青海地區泥巖膨脹特性與微觀結構

劉春剛

(1.軌道交通工程信息化國家重點實驗室, 西安 710043; 2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司, 西安 710043)

泥巖是由黏土礦物(如蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等)、非黏土礦物(如石英、長石、方解石等)、有機質等組成的多相復合材料,在水的作用下,體積發生變化,具有一定的膨脹特性。泥巖是由黏土礦物(如蒙脫石、伊利石、綠泥石、高嶺石等)、非黏土礦物(如石英、長石、方解石等)、有機質等組成的多相復合材料,在水的作用下,體積發生變化,具有一定的膨脹特性。近幾年,中國鐵路由于泥巖的膨脹產生損害的現象越來越多,而微觀結構特征是泥巖膨脹的一個重要因素,因此,開展對泥巖宏觀膨脹與微觀結構的相關性研究,從本質上理解泥巖膨脹特性。

目前,眾多學者對巖(土)的膨脹性進行大量的研究,主要是針對微觀結構的探索。黃如玉等[1]、關歡[2]通過研究膨脹泥巖的物理性質和礦物成分,得出影響西寧盆地膨脹泥巖膨脹率的因素。徐日慶等[3-4]采用掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)對軟黏土微觀結構進行研究,建立三維空間計算模型,利用圖形分析軟件計算軟土三維孔隙率,通過計算步距、放大倍數、閾值大小、區域大小等分析對三維孔隙率的影響。盧運虎等[5]根據龍馬溪組深層頁巖組構特征, 建立深層頁巖典型黏土礦物水巖作用的分子動力學模型, 分析含水量、溫度和礦物特征變化對晶胞層間距和水分子擴散系數的影響。馬麗娜等[6]、胡云鵬等[7]、盧遠航等[8]、易靖松等[9]采用試驗與理論或數值模擬相結合的方法,研究在工程應用中低黏土礦物泥巖的變形特征和膨脹機理。易遠[10]通過微觀結構分析模型和分形模型對試驗進行定量研究,利用掃描電鏡圖像對膨脹土表面微觀結構進行定性分析。楊銳[11]利用分形理論對頁巖孔隙結構進行討論,分析巖石孔隙結構的主控因素,研究頁巖的孔隙連通性與示蹤元素的運移。在宏觀層面,Gibbs和 Holtz首次對膨脹巖土試驗,研究側向約束膨脹率和無任何約束條件下的自由膨脹率[12]。付志華等[13]以泥巖為研究對象,通過自由膨脹率、側向膨脹率、膨脹力的室內試驗判斷膨脹巖的膨脹特性。嚴榮富等[14]基于水理性試驗,了解膨脹巖的膨脹是先快速增加后逐漸穩定的過程,并探索了膨脹巖多次吸失水過程后其膨脹勢能的變化情況。總之,巖(土)微觀結構與宏觀膨脹性質影響的研究還有待進一步探索。

綜上所述,對青海省東北部泥巖進行一系列宏觀實驗與微觀結構分析,通過對研究不同單元體泥巖孔隙、孔徑分布的情況,探究該區泥巖孔隙分形維數與膨脹性的關系,并且聯立宏觀膨脹與微觀結構的關聯,為宏-微觀之間泥巖關聯性的認識提供參考。

1 材料與方法

1.1 試樣與選擇

研究使用的泥巖取自青海省東北部,該地區地質構造復雜,沉積了大量的新近系泥巖和部分白堊系泥巖。研究區內的巖塊多以棕紅、土黃、灰綠、青灰等顏色呈現,以互層狀與厚層狀分布。如圖1所示,分別在海東南山隧道T1SZ-25#深度212.2 m、T1SZ-26#深度240.0 m、T1SZ-17#深度160.9 m處鉆取樣本N-1、N-2、N-3,在海東南山隧道T1SZ-17#深度110.2 m、T1SZ-18-1#深200.0 m,同仁2號隧道T1SZ-41#深215.8 m處鉆取樣本M-1、M-2、M-3。

圖1 研究地區的樣貌及取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the appearance and sampling location of the study area scale map

1.2 泥巖特征

通過掃描電鏡獲取SEM圖像,經過分析試樣的基本單元體如圖2所示,試樣N-1、N-2、N-3是以含粒狀單元體(碎屑顆粒、凝聚體、外包顆粒)為主的泥巖(記為N型泥巖),該類巖石孔隙眾多,內部細散的顆粒常用于結構骨架的支撐,由于顆粒的脹縮性不強,從而巖石的膨脹潛勢較弱[15]。試樣M-1、M-2、M-3是以含片狀單元體(疊聚體、絮凝體)為主的泥巖(記為M型泥巖),該類巖石結構緊密且孔隙少,巖石內含有大量的黏土基質,單元體多以面-面結合的方式疊聚,當水分子填充時,表面水化膜變厚,面-面間距離增大從而導致疊聚體膨脹,因此具有較大的膨脹潛勢,是引起宏觀膨脹的主要因素。其中,泥巖試樣N-1、M-1內部顆粒呈密集排列,而泥巖試樣N-2、N-3、M-2、M-3內部顆粒呈開放式排列。通過對試樣的X射線衍射(X-ray diffraction,XRD)分析,由圖3可以看出,在研究區泥巖的非黏土礦物中石英含量最多,在試樣N-2中發現了白云石,在試樣N-3中發現了菱鐵礦,試樣M-3同時含有白云石、菱鐵礦。整體上,泥巖試樣中的黏土礦物均含有伊利石,且試樣M-2含有微量蒙脫石。

圖3 泥巖主要礦物成分Fig.3 Main mineral composition of mudstone

由于該區地質構造的復雜,泥巖在形成過程中的孔隙結構也較復雜。通過對圖像進行分析處理,由圖4可知不同單元體的泥巖,微觀結構存在較大差異。其中試樣M-3的平均孔徑較高,試樣M-1的圓度較大,表明了該區巖石地質環境差別較大,地層中孔隙形態不規則。N-3與M-1為取自同一地層的不同深度的泥巖試樣,然而埋置深度較大的試樣N-3,其面孔率、平均孔徑均較大。這可能與該處泥巖受到較大強度的地應力導致孔隙結構變化的因素有關。

圖4 泥巖微觀結構參數Fig.4 Microstructure parameters of mudstone

1.3 試驗過程

依據《鐵路工程巖石試驗規程》TB 10115—2014,把巖石切割成高度和直徑均為50 mm和高度20 mm、直徑50 mm的標準圓柱樣用于膨脹試驗和膨脹力試驗。調節烘箱溫度為105 ℃,試樣放入烘箱內烘干24 h至完全干燥后取出冷卻至室溫。將試樣放入儀器浸水測試,先消除誤差。自由膨脹率試驗前3～5 h每5 min記錄1次讀數,之后每1 h記錄1次直到3次讀數之差≤0.001 mm;側向約束膨脹率試驗前3～5 h每10 min記錄1次,之后每 1 h 記錄1次,直至3次讀數之差≤0.001 mm;膨脹力試驗每10 min記錄1次,3次記錄誤差≤0.001 mm后每1 h記錄1次,直至3次讀數之差≤0.001 mm。三組試驗的浸水時間均不小于48 h。

2 宏觀膨脹結果及分析

2.1 自由膨脹率變化

自由膨脹率是作為衡量巖石膨脹變形的指標之一,圖5為試驗裝置,自由膨脹率-時間曲線如圖6所示。由圖6(a)可知試樣N-2、M-2、M-3為“拋物線”型膨脹曲線,在膨脹前期,軸向自由膨脹率隨著時間的增長而快速增加;進入中期,試樣的膨脹率達到最高值,在此期間試樣M-3的持續時間達到最長;到了后期,試樣的軸向自由膨脹率均在不斷減小,直到最后無法測量。而試樣N-1、N-3、M-1為“對數”型膨脹曲線,在膨脹前期,軸向自由膨脹率同樣是快速增加;進入中期,泥巖試樣膨脹率的增長量均在變小;到了膨脹后期,試樣趨于穩定狀態。圖6(b)為試樣徑向自由膨脹率的變化曲線。在 0～180 min內,N型泥巖試樣徑向自由膨脹率快速增加,其增長量變化與軸向自由膨脹率的趨勢相同,而M型泥巖試樣M-1呈上升趨勢,試樣M-2、M-3 不斷下降,直到最后無法測量;在180～3 000 min 內,該階段的試樣N-1、N-3、M-1膨脹增長量減弱,最后均趨于穩定。試樣N-2膨脹率達到最大后開始呈下降趨勢,直到最后無法測量。

圖5 自由膨脹率試驗Fig.5 Free expansion rate test

圖6 自由膨脹率曲線Fig.6 Free expansion rate curve

對比軸向與徑向自由膨脹率的曲線圖,可知每種試樣的軸向自由膨脹都要大于徑向自由膨脹,根據分析可知該地區泥巖中黏土礦物的結構多以面-面形式連接,因而巖石孔隙間的水平距離較大,垂直距離較小,水分子進入泥巖內部,對軸向的膨脹表現的更明顯。

2.2 側向約束膨脹率變化

根據試驗過程描述記錄如圖7所示,側向約束膨脹率是在有側向約束的條件下,試樣不承受軸向荷載,浸水后其軸向變形量與原始高度的比值。圖8 為側向約束膨脹率曲線,N與M型泥巖試樣在 0～180 min時的膨脹變形較快。這是由于水分子從孔隙進入泥巖內部,表面黏土顆粒迅速與水分子接觸,使得黏土顆粒體積膨脹,膨脹曲線表現為近似直線增長;在180～1 000 min時,水分子逐漸把孔隙填滿,內部顆粒的膨脹使得泥巖黏結力降低,巖石表面出現裂紋,宏觀膨脹雖然持續增長,但側向約束膨脹率增長量逐漸減少;在1 000～3 000 min時,孔隙內的水接近飽和,膨脹作用消失,側向約束膨脹率基本趨于穩定。

現階段，臨床診斷婦科盆腔腫瘤通常以MRI或CT為主。CT通過橫斷面圖像，并連接多個連續層面圖像形成一個完整的組織，還能夠通過矢狀面、冠狀面的層面圖像重建，對器官組織與病變的關系進行多角度查看[2]。MRI通過多個切面圖形成一個全身各系統的圖像，進而對其實施定量或定性分析，MRI具有較高的分辨率，除了多方位觀察病變形態之外，還有助于臨床明確病灶與四周組織的關系，相較于X線成像技術更優。

圖7 側向約束膨脹率試驗Fig.7 Lateral constrained expansion rate test

圖8 側向約束膨脹率曲線Fig.8 Curve of lateral constrained expansion rate

2.3 膨脹力變化

圖9為膨脹力試驗,試樣浸入水后,在體積不變的情況下,膨脹所產生的壓力。如圖10膨脹力曲線所示,N與M型泥巖試樣在0～180 min時的膨脹變形均很快。當水分子進入試樣內部,會產生明顯的膨脹。其中含片狀單元體試樣M-1膨脹力的增長量要大于同單元體試樣M-1、M-3和含粒狀單元體試樣N-1、N-2、N-3,這是因為試樣M-1的結構密集,面孔率、平均孔徑較小,圓度較大,致使水分子進入試樣后,表現出較強的膨脹性。然而同單元體試樣M-2、M-3內部結構呈開放排列,面孔率、平均孔徑比試樣M-1大,圓度比試樣M-1小,導致膨脹力增長量較弱。由于N型泥巖試樣孔隙較多,水分子進入巖石先用于內部空間的填充再向外擴張,致使膨脹性沒有很強烈,膨脹力的增長量要弱于試樣M-1。在180～700 min時,孔隙漸漸被水填滿,試樣的吸

圖9 膨脹力試驗Fig.9 Expansion force test

圖10 膨脹力曲線Fig.10 Expansion force curve

水性減弱,增長速度變慢,但試樣N-3膨脹力出現突然躍升的現象,從宏觀角度看,水的涌入使巖石產生膨脹的力,從微觀角度講,膨脹產生的裂縫促進了巖石內部與水分子的接觸面,由于在黏土礦物顆粒周圍形成一層水化膜,水膜的加厚,使顆粒間距加大從而加劇巖體膨脹;在700～3 000 min時,試樣內孔隙中的水達到飽和,直到最后趨于穩定。其中,試樣M-1膨脹力一直呈現上升狀態。這是由于M-1泥巖試樣,單元體呈片狀,結構密集排列,內部面-面連結,面孔率較小、圓度較大、平均直徑較小,從而最終膨脹力為最大。

3 孔隙分形維數與膨脹特性的關系

巖石內的孔隙會對巖石性質產生較大影響,水分子沿著孔隙進入巖石內部,由于內部結構的不同,試樣的膨脹特性也大不相同,為探究孔隙對巖石性質的影響,從分形維數角度出發對孔隙與膨脹的關系進行了定量分析。分形維數是復雜形體不規則性的度量,計算方法主要有盒維數法、信息維數法、關聯維數法、廣義維數法等。其中關聯分維數法一般采用分維數D進行描述,即

(1)

式(1)中:ε為量標度;N(ε)為該標度下的量度值。通過統計泥巖的孔隙、孔徑分布,探究該區泥巖孔隙分形維數與膨脹性的關系。假設ε為某級孔徑,C(ε)為小于該孔徑的孔隙數量,如表1所示為不同ε范圍的C(ε)數量。通過圖形分析軟件對該區泥巖進行孔隙分布的量化分析,可知試樣泥巖孔隙大致可分為粒間孔和粒內孔,孔隙分布范圍在0.883～155.460 μm之間,以微米級孔隙為主。如圖11所示為對C(ε)與ε進行擬合,擬合直線的斜率值即為分形維數,可知N型泥巖試樣的分形維數值分別為1.107 5、1.126 6、1.115 3,M型泥巖試樣的分形維數值分別為1.100 5、1.118 6、1.171 7。可知M-1泥巖試樣的分形維數值最小,M-3泥巖試樣分形維數值最大。

表1 泥巖試樣C(ε)與ε的關系

圖11 泥巖試樣孔隙特征曲線Fig.11 Pore characteristic curve of mudstone sample

根據不同單元體泥巖的膨脹率(力)與對應的分形維數進行了線性擬合,其結果如圖12所示。可知孔隙分形維數增大時,膨脹率(力)不斷減小。這是因為孔隙分形維數較低時,孔隙表面更加規則,水分子進入孔隙后用于充填孔隙時所消耗的能量較少,大部分能量都用來進行膨脹,從而導致膨脹率(力)越大。而分形維數較大時,孔隙表面越不規則,巖石孔隙越復雜,水分子主要用于充填孔隙,導致膨脹率(力)較小。整體而言,M型泥巖試樣的分形維數在膨脹率(力)的擬合度要高于N型泥巖試樣。

圖12 分形維數與膨脹特性的關系Fig.12 Relationship between fractal dimension and expansion characteristics

4 微觀參數與宏觀膨脹的灰色關聯分析

上述宏觀試驗分析了M與N型泥巖的膨脹率和膨脹力變化,根據掃描電鏡圖像處理分析泥巖孔隙分形的膨脹特性。為進一步探索不同單元體泥巖宏觀膨脹與微觀結構之間的問題。選用灰色關聯法分析在多個因素之間產生不確定性的關聯,通過確定序列曲線幾何形狀的相似性來表示兩者之間的相關程度,一般而言,相似度越高,兩者之間的關聯程度就越大,這是灰色理論中最基本的方法之一[16]。確定泥巖的膨脹特性為參考序列,將參考序列與微觀結構進行對比,通過得到的關聯度來計算關聯系數。

關聯式(1),得

ξi(k)=minimink|Xi(k)-X0(k)|+

|Xi(k)-X0(k)|+ρmaximaxk

|Xi(k)-X0(k)|

(2)

式(2)中:ξi(k)為關聯系數,ρ∈(0,+∞)為分辨系數,且ρ越大,分辨率就越小,通常情況取值為0.5。|Xi(k)-X0(k)|為比較序列與參考序列之差的絕對值minimink|Xi(k)-X0(k)|為在曲線Xi(k)上[i∈(1,2,…,n)],各點與X0(k)點所相差距離最小差中的最小差絕對值manimank|Xi(k)-X0(k)|為在曲線Xi(k)上[i∈(1,2,…,n)],各點與X0(k)點所相差距離最大差中的最大差絕對值。

關聯度ri的計算公式為

(3)

式(3)中:ri為參考序列和比較序列的相似程度,當ri越大時,序列的關聯程度就越高,值越低時,兩者的關聯程度就越低或是無關聯。

選擇膨脹力、軸向自由膨脹率為參考序列,平均孔徑、圓度、分形維數、面孔率為對比序列。如表2、表3所示,試樣軸向自由膨脹率與微觀參數的關聯度在0.5～1之間,說明不同單元體泥巖試樣的軸向自由膨脹率、膨脹力與平均孔徑、圓度、分形維數、面孔率因素均有關聯。從分析結果可看出泥巖的微觀結構因素與膨脹特性關聯性中,孔隙的圓度和分形維數關聯度最大。

表2 試樣軸向自由膨脹率與微觀參數的關聯度

表3 試樣膨脹力與微觀參數的關聯度

泥巖的膨脹宏觀上主要是泥巖在水化應力的作用下,黏土顆粒的體積以及顆粒間的間距增大。從微觀層面講,泥巖發生膨脹是巖石內部水的含量變化,首先由于內外的水頭差引起外部水分子的滲入,水分子在毛細作用下進行遷移,逐步填充巖石孔隙,同時開始接近黏土顆粒外圍的薄膜水層,由于孔隙水層與薄膜水層之間存在濃度差,從而導致孔隙水向薄膜水轉變。在膨脹前,泥巖試樣的圓度與分形維數相差較大。膨脹后如圖13所示,尺寸較大大的顆粒在膨脹過程中發生破碎,粒徑小的顆粒的數量增加。經過膨脹時間的增加,孔隙數量與孔徑產生變化,巖石內水分子的“沖刷”過程導致顆粒邊緣棱角不斷磨圓。因而圓度與分形維數在膨脹特性的關聯為最大。

圖13 顆粒膨脹示意圖Fig.13 Schematic diagram of particle expansion

5 結論

(1)N型泥巖試樣孔隙較多,礦物成分較少,由于碎屑礦物在搬運堆積過程中不斷破碎,以規則或不規則形態零散分布,對巖體骨架起到支撐的作用,因而膨脹潛勢不強。M型泥巖試樣內部結構緊密且孔隙少,礦物成分較多,由于單元體常以面-面結合的方式疊聚而成,當水分子填充時,表面的水化膜變厚,面-面間距離增大從而導致疊聚體膨脹,所以膨脹潛勢相對較強。

(2)通過泥巖膨脹特性試驗結果基本可以分為3個階段:前期N與M型泥巖試樣的膨脹率(力)處于快速增長階段,巖石浸水后迅速膨脹,此時膨脹率曲線的斜率比較大;中期N與M型泥巖試樣的膨脹率(力)處于緩慢增長階段,是最終膨脹穩定的過渡段;后期N與M型泥巖試樣處于穩定狀態或者下降至消失。

(3)不同單元體泥巖試樣隨著孔隙分形維數的增大膨脹率(力)逐漸減小,且M型泥巖試樣分形維數與側向約束膨脹率、膨脹力擬合度要高于N型泥巖試樣。

(4)針對宏觀膨脹與微觀結構的分析發現青海省東北部泥巖的軸向自由膨脹率、膨脹力與面孔率、分形維數、平均孔徑、圓度均相關聯,隨著膨脹時間的增加,孔隙數量與孔徑產生較大變化導致孔隙的圓度和分形維數的關聯度為最大。