易崩解岩石膨胀性试验研究

霍 涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063）

1 引言

膨胀岩是指含有较多亲水矿物，含水率变化时体积发生较大变化的软质岩石[1]，具有遇水膨胀软化、崩解和失水收缩、开裂的特性[2-3]，是造成重大工程变形破坏或安全隐患的关键所在[4-6]。因此，正确判别膨胀岩，准确评价其膨胀性，为工程建设提供合理的设计参数和科学依据具有重要的现实意义。

目前，《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077-2019）[7]中规定，膨胀岩的室内判定采用自由膨胀率、膨胀力和饱和吸水率三项指标，当有两项及以上符合技术要求时，则可判定为膨胀岩。对于易崩解岩石而言，采用岩石方法进行自由膨胀率试验时，由于样品吸水后崩解，会造成试验数据偏小、结果失真，因此规范要求按照土的方法进行自由膨胀率试验。但是对于饱和吸水率指标，现行的国家标准、铁路标准、公路标准中的试验方法均强调仅适用于遇水不崩解、不溶解、不干缩膨胀的岩石[8-10]，因此对于遇水易崩解的岩石无法得到饱和吸水率数据，如果自由膨胀率和膨胀力两个指标结果不一致就无法进行膨胀岩判定，为此有必要对易崩解岩石饱和吸水率试验进行研究，为膨胀岩的判定提供依据。

现阶段对膨胀岩的吸水率试验研究中，曲永新等[11]根据不规则岩块的浸水破坏形式和干燥-饱和吸水率的数值，对膨胀岩进行判别，对膨胀势进行预测；何满潮等[12]研制了软岩水理作用试验系统，并对深井泥岩吸水特性进行了研究；郭伟耀等[13]借鉴阿基米德原理研制出一种岩石自由膨胀率和吸水率测定装置。但是这些研究中，岩石只能通过毛细作用吸收水分，水也只能通过重力流动，试验时间较长，严重影响整个试验的进程，同时，由于无法将颗粒之间的自由水完全排干，导致结果偏大。

针对上述问题，本文采用自主研发的易崩解岩石饱和吸水率测试装置，测定易崩解岩石的饱和吸水率，同时分别选用岩石评价指标(自由膨胀率、膨胀力、饱和吸水率）和土的评价指标(自由膨胀率、蒙脱石含量、阳离子交换量），按照《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077-2019）对试验样品进行膨胀性判定，并结合X射线衍射(XRD）、偏光显微镜、扫描电镜(SEM）等微观测试手段，探究样品遇水崩解的原因。

2 试验方法

本次试验选用不同地区、不同膨胀性的20个易崩解岩石进行试验，其中遇水易崩解岩石饱和吸水率测试装置如图1所示。该装置将真空饱水与真空抽滤结合起来，设置抽滤功能，能够快速排出样品中的自由水，提高试验速率，并且该装置设有多个试验槽，可以在同一条件下进行多个样品的平行试验，有效减少试验误差。

图1 易崩解岩石饱和吸水率测试装置结构示意

饱和吸水率试验主要步骤如下:(1）样品制备；(2）样品饱水；(3）样品排水；(4）样品抽滤；(5）称取样品湿重；(6）烘干后称取样品干重；(7）计算饱和吸水率。

膨胀力试验按照《铁路工程岩石试验规程》(TB 10115-2014）进行，自由膨胀率试验按照《铁路工程土工试验规程》(TB 10102-2010）进行，阳离子交换量、蒙脱石含量试验按照《铁路工程岩土化学分析规程》(TB 10103-2008）进行。

3 试验结果分析

3.1 岩石膨胀性分析

岩石的膨胀性试验结果见图2～图6，图中虚线所对应的数值为各项试验指标判定膨胀性的界限值。

图2 饱和吸水率试验结果

图3 自由膨胀率试验结果

图4 膨胀力试验结果

图5 蒙脱石含量试验结果

图6 阳离子交换量试验结果

按照《铁路工程岩土分类标准》(TB 10077-2019）的规定，对岩石样品分别采用岩石评价指标和土的评价指标进行膨胀性判别，结果见表1。

表1 岩石膨胀性判定统计

从表1中结果可以看出:对于遇水易崩解的岩石而言，采用两种评价方式进行膨胀性判定，试验结果整体一致性较好；在膨胀性判定过程中，采用饱和吸水率数据进行有效评价的结果占比达到95%，仅有5%的饱和吸水率数据与岩石膨胀性判定结果不符，相关性较高，因此通过采用该方法得到的饱和吸水率数据能够有效地识别膨胀岩，从而避免采用试验过程复杂、操作难度大、对试验人员技术要求高的蒙脱石含量和阳离子交换量试验进行膨胀性判别。

3.2 矿物成分分析

为了进一步探究膨胀性产生的原因，对典型岩样(编号7、18）采用偏光显微镜和X射线衍射分析，并选取一个不易崩解的岩样(编号21）进行对比试验，表2为三个典型岩样的矿物成分分析结果，图7～图9分别为三个岩样对应的X射线衍射图谱和偏光显微照片。

图7 7号岩样X射线衍射图谱和偏光显微照片

图8 18号岩样X射线衍射图谱和偏光显微照片

图9 21号岩样X射线衍射图谱和偏光显微照片

从矿物成分分析可以看出，除21号样品外，其他两组样品均含有蒙脱石、伊利石等粘土矿物，这些粘土矿物的存在是其吸水后崩解破坏的内因所在。

表2 三种典型岩样的矿物成分

3.3 微观结构分析

为了进一步研究样品微观结构，了解样品吸水破坏的原因，采用扫描电镜对样品表面形貌进行试验。根据扫描电镜观察，18号样品在天然状态下具有较好的完整性，岩石颗粒间紧密胶结，孔隙率低，岩石以鳞片状层状结构面-面接触紧密排列，具有定向性(见图10a）。该样品在饱和吸水后，表面颗粒脱落、流失，形成孔隙，为水的侵入和黏粒的进一步流失提供通道，颗粒逐渐从面-面接触转变为面-边接触、边-边接触，孔隙数量和尺寸逐渐增加(见图10b），最终以鳞片状的形式剥落、崩解、破坏(见图10c）。

图10 18号样品饱水前后SEM图像及崩解图

从7号样品的扫描电镜结果中可以发现，其天然状态下颗粒之间呈无序堆积，孔隙率较大，结构疏松，为水的贯通提供了快速通道(见图11a），饱水后在水的作用下颗粒间粘聚力进一步降低，部分颗粒吸附水后形成水膜，引起体积膨胀，加速结构的破坏(见图11b），最终以碎屑状形式崩解、破坏(见图11c）。

图11 7号样品饱水前后SEM图像及崩解图

对不易崩解的21号样品进行的扫描电镜测试中可以看出，该样饱水前结构非常致密，整体连接性好，水不易侵入内部(见图12a），饱水后仅在表面可以观察到细微的裂纹，但裂纹对岩石整体结构并无影响(见图12b），饱水后的样品宏观照片(见图12c）也可以看出样品饱水后结构完整，表面致密，未发生崩解现象，两者相吻合。

图12 21号样品饱水前后SEM图像及崩解图

4 结论

本研究采用抽滤的原理设计制备出一种易崩解岩石饱和吸水率测试装置，该装置可以有效解决易崩解岩石饱和吸水率试验无法进行的问题，同时结合其他膨胀性试验指标进行了分析研究，得出以下结论:

(1）研制出的易崩解岩石饱和吸水率测试装置可以集真空饱水和真空抽滤于一体，在将崩解岩石收集起来的同时通过真空抽滤的方式达到缩短饱和面干状态的时间。

(2）通过对样品同时进行自由膨胀率、膨胀力、饱和吸水率、蒙脱石含量、阳离子交换量试验，发现采用该方法得到的易崩解岩石饱和吸水率数据对岩石膨胀性进行判定具有较高的一致性，可以对岩石的膨胀性进行有效判定。

(3）对典型样品进行的微观测试结果表明，试样的矿物组成、结构特征、胶结状态、孔隙率能够很好地反映其膨胀崩解性特性。