不同pH條件下紅層泥巖崩解特性研究

趙 順 良，查 煥 奕

(1.青海省交通規劃設計研究院有限公司，青海 西寧 810000； 2.長江理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410000)

0 引 言

紅層泥巖是一類特殊的軟弱巖體，在自然狀態下力學性能良好，但當外部環境改變時極易發生軟化和崩解[1-2]。紅層泥巖的風化崩解不僅會使其自身性質發生改變，還可形成松散細小顆粒，嚴重破壞紅層泥巖邊坡的整體性能，給工程建設造成巨大的影響。

近年來，隨著高速公路和鐵路的發展，對紅層軟巖作為公路和鐵路路基填料的相關研究逐漸成為熱點[3-4]。影響紅層泥巖崩解性能的因素很多，目前研究主要集中在水環境對紅層泥巖的崩解性能影響方面。申培武等[5]通過開展巴東組紫紅色泥巖室內干濕循環崩解試驗，研究了紅層泥巖崩解過程中顆粒的分形與形態特征，建立了評價紅層泥巖穩定程度的模型。吳道祥等[6]通過對銅陵至黃山高速公路湯口—屯溪段沿線的紅層軟巖進行研究，初步揭示了紅層軟巖的崩解機制。周翠英等[7-8]根據室內軟巖靜態崩解和軟巖碎片浸水試驗以及不同浸泡階段的軟巖掃描電鏡試驗，揭示了水-軟巖界面的細觀演化規律?，F有研究雖已深入探討了水環境對紅層泥巖崩解性能的影響，但受試驗方法和試驗環境的限制，其考慮的環境條件較為單一，大多研究集中在溫度或濕度對紅層泥巖崩解特性的影響方面[9-10]，而對復雜環境下紅層泥巖的崩解機制研究尚屬少見。加之自然環境中紅層泥巖所處環境比較復雜，尤其隨著環境問題日益嚴峻，在中國南方地區降雨或地下水并不只是呈中性，酸、堿等化學環境對紅層泥巖影響日益突出[11-12]。因此，研究紅層泥巖在不同pH條件下的崩解特性成為工程實際的迫切需要。

基于此，本文開展了不同pH條件下紅層泥巖崩解試驗，深入分析了酸堿環境對紅層泥巖崩解特性的影響。并通過對比觀測不同pH環境作用下紅層泥巖的掃描電鏡特征，探討了不同pH環境作用加劇紅層泥巖崩解的機理。

1 不同pH條件下紅層泥巖崩解試驗

試驗用紅層泥巖試塊均取自浙江省湖州市某高速公路邊坡上。選取完整性較好的紅層泥巖，制作9塊φ10 cm×20 cm，重2 kg±20 g的圓柱體試樣。共設計3組pH，分別為3，7，11 (pH誤差為±0.1)。為減小試驗誤差，將試樣分3組，在溫度20 ℃條件下同時進行試驗，試驗結果取3組試驗結果的平均值。按照SL/T 264—2020《水利水電工程巖石試驗規程》進行崩解試驗，具體試驗步驟如下：

(1) 取試樣切割過程中的碎屑粉碎后置于烘箱中80 ℃烘干，在用標準篩網篩取小于0.075 mm 的紅層泥巖粉末進行XRD試驗，同時在碎屑中選取4個大小合適的塊狀紅層泥巖制備SEM試樣，其中1個烘干后進行SEM試驗，其余3個干濕循環試樣一起進行干濕循環試驗。

(2) 利用濃硫酸及氫氧化鈉配置pH為3，7，11的溶液各1 000 mL，溶液pH值誤差為±0.1。

(3) 將制備好的紅層泥巖試樣置于塑料盤中，再注入配置好的溶液，標明相應的pH值后連同塑料盤置于恒溫恒濕箱中。恒溫恒濕箱中溫濕度分別設置為25 ℃和95%。

(4) 浸泡24 h后，將盤中溶液上層清液倒掉，余下溶液及試樣轉入已標號的鋼盤中。

(5) 將鋼盤置于105 ℃烘箱中烘干24 h(此時試樣已達到恒重)，再將樣品置于干燥箱內冷卻至室溫，此時認為試樣完成一次干濕循環。

(6) 利用標準篩(篩孔分別為40，20，10，5，2，1，0.5，0，25，0.075 mm)對崩解試樣進行篩分，記錄每個粒徑的紅層泥巖質量，繪制其粒徑級配曲線。

(7) 重復上述(2)～(6)，直至干濕循環16次，結束試驗。試驗過程中在第一次干濕循環后取出步驟(1)中制備的SEM試樣進行SEM試驗，此SEM試樣不再進行后續崩解試驗。

2 試驗結果與分析

2.1 崩解現象

紅層泥巖在不同pH條件下其崩解現象基本相同。以pH=7時紅層泥巖的崩解現象為例(見圖1)，可以看出，紅層泥巖樣品置于水中時，試樣表面黏附大量氣泡，表層紅層泥巖急劇剝落成細小顆粒，溶液逐漸變渾濁(見圖1(b)～(e))，試樣表面氣泡上升至水面隨即破碎。浸泡5 min時，試樣表面已出現細小裂縫，裂縫急劇擴展、貫通。浸泡10 min時，已出現粒徑為2～5 mm、5～10 mm及10～20 mm不規則球狀顆粒，同時出現20～40 mm的塊狀巖體(見圖1(c))。隨著浸泡時間增長，樣品表面愈加酥松，越來越多軟巖碎片脫落或松散拼搭在樣品表面(見圖1(d))。浸泡30 min時，樣品已有大量松散碎片脫落，樣品喪失整體性(見圖1(e))。因此，整個崩解過程可大致描述為：表層出現大量氣泡→氣泡破裂→細小裂紋出現→裂紋擴展→裂紋貫通→表層剝落，以此循環直至完全崩解。但紅層泥巖在不同pH條件下各現象出現的時間并不相同，pH=3時，氣泡最多，裂縫出現最早，貫通最快，pH=11次之，pH=7時最慢。

為更清楚說明紅層泥巖崩解過程中巖體表面變化規律，從pH=7的試樣中選取粒徑為20～40 mm的塊狀巖體拍照觀察，如圖2所示。可以看出，紅層泥巖表面的裂縫可分為3類：即貫通裂縫、未貫通裂縫、新生裂縫。同時，紅層泥巖表面的部分裂縫呈鱗片狀，置于水中會繼續發育、貫通從而出現鱗片狀剝落(見圖3)。

對3組不同pH條件下紅層泥巖的崩解形態進行觀察，以pH=3時的紅層泥巖崩解形態為例說明，如圖4所示。隨著干濕循環次數的增加，紅層泥巖顆粒從大塊巖體變成小粒徑顆粒；干濕循環1次后，試樣粒徑變化劇烈，崩解后紅層泥巖形態呈不規則球狀；干濕循環5次后試樣中已無粒徑大于20 mm的紅層泥巖顆粒，此時崩解趨于穩定；干濕循環11次后試樣中粒徑進一步變小，顆粒粒徑基本小于2 mm，依據SL/T 264—2020《水利水電工程巖石試驗規程》，認定此時試樣崩解完全。

2.2 粒徑級配特征

為研究pH對紅層泥巖崩解特性的影響，需對不同pH下紅層泥巖粒徑級配特征的演化規律進行分析。圖5為不同pH下紅層泥巖各粒徑顆粒的質量分數變化曲線。由圖5可知：進行第1次干濕循環時，紅層泥巖粒徑變化最明顯；溶液pH值為3，7，11時紅層泥巖分別在第5，8，7次干濕循環后趨于穩定。同時，紅層泥巖經干濕循環崩解后的粒徑均從大粒徑變成小粒徑，粒徑大于40 mm的紅層泥巖快速減小最終變成0；r=20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm粒組的質量分數顯現出明顯的峰值變化；r<2 mm粒組的質量分數均隨干濕循環次數的增加而逐漸增長，最終趨于穩定。崩解完全后，r=1～2 mm粒組的紅層泥巖質量分數最高，均表現出先增大后趨于穩定的變化趨勢，但在溶液的pH=3時，r=1～2 mm粒組在第9次干濕循環后也表現出一定的下降，由此可見，此時紅層泥巖雖然整體崩解趨于完全，但粒徑小于2 mm粒組依然可持續崩解。

以2～5 mm粒組為例，不同pH下紅層泥巖的粒徑顆粒質量分數變化劇烈的原因主要為：一方面干濕循環過程中r>5 mm粒組的崩解產物進入該粒組，增加了該粒組的質量分數；另一方面，該粒組中顆粒繼續崩解成更小粒徑的顆粒，從而減小了該粒組的質量分數。一增一減，從而導致該粒組質量分數劇烈變化。同時，在酸堿影響下，水巖相互作用更加明顯，紅層泥巖膨脹不均勻，造成內部應力分布不均，從而導致小顆粒逐漸從大塊巖體表面剝落；紅層泥巖中化學成分與酸堿發生化學作用，溶蝕不斷增加，導致微小裂縫急劇擴展，從而加劇了紅層泥巖破裂成松散小顆粒。

2.3 崩解率與崩解比

可以利用崩解率和崩解比來表征紅層泥巖經干濕循環后的崩解狀態。一般認為，崩解率Dre為粒徑小于2 mm的巖體的質量與巖樣總質量之比，即：

Dre=mrp2/m總×100%

(1)

圖6為不同pH條件下紅層泥巖崩解試樣的崩解率及崩解比隨干濕循環次數的變化曲線。由圖6(a)可知，不同pH條件下紅層泥巖崩解率均隨干濕循環次數的增加而增長，3種不同的pH作用下紅層泥巖崩解率的增長速率從大到小依次為pH=3>pH=11>pH=7，由此說明，酸性環境對紅層泥巖的損傷最大，堿性環境次之，中性環境最小，這與文獻[13]中所述結果一致。造成紅層泥巖崩解率持續增加的原因主要是由于水巖作用下，紅層泥巖中的黏土礦物溶解，削弱了紅層泥巖顆粒間的黏結作用，造成空洞或裂隙[13-14]。而不同pH條件下紅層泥巖崩解率的增長速率不同是因為酸、堿環境下，紅層泥巖中的黏土礦物除溶解，同時還與酸堿發生化學反應，加速了紅層泥巖中微小空洞的形成，裂隙發育更加迅速。

Erguler認為崩解比Dr也可以很好評價泥巖的崩解特征，并將其定義為第n次篩分曲線下方面積與整體面積之比，本文以pH=7、第5次干濕循環時的粒徑級配曲線為例說明：

Dr=SABJ/SABCD×100%

(2)

式中：Dr表示第5次干濕循環時篩分崩解比；SABJ為第5次干濕循環時粒徑級配曲線下方面積；SABCD為第5次干濕循環時所有粒徑級配曲線整體面積。

由式(2)計算可得不同pH條件下紅層泥巖的崩解比隨干濕循環次數變化曲線，如圖6(c)所示?？梢钥闯觯翰煌琾H條件下紅層泥巖崩解比均與干濕循環次數成負相關關系；且經一次干濕循環后紅層泥巖崩解比下降幅度最大，分別下降16.38%(pH=3)，17.07%(pH=7)，17.47%(pH=11)，此時，崩解比大小基本相同；但從第二次干濕循環開始，紅層泥巖崩解比的下降速率開始有所區別，從小到大依次為pH=7

2.4 不均勻系數與曲率系數

不均勻系數(Cu)與曲率系數(Cs)可以用于評價紅層泥巖崩解后的級配特征，其中不均勻系數(Cu)用于評價紅層泥巖崩解后顆粒的不均勻程度，曲率系數(Cs)用于評價紅層泥巖顆粒粒徑曲線的整體形狀，兩者可用下式進行計算：

Cu=d60/d10×100%

(3)

(4)

式中：d10，d30，d60為紅層泥巖崩解后的特征粒徑。

圖7(a)、(b)分別為不同pH條件下紅層泥巖崩解后顆粒粒徑的不均勻系數及曲率系數隨干濕循環次數的變化曲線。由圖可知，不均勻系數與曲率系數均隨干濕循環次數的增加呈現出先增大后減小的趨勢，這與付宏淵[16]所得炭質泥巖結論相似。但紅層泥巖與炭質泥巖相比，其不均勻系數和曲率系數變化更加明顯，造成這種現象的原因主要是紅層泥巖中的黏土礦物的含量更多，其崩解性更強。從圖7中還可看出，酸、堿對紅層泥巖崩解后顆粒的不均勻系數及曲率系數影響更加明顯，與中性環境相比其增長幅度更大；且酸、堿環境中紅層泥巖的不均勻系數及曲率系數達到峰值的干濕循環次數明顯比中性環境下要少，崩解完全時，不均勻系數及曲率系數均比中性環境小，表明在酸、堿環境中紅層泥巖的崩解更加劇烈，更易崩解完全。

2.5 比表面積增量表征

紅層泥巖崩解過程中試樣粒徑從大塊巖體變成細小顆粒，其比表面積會急劇變化。李昆鵬認為，比表面積增量可在一定程度上表征紅層泥巖的破碎程度[17]。比表面積增量的計算方法如下：

ΔS=Si-S0

(5)

(6)

M=kDi3ρ

(7)

即：

(8)

各式中：ΔS為試樣比表積增量；Si為徑i次干濕循環后的比表面積；S0為初始比表面積；Mi為徑i次干濕循環后的紅層泥巖質量；Di表示每次干濕循環后紅層泥巖的特征粒徑。由于本文紅層泥巖崩解產物為不規則球狀顆粒，依據文獻[17]，k=π/6，因此，式(8)可變為

(9)

進一步化簡得：

(10)

式中：Di表示每次干濕循環后紅層泥巖的特征粒徑。本文中粒徑選擇為r>40 mm，20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.075～0.25 mm，<0.075 mm等10組，其中r>40 mm粒組取50 mm，即紅層泥巖初始狀態的大小，<0.075 mm粒組取0～0.075 mm平均值，其他組取Dmid=(Dmax+Dmin)/2，即10組特征粒徑分別為50，30，15，7.5，3.5，1.5，0.75，0.325，0.162 5，0.037 5 mm，ρ取2.40 g/cm3。

依據式(10)計算得到不同pH作用下紅層泥巖崩解后顆粒比表面積增量隨干濕循環次數變化曲線，如圖8所示。由圖8可知：紅層泥巖崩解后顆粒比表面積增量均隨干濕循環次數的增加而增加；在酸性條件下，紅層泥巖的比表面積增幅最快，遠高于堿性和中性環境。這主要是因為紅層泥巖中的黏土礦物在酸性環境中更易發生化學反應，從而造成紅層泥巖中Ca2+、Mg2+、Na+等離子的快速溶解，進而加速了紅層泥巖的崩解速率。

3 討 論

經XRD分析可知(見圖9)，紅層泥巖中含有石英、云母、碳酸鈣以及黏土礦物(高嶺石、蒙脫石、伊利石等)。圖10為原始紅層泥巖的SEM圖，從圖中可以看出，紅層泥巖未被作用前的表面光滑平整、顆粒間膠結緊密，未見明顯的空洞。圖11為不同pH作用下紅層泥巖的SEM，可見，經不同pH作用后，紅層泥巖的微觀形貌變化較大，均出現不同程度的破壞，表面粗糙、凹凸不平，有細小顆粒剝落，顆粒邊緣較光滑，出現明顯的溶蝕痕跡。3種pH作用后紅層泥巖表層粗糙度從大至小依次為pH=3>pH=11>pH=7，這與上述宏觀分析所得結果一致。

試驗結果表明，不同pH條件下紅層泥巖的崩解特性各不相同，酸性條件下紅層泥巖崩解較快，堿性環境次之，中性最慢。這主要是因為紅層泥巖中含有豐富的高嶺石、蒙脫石、伊利石等黏土礦物，這些黏土礦物在水巖作用下極易被溶蝕、軟化，并產生了可溶性陽離子(如Ca2+、Mg2+、Na+等離子)，削弱了巖體顆粒間的黏結作用導致解體；同時黏土礦物遇水極易發生膨脹，使紅層泥巖巖體內部應力分布不均，使巖體進一步破損，導致巖體發生崩解[16-20]。

黏土礦物與酸發生反應一方面加速了高嶺石、蒙脫石、伊利石等的溶蝕，使紅層泥巖內部出現細小空洞、裂隙，裂隙快速發育、貫通，加速了紅層泥巖的崩解；另一方面破壞了紅層泥巖內部微觀結構，削弱了巖體間的黏聚力，使其出現泥化現象，因此紅層泥巖在酸性條件下表現出極大的崩解性。

而在堿性環境下，紅層泥巖中的黏土礦物雖然比較穩定，與OH-反應不明顯，但紅層泥巖中硅酸鹽、碳酸鈣等在一定程度上會與OH-發生明顯的反應，破壞了巖體的微觀結構，使微小裂縫快速發育，加速了紅層泥巖的崩解。但其反應劇烈程度較小，因此紅層泥巖在堿性環境中的崩解速率強于中性環境而弱于酸性環境。

4 結 論

本文通過開展紅層泥巖在不同pH條件下的崩解試驗研究，詳細闡述了紅層泥巖在不同pH條件下的崩解過程，分析了其崩解產物的粒徑級配、崩解率、崩解比、不均勻系數、曲率系數及比表面積增量等參數的變化，得到以下結論：

(1) 紅層泥巖在不同pH條件下的崩解現象基本相同，崩解過程可描述為：表層出現大量氣泡→氣泡破裂→細小裂紋出現→裂紋擴展→裂紋貫通→表層剝落，以此循環直至完全崩解。不同pH溶液中崩解的劇烈程度從大至小依次為：pH=3>pH=11>pH=7。

(2) 不同pH條件下紅層泥巖經干濕循環后的顆粒粒徑均表現出r>40 mm質量分數逐漸減小，r=20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm質量分數先增大后減小，r<2 mm質量分數逐漸增大后趨于穩定的趨勢。但在pH=3時，r=1～2 mm粒組與pH=7、pH=11的變化趨勢有所不同，具體表現為在前9次干濕循環其質量分數持續增加，而后表現出一定的下降。

(3) 不同pH作用下紅層泥巖崩解率均隨干濕循環次數的增加而增長，崩解比均隨干濕循環次數的增加而減小。但3種不同的pH作用下紅層泥巖崩解率與崩解比的變化速率均有所不同，從大到小依次為pH=3>pH=11>pH=7。

(4) 紅層泥巖崩解產物的不均勻系數與曲率系數均隨干濕循環次數的增加呈現出先增大后減小的趨勢，但酸、堿對紅層泥巖崩解產物的不均勻系數及曲率系數影響更加明顯，與中性環境相比，其增長幅度更大。

(5) 紅層泥巖崩解產物比表面積增量均隨干濕循環次數的增加而增加；在酸性條件下，紅層泥巖崩解產物的比表面積增幅最快，遠高于堿性和中性環境。