和吸水率測試裝置，測定易崩解巖石的飽和吸水率，同時分別選用巖石評價指標(自由膨脹率、膨脹力、飽和吸水率）和土的評價指標(自由膨脹率、蒙脫石含量、陽離子交換量），按照《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077-2019）對試驗樣品進行膨脹性判定，并結合X射線衍射(XRD）、偏光顯微鏡、掃描電鏡(SEM）等微觀測試手段，探究樣品遇水崩解的原因。

2 試驗方法

本次試驗選用不同地區、不同膨脹性的20個易崩解巖石進行試驗，其中遇水易崩解巖石飽和吸水率測試裝置如圖1所示。該裝置將真空飽水與真空抽濾結合起來，設置抽濾功能，能夠快速排出樣品中的自由水，提高試驗速率，并且該裝置設有多個試驗槽，可以在同一條件下進行多個樣品的平行試驗，有效減少試驗誤差。

圖1 易崩解巖石飽和吸水率測試裝置結構示意

飽和吸水率試驗主要步驟如下:(1）樣品制備；(2）樣品飽水；(3）樣品排水；(4）樣品抽濾；(5）稱取樣品濕重；(6）烘干后稱取樣品干重；(7）計算飽和吸水率。

膨脹力試驗按照《鐵路工程巖石試驗規程》(TB 10115-2014）進行，自由膨脹率試驗按照《鐵路工程土工試驗規程》(TB 10102-2010）進行，陽離子交換量、蒙脫石含量試驗按照《鐵路工程巖土化學分析規程》(TB 10103-2008）進行。

3 試驗結果分析

3.1 巖石膨脹性分析

巖石的膨脹性試驗結果見圖2～圖6，圖中虛線所對應的數值為各項試驗指標判定膨脹性的界限值。

圖2 飽和吸水率試驗結果

圖3 自由膨脹率試驗結果

圖4 膨脹力試驗結果

圖5 蒙脫石含量試驗結果

圖6 陽離子交換量試驗結果

按照《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077-2019）的規定，對巖石樣品分別采用巖石評價指標和土的評價指標進行膨脹性判別，結果見表1。

表1 巖石膨脹性判定統計

從表1中結果可以看出:對于遇水易崩解的巖石而言，采用兩種評價方式進行膨脹性判定，試驗結果整體一致性較好；在膨脹性判定過程中，采用飽和吸水率數據進行有效評價的結果占比達到95%，僅有5%的飽和吸水率數據與巖石膨脹性判定結果不符，相關性較高，因此通過采用該方法得到的飽和吸水率數據能夠有效地識別膨脹巖，從而避免采用試驗過程復雜、操作難度大、對試驗人員技術要求高的蒙脫石含量和陽離子交換量試驗進行膨脹性判別。

3.2 礦物成分分析

為了進一步探究膨脹性產生的原因，對典型巖樣(編號7、18）采用偏光顯微鏡和X射線衍射分析，并選取一個不易崩解的巖樣(編號21）進行對比試驗，表2為三個典型巖樣的礦物成分分析結果，圖7～圖9分別為三個巖樣對應的X射線衍射圖譜和偏光顯微照片。

圖7 7號巖樣X射線衍射圖譜和偏光顯微照片

圖8 18號巖樣X射線衍射圖譜和偏光顯微照片

圖9 21號巖樣X射線衍射圖譜和偏光顯微照片

從礦物成分分析可以看出，除21號樣品外，其他兩組樣品均含有蒙脫石、伊利石等粘土礦物，這些粘土礦物的存在是其吸水后崩解破壞的內因所在。

表2 三種典型巖樣的礦物成分

3.3 微觀結構分析

為了進一步研究樣品微觀結構，了解樣品吸水破壞的原因，采用掃描電鏡對樣品表面形貌進行試驗。根據掃描電鏡觀察，18號樣品在天然狀態下具有較好的完整性，巖石顆粒間緊密膠結，孔隙率低，巖石以鱗片狀層狀結構面-面接觸緊密排列，具有定向性(見圖10a）。該樣品在飽和吸水后，表面顆粒脫落、流失，形成孔隙，為水的侵入和黏粒的進一步流失提供通道，顆粒逐漸從面-面接觸轉變為面-邊接觸、邊-邊接觸，孔隙數量和尺寸逐漸增加(見圖10b），最終以鱗片狀的形式剝落、崩解、破壞(見圖10c）。

圖10 18號樣品飽水前后SEM圖像及崩解圖

從7號樣品的掃描電鏡結果中可以發現，其天然狀態下顆粒之間呈無序堆積，孔隙率較大，結構疏松，為水的貫通提供了快速通道(見圖11a），飽水后在水的作用下顆粒間粘聚力進一步降低，部分顆粒吸附水后形成水膜，引起體積膨脹，加速結構的破壞(見圖11b），最終以碎屑狀形式崩解、破壞(見圖11c）。

圖11 7號樣品飽水前后SEM圖像及崩解圖

對不易崩解的21號樣品進行的掃描電鏡測試中可以看出，該樣飽水前結構非常致密，整體連接性好，水不易侵入內部(見圖12a），飽水后僅在表面可以觀察到細微的裂紋，但裂紋對巖石整體結構并無影響(見圖12b），飽水后的樣品宏觀照片(見圖12c）也可以看出樣品飽水后結構完整，表面致密，未發生崩解現象，兩者相吻合。

圖12 21號樣品飽水前后SEM圖像及崩解圖

4 結論

本研究采用抽濾的原理設計制備出一種易崩解巖石飽和吸水率測試裝置，該裝置可以有效解決易崩解巖石飽和吸水率試驗無法進行的問題，同時結合其他膨脹性試驗指標進行了分析研究，得出以下結論:

(1）研制出的易崩解巖石飽和吸水率測試裝置可以集真空飽水和真空抽濾于一體，在將崩解巖石收集起來的同時通過真空抽濾的方式達到縮短飽和面干狀態的時間。

(2）通過對樣品同時進行自由膨脹率、膨脹力、飽和吸水率、蒙脫石含量、陽離子交換量試驗，發現采用該方法得到的易崩解巖石飽和吸水率數據對巖石膨脹性進行判定具有較高的一致性，可以對巖石的膨脹性進行有效判定。

(3）對典型樣品進行的微觀測試結果表明，試樣的礦物組成、結構特征、膠結狀態、孔隙率能夠很好地反映其膨脹崩解性特性。