冻融干湿循环条件下压砂砾石损伤过程

刘民安，董亚萍，李 晨，李王成,3,4，李于坤，马己安，高海燕，郝 璐

冻融干湿循环条件下压砂砾石损伤过程

刘民安1，董亚萍2，李 晨2，李王成2,3,4，李于坤2，马己安2，高海燕2，郝 璐2

（1. 宁夏大学食品与葡萄酒学院，银川 750021； 2. 宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021；3. 宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，银川 750021；4. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，银川 750021）

为了解冻融干湿循环条件下压砂砾石损伤过程，该研究模拟当地自然气候环境，探讨压砂砾石粒径、盐度及冻融干湿循环次数对压砂砾石田间风化的作用效果。测定压砂砾石质量损失量，采用扫描电镜试验和X射线粉末衍射试验观察压砂砾石的微观结构及矿物组成的变化，初步分析了当地压砂砾石损伤机理。结果表明：1）小粒径（2、10 mm）处理的压砂砾石质量损失量较大。压砂砾石质量损失量与粒径负相关，累积质量损失率与粒径负相关，与冻融干湿循环次数正相关。压砂砾石累积质量损失率与冻融干湿循环次数为一次函数递增关系（2≥0.928）。影响压砂砾石质量损失量因素为粒径，影响砾石累积质量损失率因素为冻融干湿循环次数、粒径。2）粒径为10 mm、盐度为6 g/L处理时孔隙率增幅最大（16.78%）。孔隙率与粒径负相关，与冻融干湿循环次数正相关，影响砾石孔隙率因素由大到小为粒径、冻融干湿循环次数。3）压砂砾石中主要有5种矿物，白云母和钠长石质量分数与粒径正相关，石英与粒径负相关。粒径是影响压砂砾石石英、白云母和钠长石含量主要因素。4）压砂砾石损伤内因为结构特性、裂隙发育情况和亲水性矿物含量；外因为冻融风化、水岩作用及盐分参与淋溶。研究结果可为压砂地土壤健康发展与可持续利用提供依据。

风化；矿物；淋溶；压砂砾石；冻融干湿循环；扫描电镜

0 引 言

压砂地是将10～15 cm厚的卵石、砂砾石等覆盖在土壤表面，以达到协调土壤水肥气热状况目的的一种土地利用方式[1]，在宁夏推广近百年[2]，取得了显著的经济和生态效益。压砂地种植作物主要是硒砂瓜、枸杞、枣树、甜瓜、欧李[3]。随着压砂地种植年限的不断延长，受压砂砾石（主要是灰绿板岩）风化加剧及不合理耕作方式等的影响，压砂地的肥力会不断降低，生态功能会逐渐丧失。为此，学者们展开了与压砂地相关的研究，这些研究主要集中在压砂地水盐运移和土壤质量等方面。研究表明，长期压砂种植后土壤结构发生改变，土壤水分入渗过程受到影响[4]，压砂地保水、保温[5-6]、抑盐[7-9]和降尘[10]的作用逐渐减弱，土壤有机质质量和含量[11]明显降低，土壤微生物环境[12]发生改变。然而，对于覆盖在盐碱土上的不同粒径压砂砾石田间风化过程的研究较少。

岩石风化显著影响其周围土壤[13]、水体[14]、植物[15]及气候变化[16-17]情况。曾志雄等[18-20]研究表明，冻融干湿循环作用比单独干湿循环作用、单独冻融循环作用对岩土的破坏力更强。韩铁林等[21]研究发现，在三峡库岸边坡消落带砂岩风化过程中，冻融循环比干湿循环对砂岩破坏更强，此外，酸性化学溶液中SO42-溶液对砂岩的破坏力最强。在冻融干湿循环作用下，非饱和黄土微观结构发生变化，水分重新分布，并且黄土强度减弱[22]。千枚岩的物理力学特征指标随循环次数的增加逐渐弱化，并且在不同冻融循环或干湿循环处理中，极干-极湿循环处理对千枚岩的损伤最严重[23]。目前，在冻融干湿环境岩土风化过程方面的研究取得了一定的成果，但针对宁夏中卫地区压砂砾石（灰绿板岩）在冻融干湿循环条件下损伤规律的研究较少。

宁夏当地盐碱土上压砂砾石常年遭受冻融干湿循环破坏，李王成等[24]仅对压砂地砾石元素淋溶影响因素等进行了探讨，但其风化过程及影响机理仍不明确，盐碱环境对压砂砾石风化过程的影响作用还需要进一步研究。研究压砂砾石田间风化过程及其影响因素对宁夏中卫地区压砂地产业健康及可持续发展有着重要意义。为了解冻融干湿循环条件下压砂砾石损伤过程，本研究模拟当地自然气候环境，探讨压砂砾石粒径、盐度及冻融干湿循环次数对压砂砾石田间风化的作用效果，以期为阐明压砂砾石风化过程对压砂地的影响机制提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试压砂砾石样品均采自宁夏回族自治区中卫市沙坡头区香山乡红圈子村尹东大队同一区域（36°56′24″N，105°13′44″E），地处于香山-大罗山变质分区[25]。供试压砂砾石是奥陶系灰绿-深灰色云母斜长绿泥石石英板岩，属于变质岩。压砂砾石粒径通常为10～30 mm，压砂厚度为10～15 cm[26]。宁夏灌区耕地毛面积64.23万hm2，盐渍化面积占比39.72%，其中，轻、中、重级盐渍化面积比例为2.1:1.42:1[27]。试验用水为NaCl溶液。

1.2 试验设计和过程

试验采用室内模拟方法，依据国际制砂粒分级标准（砂粒粒径为0.02～2 mm）、当地常见覆砂砾石粒径（10～30 mm）和宁夏土壤盐渍化等级划分标准（轻度、中度、重度），设计A1～A4共4种砾石粒径处理（直径2、10、20、30 mm）和B1～B4共4种盐分处理（NaCl盐溶液浓度分别为0、3、6、10 g/L）的两因素随机设计试验，详见表1。试验设置16个处理，每个处理重复3次，共计48次试验。

表1 两因素随机设计试验处理

清洗砾石并在自然光下晾晒，晒干后利用4个尼龙网筛（2、10、20、30 mm）筛分，随后人工挑拣相应粒径压砂砾石，保证粒径均匀一致。另外，切割5 cm × 5 cm × 10 cm的压砂砾石标准试件5块。然后将砾石置于105℃的烘箱干燥24 h，置于干燥箱中备用。根据压砂地的压砂厚度（10～15 cm），采用压砂厚度为12 mm，用万特电子秤（量程3 000 g、精度0.01 g）称量单桶质量（1 000 ± 1）g，随机选取干燥后的压砂砾石，装入1 L的塑料烧杯中。随后将不同NaCl盐溶液（0、3、6、10 g/L）倒入相应处理的塑料烧杯中，保鲜膜封好，浸泡48 h，使得砾石达到饱水状态。详见图1。

试验时，冻结温度为（−20±2）℃，冻结时长17 h；融解温度为（25±2）℃，融解时长为7 h；干湿温度（30±2）℃，干燥时长22 h，泡水时长2 h，采用上海一恒鼓风干燥箱（DHG-9245A）和风冷变频冰箱（美菱）控制试验环境温度，如图2所示。一个冻融干湿循环过程作为一个大循环，一个循环48 h。冻融干湿循环次数为80次，试验时长160 d，基本单元为20次。

1.3 试验检测项目与指标计算方法

试验开始前，依据《水利水电工程岩石试验规程.SL-264-2001》[28]测定压砂砾石（灰绿板岩）的含水率（%）、吸水率（%）。试验过程中，每进行10次循环，通过烘干法称量杯底压砂砾石屑（粒径＜0.15 mm），循环开始前（即循环次数为0）、循环20、80次时，依据ICAS检测中心实验室推荐方法和GB/T30904-2014标准[29]，用扫描电镜（德国蔡司公司Zeiss EVO18）和X射线粉末衍射仪（德国布鲁克公司Bruker D8）测定表面形貌、微观结构及矿物组成。

压砂砾石累积质量损失率为：

W=|(M−0)/0|×100%（1）

式中W是第次压砂砾石累积质量损失率，%；M是第次冻融干湿循环处理后压砂砾石总损失量，g；0是冻融干湿循环处理开始前压砂砾石的质量，g。

试验数据由Excel、Origin2018软件进行图形的输出，MATLAB软件进行扫描电镜试验图像二值化处理，Jade 6.0软件处理X射线粉末衍射试验压砂砾石衍射图谱。采用Excel软件进行曲线拟合得出相应变量函数关系，采用SPSS 25.0软件进行相关分析和逐步回归分析明确自变量对因变量的主要影响因素。

2 结果与分析

2.1 天然状态下压砂砾石裂隙发育及矿物组成分析

2.1.1 不同粒径压砂砾石物理性质分析

对比4种粒径压砂砾石的基本物理性质发现（表2），压砂砾石（除2 mm粒径外）的天然含水率，自由吸水率，饱和吸水率值随着砾石粒径增大而减小，说明粒径较大的砾石裂隙发育较差。此外，自由吸水率和饱和吸水率值均低于1.5%，说明压砂砾石吸水性较差。压砂砾石的饱水系数均小于0.91，说明压砂砾石抗冻性较好，其中，20和30 mm压砂砾石的饱水系数较大，说明二者大开型空隙比小开型空隙多；10 mm压砂砾石的饱水系数较小，但其大开型和小开型空隙均是最大的。

表2 不同粒径压砂砾石基本物理性质

注：Max、Min、SD分别为最大值、最小值和标准差。-，无数据。

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

2.1.2 不同粒径压砂砾石微观结构分析

为了解田间不同粒径压砂砾石微观结构，评价其裂隙发育情况，对4种粒径（2、10、20、30 mm）进行扫描电镜检测，鉴定压砂砾石表面形貌、裂隙形态及大小和结构特点等，结果见图3。

图3扫描电镜结果显示，自然状态下压砂砾石试样表面形貌相对比较粗糙，呈现河流状形貌，表面凹凸不平，具有板岩的明显的板状构造。板理面由矿物定向排列而成，板理清晰，微裂隙与微裂缝发育，最大连通裂隙长度可达40m，部分微孔洞发育，孔洞分为槽形和多孔结构，最大微孔洞直径在30m左右。压砂砾石碎屑大都呈不规则鳞片状、长条状，少数呈有棱角的块状、粒状，颗粒轮廓分明，其大小、形貌差别较大，颗粒粒径相对较小，粒径在1～12m间变化。压砂砾石矿物胶结方式有孔隙充填式和孔隙垫衬式，鳞片状有的面面接触成型，存在较小微孔隙，有的面线相连成形成凸起，粒状和块状堆积成团粒，分布松散，结构稀松，存在较多的裂隙。压砂砾石在田间经历风化过程，不论砾石粒径大小，其表面形貌都有一定的破坏，微裂隙、裂隙和微孔洞发育，胶结方式改变，胶结强度降低，结构不同程度破坏。总体上，粒径越小破坏越明显。

SEM图像的大小是通过像素来表达的，图像颜色的深浅是由灰度来表达，不同的灰度对应不同的阈值。利用MATLAB对压砂砾石扫描电镜图片（2 000倍）进行图像二值化处理后计算压砂砾石孔隙率，结果见图4。

从图4可知，2和20 mm粒径的压砂砾石孔隙分布均匀。相比之下，10和30 mm压砂砾石孔隙分布较集中。天然状态下的压砂砾石孔隙率随着粒径的增大而减小，函数拟合结果显示两者呈线性函数递减关系。

2.1.3 不同粒径压砂砾石矿物组成分析

通过X射线粉末衍射试验测定压砂砾石矿物组成。由表3可知，压砂砾石主要矿物有石英、云母、斜长石、绿泥石、方解石，矿物质量分数分别44%、18%、18%、15%、4%。压砂砾石的大硬度矿物有石英及斜长石，占比62%；小硬度矿物有云母、绿泥石及方解石，占比37%；不稳定矿物有云母和斜长石，占比36%。从矿物石英的含量可知，压砂砾石是碱性岩石（SiO2质量分数＜52%）。此外，黏土矿物绿泥石（质量分数为15%）是砾石呈现灰绿-深灰色颜色和遇水软化的主要原因。

表3 压砂砾石矿物组成及质量分数

2.2 不同粒径及盐度水平下压砂砾石质量变化分析

2.2.1 不同粒径及盐度水平下压砂砾石质量变化

由表4可知，16个处理的压砂砾石经历冻融干湿过程后其质量均有一定程度的减少，在2.32～33.57 g之间。第40次循环前，2 mm压砂砾石质量损失量最大；40次循环后，10 mm压砂砾石质量损失量最大。总体上，小粒径（2、10 mm）处理对压砂砾石质量损失量较大。这主要是因为在饱水条件下的冻融干湿循环破坏过程中，小粒径的压砂砾石自身比表面积大、孔隙率较大、裂隙发育较高、风化程度较高和与淋溶液和砾石间作用面积较大，砾石更容易在盐分的参与下发生结构的改变，从而导致了压砂砾石碎屑的产生。

表4 不同粒径及盐度压砂砾石的质量损失量变化

2.2.2 不同粒径及盐度水平下压砂砾石累积质量损失率分析

图5表明在冻融干湿循环过程中，16种处理的压砂砾石累积质量损失率随着冻融干湿循环次数增加而增大，10～20次冻融干湿循环时，压砂砾石累积质量损失率变化最大。16种处理的压砂砾石第80次累积质量损失率为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%）总体上，小粒径（2、10 mm）处理的压砂砾石累积质量损失率较大。

通过对16种不同粒径及盐度处理与压砂砾石累积质量损失率进行函数拟合（见表5），结果发现压砂砾石累积质量损失率与不同粒径及盐度处理呈一次函数递增关系，且拟合度较高（2≥0.928）。

表5 冻融干湿循环次数与压砂砾石累积质量损失率函数关系

注：：压砂砾石累积质量损失率，%；：冻融干湿循环次数；**：<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 不同粒径及盐度水平下压砂砾石质量损失量、累积质量损失率影响因素分析

对粒径、盐度、冻融干湿循环次数与压砂砾石质量损失量、累积质量损失率进行皮尔逊相关性检验，结果见表6。

表6 粒径、盐度、循环次数与质量损失量、累积质量损失率相关系数

注：样本数128个。

Note: The sample size is 128.

经过皮尔逊相关性检验（表6），发现压砂砾石质量损失量与粒径显著中度负相关（0.4<|=|−0.55|<0.6，<0.01），与盐度和冻融干湿循环次数无相关关系。压砂砾石累积质量损失率与粒径显著强负相关（0.6<|−0.61|<0.8，<0.01），与盐度无相关关系，与冻融干湿循环次数显著强正相关（0.6<0.69<0.8，<0.01），与质量损失量显著弱正相关（0.2<0.37<0.4，<0.01）。逐步回归方程（表7）表明，本试验条件下，影响压砂砾石质量损失量因素为粒径，影响压砂砾石累积质量损失率因素为冻融干湿循环次数、粒径。

表7 粒径、盐度、循环次数与质量逐步回归分析

2.3 不同粒径及盐度水平下压砂砾石劣化模式扫描电镜分析

2.3.1 不同粒径及盐度水平下压砂砾石表面形貌分析

图6分别显示了冻融干湿循环20、80次时12种组合处理的压砂砾石宏观表面形貌变化情况。由图可知压砂砾石扫描电镜（500倍）结果显示，12种处理组合对压砂砾石表面形貌都有一定的破坏作用，其微裂隙、裂隙和微孔洞进一步发育，胶结作用降低，结构遭受不同程度的破坏。同一冻融干湿循环次数，同一盐分处理条件下，压砂砾石的基岩破坏程度、表面粗糙程度、微裂隙数量大小、裂隙数量大小、微孔洞数量大小及岩屑含量随着压砂砾石粒径增大而减小，而颗粒间胶结强度随着压砂砾石粒径增大而增大。相同冻融干湿循环次数，同一粒径水平条件下，压砂砾石的基岩破坏程度、表面粗糙程度、微裂隙数量大小、裂隙数量大小、微孔洞数量大小及岩屑含量随着淋溶液盐分的增大而增大，而颗粒间胶结强度随着淋溶液盐度增大而减小。80次冻融干湿循环处理压砂砾石表面形貌破坏程度大于20次冻融干湿循环时，具体表现为基岩破坏面积各大、破坏深度更深，表面形貌更粗糙及平整度下降，岩屑从小粒径少量分散分布到大粒径岩屑从基岩上剥离，岩屑数量增加，裂纹边界逐渐平滑。微裂隙、裂隙及微孔洞数量增多，颗粒结构从相对密实状态逐渐变得趋于松散，颗粒间胶结强度降低。综上所述，压砂砾石表面形貌破坏程度随粒径增大而减小，随盐度、冻融干湿循环次数增大而增大。

2.3.2不同粒径及盐度水平下压砂砾石微观结构分析

选取20、80次的2、10、30 mm压砂砾石选定区域进行钨丝灯扫描电镜微观结构分析，图7为20和80次冻融干湿循环后12个处理的压砂砾石微观结构扫描电镜结果。12种处理组合对压砂砾石微观结构均有一定的破坏作用，尤其是沿板理或板理劈理面更容易遭受破坏并剥落。压砂砾石微观结构破坏程度（基岩破坏程度、表面破碎程度、微裂隙数量大小、裂隙数量大小、微孔洞数量大小及岩屑含量大小）与粒径呈负相关关系，与盐度、冻融干湿循环次数呈正相关关系。80次冻融干湿循环后的压砂砾石微观结构较20次冻融干湿循环时更为松散，破碎面积及深度更大，孔隙发育更明显，裂纹轮廓更圆润，颗粒间胶结强度更低，岩屑数量更多，岩屑更小更薄。此外，80次冻融干湿循环后岩屑出现熔融状态，并发现氯化钠结晶，说明发生了盐风化，此现象在小粒径大盐度处理的压砂砾石样品中更为明显。这是因为压砂砾石经历冻融干湿循环破坏时压砂砾石裂隙发育，小粒径的比表面积更大利于盐分累积。

2.3.3 不同粒径及盐度水平下压砂砾石孔隙率及其影响因素分析

为进一步描述冻融干湿循环条件下压砂砾石孔隙发育情况，利用MATLAB对压砂砾石扫描电镜图片（2 000倍）进行二值处理后计算压砂砾石孔隙率得到图8。

图8表明，压砂砾石孔隙率在80次冻融干湿循环时比20次冻融干湿循环时更大，其中，A1B4、A2B2、A2B3、A2B4、A4B2、A4B3处理孔隙率变化较大，分别增大了12.88%、11.57%、16.78%、15.95%、14.64%、14.91%。20次循环时，不同盐度处理的2 mm压砂砾石孔隙率均大于30%，10 mm压砂砾石孔隙率均>29%，30 mm压砂砾石孔隙率均>23%。80次循环时，不同盐度处理的2 mm压砂砾石孔隙率均>33%，10 mm压砂砾石孔隙率均>40%，30 mm压砂砾石孔隙率均>30%。比较而言，10 mm压砂砾石处理，孔隙率增幅最大。

对粒径（1，mm）、盐度（2，g/L）、冻融干湿循环次数（）与孔隙率（，%）进行皮尔逊相关性检验，结果见表8。压砂砾石孔隙率与粒径显著中度负相关（=−0.48，<0.01），与盐度无相关关系，与冻融干湿循环次数显著强正相关（= 0.69，<0.01）。逐步回归方程表明，本试验条件下，影响压砂砾石孔隙率因素由大到小为粒径、冻融干湿循环次数。

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

表8 粒径、盐度、循环次数与孔隙率相关系数

注：样本数24个。下同。

Note: Sample size is 24. Same below.

2.4 不同粒径及盐度水平下压砂砾石矿物组成变化规律

为进一步了解冻融干湿循环处理条件下不同粒径及盐度处理的压砂砾石矿物组成及含量，利用Jade6.0软件进行物相分析并统计压砂砾石矿物组成及含量，结果见图9。

图9显示了冻融干湿循环20、80次时，12种组合处理的压砂砾石X射线衍射试验谱图定性及定量处理结果。由图可知，不同处理组合的压砂砾石中矿物种类以石英、钠长石及白云母为主，还有绿泥石和方解石。结合表9粒径、盐度、冻融干湿循环次数及各个矿物含量的皮尔逊相关分析结果表明，石英含量与粒径呈现显著强负相关关系（=−0.64，<0.01），与盐度、冻融干湿循环次数无相关关系。白云母含量与粒径呈现显著中度正相关关系（0.4<=0.47<0.6，<0.05），与盐度、冻融干湿循环次数无相关关系。钠长石含量与粒径呈现显著中度正相关关系（0.4<=0.45<0.6，<0.05），与盐度、冻融干湿循环次数无相关关系。绿泥石、方解石含量与粒径、盐度和冻融干湿循环次数无相关关系。根据表10矿物的逐步回归方程可知，本试验条件下，影响压砂砾石石英、白云母和钠长石含量的因素为粒径，其余矿物无显著影响因素。

表9 粒径、盐度、循环次数与矿物含量相关系数

表10 粒径与矿物含量逐步回归分析

2.5 压砂砾石损伤机理

从气象及环境条件角度分析（图10），研究区的压砂砾石在春、冬季节发生冻融循环破坏，夏、秋季节经历干湿循环作用，处于轻度盐渍化土壤表面（含盐量1.5 g/kg左右）。这为压砂砾石田间风化提供环境条件，并且研究区压砂地覆盖材料灰绿板岩取自香山冲积扇区域，压砂砾石是板岩经历自然风化过程而形成，自身存在裂隙发育。

从岩性角度分析，自然状态下，田间不同粒径的压砂砾石裂隙发育有差异。随粒径增大，裂隙发育程度随粒径增大而减小，孔隙率和粒径呈线性函数递减关系。压砂砾石表面形貌相对比较粗糙，板状构造，矿物晶体多呈不规则鳞片状，矿物胶结方式有孔隙充填式和孔隙垫衬式，矿物组成是石英、白云母、斜长石、绿泥石、方解石。综上所述，压砂砾石为微风化，强度较弱，抗风化能力较弱。

从盐分参与的冻融干湿循环过程角度分析，在试验前压砂砾石经历48 h不同盐度水平溶液饱水处理时，盐溶液湿润压砂砾石表面后渗入砾石内部的微裂隙、裂缝及微孔洞。此时，盐溶液与压砂砾石发生化学反应，破坏其内部结构，使得压砂砾石裂隙进一步发育；并且生成黏土矿物，从而破坏砾石内部胶结状态等。试验过程中，压砂砾石首先经历冻融过程，冻结时，压砂砾石内部裂隙中盐溶液因低温作用而冻结，产生冰晶，冰晶不断增多导致砾石内部裂隙涨大，裂隙不断发育；融解时，由于温度上升，砾石内部冰晶融化，冰晶由固态变为液态和少部分气态。随后，压砂砾石进行干湿处理，干燥时，压砂砾石内部盐溶液随着温度上升而蒸发，蒸发后留下盐晶体，砾石温度逐渐上升，发生热膨胀现象；浸泡时，发生热膨胀的压砂砾石经较低盐溶液淋洗并浸泡，温差作用进一步加快压砂砾石裂隙发育汇集。冻融干湿循环过程中，压砂砾石中的亲水性黏土矿物绿泥石和云母吸水膨胀，体积变大，促进砾石内部孔隙、裂隙逐渐发育、汇集；同时，矿物颗粒逐渐软化、分解，砾石微观结构逐渐趋于松散。此外，绿泥石、白云母等矿物的定向排列，在压砂砾石内部形成非常明显的层理、片理、裂缝等软弱结构面，在这些结构面附近，矿物颗粒间的粘结力很小，强度很低，导致压砂砾石遇水软化。同时，盐溶液与压砂砾石发生与饱水48 h时同样的化学反应，此处不再赘述。本试验条件下，压砂砾石内部裂隙中盐溶液不断经历着三相转变，并且盐分参与促进水岩相互作用，最终压砂砾石结构被破坏，矿物组成改变，胶结作用减弱，压砂砾石强度减低，宏观上表现为压砂砾石破碎成更小粒径碎石或岩屑。

压砂砾石冻融干湿循环破坏的主要内因是其结构特性、裂隙发育情况和亲水性矿物含量；主要外因是气象条件引起的冻融风化和水岩作用及砾石所处土壤盐分参与淋溶过程。

3 结 论

本研究针对宁夏中卫香山地区压砂砾石风化问题，以当地主要压砂砾石（灰绿板岩）为研究对象，在了解当地压砂砾石裂隙发育情况的基础上，通过室内模拟试验，设置了4种粒径和4种盐分浓度的两因素随机试验，研究本试验条件下，压砂砾石质量、微观结构和矿物组成的变化规律，主要得到以下结论：

1）小粒径（2、10 mm）处理的压砂砾石质量损失量较大。压砂砾石质量损失量与粒径负相关，累积质量损失率与粒径负相关，与冻融干湿循环次数正相关。压砂砾石累积质量损失率与冻融干湿循环次数为线性函数递增关系（2≥0.928）。影响压砂砾石质量损失量因素为粒径，影响砾石累积质量损失率因素为冻融干湿循环次数、粒径。

2）压砂砾石表面形貌与微观结构破坏程度随着粒径增大而减小，随着盐度、冻融干湿循环次数增大而增大；第80次冻融干湿循环后岩屑出现熔融状态，并发现氯化钠结晶。压砂砾石孔隙率与粒径负相关，与冻融干湿循环次数正相关。10 mm压砂砾石的处理，孔隙率增幅最大，影响砾石孔隙率因素由大到小为粒径、冻融干湿循环次数。

3）白云母和钠长石含量与粒径正相关，石英与粒径负相关。粒径是影响压砂砾石石英含量、白云母含量和钠长石含量的主要因素。

本试验过程中，采用2、10、20、30 mm粒径的压砂砾石为研究对象，未涉及小于2 mm以下粒径水平，但在试验过程中各个粒径压砂砾石部分质量以岩屑的形式淋失，作为土壤的补充源，因此小于2 mm粒径水平下压砂砾石风化过程可进一步研究。冻融干湿循环次数对压砂砾石损伤及淋溶有重要影响，考虑到本试验可行性，采用冻融干湿循环次数为80次，时间序列较短，建议今后试验延长循环次数。压砂砾石所处土壤中分布着植物根系，土壤微生物、小型动物的活动及腐植酸对岩石的分解都可以改变岩石风化过程。因此，有必要研究植物、微生物生命活动对压砂砾石理化特性的影响。

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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

刘民安，董亚萍，李晨，等. 冻融干湿循环条件下压砂砾石损伤过程[J]. 农业工程学报，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

国家自然科学基金项目（51869023）；宁夏自治区级青年拔尖人才项目（030103030008）；宁夏大学“西部一流”重大创新项目（ZKZD2017002）；宁夏大学国内一流建设学科“水利工程”学科项目（NXYLXK2017A03）

刘民安，实验师，主要研究方向为水土资源退化与修复方向。Email：liumin_an@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.022

P584

A

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