不同矿物组分的泥岩干湿循环崩解特性研究

许志东， 项彦茂， 陈园园， 李 俊， 徐 峰

(1.广州市北二环交通科技有限公司， 广州 510030； 2.招商局重庆交通科研设计院有限公司， 重庆 400067)

泥岩是主要的软岩之一，广泛分布在我国西南和中原地区，具有强度小、易风化、遇水易软化、工程稳定性差等特性，常引起路基塌陷、边坡失稳等问题[1-3]。而遇水易崩解是泥岩作为工程岩体最主要的问题之一，近年来，工程界对泥岩的崩解性开展了诸多研究[4-6]。

泥岩的矿物成分及含量因不同地质年代及分布地区存在着较大差异，其中矿物成分对泥岩崩解特性起着决定性作用[7-9]。吴道祥等[10]对红层软岩的崩解性进行了室内干湿循环崩解试验，发现胶结物的类别和粘土矿物含量是决定红层泥岩崩解性的主要因素。柴肇云等[11]则根据泥岩矿物组成中蒙脱石的含量，将泥岩的崩解机理分为了2类，并统计了泥岩耐崩解性与矿物组成之间的关系。申培武等[12]对巴东组紫红色泥岩在干湿循环过程中的分形特征进行了研究，并分析了矿物成分在其崩解过程中的作用机制。李昆鹏等[13]研究了酸雨对粉砂质泥岩崩解性的化学损伤机制，分析了矿物成分在酸性环境下微观结构的变化。

但是在目前关于泥岩矿物组分对其崩解特性的研究中，学者们大多是对1种或2种泥岩进行试验分析，并没有多种不同矿物组分泥岩崩解特性之间的对比，研究成果还是缺乏普适性。本文对不同矿物组成的泥岩进行了多次干湿循环崩解试验，分析了泥岩的崩解现象和颗粒粒径变化，总结了泥岩的崩解规律。

1 试验方法

1.1 岩样

为充分研究矿物组成对泥岩崩解特性的影响，泥岩试样总共分为4种，即三叠系中统砂质泥岩、石炭系下统粉砂质泥岩、侏罗系中统泥岩和白垩系下统泥岩。岩样成分如表1所示。

表1 泥岩岩样成分

1.2 自由浸水崩解试验

自由浸水条件下的崩解试验主要是将天然状态下岩样置入水中，观察其形态变化[14-15]。计划对4种不同矿物组成的泥岩进行自由浸水24 h的循环崩解试验，具体试验步骤如下：

1) 每种泥岩选择10块质量为40 g～60 g左右的天然岩样，并分别称取质量。

2) 将岩样放入水槽中，向水槽中注水至完全淹没岩样，岩样浸水24 h后整体带水过0.25 mm标准筛，随后连同筛子放入105 ℃的烘干箱中烘干24 h，随后取出放入干燥室冷却至室温，称取其质量。

3) 将所有收集到的岩样用5 mm、2 mm、0.5 mm和0.25 mm标准筛进行筛分试验，并记录不同粒径崩解物的质量，此为一次干湿循环。

4) 将所有粒径大于0.25 mm的崩解物放入水槽中，重复2)、3)操作，直至岩样崩解完全，记录此时的干湿循环次数。

2 试验结果及分析

2.1 泥岩崩解特征分析

在干湿循环崩解试验中，泥岩1在经历了3次干湿循环后也未发生崩解，因此结束崩解试验；泥岩2在第1次干湿循环中并未发生崩解，只是在岩块表面出现了大量的细长裂纹，在第2次干湿循环中发生块状崩解，在第5次干湿循环后崩解完全；粘土矿物含量最高的泥岩3在经历6次干湿循环后就完全崩解；粘土矿物含量次之的泥岩4经历了10次干湿循环才崩解完全。不同干湿循环次数下4种泥岩的崩解现象和崩解物形态如表2所示。

表2 不同矿物组分泥岩干湿循环崩解特征

从不同矿物组成泥岩的干湿循环崩解现象可以看出，粘土矿物含量较高的泥岩3和4崩解的程度和速度要远高于泥岩1和2，并且前者的崩解物粒径较小，崩解物呈颗粒状和碎片状，几乎跟沙土一般，而石英、长石含量高，粘土矿物含量低的泥岩1和泥岩2基本不发生崩解，就算崩解也只是整体崩解成2～3块，崩解物粒径较大。

2.2 泥岩崩解矿物组成及颗粒分析

试验得到的不同矿物组分泥岩崩解物粒径随干湿循环次数的变化曲线如图1所示。从图1中可归纳出以下规律：

1) 石英、长石类矿物含量高的泥岩崩解性最弱，如泥岩1和泥岩2，几乎不发生崩解，粒径>5 mm的颗粒含量在97%以上。

2) 粘土矿物含量最高的泥岩3崩解性最大，随着干湿循环次数的增加，粒径>0.25 mm的颗粒含量均呈下降趋势，特别是在第2次干湿循环后，粒径>5 mm的颗粒含量呈断崖式下降，在第3次干湿循环后趋于稳定，含量几乎为0。

3) 粘土矿物含量次之的泥岩4崩解性同样较强，粒径>5 mm的颗粒含量随干湿循环次数的增加而逐渐降低并趋于稳定，下降速率要小于泥岩3；泥岩4的粒径主要集中在0.5 mm～5 mm之间，其中粒径为2 mm～5 mm的颗粒含量随干湿循环次数的增加而迅速增加，随后缓慢降低，粒径为0.5 mm～2 mm、0.25 mm～0.5 mm、<0.25 mm的颗粒含量均随干湿循环次数的增加而增加，不过粒径为0.5 mm～2 mm的颗粒含量变化速率要高于粒径为0.25 mm～0.5 mm和<0.25 mm的颗粒含量变化速率。

4) 泥岩粘土矿物含量越高，石英、长石类矿物含量越低，则泥岩崩解性越强，崩解物颗粒粒径越小，变化曲线越为陡峭。

(a) 粒径>5 mm

2.3 泥岩崩解特征分级

根据4种泥岩在干湿循环下的崩解现象和崩解物粒径分析，将不同矿物组分泥岩崩解的强弱程度分为了不崩解、弱崩解、中崩解和强崩解4个等级[10]。

1) 不崩解：岩样在经历若干次干湿循环后均不发生崩解，仅有部分泥状颗粒从岩样表面脱落，如泥岩1。

2) 弱崩解：岩样在浸水24 h后不发生崩解，仅有少量微裂纹出现，但在经历1～2次干湿循环后整体呈块状崩解，常为一块岩样崩解为3～4块较大的碎块，如泥岩2。

3) 中崩解：岩样在浸水10 min后开始崩解，崩解物主要呈碎块状、层状，第1次干湿循环后便崩解完全，在经历3、4次干湿循环后仍有较多块状崩解物，如泥岩4。

4) 强崩解：岩样在刚浸水时便快速地发生整体的垮落，在浸水30 min后便几乎完全崩解，崩解物主要呈泥状、细颗粒状，在经历第1次干湿循环后岩样便基本崩解成粒径很小的颗粒状，如泥岩3。

泥岩的矿物成分及崩解强弱程度的比较如表3所示。

表3 泥岩崩解强弱程度与矿物含量及成分的关系 %

3 结论

1) 矿物成分和含量对泥岩的崩解性起着决定性的作用。石英、长石类矿物含量越高，粘土矿物含量越低，泥岩越不容易崩解，粘土矿物含量高的泥岩崩解物粒径较小，以细颗粒状、泥状、圆片状为主，并且在干湿循环过程中极易整体崩塌，迅速发生崩解。

2) 粘土矿物含量越高，泥岩崩解物颗粒粒径变化曲线越为陡峭，粒径<0.25 mm的颗粒含量越高。

3) 按崩解现象、颗粒粒径分布、矿物组成和含量将泥岩崩解性分为不崩解、弱崩解、中崩解和强崩解4个等级。