凍融干濕循環條件下壓砂礫石損傷過程

劉民安，董亞萍，李 晨，李王成,3,4，李于坤，馬己安，高海燕，郝 璐

凍融干濕循環條件下壓砂礫石損傷過程

劉民安1，董亞萍2，李 晨2，李王成2,3,4，李于坤2，馬己安2，高海燕2，郝 璐2

（1. 寧夏大學食品與葡萄酒學院，銀川 750021； 2. 寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021；3. 寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，銀川 750021；4. 旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

為了解凍融干濕循環條件下壓砂礫石損傷過程，該研究模擬當地自然氣候環境，探討壓砂礫石粒徑、鹽度及凍融干濕循環次數對壓砂礫石田間風化的作用效果。測定壓砂礫石質量損失量，采用掃描電鏡試驗和X射線粉末衍射試驗觀察壓砂礫石的微觀結構及礦物組成的變化，初步分析了當地壓砂礫石損傷機理。結果表明：1）小粒徑（2、10 mm）處理的壓砂礫石質量損失量較大。壓砂礫石質量損失量與粒徑負相關，累積質量損失率與粒徑負相關，與凍融干濕循環次數正相關。壓砂礫石累積質量損失率與凍融干濕循環次數為一次函數遞增關系（2≥0.928）。影響壓砂礫石質量損失量因素為粒徑，影響礫石累積質量損失率因素為凍融干濕循環次數、粒徑。2）粒徑為10 mm、鹽度為6 g/L處理時孔隙率增幅最大（16.78%）。孔隙率與粒徑負相關，與凍融干濕循環次數正相關，影響礫石孔隙率因素由大到小為粒徑、凍融干濕循環次數。3）壓砂礫石中主要有5種礦物，白云母和鈉長石質量分數與粒徑正相關，石英與粒徑負相關。粒徑是影響壓砂礫石石英、白云母和鈉長石含量主要因素。4）壓砂礫石損傷內因為結構特性、裂隙發育情況和親水性礦物含量；外因為凍融風化、水巖作用及鹽分參與淋溶。研究結果可為壓砂地土壤健康發展與可持續利用提供依據。

風化；礦物；淋溶；壓砂礫石；凍融干濕循環；掃描電鏡

0 引 言

壓砂地是將10～15 cm厚的卵石、砂礫石等覆蓋在土壤表面，以達到協調土壤水肥氣熱狀況目的的一種土地利用方式[1]，在寧夏推廣近百年[2]，取得了顯著的經濟和生態效益。壓砂地種植作物主要是硒砂瓜、枸杞、棗樹、甜瓜、歐李[3]。隨著壓砂地種植年限的不斷延長，受壓砂礫石（主要是灰綠板巖）風化加劇及不合理耕作方式等的影響，壓砂地的肥力會不斷降低，生態功能會逐漸喪失。為此，學者們展開了與壓砂地相關的研究，這些研究主要集中在壓砂地水鹽運移和土壤質量等方面。研究表明，長期壓砂種植后土壤結構發生改變，土壤水分入滲過程受到影響[4]，壓砂地保水、保溫[5-6]、抑鹽[7-9]和降塵[10]的作用逐漸減弱，土壤有機質質量和含量[11]明顯降低，土壤微生物環境[12]發生改變。然而，對于覆蓋在鹽堿土上的不同粒徑壓砂礫石田間風化過程的研究較少。

巖石風化顯著影響其周圍土壤[13]、水體[14]、植物[15]及氣候變化[16-17]情況。曾志雄等[18-20]研究表明，凍融干濕循環作用比單獨干濕循環作用、單獨凍融循環作用對巖土的破壞力更強。韓鐵林等[21]研究發現，在三峽庫岸邊坡消落帶砂巖風化過程中，凍融循環比干濕循環對砂巖破壞更強，此外，酸性化學溶液中SO42-溶液對砂巖的破壞力最強。在凍融干濕循環作用下，非飽和黃土微觀結構發生變化，水分重新分布，并且黃土強度減弱[22]。千枚巖的物理力學特征指標隨循環次數的增加逐漸弱化，并且在不同凍融循環或干濕循環處理中，極干-極濕循環處理對千枚巖的損傷最嚴重[23]。目前，在凍融干濕環境巖土風化過程方面的研究取得了一定的成果，但針對寧夏中衛地區壓砂礫石（灰綠板巖）在凍融干濕循環條件下損傷規律的研究較少。

寧夏當地鹽堿土上壓砂礫石常年遭受凍融干濕循環破壞，李王成等[24]僅對壓砂地礫石元素淋溶影響因素等進行了探討，但其風化過程及影響機理仍不明確，鹽堿環境對壓砂礫石風化過程的影響作用還需要進一步研究。研究壓砂礫石田間風化過程及其影響因素對寧夏中衛地區壓砂地產業健康及可持續發展有著重要意義。為了解凍融干濕循環條件下壓砂礫石損傷過程，本研究模擬當地自然氣候環境，探討壓砂礫石粒徑、鹽度及凍融干濕循環次數對壓砂礫石田間風化的作用效果，以期為闡明壓砂礫石風化過程對壓砂地的影響機制提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試壓砂礫石樣品均采自寧夏回族自治區中衛市沙坡頭區香山鄉紅圈子村尹東大隊同一區域（36°56′24″N，105°13′44″E），地處于香山-大羅山變質分區[25]。供試壓砂礫石是奧陶系灰綠-深灰色云母斜長綠泥石石英板巖，屬于變質巖。壓砂礫石粒徑通常為10～30 mm，壓砂厚度為10～15 cm[26]。寧夏灌區耕地毛面積64.23萬hm2，鹽漬化面積占比39.72%，其中，輕、中、重級鹽漬化面積比例為2.1:1.42:1[27]。試驗用水為NaCl溶液。

1.2 試驗設計和過程

試驗采用室內模擬方法，依據國際制砂粒分級標準（砂粒粒徑為0.02～2 mm）、當地常見覆砂礫石粒徑（10～30 mm）和寧夏土壤鹽漬化等級劃分標準（輕度、中度、重度），設計A1～A4共4種礫石粒徑處理（直徑2、10、20、30 mm）和B1～B4共4種鹽分處理（NaCl鹽溶液濃度分別為0、3、6、10 g/L）的兩因素隨機設計試驗，詳見表1。試驗設置16個處理，每個處理重復3次，共計48次試驗。

表1 兩因素隨機設計試驗處理

清洗礫石并在自然光下晾曬，曬干后利用4個尼龍網篩（2、10、20、30 mm）篩分，隨后人工挑揀相應粒徑壓砂礫石，保證粒徑均勻一致。另外，切割5 cm × 5 cm × 10 cm的壓砂礫石標準試件5塊。然后將礫石置于105℃的烘箱干燥24 h，置于干燥箱中備用。根據壓砂地的壓砂厚度（10～15 cm），采用壓砂厚度為12 mm，用萬特電子秤（量程3 000 g、精度0.01 g）稱量單桶質量（1 000 ± 1）g，隨機選取干燥后的壓砂礫石，裝入1 L的塑料燒杯中。隨后將不同NaCl鹽溶液（0、3、6、10 g/L）倒入相應處理的塑料燒杯中，保鮮膜封好，浸泡48 h，使得礫石達到飽水狀態。詳見圖1。

試驗時，凍結溫度為（?20±2）℃，凍結時長17 h；融解溫度為（25±2）℃，融解時長為7 h；干濕溫度（30±2）℃，干燥時長22 h，泡水時長2 h，采用上海一恒鼓風干燥箱（DHG-9245A）和風冷變頻冰箱（美菱）控制試驗環境溫度，如圖2所示。一個凍融干濕循環過程作為一個大循環，一個循環48 h。凍融干濕循環次數為80次，試驗時長160 d，基本單元為20次。

1.3 試驗檢測項目與指標計算方法

試驗開始前，依據《水利水電工程巖石試驗規程.SL-264-2001》[28]測定壓砂礫石（灰綠板巖）的含水率（%）、吸水率（%）。試驗過程中，每進行10次循環，通過烘干法稱量杯底壓砂礫石屑（粒徑＜0.15 mm），循環開始前（即循環次數為0）、循環20、80次時，依據ICAS檢測中心實驗室推薦方法和GB/T30904-2014標準[29]，用掃描電鏡（德國蔡司公司Zeiss EVO18）和X射線粉末衍射儀（德國布魯克公司Bruker D8）測定表面形貌、微觀結構及礦物組成。

壓砂礫石累積質量損失率為：

W=|(M?0)/0|×100%（1）

式中W是第次壓砂礫石累積質量損失率，%；M是第次凍融干濕循環處理后壓砂礫石總損失量，g；0是凍融干濕循環處理開始前壓砂礫石的質量，g。

試驗數據由Excel、Origin2018軟件進行圖形的輸出，MATLAB軟件進行掃描電鏡試驗圖像二值化處理，Jade 6.0軟件處理X射線粉末衍射試驗壓砂礫石衍射圖譜。采用Excel軟件進行曲線擬合得出相應變量函數關系，采用SPSS 25.0軟件進行相關分析和逐步回歸分析明確自變量對因變量的主要影響因素。

2 結果與分析

2.1 天然狀態下壓砂礫石裂隙發育及礦物組成分析

2.1.1 不同粒徑壓砂礫石物理性質分析

對比4種粒徑壓砂礫石的基本物理性質發現（表2），壓砂礫石（除2 mm粒徑外）的天然含水率，自由吸水率，飽和吸水率值隨著礫石粒徑增大而減小，說明粒徑較大的礫石裂隙發育較差。此外，自由吸水率和飽和吸水率值均低于1.5%，說明壓砂礫石吸水性較差。壓砂礫石的飽水系數均小于0.91，說明壓砂礫石抗凍性較好，其中，20和30 mm壓砂礫石的飽水系數較大，說明二者大開型空隙比小開型空隙多；10 mm壓砂礫石的飽水系數較小，但其大開型和小開型空隙均是最大的。

表2 不同粒徑壓砂礫石基本物理性質

注：Max、Min、SD分別為最大值、最小值和標準差。-，無數據。

Note: Max, Min and SD are maximum, minimum and standard deviation, respectively. -, no data.

2.1.2 不同粒徑壓砂礫石微觀結構分析

為了解田間不同粒徑壓砂礫石微觀結構，評價其裂隙發育情況，對4種粒徑（2、10、20、30 mm）進行掃描電鏡檢測，鑒定壓砂礫石表面形貌、裂隙形態及大小和結構特點等，結果見圖3。

圖3掃描電鏡結果顯示，自然狀態下壓砂礫石試樣表面形貌相對比較粗糙，呈現河流狀形貌，表面凹凸不平，具有板巖的明顯的板狀構造。板理面由礦物定向排列而成，板理清晰，微裂隙與微裂縫發育，最大連通裂隙長度可達40m，部分微孔洞發育，孔洞分為槽形和多孔結構，最大微孔洞直徑在30m左右。壓砂礫石碎屑大都呈不規則鱗片狀、長條狀，少數呈有棱角的塊狀、粒狀，顆粒輪廓分明，其大小、形貌差別較大，顆粒粒徑相對較小，粒徑在1～12m間變化。壓砂礫石礦物膠結方式有孔隙充填式和孔隙墊襯式，鱗片狀有的面面接觸成型，存在較小微孔隙，有的面線相連成形成凸起，粒狀和塊狀堆積成團粒，分布松散，結構稀松，存在較多的裂隙。壓砂礫石在田間經歷風化過程，不論礫石粒徑大小，其表面形貌都有一定的破壞，微裂隙、裂隙和微孔洞發育，膠結方式改變，膠結強度降低，結構不同程度破壞。總體上，粒徑越小破壞越明顯。

SEM圖像的大小是通過像素來表達的，圖像顏色的深淺是由灰度來表達，不同的灰度對應不同的閾值。利用MATLAB對壓砂礫石掃描電鏡圖片（2 000倍）進行圖像二值化處理后計算壓砂礫石孔隙率，結果見圖4。

從圖4可知，2和20 mm粒徑的壓砂礫石孔隙分布均勻。相比之下，10和30 mm壓砂礫石孔隙分布較集中。天然狀態下的壓砂礫石孔隙率隨著粒徑的增大而減小，函數擬合結果顯示兩者呈線性函數遞減關系。

2.1.3 不同粒徑壓砂礫石礦物組成分析

通過X射線粉末衍射試驗測定壓砂礫石礦物組成。由表3可知，壓砂礫石主要礦物有石英、云母、斜長石、綠泥石、方解石，礦物質量分數分別44%、18%、18%、15%、4%。壓砂礫石的大硬度礦物有石英及斜長石，占比62%；小硬度礦物有云母、綠泥石及方解石，占比37%；不穩定礦物有云母和斜長石，占比36%。從礦物石英的含量可知，壓砂礫石是堿性巖石（SiO2質量分數＜52%）。此外，黏土礦物綠泥石（質量分數為15%）是礫石呈現灰綠-深灰色顏色和遇水軟化的主要原因。

表3 壓砂礫石礦物組成及質量分數

2.2 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石質量變化分析

2.2.1 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石質量變化

由表4可知，16個處理的壓砂礫石經歷凍融干濕過程后其質量均有一定程度的減少，在2.32～33.57 g之間。第40次循環前，2 mm壓砂礫石質量損失量最大；40次循環后，10 mm壓砂礫石質量損失量最大。總體上，小粒徑（2、10 mm）處理對壓砂礫石質量損失量較大。這主要是因為在飽水條件下的凍融干濕循環破壞過程中，小粒徑的壓砂礫石自身比表面積大、孔隙率較大、裂隙發育較高、風化程度較高和與淋溶液和礫石間作用面積較大，礫石更容易在鹽分的參與下發生結構的改變，從而導致了壓砂礫石碎屑的產生。

表4 不同粒徑及鹽度壓砂礫石的質量損失量變化

2.2.2 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石累積質量損失率分析

圖5表明在凍融干濕循環過程中，16種處理的壓砂礫石累積質量損失率隨著凍融干濕循環次數增加而增大，10～20次凍融干濕循環時，壓砂礫石累積質量損失率變化最大。16種處理的壓砂礫石第80次累積質量損失率為A1B1（8.99%）、A1B2（11.26%）、A1B3（10.99%）、A1B4（10.27%）、A2B1（5.47%）、A2B2（8.35%）、A2B3（8.86%）、A2B4（9.52%）、A3B1（4.51%）、A3B2（5.49%）、A3B3（5.64%）、A3B4（5.84%）、A4B1（3.76%）、A4B2（4.33%）、A4B3（3.91%）、A4B4（4.63%）總體上，小粒徑（2、10 mm）處理的壓砂礫石累積質量損失率較大。

通過對16種不同粒徑及鹽度處理與壓砂礫石累積質量損失率進行函數擬合（見表5），結果發現壓砂礫石累積質量損失率與不同粒徑及鹽度處理呈一次函數遞增關系，且擬合度較高（2≥0.928）。

表5 凍融干濕循環次數與壓砂礫石累積質量損失率函數關系

注：：壓砂礫石累積質量損失率，%；：凍融干濕循環次數；**：<0.01；*：<0.05。

Note:: cumulative mass loss rate of gravel-sand, %;: freeze-thaw-dry-wet cycle times. **：<0.01；*：<0.05。

2.2.3 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石質量損失量、累積質量損失率影響因素分析

對粒徑、鹽度、凍融干濕循環次數與壓砂礫石質量損失量、累積質量損失率進行皮爾遜相關性檢驗，結果見表6。

表6 粒徑、鹽度、循環次數與質量損失量、累積質量損失率相關系數

注：樣本數128個。

Note: The sample size is 128.

經過皮爾遜相關性檢驗（表6），發現壓砂礫石質量損失量與粒徑顯著中度負相關（0.4<|=|?0.55|<0.6，<0.01），與鹽度和凍融干濕循環次數無相關關系。壓砂礫石累積質量損失率與粒徑顯著強負相關（0.6<|?0.61|<0.8，<0.01），與鹽度無相關關系，與凍融干濕循環次數顯著強正相關（0.6<0.69<0.8，<0.01），與質量損失量顯著弱正相關（0.2<0.37<0.4，<0.01）。逐步回歸方程（表7）表明，本試驗條件下，影響壓砂礫石質量損失量因素為粒徑，影響壓砂礫石累積質量損失率因素為凍融干濕循環次數、粒徑。

表7 粒徑、鹽度、循環次數與質量逐步回歸分析

2.3 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石劣化模式掃描電鏡分析

2.3.1 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石表面形貌分析

圖6分別顯示了凍融干濕循環20、80次時12種組合處理的壓砂礫石宏觀表面形貌變化情況。由圖可知壓砂礫石掃描電鏡（500倍）結果顯示，12種處理組合對壓砂礫石表面形貌都有一定的破壞作用，其微裂隙、裂隙和微孔洞進一步發育，膠結作用降低，結構遭受不同程度的破壞。同一凍融干濕循環次數，同一鹽分處理條件下，壓砂礫石的基巖破壞程度、表面粗糙程度、微裂隙數量大小、裂隙數量大小、微孔洞數量大小及巖屑含量隨著壓砂礫石粒徑增大而減小，而顆粒間膠結強度隨著壓砂礫石粒徑增大而增大。相同凍融干濕循環次數，同一粒徑水平條件下，壓砂礫石的基巖破壞程度、表面粗糙程度、微裂隙數量大小、裂隙數量大小、微孔洞數量大小及巖屑含量隨著淋溶液鹽分的增大而增大，而顆粒間膠結強度隨著淋溶液鹽度增大而減小。80次凍融干濕循環處理壓砂礫石表面形貌破壞程度大于20次凍融干濕循環時，具體表現為基巖破壞面積各大、破壞深度更深，表面形貌更粗糙及平整度下降，巖屑從小粒徑少量分散分布到大粒徑巖屑從基巖上剝離，巖屑數量增加，裂紋邊界逐漸平滑。微裂隙、裂隙及微孔洞數量增多，顆粒結構從相對密實狀態逐漸變得趨于松散，顆粒間膠結強度降低。綜上所述，壓砂礫石表面形貌破壞程度隨粒徑增大而減小，隨鹽度、凍融干濕循環次數增大而增大。

2.3.2不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石微觀結構分析

選取20、80次的2、10、30 mm壓砂礫石選定區域進行鎢絲燈掃描電鏡微觀結構分析，圖7為20和80次凍融干濕循環后12個處理的壓砂礫石微觀結構掃描電鏡結果。12種處理組合對壓砂礫石微觀結構均有一定的破壞作用，尤其是沿板理或板理劈理面更容易遭受破壞并剝落。壓砂礫石微觀結構破壞程度（基巖破壞程度、表面破碎程度、微裂隙數量大小、裂隙數量大小、微孔洞數量大小及巖屑含量大小）與粒徑呈負相關關系，與鹽度、凍融干濕循環次數呈正相關關系。80次凍融干濕循環后的壓砂礫石微觀結構較20次凍融干濕循環時更為松散，破碎面積及深度更大，孔隙發育更明顯，裂紋輪廓更圓潤，顆粒間膠結強度更低，巖屑數量更多，巖屑更小更薄。此外，80次凍融干濕循環后巖屑出現熔融狀態，并發現氯化鈉結晶，說明發生了鹽風化，此現象在小粒徑大鹽度處理的壓砂礫石樣品中更為明顯。這是因為壓砂礫石經歷凍融干濕循環破壞時壓砂礫石裂隙發育，小粒徑的比表面積更大利于鹽分累積。

2.3.3 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石孔隙率及其影響因素分析

為進一步描述凍融干濕循環條件下壓砂礫石孔隙發育情況，利用MATLAB對壓砂礫石掃描電鏡圖片（2 000倍）進行二值處理后計算壓砂礫石孔隙率得到圖8。

圖8表明，壓砂礫石孔隙率在80次凍融干濕循環時比20次凍融干濕循環時更大，其中，A1B4、A2B2、A2B3、A2B4、A4B2、A4B3處理孔隙率變化較大，分別增大了12.88%、11.57%、16.78%、15.95%、14.64%、14.91%。20次循環時，不同鹽度處理的2 mm壓砂礫石孔隙率均大于30%，10 mm壓砂礫石孔隙率均>29%，30 mm壓砂礫石孔隙率均>23%。80次循環時，不同鹽度處理的2 mm壓砂礫石孔隙率均>33%，10 mm壓砂礫石孔隙率均>40%，30 mm壓砂礫石孔隙率均>30%。比較而言，10 mm壓砂礫石處理，孔隙率增幅最大。

對粒徑（1，mm）、鹽度（2，g/L）、凍融干濕循環次數（）與孔隙率（，%）進行皮爾遜相關性檢驗，結果見表8。壓砂礫石孔隙率與粒徑顯著中度負相關（=?0.48，<0.01），與鹽度無相關關系，與凍融干濕循環次數顯著強正相關（= 0.69，<0.01）。逐步回歸方程表明，本試驗條件下，影響壓砂礫石孔隙率因素由大到小為粒徑、凍融干濕循環次數。

=0.316+0.0023?0.0031(2=0.84,<0.01) （2）

表8 粒徑、鹽度、循環次數與孔隙率相關系數

注：樣本數24個。下同。

Note: Sample size is 24. Same below.

2.4 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石礦物組成變化規律

為進一步了解凍融干濕循環處理條件下不同粒徑及鹽度處理的壓砂礫石礦物組成及含量，利用Jade6.0軟件進行物相分析并統計壓砂礫石礦物組成及含量，結果見圖9。

圖9顯示了凍融干濕循環20、80次時，12種組合處理的壓砂礫石X射線衍射試驗譜圖定性及定量處理結果。由圖可知，不同處理組合的壓砂礫石中礦物種類以石英、鈉長石及白云母為主，還有綠泥石和方解石。結合表9粒徑、鹽度、凍融干濕循環次數及各個礦物含量的皮爾遜相關分析結果表明，石英含量與粒徑呈現顯著強負相關關系（=?0.64，<0.01），與鹽度、凍融干濕循環次數無相關關系。白云母含量與粒徑呈現顯著中度正相關關系（0.4<=0.47<0.6，<0.05），與鹽度、凍融干濕循環次數無相關關系。鈉長石含量與粒徑呈現顯著中度正相關關系（0.4<=0.45<0.6，<0.05），與鹽度、凍融干濕循環次數無相關關系。綠泥石、方解石含量與粒徑、鹽度和凍融干濕循環次數無相關關系。根據表10礦物的逐步回歸方程可知，本試驗條件下，影響壓砂礫石石英、白云母和鈉長石含量的因素為粒徑，其余礦物無顯著影響因素。

表9 粒徑、鹽度、循環次數與礦物含量相關系數

表10 粒徑與礦物含量逐步回歸分析

2.5 壓砂礫石損傷機理

從氣象及環境條件角度分析（圖10），研究區的壓砂礫石在春、冬季節發生凍融循環破壞，夏、秋季節經歷干濕循環作用，處于輕度鹽漬化土壤表面（含鹽量1.5 g/kg左右）。這為壓砂礫石田間風化提供環境條件，并且研究區壓砂地覆蓋材料灰綠板巖取自香山沖積扇區域，壓砂礫石是板巖經歷自然風化過程而形成，自身存在裂隙發育。

從巖性角度分析，自然狀態下，田間不同粒徑的壓砂礫石裂隙發育有差異。隨粒徑增大，裂隙發育程度隨粒徑增大而減小，孔隙率和粒徑呈線性函數遞減關系。壓砂礫石表面形貌相對比較粗糙，板狀構造，礦物晶體多呈不規則鱗片狀，礦物膠結方式有孔隙充填式和孔隙墊襯式，礦物組成是石英、白云母、斜長石、綠泥石、方解石。綜上所述，壓砂礫石為微風化，強度較弱，抗風化能力較弱。

從鹽分參與的凍融干濕循環過程角度分析，在試驗前壓砂礫石經歷48 h不同鹽度水平溶液飽水處理時，鹽溶液濕潤壓砂礫石表面后滲入礫石內部的微裂隙、裂縫及微孔洞。此時，鹽溶液與壓砂礫石發生化學反應，破壞其內部結構，使得壓砂礫石裂隙進一步發育；并且生成黏土礦物，從而破壞礫石內部膠結狀態等。試驗過程中，壓砂礫石首先經歷凍融過程，凍結時，壓砂礫石內部裂隙中鹽溶液因低溫作用而凍結，產生冰晶，冰晶不斷增多導致礫石內部裂隙漲大，裂隙不斷發育；融解時，由于溫度上升，礫石內部冰晶融化，冰晶由固態變為液態和少部分氣態。隨后，壓砂礫石進行干濕處理，干燥時，壓砂礫石內部鹽溶液隨著溫度上升而蒸發，蒸發后留下鹽晶體，礫石溫度逐漸上升，發生熱膨脹現象；浸泡時，發生熱膨脹的壓砂礫石經較低鹽溶液淋洗并浸泡，溫差作用進一步加快壓砂礫石裂隙發育匯集。凍融干濕循環過程中，壓砂礫石中的親水性黏土礦物綠泥石和云母吸水膨脹，體積變大，促進礫石內部孔隙、裂隙逐漸發育、匯集；同時，礦物顆粒逐漸軟化、分解，礫石微觀結構逐漸趨于松散。此外，綠泥石、白云母等礦物的定向排列，在壓砂礫石內部形成非常明顯的層理、片理、裂縫等軟弱結構面，在這些結構面附近，礦物顆粒間的粘結力很小，強度很低，導致壓砂礫石遇水軟化。同時，鹽溶液與壓砂礫石發生與飽水48 h時同樣的化學反應，此處不再贅述。本試驗條件下，壓砂礫石內部裂隙中鹽溶液不斷經歷著三相轉變，并且鹽分參與促進水巖相互作用，最終壓砂礫石結構被破壞，礦物組成改變，膠結作用減弱，壓砂礫石強度減低，宏觀上表現為壓砂礫石破碎成更小粒徑碎石或巖屑。

壓砂礫石凍融干濕循環破壞的主要內因是其結構特性、裂隙發育情況和親水性礦物含量；主要外因是氣象條件引起的凍融風化和水巖作用及礫石所處土壤鹽分參與淋溶過程。

3 結 論

本研究針對寧夏中衛香山地區壓砂礫石風化問題，以當地主要壓砂礫石（灰綠板巖）為研究對象，在了解當地壓砂礫石裂隙發育情況的基礎上，通過室內模擬試驗，設置了4種粒徑和4種鹽分濃度的兩因素隨機試驗，研究本試驗條件下，壓砂礫石質量、微觀結構和礦物組成的變化規律，主要得到以下結論：

1）小粒徑（2、10 mm）處理的壓砂礫石質量損失量較大。壓砂礫石質量損失量與粒徑負相關，累積質量損失率與粒徑負相關，與凍融干濕循環次數正相關。壓砂礫石累積質量損失率與凍融干濕循環次數為線性函數遞增關系（2≥0.928）。影響壓砂礫石質量損失量因素為粒徑，影響礫石累積質量損失率因素為凍融干濕循環次數、粒徑。

2）壓砂礫石表面形貌與微觀結構破壞程度隨著粒徑增大而減小，隨著鹽度、凍融干濕循環次數增大而增大；第80次凍融干濕循環后巖屑出現熔融狀態，并發現氯化鈉結晶。壓砂礫石孔隙率與粒徑負相關，與凍融干濕循環次數正相關。10 mm壓砂礫石的處理，孔隙率增幅最大，影響礫石孔隙率因素由大到小為粒徑、凍融干濕循環次數。

3）白云母和鈉長石含量與粒徑正相關，石英與粒徑負相關。粒徑是影響壓砂礫石石英含量、白云母含量和鈉長石含量的主要因素。

本試驗過程中，采用2、10、20、30 mm粒徑的壓砂礫石為研究對象，未涉及小于2 mm以下粒徑水平，但在試驗過程中各個粒徑壓砂礫石部分質量以巖屑的形式淋失，作為土壤的補充源，因此小于2 mm粒徑水平下壓砂礫石風化過程可進一步研究。凍融干濕循環次數對壓砂礫石損傷及淋溶有重要影響，考慮到本試驗可行性，采用凍融干濕循環次數為80次，時間序列較短，建議今后試驗延長循環次數。壓砂礫石所處土壤中分布著植物根系，土壤微生物、小型動物的活動及腐植酸對巖石的分解都可以改變巖石風化過程。因此，有必要研究植物、微生物生命活動對壓砂礫石理化特性的影響。

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Damage process of gravel-sand under freeze-thaw-dry-wet cycle

Liu Min’an1, Dong Yaping2, Li Chen2, Li Wangcheng2,3,4, Li Yukun2, Ma Ji’an2, Gao Haiyan2, Hao Lu2

(1.,,750021,; 2.,,750021,; 3.,750021,; 4.,750021,)

It is of great significant to study the weathering process of gravel-sand and its influential factors in Ningxia. The gravels are important for crop production such as watermelon because the sandy fields covered with gravels can prevent evaporation and keep soil moisture. However, the weather process of the gravels on the sandy fields is little understood. This study aimed to clarify the damage process of gravel-sand under the conditions of freeze-thaw-dry-wet cycle. The gravels were sampled from sandy fields (gray-green slate)in Xiangshan area of Zhongwei, Ningxia of China (36°56′24″N,105°13′44″E). An indoor simulation experiment was carried out. According to the international soil classification standard and local gravel-sand particle sizes distributions, four levels of gravel sizes (2, 10, 20 and 30 mm) were designed. Based on the soil salinization classification standard in Ningxia, four salinity treatments were considered. The concentration of NaCl were 0, 3, 6 and 10 g/L, respectively, used for simulation of salinization of no, light, moderate, severe levels. A total of 16 treatments including four particle sizes and four salinity levels were designed. Each treatment replicated three times. Each freeze-thaw-dry-wet cycle started from freezing at ?20 °C for 17 hours, increasing temperature to 25 °C for seven hours, drying at 30 °C in a dry oven for 22 hours and then soaking for two hours. Before starting the test, the water content and water absorption of the gravel-sand were measured. During the freeze-thaw-dry-wet cycles, the mass loss (particle size <0.15 mm) of the gravel-sand was measured every 10 cycles. When the cycles were 0, 20, and 80, the microstructure and mineral composition of gravel-sand were determined by a scanning electron microscopy and a X-ray powder diffraction instrument, respectively. The effects of particle size, salinity and the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles on the weathering of gravel-sand were explored. The results showed that the mass loss of gravel-sand with small particle size (2 and 10 mm) was higher relatively. The mass loss and the cumulative mass loss rate of gravel-sand were negatively correlated with particle size, and the cumulative mass loss rate of gravel-sand was positively correlated with the number of freeze-thaw-dry-wet cycle. In general, the relationship between the cumulative mass loss rate of gravel-sand and the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles followed an increasing linear function (2≥0.928). The factors affecting the cumulative mass loss rate were the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles and particle size. The porosity was high when the particle size was 10 mm and the salinity was 6 g/L, and the porosity was negatively correlated with particle size but positively correlated with the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles. The factors affecting the porosity of gravel were particle size and freeze-thaw-dry-wet cycle. Five kinds of minerals was found in the gravel-sand and they were muscovite, albite, quartz, cholorite and calcite. The content of muscovite and albite were positively correlated with particle size, and quartz content was negatively correlated with particle size. Particle size was the main factor affecting the contents of quartz, muscovite and albite in gravel-sand. The damage of gravel-sand was caused internally by structural characteristics, fissure development and hydrophilic mineral content, and caused externally by freeze-thaw weathering, water-rock interaction and salt leaching. The results provide valuable information for the healthy development and sustainable utilization of soil in gravel-sand land.

weathering; minerals; leaching; gravel-sand; freeze-thaw-dry-wet cycle; scanning electron microscopy

劉民安，董亞萍，李晨，等. 凍融干濕循環條件下壓砂礫石損傷過程[J]. 農業工程學報，2021，37(1)：176-187. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.022 http://www.tcsae.org

Liu Min’an, Dong Yaping, Li Chen, et al. Damage process of gravel-sand under freeze-thaw-dry-wet cycle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 176-187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.022 http://www.tcsae.org

2020-06-20

2020-11-23

國家自然科學基金項目（51869023）；寧夏自治區級青年拔尖人才項目（030103030008）；寧夏大學“西部一流”重大創新項目（ZKZD2017002）；寧夏大學國內一流建設學科“水利工程”學科項目（NXYLXK2017A03）

劉民安，實驗師，主要研究方向為水土資源退化與修復方向。Email：liumin_an@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.022

P584

A

1002-6819(2021)-01-0176-12