廣西炭質巖石耐崩解性與微觀結構特征試驗研究

劉先林，張 濤，駱俊暉

(1.廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530029；2.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；3.廣西北投交通養護科技集團有限公司，廣西 南寧 530029)

我國西南地區基礎建設中經常遇到炭質巖石，此類巖石對其賦存環境具有較高的敏感性，表現為遇水易軟化、崩解，受熱亦會裂解，工程地質性質較差。近年來，在廣西地區道路設施大力建設的背景下，以炭質巖石構成的邊坡滑坡、崩塌等地質災害頻發，其相應的預警與減災措施尚不完備。此外，炭質巖石構成的道路路基的安全服役性能和炭質巖石隧道的長期穩定性問題，已引起研究者的高度重視。

炭質巖石大致可以分為炭質泥巖、炭質頁巖和炭質灰巖三大類，其耐崩解性涉及復雜的水-巖相互作用，礦物成分、節理結構、酸堿度和應力環境均是其重要影響因素。Luo等對廣西地區炭質巖石的分布、巖性和孔隙結構等進行了系統研究，并指出炭質巖石的耐崩解性與其礦物成分密切相關，這為探索炭質巖石的崩解機理提供了重要素材；付宏淵等以廣西河池市的炭質泥巖為研究對象，通過一系列室內試驗探討了荷載和干濕循環作用對炭質泥巖耐崩解性的影響；張巍等開展了泥質膨脹巖吸水率和崩解試驗，認為其膨脹性與耐崩解性之間存在良好的負相關關系，即膨脹性強的巖石，其耐崩解性較差；曹雪山等研究了泥巖崩解過程中強度衰減的影響因素，認為干濕循環對泥巖耐崩解性的影響存在臨界次數，且其耐崩解性與強度指標、裂隙之間存在內在聯系；梁冰等借助化學分析和微觀結構測試手段，研究了凍融、干濕循環作用對泥質巖石崩解特性的影響規律和機理，指出凍融作用對泥質巖石崩解性的影響更為顯著；鄧濤等研究了酸堿環境下泥質頁巖崩解特性的劣化規律，發現酸性條件對泥質頁巖崩解性的影響更為顯著；吳道祥等通過室內試驗總結了影響紅層軟巖崩解性的影響因素，認為軟巖類型、膠結物類別和黏土礦物含量是決定其崩解性的內在因素。

雖然現有的關于軟泥巖礦物成分和工程特性的研究較多，也取得了一些重要的成果，但是對于西南地區廣泛存在的炭質巖石耐崩解性的研究鮮有報道，相應的微觀機理也亟需探明。為此，本文以廣西地區典型的炭質巖石為研究對象，首先簡要概述了該地區炭質巖石的分布范圍和巖性特征；然后開展了炭質巖石的耐崩解性試驗、篩分試驗、總有機碳(Total Organic Carbon,TOC)含量測定和掃描電鏡等室內試驗，研究了炭質巖石耐崩解指數和崩解分維數隨干濕循環次數的變化規律，分析了炭質巖石耐崩解指數、崩解分維數與TOC含量的相互關系，并通過對比水分浸入前后炭質巖石微觀結構的變化特征，探討了其崩解機理。

1 廣西地區炭質巖石的分布范圍和巖性特征

根據廣西區域地質志和各比例尺區域地質調查等現有研究成果，揭示出廣西區域內炭質巖地層的分布較廣，常作為主體巖性或頻繁出現的夾層，分布于青白口系至三疊系各時代地層單元中，各組段的主要巖性組合、地層厚度等特征的變化較大。綜合已有資料和野外實地調查結果的認識，篩選出廣西地區主要的炭質巖地層單元，明確了其大致分布范圍和主要巖性組合特征，主要有：青白口系合桐組(Q

bh

)；震旦系陡山沱組(Z

d

)；寒武系清溪組(∈

q

)；奧陶系升坪組(O

s

)；志留系連灘組(S

l

)；泥盆系塘丁組(D

t

)、羅富組(D

l

)；石炭系鹿寨組(C

lz

)、英塘組(C

yt

)、黃金組(C

h

)、寺門組(C

s

)；二疊系龍潭組(P

l

)、大隆組(P

d

)、領好組(P

lh

)；三疊系石炮組(T

s

)。廣西地區炭質巖石分布廣泛，沉積環境的不同導致不同地層中炭質巖石在礦物組成和巖性特征方面存在一定的差異。本文以常見的桂西泥盆系羅富組(D

l

)為代表，概述其主要特征。泥盆系羅富組(D

l

)炭質巖石的主體巖性為深灰及黑色薄-中層狀炭質泥巖、竹節石泥巖、鈣質泥巖、炭染含生物屑泥巖、含粉砂質泥巖夾極薄層的粉砂巖、中-薄層細砂巖、透鏡狀泥灰巖、黃鐵礦化泥巖團包、少量磷質結核和菱鐵礦條帶等。在縱向上，該組地層底部見2～3層厚度為15～30 cm的細砂巖、石英細砂巖等；中部局部層段含泥粉晶灰巖、粉砂質微晶灰巖、透鏡狀泥灰巖等夾層較多；中上部菱鐵礦條帶、磷質結核、鈣質結核、黃鐵礦團包(主要成分為含鐵的二硫化物)、鐵錳質結核較多。同時，該組炭質巖石具節理、劈理、水平層理、水平紋層、沙紋交錯層理和正粒序層理，局部可見波狀層理、包卷層理、滑塌構造、砂枕構造、底沖刷構造和弱的底模構造，系鈣屑濁流沉積形成。此外，該組地層中生物化石豐富，見較多竹節石、菊石、腕足類以及少量介形蟲、三葉蟲、箭石、雙殼類，偶見海綿骨針和放射蟲。泥盆系羅富組(D

l

)炭質巖石中的主要礦物組分為黏土礦物、石英、方解石和白云石。其中，黏土礦物含量最高，平均含量約為35%，以伊利石為主，鮮有蒙脫石和高嶺石；其次為石英，平均含量約為30%；碳酸鹽礦物含量總體較低，平均含量在20%～25%之間，其余可見少量還原性礦物如黃鐵礦、菱鐵礦、鈦鐵礦和白鐵礦等。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

本研究炭質巖石試驗材料取自廣西河池市某高速公路邊坡工程現場。由現場工程資料得知，該炭質巖邊坡在經歷數十天的連續降雨后，發生了滑塌現象，并觀察到炭質巖石遇水逐漸崩解的現象。對于采集的新鮮巖樣，現場采用蠟封法進行保存，并將其放置于木制運輸箱內，箱內布置有棉絮，用于減少巖樣在運輸過程中的振動損傷。圖1為廣西地區典型的炭質巖石試樣照片，該巖樣內含有大量炭化有機質和黑色黏土巖，手指觸摸后會產生明顯的“污手”現象。

圖1 廣西地區典型的炭質巖石試樣

本研究選擇代表性巖樣(共5組)進行了基本物理化學分析測試，該代表性巖樣應具有運輸保存完整、巖樣新鮮以及外觀、顏色、“污手”程度與其他巖樣基本一致的特征。測試結果顯示：試驗巖樣的天然密度和天然含水量分別在2.664～2.772 g/cm和0.993%～1.495%之間。該巖樣化學元素組成的統計結果，見表1。

表1 試驗巖樣化學元素組成(質量分數，%)

由表1可知,試驗巖樣主要由碳(C)、氧(O)、硅(Si)、鋁(Al)4種元素組成，此外含有少量鈉(Na)和鉀(K)等金屬元素。

2.2 試驗方法

(1) 耐崩解性試驗。炭質巖石的耐崩解性試驗參照Franklin等提出的試驗方法進行，該方法亦是目前國際上廣泛應用的一種測試方法。試驗設備為巖石耐崩解性儀，每次試驗要求試樣數量不少于10個，每個試樣質量在40～60 g之間，其形狀呈渾圓球狀。首先，將試樣在110℃的烘箱中烘干24 h至恒重，并冷卻至室溫；然后，將試樣裝入巖石耐崩解性儀的圓柱形篩桶(2 mm篩孔)中，并將篩桶完全浸沒入水槽中(水位以下20 mm)；最后，篩桶以20 r/min的轉速轉動10 min，取出篩桶內殘留的試樣并放置烘箱中烘干，測量試樣的烘干質量，即完成一次干濕循環。本文定義

n

次干濕循環后，炭質巖石的耐崩解指數(

I

)為

(1)

式中:

m

為第

n

次干濕循環后，殘留試樣的烘干質量(g)；

m

為試驗前試樣的烘干質量(g)。通常人們采用第2次干濕循環后巖石的耐崩解指數

I

2作為評價軟巖耐崩解性的標準指標。(2) 篩分試驗。對耐崩解性試驗中每次干濕循環結束后的烘干試樣進行篩分試驗，試驗數量共3組，記錄試樣的不同粒徑組成，用于計算炭質巖石崩解損傷的分維數

D

。本文采用質量求解分維數的方法計算炭質巖石崩解的分維數

D

，具體方法簡述如下：設定試樣碎石的總質量為

M

(g)，篩孔孔徑為

d

(mm)，用

M

(

d

)表示直徑小于

d

的碎石質量(g)，同時認為碎石質量在一般情況下服從下式的概率分布規律：

M

(

d

)

/M

=1-exp[-(

d/σ

)3-]

(2)

式中:

σ

為試樣平均尺寸(mm)；

b

為計算參數，其值為lg[

M

(

d

)

/M

]-lg

d

坐標系中曲線的斜率,其中

M

(

d

)

/M

為直徑小于

d

的碎石累計百分比含量。基于分形維數的基本概念，可以得到分維數

D

為

D

=3-

b

(3)

圖2為第1次干濕循環后炭質巖石顆粒質量-粒徑雙對數分布曲線，其中擬合直線的斜率為0.506，即

b

=0.506。根據公式(3),可以計算得到相應的分維數

D

為2.494。

圖2 炭質巖石顆粒質量-粒徑雙對數分布曲線

(3) 黏土礦物和總有機碳(TOC)含量測定。炭質巖石試樣中黏土礦物及其含量通過X射線衍射儀測試獲得，測試方法參照王哲等的方法進行。巖樣中TOC含量的測定方法按照《沉積巖中總有機碳的測定》(GB/T 19145—2003)中的方法進行，具體操作步驟不再贅述。

(4) 掃描電鏡分析。挑選耐崩解性試驗前后典型的炭質巖石試樣進行微觀掃描電鏡分析，獲得試樣的微觀結構照片。掃描電鏡試樣要求來自同一石塊且肉眼觀察斷面新鮮、均勻，觀察區域斷面平整，表面做噴金處理，具體操作方法可參照文獻[17]。

3 結果與分析

3.1 巖質巖石的耐崩解性

炭質巖石試樣在6次干濕循環過程中逐漸崩解的照片，見圖3。

圖3 不同干濕循環次數下炭質巖石試樣的崩解照片

由圖3可見：炭質巖石試樣隨著干濕循環次數的增加，逐漸崩解為細小的碎石顆粒，完整性遭到嚴重破壞；經過6次干濕循環后，試樣中粒徑小于5 mm的碎石質量占巖石總質量的比例超過50%，水槽內觀察到崩解物質且水質渾濁，試塊崩解基本完全。

為了進一步定量評價炭質巖石的耐崩解性，根據其耐崩解指數的大小，將巖塊的耐崩解性分為6個等級：很高、高、中等偏高、中等、低和很低。不同炭質巖石試樣的耐崩解指數隨干濕循環次數的變化曲線，見圖4。

圖4 不同炭質巖石試樣的耐崩解指數隨干濕循環次數的變化曲線

由圖4中可見：隨著干濕循環次數的增加，所有炭質巖石試樣的耐崩解指數逐漸降低，崩解現象加劇；不同炭質巖石試樣之間的耐崩解性差異明顯，其中試樣A、B和C在干濕循環作用下保持完整性的能力顯著高于試樣D和E，且經過6次干濕循環后，前者的耐崩解性屬于中等偏高和高等級，而后者屬于低等級。造成這種現象的主要原因是炭質巖石試樣之間礦物成分的差異，其中黏土礦物含量是主控因素。

經6次干濕循環后不同炭質巖石試樣的耐崩解指數

I

與黏土礦物含量之間的相關關系，見圖5。

圖5 6次干濕循環后不同炭質巖石試樣的耐崩解指數(dn6)與黏土礦物含量之間的相關關系

由圖5可見，炭質巖石的耐崩解指數和黏土物含量兩參數之間呈負相關關系，炭質巖石的耐崩解指數

I

6隨黏土礦物含量的增加逐漸減小。

通過最小二乘非線性擬合，指數函數形式可以很好地描述這一相關關系，其表達式為

y

=38.7+1 017.9×exp(-

x/

7

.

2)(

R

=0.98)

(4)

相對于其他巖石礦物，黏土礦物具有較好的親水性和吸水膨脹性。炭質巖石中黏土礦物遇水侵蝕后，存在少量可溶性礦物和鹽類溶解于水中，對巖石的初始完整結構造成負面影響。值得注意的是，不同黏土礦物之間遇水膨脹的性能不同，這會導致炭質巖石結構產生新的損傷、裂隙，加劇水分的進一步侵蝕，宏觀上表現為巖樣破裂、崩解。有學者在研究廣西地區炭質泥巖的耐崩解性時，通過分析微觀結構照片后認為，水-巖相互作用下，巖體中的黏土礦物會軟化、膨脹和流失，微觀孔隙會進一步擴展、貫通，使水-巖接觸面增大。這與圖5中得到的宏觀工程性質指標間的相關關系分析結果基本一致。

3.2 炭質巖石的崩解分維數

分形理論主要研究一些具有自相似性的不規則曲線和形狀等，炭質巖石在耐崩解性試驗中發生的崩解是一個隨機過程，其崩解碎石的形狀特征亦可用分形理論來描述。本文采用分維數來刻畫炭質巖石崩解過程的分形特征，其計算方法如前所述。不同干濕循環次數下炭質巖石試樣E崩解分維數

D

的變化，見圖6。

圖6 炭質巖石試樣E的崩解分維數D隨干濕循環次數的變化曲線

由圖6可見，隨著干濕循環次數的增加，炭質巖石試樣E的崩解分維數

D

不斷增加，4次干濕循環后，試樣的崩解分維數

D

的增長趨于穩定(接近于2.8)。這表明不規則試塊的相似性在干濕循環過程中不斷增加，一定干濕循環次數后，崩解碎石的相似性達到限值，即巖石的崩解基本完成。炭質巖石試樣E的崩解分維數

D

與耐崩解指數

I

的相關關系，見圖7。

圖7 炭質巖石試樣E的崩解分維數D與耐崩解指數Idn的相關關系

由圖7可見，炭質巖石試樣E的崩解分維數

D

與耐崩解指數

I

之間具有良好的相關關系，且隨著干濕循環次數的增加，試樣E的耐崩解指數

I

逐漸降低，相應的崩解分維數

D

逐漸增加，待試樣基本崩解完成后，兩者之間的變化關系趨于平緩。炭質巖石的崩解分維數

D

與耐崩解指數

I

兩參數之間的相關關系亦可用指數函數形式來描述，其相關系數

R

高于0.90。需要說明的是，其余4種炭質巖石試樣的測試結果變化趨勢與試樣E相一致，但參數間相關性程度相對較低。

3.3 炭質巖石的耐崩解性與總有機碳含量的相關關系

炭質巖石中有機物的存在狀態對其的耐崩解性有著重要的影響。為了進一步探索炭質巖石的耐崩解性以及其與化學成分之間的相關關系，本文引入總有機碳(TOC)含量指標，TOC可表征炭質巖石中有機物的含碳量。

經2次干濕循環后炭質巖石的標準耐崩解指數

I

2和崩解分維數

D

與TOC含量之間的相關關系，見圖8。

圖8 2次干濕循環后炭質巖石的標準耐崩解指數Id2和崩解分維數D與總有機碳(TOC)含量之間的相關關系

由圖8可見，炭質巖石中有機物含量越高，其耐崩解性越差，即炭質巖石的耐崩解指數與TOC含量之間呈負相關關系，即隨著TOC含量的增加，炭質巖石的

I

2逐漸減小；當TOC含量超過2.5%時，炭質巖石的

I

2減小速率增加，說明炭質巖石中TOC含量超過一定限值后，巖石在惡劣環境中保持完整性的能力很弱，極易崩解；隨著TOC含量的不斷增加，炭質巖石的崩解分維數

D

逐漸增加，碎石之間的相似性增強;但在TOC含量為2.5%附近，炭質巖石的崩解分維數

D

的變化速率具有顯著差異。關于TOC含量在2.5%處，巖樣耐崩解性的明顯差異，仍需更多的試驗來驗證與完善。綜上可見，炭質巖石的

I

2和

D

與TOC含量之間存在一定的相關關系，雖然這些相關關系尚缺少完整的機理來闡釋，但可直觀地看出炭質巖石耐崩解性與化學成分之間存在內在的聯系，這對于進一步揭示炭質巖石的崩解機理具有積極的作用。

3.4 炭質巖石微觀結構特征

浸水前后炭質巖石耐崩解試驗的微觀掃描電鏡照片，見圖9。需要說明的是，該電鏡照片是炭質巖石試樣D的測試結果，其中圖9(c)和9(d)為經6次干濕循環后的炭質巖石試樣。

圖9 浸水前后炭質巖石耐崩解試驗的微觀掃描電鏡照片

由圖9可見，水分浸入前，炭質巖石的微觀結構較為致密，顆粒間結合緊密[圖9(a)]；增大倍數后發現，炭質巖石以片狀結構為主，顆粒表面光滑、整潔，但顆粒間仍存在有大量的孔隙，這為水分的浸入提供了途徑[圖9(b)]；浸水后，可以明顯地看到巖石顆粒表面產生了大量的團粒狀物質，顆粒間的致密結構受到損害[圖9(c)]；增大倍數后進一步觀察巖石顆粒表面新生成的物質，可以發現這些礦物晶體團粒分散于巖石顆粒表面，且巖石顆粒間的孔隙明顯增大、增多[圖9(d)]。

炭質巖石在浸水前后發生上述微觀結構的變化，其原因為：①炭質巖石中存在的黏土礦物在水分浸入條件下部分溶解后分布于巖石顆粒表面，導致原有的致密結構變得疏松,有助于裂隙發育；②耐崩解性試驗過程中，炭質巖石試樣在旋轉外力的作用下，巖石顆粒表面的黏土礦物晶體團粒會逐漸脫落，宏觀上表現為炭質巖石試樣質量損失，水分渾濁(見圖3)；③巖石裂隙內部的黏土礦物在水分浸入后，會產生不同程度的膨脹，這一過程會加劇炭質巖石間裂隙的發育，加劇崩解過程。如此反復，待黏土礦物消耗殆盡，裂隙發育完全，巖石試樣崩解成細小的碎石，其耐崩解指數降至最低，碎石間形貌相似度最大。

4 結 論

(1) 炭質巖石的耐崩解指數隨干濕循環次數的增加而增加，經6次干濕循環后，炭質巖石中存在大量碎石和黏土礦物的溶解；不同炭質巖石試樣的耐崩解性存在顯著差異，礦物成分是產生該差異的主控因素。炭質巖石的耐崩解指數與黏土礦物含量之間呈現良好的負指數相關關系。

(2) 炭質巖石的崩解分維數隨干濕循環次數的增加而增大，經4次干濕循環后，炭質巖石的崩解分維數增長趨于穩定，達到最大值。炭質巖石的耐崩解指數與崩解分維數之間呈負相關關系，崩解碎石的相似性可用來間接表征炭質巖石的耐崩解性。耐崩解指數和崩解分維數與TOC含量之間分別呈負、正相關關系，其相關關系變化速率在TOC含量為2.5%附近存在顯著的差異。

(3)水分浸入前，炭質巖石的微觀結構較為致密，顆粒間結合緊密，表面光滑；水分浸入后，巖石顆粒表面產生黏土礦物晶體團粒，顆粒間孔隙增大。可溶性黏土礦物的溶解、損失和黏土礦物遇水膨脹的差異是影響炭質巖石崩解的主控原因。