砒砂巖的三軸強度特性及微觀結構研究

摘 要：為深入認識黃土高原地區砒砂巖干燥時堅如磐石、遇水后潰散泥化的微觀機理，對不同粒度砒砂巖原狀試樣進行三軸剪切試驗和CT掃描，獲取不同粒度砒砂巖的強度特征和微結構特征，并分析了砒砂巖孔徑的分布特點。結果表明：砒砂巖試樣的抗剪強度隨粒度增大而降低，試樣的峰值強度與固結圍壓存在良好的線性關系;由CT掃描得到的砒砂巖二維圖像顯示不同粒度試樣的孔隙形態非常復雜;從三維重構模型的統計結果發現砒砂巖平均孔隙半徑隨砒砂巖粒徑的增大而升高;砒砂巖的強度存在明顯的粒度效應，砒砂巖粒度大小決定了內部孔隙的分布情況，進而引起強度的改變。

關鍵詞：砒砂巖;粒度;孔隙;抗剪強度;三軸試驗;CT掃描

中圖分類號：TU43;S157.1?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.014

Study on Triaxial Strength Characteristics and Microstructure of the Arsenic

Sandstone

LIU Yaping

（School of Architecture， Zhengzhou Shengda Economics and Management College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract：In order to further understand the microscopic mechanism of arsenic sandstone which is hard as rock in dry state and muddy in water， triaxial shear test and CT scan test were carried out for obtaining the strength characteristics and microstructure characteristics of arsenic sandstones in different grain grades. The results show that the strength of sandstone sample decreases with the increase of grain size in triaxial shear test. There is a good linear relationship between peak strength and consolidation confining pressure. The two-dimensional and three-dimensional reconstruction images of sandstone samples can be obtained by CT scanning. It is found that the porosity and average pore radius of sandstone increase with the increase of particle size. The strength of sandstone has obvious “particle size effect”. The smaller the particle size of arsenic sandstone， the smaller its porosity， and thus the higher the strength.

Key words： arsenic sandstone; particle size; pore; shear strength; triaxial shear tests; CT scanning

我國黃土高原北部地區分布的砒砂巖，是一種由厚層砂巖、頁巖和泥質砂巖組成的互層狀陸相碎屑巖系[1-3]，是由各種砂粒堆積、膠結在一起的風化沉積巖，其顆粒直徑通常為0.062 5～2 mm [4-5]。砒砂巖由于成巖程度低、顆粒膠結強度弱、結構強度小，遇水后容易發生潰散和泥化現象，且易受風化剝蝕，因此造成嚴重的水土流失危害[6]。受長年物理風化的影響，砒砂巖內部孔隙非常發育，研究砒砂巖孔隙結構的分布對于分析砒砂巖強度特性和物理特性有重要意義，可以為深入了解其相關物理力學性質提供重要參考。目前，對于砒砂巖力學和微觀結構，相關學者已開展了廣泛研究，例如：李長明等[7]研究了砒砂巖的顆粒組成、結構幾何特點和相關物理特征，并提出了砒砂巖的水蝕潰散機理;李明玉等[8]對砒砂巖的應力—應變關系進行了試驗研究;陳溯航等[9]通過壓汞試驗研究了含水率與凍融循環效應對砒砂巖微觀結構的影響;吳利杰等[10]采用顯微攝像和圖像分析技術對砒砂巖進行微結構特征分析，得到了抗壓、抗拉強度與顆粒分維數的關系。

以往的研究成果側重于砒砂巖的力學特性，對于利用新型微觀測試手段研究其內部特性的研究還比較少見。近年來，隨著圖像分析技術和流體模擬方法的發展，研究巖石的多孔結構特點成為一個熱點[11-12]。砒砂巖作為一種多孔介質，其滲透特性取決于內部的孔隙結構，其力學特性也與孔隙結構有密切關系。X射線計算機斷層掃描技術（CT）作為一種無損檢測技術已被廣泛應用于許多領域的三維幾何形狀檢測，非常適合巖石細觀結構觀測，可以在不損壞試件內部結構的前提下直接獲得樣品內部結構空間分布狀況。因此，本研究通過三軸剪切試驗和X射線計算機斷層掃描（CT），獲取砒砂巖的強度指標和孔隙結構狀況，探討不同粒徑級別砒砂巖的抗剪強度和孔隙結構特點，旨在為深入認識黃土高原地區砒砂巖干燥時堅如磐石、遇水后潰散泥化的微觀機理提供參考。

1 試驗方法

1.1 試 樣

試驗材料為鈣質砒砂巖，取自鄂爾多斯盆地北部杭錦旗砒砂巖裸露區地表。取樣地位于黃土高原北部，為新華夏構造體系，地質構造較復雜，北東方向展布明顯的褶皺斷裂。區域內的砒砂巖不僅出露在溝谷中，而且大量分布于地表和坡面上，其巖性為礫巖、砂巖及泥巖，交錯層理發育，顏色混雜。

采用探槽取樣的方式進行取樣，將砒砂巖裸露區的原狀砒砂巖進行切塊、包裝并運輸至實驗室，按照試驗要求加工成直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱體試樣。根據顆粒級配分析進行巖樣顆粒級別劃分，其中：粗粒砒砂巖的中值粒徑dm=2.21 mm，中粒砒砂巖的中值粒徑dm=0.97 mm，細粒砒砂巖的中值粒徑dm=0.46 mm。分別取粗粒、中粒和細粒砒砂巖試樣進行物理力學試驗，樣品的表觀圖片見圖1。

1.2 三軸剪切試驗

利用應變控制式巖石三軸加載系統對試樣進行剪切試驗，圍壓設為5、10、15、20 MPa四級，剪切速率設為0.001 0 mm/min，得到開始加載至試樣破壞的應力應變曲線。試驗時，首先安裝試樣，再向壓力腔內注水;然后施加固結圍壓，控制加壓速率保持0.05 MPa/s直到圍壓值基本穩定;最后對砒砂巖試樣施加軸向壓力進行剪切，控制剪切過程中的軸向變形速率保持在0.01 mm/min。

1.3 CT掃描

使用高精度微米CT掃描儀進行微觀結構觀測，其電壓和電流參數分別為140 kV和330 mA，掃描精度為0.03 mm。經過掃描，每個樣本得到約800張橫截面圖像。CT掃描的方法和過程：將樣品放置在載物臺上慢速旋轉，旋轉過程中CT掃描儀發射的X射線穿透樣品進行掃描，掃描的結果經過灰度值檢測器過濾，利用圖像采集裝置得到二維斷面圖像。為了保證被測樣本內部結構的精確量化，采用MATLAB圖形處理工具箱對所有橫截面圖像進行預處理[13]。由于巖石顆粒和孔隙密度的差異很大，所以通過圖像灰度閾值來區分固相和孔隙相[14]，本研究采用自動分割閾值方法，利用計算機自動對灰度值進行統計，從而將圖像按照二值化進行區域分割。掃描圖片的成像像素為2 048×2 048，對于直徑為50 mm的柱狀樣，像素分辨率約為50 mm/2 048=24.4 μm，達到了亞微米級精度。

2 試驗結果分析

2.1 試樣的微觀形貌

掃描電子顯微鏡（SEM）在放大200倍的情況下得到的3種粒度砒砂巖圖像見圖2，可以看出，砒砂巖表面棱角分明、節理清晰，微觀結構主要呈顆粒狀，隨著顆粒粒徑的減小，顆粒的密實程度有所提高，粗粒砒砂巖顆粒之間的孔隙清晰可見，中粒砒砂巖的孔隙規模明顯減小，而細粒砒砂巖顆粒排列緊密、孔隙微小。

2.2 強度試驗結果

常規三軸剪切試驗所得3種粒度砒砂巖的應力—應變關系曲線見圖3，可以看出，不同圍壓下樣品的應力—應變關系曲線總體趨勢相似，圍壓越大線性變形階段的斜率越大，說明圍壓的增加提高了砒砂巖試樣的剛度，而當圍壓超過15 MPa后，線性變形階段的應力—應變關系曲線隨圍壓增加的變化不再明顯，表明當圍壓值大于15 MPa后，巖石內部的原生缺陷充分閉合。從峰值應力的分布情況可以看出，細粒和中粒砒砂巖的軸向變形量比較接近，但粗粒砒砂巖的軸向變形量相對于細粒和中粒試樣明顯偏小。總體上，當三軸剪切試驗的固結圍壓相同時，砒砂巖試樣的強度隨粒度增大而降低;對于同一粒度砒砂巖試樣，其抗剪強度隨固結圍壓的上升而增加，見圖4，不同砒砂巖試樣三軸抗剪強度與固結圍壓的線性擬合相關系數（R）均達到或超過了0.98。

2.3 CT掃描結果

2.3.1 掃描圖像

從CT掃描的結果中提取一系列二維圖像，稱為切片，切片存儲所有平面上的X射線衰減系數。通常，將CT數作為灰度值記錄在灰度圖像中，利用MATLAB軟件的圖像處理功能對圖像灰度進行分割。由于巖石組成的密度差異明顯，因此孔隙和巖石顆粒可以通過各自的CT數識別：低CT數表示孔隙（黑色），高CT數表示高密度礦物（白色），見圖5（A、B、C為試樣編號，分別代表粗粒、中粒、細粒砒砂巖試樣），可以看出孔隙的形狀多為不規則多邊形，具體形態非常復雜。

將巖樣的二維掃描切片按順序堆疊，組成三維模型，利用三維圖像分析軟件image J實現模型的重構。以中粒砒砂巖為例，重構結果如圖6所示，可以看出砒砂巖內部的孔隙形狀、尺寸各異，各孔隙相互之間的連通性不高，且孔隙分布具有較強的非均質性。孔隙的連通方向，客觀上決定了其在剪切過程中內部的裂隙發育趨勢。

2.3.2 孔隙分布特征

由每個孔隙包含像素的數量，求出每個孔隙面積、體積（以三維模型中孔隙的體積為依據區分微小孔隙和大中孔隙，樣品中體積≥50 mm3的孔隙為大中孔隙，反之則為微小孔隙）及所有孔隙總面積占圖像面積的百分比，結果統計見表1，可以看出，隨著試樣顆粒粒徑的增大，孔隙所占百分比、大中孔隙數量和孔隙總體積明顯增加，體現了顆粒粒徑對樣品孔隙分布的影響。

從孔隙統計結果可以得到圖7所示樣品孔徑分布頻率曲線（其中：縱坐標為孔隙分布的頻率;橫坐標為孔隙的等效半徑，定義為孔隙等效為球體的半徑），可以看出不同試樣隨孔隙尺寸增大，孔徑的分布頻率不同：試樣C（細粒砒砂巖）孔徑分布頻率出現了單一峰值，峰值頻率為46.5%，其對應的等效半徑小于0.5 mm;試樣B（中粒砒砂巖）孔徑分布頻率同樣存在單峰，峰值頻率為36.2%，對應的等效半徑為0.78 mm;試樣A（粗粒砒砂巖）孔徑分布頻率存在2個峰值，對應的等效半徑分別為0.45、1.64 mm，表明相對于粒徑較小的砒砂巖，粗粒試樣中孔隙尺寸較大，大中孔隙所占的比例較高。造成這種現象的原因是粗粒砒砂巖內部的孔徑分布范圍更廣，小孔隙的分布頻率相對其他砒砂巖偏小，但是大孔隙的分布頻率明顯更高，即粗粒砒砂巖內部的小孔隙與大孔隙同時占據了較大的比例。

2.4 強度與微觀結構的關系

從不同粒度砒砂巖的三軸剪切試驗和CT掃描結果來看，砒砂巖抗剪強度與其粒度有明顯的關系，粒度越大強度相對越低，這種粒度效應本質上是由不同粒度試樣微觀結構的差異引起的[15]。粗粒砒砂巖的內部孔隙含量最多，孔徑分布頻率存在2個峰值，說明內部孔隙的尺寸較大，且大中孔隙所占的比例較高，孔隙分布特點影響了在剪切過程中顆粒之間摩擦力的發揮，使得試樣整體抵抗剪切的能力下降。在相同圍壓下砒砂巖粒度越小，其內部顆粒排列越緊密、顆粒間的孔隙越小，試樣的強度就越高。

3 結 論

（1）砒砂巖的強度具有明顯的粒度效應，即強度隨粒度增大而降低，同一粒度砒砂巖的抗剪強度與固結圍壓存在良好的線性關系。

（2）應用X射線計算機斷層掃描技術即CT掃描技術，獲得了不同粒度砒砂巖孔隙的二維圖像和三維孔隙模型，對掃描結果的統計發現砒砂巖平均等效孔隙半徑隨著顆粒粒徑的增大而增加。

（3）砒砂巖強度存在粒度效應，原因是砒砂巖內部孔隙的規模隨顆粒尺寸減小而降低，使砒砂巖致密程度提高，從而提高了其強度。

參考文獻：

[1] 姚文藝，吳智仁，劉慧，等.黃河流域砒砂巖區抗蝕促生技術試驗研究[J].人民黃河，2015，37（1）：6-10.

[2] 宋土順，劉立，王玉潔，等.鄂爾多斯盆地漂白砒砂巖特征及成因[J].石油與天然氣地質，2014，35（5）：679-684.

[3] 楊吉山，姚文藝，鄭明國，等.原狀砒砂巖坡面產流產沙規律試驗研究[J].人民黃河，2017，39（1）：98-101.

[4] 張磊，齊瑞鵬，張應龍，等.砒砂巖風化物對土壤水分特征曲線及蒸發的影響[J].土壤學報，2015，52（1）：77-86.

[5] 蔡懷森，魏民，劉慧，等.黃河砒砂巖單軸抗壓性能與含水率關系研究[J].人民黃河，2016，38（6）：15-17.

[6] ZHU Tantan， JING Hongwen， SU Haijian， et al. Physical and Mechanical Properties of Sandstone Containing a Single Fissure After Exposure to High Temperatures[J]. International Journal of Mining Science and Technology，2016，26（2）：319-325.

[7] 李長明，宋麗莎，姚文藝，等.砒砂巖膨脹潰散及抑制機理研究[J].人民黃河，2018，40（6）：96-99.

[8] 李明玉，李曉麗，陳溯航，等.砒砂巖重塑土強度和應力—應變曲線試驗研究[J].排灌機械工程學報，2018，36（2）：179-184.

[9] 陳溯航，李曉麗，張強，等.鄂爾多斯紅色砒砂巖凍融循環變形特性[J].中國水土保持科學，2016，14（4）：34-41.

[10] 吳利杰，李新勇，石建省，等.砒砂巖的微結構定量化特征研究[J].地球學報，2007（6）：597-602.

[11] QUEROL X， ALASTUEY A， CHINCHON J S， et al. Determination of Pyritic Sulphur and Organic Matter Contents in Spanish Subbituminous Coals by X-Ray Power Diffraction[J]. International Journal of Coal Geology， 1993， 22（3-4）：279-293.

[12] 劉向君，朱洪林，梁利喜.基于CT技術的砂巖數字巖石物理實驗[J].地球物理學報，2014，57（4）：1133-1140.

[13] BERG S， OEDAI S， OTT H. Displacement and Mass Transfer Between Saturated and Unsaturated， CO2-Brine Systems in Sandstone[J]. International Journal of Greenhouse Gas Control， 2013， 12（1）： 478-492.

[14] 孫華飛，鞠楊，行明旭，等.基于CT圖像的土石混合體破裂-損傷的三維識別與分析[J].煤炭學報，2014，39（3）：452-459.

[15] 蔣明鏡，白閏平，劉靜德，等.巖石微觀顆粒接觸特性的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2013，32（6）：1121-1128.

【責任編輯 張智民】

收稿日期：2018-12-15

基金項目：國家自然科學基金資助項目（41472115）

作者簡介：劉亞萍（1984—），女，甘肅天水人，講師，碩士，研究方向為建筑材料

E-mail：lang374@163.com