王章瓊，劉曉菲，黃 敏

(武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073)

0 引言

紅砂巖是指形成于新生代、中生代的一類陸相巖系，因含有鐵質(zhì)氧化物而呈紅色，在我國中南、西南等地區(qū)均有分布[1-2]。紅砂巖強(qiáng)度低，具有膨脹性，遇水后易發(fā)生軟化、崩解，經(jīng)開挖、爆破后，新鮮巖石在自然環(huán)境下即可崩解碎裂成土狀，甚至泥化。在紅砂巖分布地區(qū)，修建公路時常將紅砂巖作為路基填料[3]。在地下水位上升、地表雨水入滲等因素作用下，紅砂巖填料就會發(fā)生崩解，造成路基濕化變形，從而導(dǎo)致路基沉降等工程問題[4]。

國內(nèi)外學(xué)者針對軟巖的崩解性開展了大量研究。FRANKLIN J A等[5]較早地提出了巖石室內(nèi)崩解試驗(yàn)方法；EDUARDO A G等[6]通過室內(nèi)試驗(yàn)對比分析了頁巖、泥巖和粉砂巖的耐崩解特性；SADISUN I A等[7]通過室內(nèi)干濕循環(huán)試驗(yàn)，獲得了泥巖的崩解系數(shù)；SEEDSMAN R等[8]從黏土礦物膨脹、孔隙壓力增大等角度探討了黏土頁巖浸水崩解機(jī)理；ERGULER Z A等[9]從微觀角度對軟巖的崩解機(jī)制進(jìn)行了研究。梁冰[10]、申培武等[11]、左清軍等[12]研究了泥巖的崩解性能；韋慧等[13]通過大型壓縮試驗(yàn)得到紅砂巖的濕化壓縮變形規(guī)律。

隨著近幾十年來社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)導(dǎo)致的大氣污染、水污染越來越嚴(yán)重。當(dāng)大氣降雨或地下水呈酸性時，紅砂巖的干濕循環(huán)崩解特性將更為復(fù)雜。GUPTA V等[14]研究了溶液pH值與礦物性質(zhì)對巖石崩解特性的影響；GHOBADI M H等[15]、SINGH T N等[16]研究了不同pH值條件下巖石的崩解特性。鄧濤[17]對泥質(zhì)頁巖進(jìn)行了不同溶液中的靜態(tài)崩解試驗(yàn)和耐崩解試驗(yàn)，得到了pH值變化對泥質(zhì)頁巖崩解的影響規(guī)律；梁冰等[18]對比了不同pH值溶液中泥巖崩解強(qiáng)度大小關(guān)系；黃明等[19]基于不同pH值溶液中泥質(zhì)頁巖的循環(huán)崩解試驗(yàn)，得到不同粒徑范圍顆粒百分含量隨崩解次數(shù)的變化關(guān)系。

恩施市紅層砂巖廣泛分布，隨著近年來恩施市城市建設(shè)的大規(guī)模開展，紅砂巖被越來越多地作為路基、建筑地基填料。因此，有必要開展紅砂巖在酸性環(huán)境下的干濕循環(huán)崩解特性研究。本文通過配制不同pH值溶液以模擬酸雨，對紅砂巖進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)，獲得紅砂巖崩解特性與溶液pH值的關(guān)系，為實(shí)際工程提供理論參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

試驗(yàn)用紅砂巖取自恩施市城區(qū)某工地，為防止試驗(yàn)前巖石水分散失，采樣、運(yùn)輸及制樣等過程中均采用保鮮膜封裝。在室內(nèi)將紅砂巖切割成質(zhì)量約100 g的塊體，挑選無明顯裂紋的巖塊進(jìn)行試驗(yàn)(圖1)。將巖塊分為4組，分別編號為1#、2#、3#、4#，每組3個。

圖1 紅砂巖巖塊Fig.1 Rock blocks of red sandstone

目前我國各地區(qū)酸雨的pH值范圍主要集中在4.7～6.0。為此，本文選取4.7、5.3、6.0三個酸性pH值，此外還配制pH值為7.0的中性溶液進(jìn)行對比。采用濃鹽酸(質(zhì)量百分比為36%～38%)配制酸溶液，溶液pH值由PHS-25型數(shù)顯酸堿計(jì)測定。

1.2 試驗(yàn)儀器

目前巖土體崩解試驗(yàn)所用儀器主要為《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》(JTGE40-2007)、《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237-1999)中建議的崩解試驗(yàn)儀器(圖2)。該儀器的基本原理是，通過試樣質(zhì)量損失間接獲得崩解量。試驗(yàn)過程中只需讀取浮筒讀數(shù)，即計(jì)算出試樣崩解量。該儀器主要適用于浸濕條件下的崩解試驗(yàn)。但該儀器也有不足之處：(1)僅獲得崩解過程中崩解物質(zhì)量隨時間變化規(guī)律，而無法獲得崩解物粒徑變化規(guī)律；(2)試驗(yàn)中試樣一般始終處于浸水狀態(tài)，而本文試驗(yàn)中需要對試樣開展干濕循環(huán)作用下的崩解試驗(yàn)，該儀器明顯操作不便。

圖2 崩解儀示意圖Fig.2 Schematic diagram of disintegration instrument1—浮筒；2—網(wǎng)板；3—玻璃水桶；4—試樣。

為此，根據(jù)規(guī)范建議崩解儀的原理，自制了簡易崩解儀(圖3)。該儀器由玻璃容器、金屬網(wǎng)、支架三個部分組成。崩解試驗(yàn)過程中，崩解物可穿過金屬網(wǎng)掉落到玻璃容器底部；一次浸水崩解完成后，可徒手或利用彎勾緩慢提起金屬網(wǎng)，并對試樣進(jìn)行風(fēng)干處理。

圖3 自制崩解儀示意圖Fig.3 Schematic diagram of self-made disintegration instrument1—玻璃容器；2—金屬網(wǎng)；3—支架；4—試樣。

1.3 試驗(yàn)方案

(1)將1#、2#、3#、4#紅砂巖試樣分別浸沒在pH值為4.7、5.3、6.0、7.0的溶液中，靜置12 h之后，取出紅砂巖試樣并風(fēng)干。

(2)殘留在溶液中的固體顆粒便是一次干濕循環(huán)后的崩解產(chǎn)物，將溶液倒入放置有濾紙的漏斗中，得到紅砂巖試樣一次崩解后的產(chǎn)物。將崩解產(chǎn)物放入105 ℃的恒溫環(huán)境中烘干，烘干時間不小于8 h。

(3)將烘干后的崩解產(chǎn)物進(jìn)行篩分試驗(yàn)，得到各粒組土顆粒的質(zhì)量。

(4)每次崩解試驗(yàn)結(jié)束后，利用酸堿計(jì)檢測溶液pH值，當(dāng)溶液pH值較試驗(yàn)前設(shè)置值發(fā)生變化時，在下一次崩解試驗(yàn)之前調(diào)配至初始值。

(5)按照上述方法對試樣進(jìn)行干濕循環(huán)崩解試驗(yàn)，直至紅砂巖試樣完全崩解。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 崩解現(xiàn)象描述

當(dāng)紅砂巖試樣浸沒在溶液中時，表面可見細(xì)小的顆粒剝落，且有少量氣泡從試樣表面溢出。溶液pH值越小，氣泡越多。

隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行，紅砂巖試樣表面出現(xiàn)裂縫，裂縫不斷擴(kuò)展并貫通，試樣逐漸解體為若干小塊。同時，細(xì)顆粒數(shù)量逐漸增多，試樣表面冒出氣泡的數(shù)量逐漸減小。

2.2 崩解顆粒級配分析

對4組試樣在不同干濕循環(huán)次數(shù)下的崩解物進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到崩解顆粒含量與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(圖4)。

圖4 不同pH值下崩解顆粒含量與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between disintegrating particle content and wetting-drying cycle indexes with different pH value

可以看出，任一pH值溶液條件下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粒徑大于5 mm的顆粒百分含量逐漸降低，崩解完全時該粒組含量為0；粒徑為2～5 mm的粒組含量大體呈先增大后減小的趨勢，并逐漸趨于穩(wěn)定；粒徑為0.5～2 mm的粒組含量在干濕循環(huán)過程中變化不明顯；粒徑為0.25～0.5 mm的粒組含量大體上呈逐漸增大趨勢；粒徑小于0.25 mm的粒組含量大體逐漸增大，并趨于穩(wěn)定。

溶液pH值對紅砂巖崩解特性影響明顯，主要體現(xiàn)在2個方面：(1)pH值越低，各粒組百分含量變化速率越快，特別是粒徑>5 mm及<0.25 mm的粒組；(2)pH值越低，巖塊完全崩解時所需的干濕循環(huán)次數(shù)越少，pH值為4.7、5.3、6.0、7.0的溶液中，試樣完全崩解所需干濕循環(huán)次數(shù)分別42、54、66、72次，表明酸性環(huán)境有利于紅砂巖的崩解。

2.3 耐崩解性分析

在干濕循環(huán)試驗(yàn)中，每隔6次循環(huán)記錄一次崩解量，崩解率由公式(1)計(jì)算。

由此得到4種不同pH值溶液中試樣崩解率與干濕循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線(圖5)?？梢钥闯?，崩解曲線具有明顯的階段性：干濕循環(huán)次數(shù)小于18次時，試樣崩解率增長緩慢；超過18次后，崩解率快速增大；超過36次后，崩解率增長速率逐漸減緩。由此可以將崩解曲線劃分為三個階段：早期緩慢崩解階段、中期快速崩解階段、后期緩慢崩解階段。

圖5 試樣崩解曲線Fig.5 Disintegration curve of the samples

2.4 水巖化學(xué)作用崩解機(jī)理分析

圖6 紅砂巖X射線衍射圖譜Fig.6 X-ray diffraction spectrum of red sandstone

礦物成分石英長石方解石云母蒙脫石含量/%64.221.77.44.32.4

長石、方解石、蒙脫石等礦物與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶鹽溶解在溶液中，導(dǎo)致巖石內(nèi)部生成新的孔隙、裂隙，隨著干濕循環(huán)的持續(xù)，孔隙、裂隙不斷擴(kuò)展并貫通，加速了紅砂巖的崩解。因而溶液的pH值越低，紅砂巖干濕循環(huán)崩解速率越快。

圖5中，干濕循環(huán)次數(shù)小于18次時，崩解緩慢；28～36次之間試樣快速崩解，超過36次之后又緩慢崩解。主要原因可能是，在干濕循環(huán)前期(<18次)鹽酸主要與砂巖表面的碳酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因而崩解速率較慢。隨著裂隙的擴(kuò)展、貫通，原來完整的巖塊解體成若干小塊，表面積增大，更多的碳酸鈣參與到與鹽酸的化學(xué)反應(yīng)中來(28～36次)。到了干濕循環(huán)后期(>36次)，巖塊中的大部分碳酸鈣已與鹽酸反應(yīng)完全，僅少量碳酸鈣、蒙脫石含量低的大顆粒繼續(xù)發(fā)生崩解。

3 結(jié)論

以恩施紅層砂巖為研究對象，開展不同pH值溶液的干濕循環(huán)試驗(yàn)，觀察試驗(yàn)現(xiàn)象，并統(tǒng)計(jì)試樣在各階段的顆粒含量、崩解率，主要取得以下結(jié)論：

(1)在不同pH值溶液中，紅砂巖崩解率具有明顯的階段性：干濕循環(huán)次數(shù)<18次的初始階段，發(fā)生緩慢崩解；循環(huán)次數(shù)>18次后，進(jìn)入快速崩解階段；循環(huán)次數(shù)>36次后，崩解速率再次明顯下降。

(2)溶液pH值對紅砂巖崩解特性影響顯著。pH值越低，各粒組百分含量變化速率越快，特別是粒徑>5 mm及<0.25 mm的粒組；pH值越低，巖塊完全崩解時所需的干濕循環(huán)次數(shù)越少，表明酸性環(huán)境有利于紅砂巖的崩解。

(3)紅砂巖中所含長石、方解石、蒙脫石等礦物，能與鹽酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成可溶性鹽及CO2氣體，促使紅砂巖內(nèi)部溶隙、裂隙的生成與發(fā)展，進(jìn)而導(dǎo)致巖塊崩解。因而，酸性環(huán)境的干濕循環(huán)更有利于紅砂巖的崩解。