砒砂岩膨胀溃散及抑制机理研究

李长明 宋丽莎 姚文艺 曲福来 王立久 孙宇辰

摘 要：对砒砂岩的颗粒、结构、物理及几何组成进行了研究，重点研究了砒砂岩的水蚀溃散机理及过程，分析了影响砒砂岩吸水膨胀和胶结稳定的主要因素，在此基础上构建了砒砂岩的膨胀一胶结二元力学模型。研究结果表明，砒砂岩的组成可划分为颗粒物、胶结物和填充物3部分，砒砂岩的溃散主要是胶结物难以约束填充物中的黏土矿物吸水膨胀导致的，控制砒砂岩溃散需从控制填充物的吸水膨胀和增强胶结物的胶结能力着手。基于砒砂岩溃散和抑制机理的研究，提出了砒砂岩膨胀溃散的改性方案。

关键词：砒砂岩；膨胀溃散；抑制机理：二元模型；力学模型

中图分类号：S157.1； TV882.1

文献标志码：A

doi： 10.3969/j.issn.1000-1379.2018.06.021

砒砂岩是一种风化严重的页岩、砂页岩和泥质砂岩组成的互层岩石，主要分布在黄土高原黄河粗泥沙来源的核心区[1-2]，砒砂岩分布区人黄粗泥沙量占黄土高原地区人黄粗泥沙的30%左右[3 -4。砒砂岩具有干燥坚硬如石、水蚀溃散成沙的特性，其分布地区水土流失十分严重，土壤侵蚀模数高达3万～4万t/（ km2.a）[5-6]，水土流失及生态退化给当地生态环境及经济发展带来了灾难性影响。目前，砒砂岩遇水膨胀溃散问题尚未解决，利用砒砂岩碾筑的淤地坝坝体难以满足工程要求，往往在洪水中损毁严重[7]。若从区外运人土石、水泥等材料修筑土石坝，造价较为高昂，难以在当地大范围推广。因此，解决砒砂岩遇水膨胀溃散问题，对其加以改造利用，研制成满足工程要求的筑坝材料，具有十分重要的意义。

目前，对砒砂岩的侵蚀溃散机理研究较少。叶浩等[8-9]和石迎春等[10]研究了砒砂岩岩性对抗蚀性的影响，分析了砒砂岩侵蚀的内因，对砒砂岩的侵蚀特征进行了有益探索：唐政洪等[11]研究了砒砂岩地区风蚀、水蚀及重力侵蚀三者间的交互作用；毕慈芬等[12]对砒砂岩区侵蚀产沙的方式及机理等进行了研究：姚文艺等[13]对砒砂岩区抗蚀促生的治理模式进行了系统研究。然而，从力学角度对砒砂岩的水蚀溃散机理进行的研究尚未见报道。从微观角度，采用力学方法对砒砂岩胶结力与水蚀膨胀力的关系进行研究，提高砒砂岩的抗水蚀溃散性能，对于砒砂岩的改性利用意义重大。

笔者对砒砂岩的结构、物理组成、水蚀溃散机理及过程进行研究，提出砒砂岩膨胀溃散的改性方案，以期为砒砂岩的改性利用及砒砂岩区水土流失治理和生态修复提供参考。

1 砒砂岩膨胀溃散机理

1.1 资料与研究方法

本试验所用砒砂岩原料均取白内蒙古鄂尔多斯高原准格尔旗境内的二老虎沟附近沟道。主要采用仪器测试和力学分析方法，从宏观结构到微观结构，从外观形貌观察、颗粒组成、矿物组成到几何结构组成，对砒砂岩的基本构造、膨胀溃散性质等进行分析研究。

1.2 砒砂岩的结构

砒砂岩中各矿物的颗粒形状、大小差异较大，孔隙分布不均。颗粒间的连接形式、胶结类型、胶结物成分等均对砒砂岩的物理力学性能有影响。砒砂岩是在氧化或还原条件下，湖相和陆相交替作用的碎屑岩沉积物，颗粒间的连接方式以胶结为主。矿物颗粒间一般以硅质和铁质为胶结物的胶结性能较好，而以钙质和黏土质为胶结物的胶结性能较差。碎屑颗粒与胶结物、孔隙填充物的相对数量，以及碎屑颗粒间的接触关系决定了碎屑岩的胶结类型。砒砂岩大部分属于孔隙式胶结，少数成岩程度较好的属于接触式胶结[14]。不同颜色砒砂岩形貌见图1。

1.3 砒砂岩的颗粒组成

砒砂岩的颗粒级配较差，粒径分布不均，颗粒粒径主要为0.10～ 0.50 mm，其中：0.10～ 0.25 mm的最多，占40%以上：其次是0.25～ 0.50 mm的，占30%左右；0.10 mm以下的占20%～ 30%：0.50 mm以上的粗大颗粒占比不到1%[5]。

1.4 砒砂岩的物理组成

砒砂岩物理组成可分为3类（如图2所示）：①石英、长石和碳酸盐等粗大颗粒物，这些颗粒物组成砒砂岩的骨架：②蒙脱石、高岭石、伊利石、云母等风化黏土物质组成的填充物，这些黏土矿物属粉粒细粒黏土物质，填充在颗粒物之间的孔隙中：③接触界面上起黏合作用的胶结物，以游离氧化物（如氧化铁等）为主。换句话说，砒砂岩主要以原生矿物石英、长石、碳酸盐等颗粒物为骨架，次生黏土矿物蒙脱石、高岭石、伊利石、云母等为填充物，游离氧化物等为胶结物的一种多孔隙的特殊泥质砂岩。

1.5 砒砂岩的几何模型

砒砂岩的崩解、溃散主要是其岩体结构强度难以承受内部的膨胀作用引起的，其内部的膨胀作用由不同因素导致：其一，黏土填充物蒙脱石遇水强烈膨胀，使砒砂岩溃散（此情况下，可建立起以黏土矿物蒙脱石等为膨胀源，以游离氧化铁将石英、长石、碳酸盐等颗粒物胶结在一起组成的包裹物为约束环的砒砂岩几何结构模型，如图3（a）所示）；其二，砒砂岩内部存在较多孔隙，当有少量水存留在砒砂岩内部的孔隙中时，冬天这些孔隙水便会结冰膨胀，在冰胀的作用下砒砂岩结构遭到破坏，在风力等外部因素作用下发生崩解，如图3（b）所示。

1.6 砒砂岩的膨胀溃散过程

砒砂岩中黏土矿物蒙脱石的晶层面之间连接松散，水容易进入。此外，蒙脱石品格间存在品格取代现象，使蒙脱石晶层表面具有负电性，大量可交换性阳离子在静电作用下吸附在品格表面，当有水进入到蒙脱石晶层间时，吸附在晶层表面的阳离子便会发生水化，溶解到水中，形成扩散双电层。阳离子的脱离使品格表面带负电而具有排斥力，在斥力和渗透压力的共同作用下使蒙脱石产生膨胀。蒙脱石膨胀解离的过程如图4所示。

砒砂岩的水蚀溃散可分为4个阶段：①水少量渗入阶段（蒙脱石微润），砒砂岩结构松散，属颗粒支撑孔隙式胶结，存在大量的孔隙和通道，水易从粗大孔隙渗入砒砂岩中，初期只有少量水渗入时，这些水被孔隙中的黏土填充物吸收，还未进入到膨胀阶段。②水力劈裂阶段（蒙脱石吸水膨胀），水持续渗入到砒砂岩中，填充在孔隙中的黏土物质被充分浸湿，黏土矿物中的蒙脱石吸水开始膨胀。蒙脱石表面和晶层之间阳离子浓度高于环境溶液阳离子浓度，产生渗透压，使水分子向蒙脱石晶层间和晶面扩散，吸附在蒙脱石表面的阳离子扩散后形成扩散双电层，黏土品格间距进一步扩大，造成水化膨胀。持续膨胀的蒙脱石楔人粗大颗粒之间，蒙脱石膨胀产生的楔人力与粗大颗粒间的胶结力刚好达到平衡状态，颗粒间的约束丧失。③局部溃散阶段，砒砂巖表层开始剥落，水持续渗入到砒砂岩内部，颗粒间的胶结约束作用无法抵抗蒙脱石的膨胀作用而遭到破坏，颗粒间失去连接作用，砒砂岩内部局部发生溃散，形成渗流通道，渗流通道内部分蒙脱石解离迁移成泥浆。局部溃散促使孔隙进一步增大，水分更易进入，通道孔壁上的颗粒不断剥落被水流带走，砒砂岩局部溃散逐渐发展，开始有块体状剥落，甚至胀裂为数块。但是，如果遇干旱少雨，砒砂岩就会因内部含有水分而在冬季发生冻融破坏，造成非径流冻融风化侵蚀。④全部溃散阶段，砒砂岩水蚀肢解或冻融肢解，胀裂为数个小块，这些小块进一步崩解碎散成更小的小块和散粒，失去块体结构，直至散落成一堆散沙，亦即溃散。

2 砒砂岩溃散防治机理

2.1 砒砂岩力学模型

根据砒砂岩二元物理模型，构建砒砂岩力学模型，建模时进行简化：①将蒙脱石或冰等膨胀源简化为形状规则的圆形，膨胀应力在沿网周各个方向上均匀分布：②将胶结物和颗粒物组成的包裹物简化为约束环，约束环是一个均质的、沿圆周各处厚度和约束力均相同的网环。将砒砂岩的膨胀简化为弹性力学中网环受均布压力的问题，砒砂岩力学模型如图5所示。

2.2 砒砂岩溃散防治机理

防治砒砂岩的溃散可以通过两种途径来实现：一是对内圆膨胀物进行改性，抑制减小内圆的膨胀力q1；二是改变外部约束环包裹物的性质，增大约束环的约束力q2。

（1）减小内圆膨胀力q1。对蒙脱石进行改性，改变其泊松比及层间吸附阳离子的种类和分布等，抑制蒙脱石的水化膨胀性。

（2）增大内圆膨胀物质的弹性模量E。利用离子交换或碱溶蚀技术，对蒙脱石的层间及品格结构等进行改性，弱化其膨胀性，增强其胶结性，从而增大蒙脱石的弹性模量，抑制蒙脱石的膨胀。

（3）增大比值

。砒砂岩的溃散，实质是其体积膨胀量

，因此防治砒砂岩溃散的关键在于控制比值

，使

。减小比值

可以通过以下2个

方面来实现：①若膨胀物的量不变（即α值不变），则可通过掺人矿物废弃物、黏土等，增加包裹物的量（即增大b值），使膨胀物的占比相对减小，从而达到增大比值

的目的，砒砂岩黏土坝就是依据这个原理碾

筑而成；②若胶结物的数量不变（即b值不变），则可以通过碱溶蚀、加速风化等改性手段，使部分蒙脱石发生反应，即通过减小蒙脱石的数量，从而增大比值

，达到控制砒砂岩溃散的目的。

3 结论

（1）砒砂岩的组成可分为3类：①原生矿物石英、长石和碳酸盐等组成岩体骨架的粗大颗粒物：②由蒙脱石、高岭石、伊利石、云母等次生黏土矿物组成的填充物，这些黏土物质填充在粗大颗粒间的孔隙中：③颗粒物之间、颗粒物与填充物接触界面上的胶结物，如游离氧化铁等。不同矿物粒径相差悬殊，颗粒大小不一，颗粒之间接触不紧密，排列混乱，无一定的方向性，孔隙发育较好，砒砂岩的胶结以孔隙式胶结（填充式胶结）和接触式胶结为主。

（2）给出了砒砂岩遇水溃散原因及溃散过程。砒砂岩中以蒙脱石为主的亲水性黏土矿物是砒砂岩的膨胀溃散源，蒙脱石吸水膨胀及胶结物质遇水丧失胶结能力，膨胀力大于胶结力是引起砒砂岩遇水溃散的主要原因。砒砂岩的膨胀溃散可分为水流少量渗入（蒙脱石微润）、水力劈裂（蒙脱石吸水膨胀）、局部溃散、完全溃散4个阶段。

（3）建立了由膨胀源和约束环构成的砒砂岩力学模型，将砒砂岩的膨胀问题转化为弹性力学的网环受均布压力的力学模型。对砒砂岩的溃散防治，可通过两种途径来实现：①对内圆膨胀物改性，减小内网的膨胀力qi（改变内圆膨胀物的物理性质、增大内圆膨胀物的弹性模量E、降低内网膨胀物的泊松比v、减小内圆膨胀体的半径α）：②改变外部约束环包裹物的性质，增大约束环的约束力。

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