，,2，，

(1.中國地質大學 工程學院，武漢 430074；2.黃淮學院 建筑工程學院，河南 駐馬店 463000)

1 研究背景

巴東十字埡隧道在施工完成后僅僅投入運營2 a就發(fā)生了破壞[1]，造成了巨大損失。不僅是十字埡隧道，在我國西部的隧道工程中，有23座隧道不同程度穿過石膏質巖層[2]，其中19座隧道由于圍巖滲水導致混凝土襯砌發(fā)生不同程度的腐蝕和破壞[3-4]。在隧道建設過程中，原巖體的應力狀態(tài)發(fā)生改變，圍巖次生裂隙的產(chǎn)生為地下水的滲透提供了通道。在降雨補給地下水的過程中巖石遭到侵蝕，干濕交替條件下巖石結構構造發(fā)生改變[5]，造成巖石劣化，往往會造成嚴重的工程問題。

巖石是一種典型的多孔介質材料，毛細作用下巖石的水分傳輸特性主要取決于其內部孔裂隙的數(shù)量、大小、張開程度及其連通性，同時也受其礦物成分、組成晶粒大小等因素的影響。巖石的毛細吸水過程不僅反映巖石介質內孔隙特征，也是巖石劣化的重要考慮因素，在干濕交替情況下，巖石劣化更為嚴重。

因此本次將對十字埡隧道石膏質巖進行毛細吸水試驗，并比較研究干濕循環(huán)后吸水特性和孔隙特征的變化，為石膏質巖劣化研究提供依據(jù)。

2 巖樣特征與礦物成分分析

試驗所需石膏質巖均來自于巴東十字埡隧道，統(tǒng)一切割成尺寸約為? 50 mm×100 mm的標準圓柱試件。S1，S2，S3，S4巖樣取自不同位置，S5-1，S5-2，S5-3分別為同一巖塊經(jīng)過0，5，10次干濕循環(huán)之后切割得到的標準試件，表1為石膏質巖試件的基本參數(shù)。

表1 石膏質巖試件的基本參數(shù)

X衍射試驗半定量給出各試件的礦物成分及其含量。結果顯示，巴東十字埡隧道石膏質巖所含礦物主要有石膏、白云石、沸石和石英，其中以石膏為主，含量大于90%，白云石含量為2%～5%，并含有微量的石英和沸石等其他礦物。

石膏質巖主要為細粒晶粒結構，水平層狀構造，層理由石膏和白云石含量不同的小層平行排列表現(xiàn)出來。石膏主要為板狀或片狀，板狀晶體一般長0.21 mm左右，寬0.1 mm左右，晶體無色透明，常有1組解理明顯可見。

3 吸水實驗方法

本次實驗采用一維單面吸水方式，僅將試樣一個底面浸入水面以下0.2 mm進行吸水，并用石蠟密封試樣側面，稱取試樣質量m1。吸水過程t時刻將試樣取出，用吸水毛巾擦去巖樣底表面多余水分，并將試樣放在電子天平上并迅速記錄讀數(shù)m2，m2-m1便是試樣在t時間內的累計吸水量。

這種實驗方法雖簡單易行，但無法實現(xiàn)實際環(huán)境下的連續(xù)吸水過程，且毛巾擦拭試樣會造成一定的實驗誤差。

4 實驗結果分析

4.1 石膏質巖吸水曲線和吸水過程函數(shù)

圖1中的實線是試件S1，S2，S3，S4累計吸水量隨吸水時間的變化曲線。本次實驗各試件持續(xù)吸水22 d，22 d后試件基本達到毛細吸水穩(wěn)定狀態(tài)，最大累計吸水量為6.22 g，最小累計吸水量僅為1.26 g?？紫堵试酱?，對累計吸水量的貢獻也就越大[6]，試件S1，S2，S3，S4的孔隙率約為毛細吸水率的5倍，呈近正比例關系，正比例系數(shù)與孔徑大小分布以及孔隙結構特征等因素有關。

圖1 試件S1，S2，S3，S4的吸水曲線與擬合曲線

用對數(shù)函數(shù)式(1)對石膏質巖持續(xù)22 d的吸水過程曲線進行近似擬合：

M=aln(t)+b, 0

(1)

擬合結果如圖1中虛線所示，對數(shù)函數(shù)雖然可以近似說明吸水量、吸水速率的整體變化趨勢，但不能準確表現(xiàn)出具體的變化過程。為了更準確地描述石膏質巖毛細吸水過程，將吸水曲線分段研究[7]，對前期快速吸水段和后期近恒速吸水段分別采用不同的過程函數(shù)進行描述。

快速吸水階段采用二次函數(shù)方程式(2)進行擬合：

m=a1t2+b1t+c1, 0

(2)

式中：T為快速吸水階段持續(xù)時間。

不同試件的快速吸水階段持續(xù)時間T也不相同(見圖2)，本次實驗中，試件S1快速吸水時間約為24 h，試件S2和S4約為96 h，而試件S3最大，大概需要144 h。T的大小反映了孔隙有效性的相對強弱。T時間點之前試件吸水速率較大，且隨著時間增加而逐漸減小，在T時間點之后吸水速率基本穩(wěn)定。各試件的吸水量主要集中在T時間點之前，試件S1，S2，S3，S4在T時間點前的吸水量分別占累計吸水量的87.78%，92.02%，84.21%和81.21%。

圖2 快速吸水階段擬合曲線

恒速吸水階段吸水速率近于0，吸水量略有增加，吸水至22 d的恒速吸水曲線可以用線性函數(shù)近似擬合。

為了更加全面細致地了解石膏質巖在各段時間內的毛細吸水過程，分別對4個石膏質巖試件在0.4和4 h內的吸水特征曲線進行近似擬合(圖3)，同樣建立起0.4和4 h內毛細吸水二次函數(shù)方程式，即

(3)

圖3 0.4和4 h內吸水過程擬合曲線

表2列出各試件在0.4，4 h內和快速吸水階段毛細吸水過程函數(shù)的擬合參數(shù)，擬合參數(shù)a反映的是吸水速率的變化快慢。通過比較a的大小可以看出，試件S1的吸水速率減少得較快，而試件S3的吸水速率減小得最慢，隨著時間的增加，吸水速率減小得越來越慢。在T點之后，各試件吸水加速度幾乎為0。

表2 吸水曲線擬合參數(shù)

4.2 干濕循環(huán)前后吸水曲線特征比較

在干濕交替過程中，巖石孔隙特征會發(fā)生一定的變化，孔隙特征的變化必然導致巖石吸水過程發(fā)生改變。在石膏質巖塊經(jīng)歷0，5和10次干濕循環(huán)后，分別切割得到標準圓柱試件S5-1，S5-2和S5-3，每次干濕循環(huán)過程浸泡10 d，干燥7 d，分析比較干濕循環(huán)對石膏質巖毛細吸水過程的影響。

干濕循環(huán)后，巖石密度減小，循環(huán)次數(shù)越多，巖石密度越小，但顆粒密度幾乎沒有發(fā)生變化，孔隙率隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而增大。吸水曲線描述的是累計吸水22 d吸水量的變化過程，吸水率分別為0.2%，0.86%和2.1%。干濕循環(huán)前后試件吸水均可近似分為快速階段和恒速階段，但2個階段的分界時間點T不同，S5-1快速吸水持續(xù)72 h，S5-2和S5-3的快速吸水時間變?yōu)?和5 h。這2個階段均可滿足二次函數(shù)式(2)和線性函數(shù)(圖4)，前0.4 h內吸水曲線同樣遵循二次函數(shù)式(3)(圖5)，擬合結果見表3。

圖4 干濕循環(huán)前后快速吸水段擬合曲線

圖5 干濕循環(huán)前后0.4h內吸水擬合曲線

表3 干濕循環(huán)前后吸水過程擬合

干濕循環(huán)之后，巖石累計吸水量增加，循環(huán)次數(shù)越多，瞬時吸水量越大，累計吸水量也越大。在前0.4 h內，與試件S5-1和S5-2相比，試件S5-3吸水比例最大，約完成累計吸水量的25%。在接下來的3.6 h內，試件S5-2的吸水比例最大，約為54.08%。7 h以后，試件S5-3的吸水比例最大，約為54.76%?？梢?，干濕交替次數(shù)越多，前期吸水比例越大，吸水飽和速度越快，快速吸水時間也就越短。而在快速吸水階段，循環(huán)次數(shù)越多，巖石平均吸水速率越大，且吸水速率減小越快。在7 h之后，干濕循環(huán)試件進入近恒速吸水階段，而試件S5-1仍處于快速吸水階段，吸水速率大于循環(huán)后試件。72 h后試件S5-1近恒速吸水，其平均吸水速率小于循環(huán)后試件，且循環(huán)次數(shù)越多，恒速吸水階段平均吸水速率越大。

4.3 干濕循環(huán)前后石膏質巖孔隙特征

毛細吸水特性的變化在微觀上主要由孔隙特征決定[8]。石膏質巖孔隙類型主要為粒間孔隙,含少量裂隙及溶孔。從經(jīng)歷0，5和10次干濕循環(huán)的試件S5-1，S5-2和S5-3上分別取樣進行壓汞實驗，通過壓汞曲線(圖6)提取特征參數(shù)，比較干濕循環(huán)前后孔隙大小和孔隙分選性的變化。

圖6 干濕循環(huán)前后毛管壓力曲線

根據(jù)試件S1，S2，S3，S4和S5-1的壓汞數(shù)據(jù)計算分析得到，十字埡隧道出露的石膏質巖孔隙率較低，平均最大連通孔徑為2.85 μm，平均孔隙直徑約為0.88μm，孔隙分選性較差。對于試件S5-1，最大連通孔隙為2 μm，平均孔隙直徑為0.54 μm，大孔隙在孔隙中所占的比例較小，孔隙偏于細孔徑?？讖酱笥?.0 μm的孔隙約占總孔隙體積的34%，分布在0.1～1.0 μm區(qū)間的約占62.3%，小于0.1 μm的孔隙約占3.8%?？紫斗诌x性較差[9]，分選系數(shù)約為2.9。

比較圖6中壓汞曲線并提取特征參數(shù)可知，干濕循環(huán)之后，石膏質巖孔隙率增大，5次循環(huán)后，最大連通孔隙直徑增大到4.2 μm，平均孔隙直徑增至1.6 μm，大孔隙比例顯著增加，孔隙偏于粗孔隙?？讖酱笥? μm的孔隙約占77%，分布在0.1～1.0 μm區(qū)間的約占22%，小于0.1 μm的孔隙僅有1%。分選系數(shù)為1.4，孔隙大小分布相對集中。10次干濕交替之后，最大連通孔隙直徑增大到10.6 μm，平均孔隙半徑為4.5 μm，大孔隙比例繼續(xù)增加，孔隙偏向大孔隙更多?？讖酱笥?.0 μm孔隙約占89%，分布在0.1～1.0 μm區(qū)間的約占10.9%，小于0.1 μm的孔隙不足0.1%，孔隙分選性有所提高。

需要指出的是，由于本次實驗壓汞儀精度有限，石膏質巖中還可能有精度以外的微孔隙存在。

4.4 毛細吸水孔徑區(qū)間近似確定

儲層研究中認為可以滿足液體自由流動的毛細管孔隙直徑區(qū)間為0.000 2～0.5 μm，但是由于巖石類型、孔隙結構、流動液體等眾多差異性的存在，實際吸水毛管孔隙范圍并不相同，因此對有效孔隙下限的研究也比較多[10]。本次利用石膏質巖毛細吸水量和飽和毛細吸水量以及毛細管曲線近似確定石膏質巖毛細吸水孔徑區(qū)間。

飽和吸水的體積可以近似認為是飽和吸水有效孔徑下限r以上的所有孔隙體積之和，也可認為是壓汞實驗中大于r孔隙累計進汞量。由此可根據(jù)飽和吸水量以及壓汞實驗中累計進汞量與孔隙直徑的關系確定有效孔徑下限。假定自然毛細吸水孔徑下限也是r，那么可用飽和吸水量與毛細吸水量之差近似表示有效孔隙上限R以上孔隙體積之和，同樣利用飽和吸水量與毛細吸水量之差和壓汞數(shù)據(jù)確定毛細吸水有效孔徑上限R。表4為簡單計算得到的有效孔徑上、下限值，可以看出有效孔隙上限值和壓汞曲線得到的最大連通孔徑相差不大。

表4 有效孔隙直徑區(qū)間值

5 結 論

(1) 石膏質巖毛細吸水特性和孔隙特征有直接的關系，巖石孔隙特征決定著其毛細吸水特性，而反復的吸水干燥過程也會引起巖石孔隙特征的變化。

(2) 十字埡隧道石膏質巖中石膏含量普遍大于90%，石膏質巖主要為細粒晶粒結構，水平層狀構造。最大連通孔徑為2.85 μm，平均孔隙直徑的均值約0.88 μm，孔隙分選性差。

(3) 石膏質巖在0.4 h內、4 h內和快速吸水階段吸水量與吸水時間均近似滿足二次函數(shù)關系，二次函數(shù)的二次項系數(shù)絕對值近似表示吸水速率的變化快慢。

(4) 干濕循環(huán)后，石膏質巖孔隙率增加，前期吸水比例增大，快速吸水時間變短。微觀角度上看，孔隙最大連通孔徑和平均直徑變大，孔隙偏于粗孔隙，孔隙分選性提高。

(5) 利用飽和吸水量、毛細吸水量和壓汞數(shù)據(jù)可以近似得到毛細吸水孔徑區(qū)間，但存在一定的實驗誤差。

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