广西炭质岩石耐崩解性与微观结构特征试验研究

刘先林，张 涛，骆俊晖

(1.广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530029；2.中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074；3.广西北投交通养护科技集团有限公司，广西 南宁 530029)

我国西南地区基础建设中经常遇到炭质岩石，此类岩石对其赋存环境具有较高的敏感性，表现为遇水易软化、崩解，受热亦会裂解，工程地质性质较差。近年来，在广西地区道路设施大力建设的背景下，以炭质岩石构成的边坡滑坡、崩塌等地质灾害频发，其相应的预警与减灾措施尚不完备。此外，炭质岩石构成的道路路基的安全服役性能和炭质岩石隧道的长期稳定性问题，已引起研究者的高度重视。

炭质岩石大致可以分为炭质泥岩、炭质页岩和炭质灰岩三大类，其耐崩解性涉及复杂的水-岩相互作用，矿物成分、节理结构、酸碱度和应力环境均是其重要影响因素。Luo等对广西地区炭质岩石的分布、岩性和孔隙结构等进行了系统研究，并指出炭质岩石的耐崩解性与其矿物成分密切相关，这为探索炭质岩石的崩解机理提供了重要素材；付宏渊等以广西河池市的炭质泥岩为研究对象，通过一系列室内试验探讨了荷载和干湿循环作用对炭质泥岩耐崩解性的影响；张巍等开展了泥质膨胀岩吸水率和崩解试验，认为其膨胀性与耐崩解性之间存在良好的负相关关系，即膨胀性强的岩石，其耐崩解性较差；曹雪山等研究了泥岩崩解过程中强度衰减的影响因素，认为干湿循环对泥岩耐崩解性的影响存在临界次数，且其耐崩解性与强度指标、裂隙之间存在内在联系；梁冰等借助化学分析和微观结构测试手段，研究了冻融、干湿循环作用对泥质岩石崩解特性的影响规律和机理，指出冻融作用对泥质岩石崩解性的影响更为显著；邓涛等研究了酸碱环境下泥质页岩崩解特性的劣化规律，发现酸性条件对泥质页岩崩解性的影响更为显著；吴道祥等通过室内试验总结了影响红层软岩崩解性的影响因素，认为软岩类型、胶结物类别和黏土矿物含量是决定其崩解性的内在因素。

虽然现有的关于软泥岩矿物成分和工程特性的研究较多，也取得了一些重要的成果，但是对于西南地区广泛存在的炭质岩石耐崩解性的研究鲜有报道，相应的微观机理也亟需探明。为此，本文以广西地区典型的炭质岩石为研究对象，首先简要概述了该地区炭质岩石的分布范围和岩性特征；然后开展了炭质岩石的耐崩解性试验、筛分试验、总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)含量测定和扫描电镜等室内试验，研究了炭质岩石耐崩解指数和崩解分维数随干湿循环次数的变化规律，分析了炭质岩石耐崩解指数、崩解分维数与TOC含量的相互关系，并通过对比水分浸入前后炭质岩石微观结构的变化特征，探讨了其崩解机理。

1 广西地区炭质岩石的分布范围和岩性特征

根据广西区域地质志和各比例尺区域地质调查等现有研究成果，揭示出广西区域内炭质岩地层的分布较广，常作为主体岩性或频繁出现的夹层，分布于青白口系至三叠系各时代地层单元中，各组段的主要岩性组合、地层厚度等特征的变化较大。综合已有资料和野外实地调查结果的认识，筛选出广西地区主要的炭质岩地层单元，明确了其大致分布范围和主要岩性组合特征，主要有：青白口系合桐组(Q

bh

)；震旦系陡山沱组(Z

d

)；寒武系清溪组(∈

q

)；奥陶系升坪组(O

s

)；志留系连滩组(S

l

)；泥盆系塘丁组(D

t

)、罗富组(D

l

)；石炭系鹿寨组(C

lz

)、英塘组(C

yt

)、黄金组(C

h

)、寺门组(C

s

)；二叠系龙潭组(P

l

)、大隆组(P

d

)、领好组(P

lh

)；三叠系石炮组(T

s

)。广西地区炭质岩石分布广泛，沉积环境的不同导致不同地层中炭质岩石在矿物组成和岩性特征方面存在一定的差异。本文以常见的桂西泥盆系罗富组(D

l

)为代表，概述其主要特征。泥盆系罗富组(D

l

)炭质岩石的主体岩性为深灰及黑色薄-中层状炭质泥岩、竹节石泥岩、钙质泥岩、炭染含生物屑泥岩、含粉砂质泥岩夹极薄层的粉砂岩、中-薄层细砂岩、透镜状泥灰岩、黄铁矿化泥岩团包、少量磷质结核和菱铁矿条带等。在纵向上，该组地层底部见2～3层厚度为15～30 cm的细砂岩、石英细砂岩等；中部局部层段含泥粉晶灰岩、粉砂质微晶灰岩、透镜状泥灰岩等夹层较多；中上部菱铁矿条带、磷质结核、钙质结核、黄铁矿团包(主要成分为含铁的二硫化物)、铁锰质结核较多。同时，该组炭质岩石具节理、劈理、水平层理、水平纹层、沙纹交错层理和正粒序层理，局部可见波状层理、包卷层理、滑塌构造、砂枕构造、底冲刷构造和弱的底模构造，系钙屑浊流沉积形成。此外，该组地层中生物化石丰富，见较多竹节石、菊石、腕足类以及少量介形虫、三叶虫、箭石、双壳类，偶见海绵骨针和放射虫。泥盆系罗富组(D

l

)炭质岩石中的主要矿物组分为黏土矿物、石英、方解石和白云石。其中，黏土矿物含量最高，平均含量约为35%，以伊利石为主，鲜有蒙脱石和高岭石；其次为石英，平均含量约为30%；碳酸盐矿物含量总体较低，平均含量在20%～25%之间，其余可见少量还原性矿物如黄铁矿、菱铁矿、钛铁矿和白铁矿等。

2 材料与方法

2.1 试验材料

本研究炭质岩石试验材料取自广西河池市某高速公路边坡工程现场。由现场工程资料得知，该炭质岩边坡在经历数十天的连续降雨后，发生了滑塌现象，并观察到炭质岩石遇水逐渐崩解的现象。对于采集的新鲜岩样，现场采用蜡封法进行保存，并将其放置于木制运输箱内，箱内布置有棉絮，用于减少岩样在运输过程中的振动损伤。图1为广西地区典型的炭质岩石试样照片，该岩样内含有大量炭化有机质和黑色黏土岩，手指触摸后会产生明显的“污手”现象。

图1 广西地区典型的炭质岩石试样

本研究选择代表性岩样(共5组)进行了基本物理化学分析测试，该代表性岩样应具有运输保存完整、岩样新鲜以及外观、颜色、“污手”程度与其他岩样基本一致的特征。测试结果显示：试验岩样的天然密度和天然含水量分别在2.664～2.772 g/cm和0.993%～1.495%之间。该岩样化学元素组成的统计结果，见表1。

表1 试验岩样化学元素组成(质量分数，%)

由表1可知,试验岩样主要由碳(C)、氧(O)、硅(Si)、铝(Al)4种元素组成，此外含有少量钠(Na)和钾(K)等金属元素。

2.2 试验方法

(1) 耐崩解性试验。炭质岩石的耐崩解性试验参照Franklin等提出的试验方法进行，该方法亦是目前国际上广泛应用的一种测试方法。试验设备为岩石耐崩解性仪，每次试验要求试样数量不少于10个，每个试样质量在40～60 g之间，其形状呈浑圆球状。首先，将试样在110℃的烘箱中烘干24 h至恒重，并冷却至室温；然后，将试样装入岩石耐崩解性仪的圆柱形筛桶(2 mm筛孔)中，并将筛桶完全浸没入水槽中(水位以下20 mm)；最后，筛桶以20 r/min的转速转动10 min，取出筛桶内残留的试样并放置烘箱中烘干，测量试样的烘干质量，即完成一次干湿循环。本文定义

n

次干湿循环后，炭质岩石的耐崩解指数(

I

)为

(1)

式中:

m

为第

n

次干湿循环后，残留试样的烘干质量(g)；

m

为试验前试样的烘干质量(g)。通常人们采用第2次干湿循环后岩石的耐崩解指数

I

2作为评价软岩耐崩解性的标准指标。(2) 筛分试验。对耐崩解性试验中每次干湿循环结束后的烘干试样进行筛分试验，试验数量共3组，记录试样的不同粒径组成，用于计算炭质岩石崩解损伤的分维数

D

。本文采用质量求解分维数的方法计算炭质岩石崩解的分维数

D

，具体方法简述如下：设定试样碎石的总质量为

M

(g)，筛孔孔径为

d

(mm)，用

M

(

d

)表示直径小于

d

的碎石质量(g)，同时认为碎石质量在一般情况下服从下式的概率分布规律：

M

(

d

)

/M

=1-exp[-(

d/σ

)3-]

(2)

式中:

σ

为试样平均尺寸(mm)；

b

为计算参数，其值为lg[

M

(

d

)

/M

]-lg

d

坐标系中曲线的斜率,其中

M

(

d

)

/M

为直径小于

d

的碎石累计百分比含量。基于分形维数的基本概念，可以得到分维数

D

为

D

=3-

b

(3)

图2为第1次干湿循环后炭质岩石颗粒质量-粒径双对数分布曲线，其中拟合直线的斜率为0.506，即

b

=0.506。根据公式(3),可以计算得到相应的分维数

D

为2.494。

图2 炭质岩石颗粒质量-粒径双对数分布曲线

(3) 黏土矿物和总有机碳(TOC)含量测定。炭质岩石试样中黏土矿物及其含量通过X射线衍射仪测试获得，测试方法参照王哲等的方法进行。岩样中TOC含量的测定方法按照《沉积岩中总有机碳的测定》(GB/T 19145—2003)中的方法进行，具体操作步骤不再赘述。

(4) 扫描电镜分析。挑选耐崩解性试验前后典型的炭质岩石试样进行微观扫描电镜分析，获得试样的微观结构照片。扫描电镜试样要求来自同一石块且肉眼观察断面新鲜、均匀，观察区域断面平整，表面做喷金处理，具体操作方法可参照文献[17]。

3 结果与分析

3.1 岩质岩石的耐崩解性

炭质岩石试样在6次干湿循环过程中逐渐崩解的照片，见图3。

图3 不同干湿循环次数下炭质岩石试样的崩解照片

由图3可见：炭质岩石试样随着干湿循环次数的增加，逐渐崩解为细小的碎石颗粒，完整性遭到严重破坏；经过6次干湿循环后，试样中粒径小于5 mm的碎石质量占岩石总质量的比例超过50%，水槽内观察到崩解物质且水质浑浊，试块崩解基本完全。

为了进一步定量评价炭质岩石的耐崩解性，根据其耐崩解指数的大小，将岩块的耐崩解性分为6个等级：很高、高、中等偏高、中等、低和很低。不同炭质岩石试样的耐崩解指数随干湿循环次数的变化曲线，见图4。

图4 不同炭质岩石试样的耐崩解指数随干湿循环次数的变化曲线

由图4中可见：随着干湿循环次数的增加，所有炭质岩石试样的耐崩解指数逐渐降低，崩解现象加剧；不同炭质岩石试样之间的耐崩解性差异明显，其中试样A、B和C在干湿循环作用下保持完整性的能力显著高于试样D和E，且经过6次干湿循环后，前者的耐崩解性属于中等偏高和高等级，而后者属于低等级。造成这种现象的主要原因是炭质岩石试样之间矿物成分的差异，其中黏土矿物含量是主控因素。

经6次干湿循环后不同炭质岩石试样的耐崩解指数

I

与黏土矿物含量之间的相关关系，见图5。

图5 6次干湿循环后不同炭质岩石试样的耐崩解指数(dn6)与黏土矿物含量之间的相关关系

由图5可见，炭质岩石的耐崩解指数和黏土物含量两参数之间呈负相关关系，炭质岩石的耐崩解指数

I

6随黏土矿物含量的增加逐渐减小。

通过最小二乘非线性拟合，指数函数形式可以很好地描述这一相关关系，其表达式为

y

=38.7+1 017.9×exp(-

x/

7

.

2)(

R

=0.98)

(4)

相对于其他岩石矿物，黏土矿物具有较好的亲水性和吸水膨胀性。炭质岩石中黏土矿物遇水侵蚀后，存在少量可溶性矿物和盐类溶解于水中，对岩石的初始完整结构造成负面影响。值得注意的是，不同黏土矿物之间遇水膨胀的性能不同，这会导致炭质岩石结构产生新的损伤、裂隙，加剧水分的进一步侵蚀，宏观上表现为岩样破裂、崩解。有学者在研究广西地区炭质泥岩的耐崩解性时，通过分析微观结构照片后认为，水-岩相互作用下，岩体中的黏土矿物会软化、膨胀和流失，微观孔隙会进一步扩展、贯通，使水-岩接触面增大。这与图5中得到的宏观工程性质指标间的相关关系分析结果基本一致。

3.2 炭质岩石的崩解分维数

分形理论主要研究一些具有自相似性的不规则曲线和形状等，炭质岩石在耐崩解性试验中发生的崩解是一个随机过程，其崩解碎石的形状特征亦可用分形理论来描述。本文采用分维数来刻画炭质岩石崩解过程的分形特征，其计算方法如前所述。不同干湿循环次数下炭质岩石试样E崩解分维数

D

的变化，见图6。

图6 炭质岩石试样E的崩解分维数D随干湿循环次数的变化曲线

由图6可见，随着干湿循环次数的增加，炭质岩石试样E的崩解分维数

D

不断增加，4次干湿循环后，试样的崩解分维数

D

的增长趋于稳定(接近于2.8)。这表明不规则试块的相似性在干湿循环过程中不断增加，一定干湿循环次数后，崩解碎石的相似性达到限值，即岩石的崩解基本完成。炭质岩石试样E的崩解分维数

D

与耐崩解指数

I

的相关关系，见图7。

图7 炭质岩石试样E的崩解分维数D与耐崩解指数Idn的相关关系

由图7可见，炭质岩石试样E的崩解分维数

D

与耐崩解指数

I

之间具有良好的相关关系，且随着干湿循环次数的增加，试样E的耐崩解指数

I

逐渐降低，相应的崩解分维数

D

逐渐增加，待试样基本崩解完成后，两者之间的变化关系趋于平缓。炭质岩石的崩解分维数

D

与耐崩解指数

I

两参数之间的相关关系亦可用指数函数形式来描述，其相关系数

R

高于0.90。需要说明的是，其余4种炭质岩石试样的测试结果变化趋势与试样E相一致，但参数间相关性程度相对较低。

3.3 炭质岩石的耐崩解性与总有机碳含量的相关关系

炭质岩石中有机物的存在状态对其的耐崩解性有着重要的影响。为了进一步探索炭质岩石的耐崩解性以及其与化学成分之间的相关关系，本文引入总有机碳(TOC)含量指标，TOC可表征炭质岩石中有机物的含碳量。

经2次干湿循环后炭质岩石的标准耐崩解指数

I

2和崩解分维数

D

与TOC含量之间的相关关系，见图8。

图8 2次干湿循环后炭质岩石的标准耐崩解指数Id2和崩解分维数D与总有机碳(TOC)含量之间的相关关系

由图8可见，炭质岩石中有机物含量越高，其耐崩解性越差，即炭质岩石的耐崩解指数与TOC含量之间呈负相关关系，即随着TOC含量的增加，炭质岩石的

I

2逐渐减小；当TOC含量超过2.5%时，炭质岩石的

I

2减小速率增加，说明炭质岩石中TOC含量超过一定限值后，岩石在恶劣环境中保持完整性的能力很弱，极易崩解；随着TOC含量的不断增加，炭质岩石的崩解分维数

D

逐渐增加，碎石之间的相似性增强;但在TOC含量为2.5%附近，炭质岩石的崩解分维数

D

的变化速率具有显著差异。关于TOC含量在2.5%处，岩样耐崩解性的明显差异，仍需更多的试验来验证与完善。综上可见，炭质岩石的

I

2和

D

与TOC含量之间存在一定的相关关系，虽然这些相关关系尚缺少完整的机理来阐释，但可直观地看出炭质岩石耐崩解性与化学成分之间存在内在的联系，这对于进一步揭示炭质岩石的崩解机理具有积极的作用。

3.4 炭质岩石微观结构特征

浸水前后炭质岩石耐崩解试验的微观扫描电镜照片，见图9。需要说明的是，该电镜照片是炭质岩石试样D的测试结果，其中图9(c)和9(d)为经6次干湿循环后的炭质岩石试样。

图9 浸水前后炭质岩石耐崩解试验的微观扫描电镜照片

由图9可见，水分浸入前，炭质岩石的微观结构较为致密，颗粒间结合紧密[图9(a)]；增大倍数后发现，炭质岩石以片状结构为主，颗粒表面光滑、整洁，但颗粒间仍存在有大量的孔隙，这为水分的浸入提供了途径[图9(b)]；浸水后，可以明显地看到岩石颗粒表面产生了大量的团粒状物质，颗粒间的致密结构受到损害[图9(c)]；增大倍数后进一步观察岩石颗粒表面新生成的物质，可以发现这些矿物晶体团粒分散于岩石颗粒表面，且岩石颗粒间的孔隙明显增大、增多[图9(d)]。

炭质岩石在浸水前后发生上述微观结构的变化，其原因为：①炭质岩石中存在的黏土矿物在水分浸入条件下部分溶解后分布于岩石颗粒表面，导致原有的致密结构变得疏松,有助于裂隙发育；②耐崩解性试验过程中，炭质岩石试样在旋转外力的作用下，岩石颗粒表面的黏土矿物晶体团粒会逐渐脱落，宏观上表现为炭质岩石试样质量损失，水分浑浊(见图3)；③岩石裂隙内部的黏土矿物在水分浸入后，会产生不同程度的膨胀，这一过程会加剧炭质岩石间裂隙的发育，加剧崩解过程。如此反复，待黏土矿物消耗殆尽，裂隙发育完全，岩石试样崩解成细小的碎石，其耐崩解指数降至最低，碎石间形貌相似度最大。

4 结 论

(1) 炭质岩石的耐崩解指数随干湿循环次数的增加而增加，经6次干湿循环后，炭质岩石中存在大量碎石和黏土矿物的溶解；不同炭质岩石试样的耐崩解性存在显著差异，矿物成分是产生该差异的主控因素。炭质岩石的耐崩解指数与黏土矿物含量之间呈现良好的负指数相关关系。

(2) 炭质岩石的崩解分维数随干湿循环次数的增加而增大，经4次干湿循环后，炭质岩石的崩解分维数增长趋于稳定，达到最大值。炭质岩石的耐崩解指数与崩解分维数之间呈负相关关系，崩解碎石的相似性可用来间接表征炭质岩石的耐崩解性。耐崩解指数和崩解分维数与TOC含量之间分别呈负、正相关关系，其相关关系变化速率在TOC含量为2.5%附近存在显著的差异。

(3)水分浸入前，炭质岩石的微观结构较为致密，颗粒间结合紧密，表面光滑；水分浸入后，岩石颗粒表面产生黏土矿物晶体团粒，颗粒间孔隙增大。可溶性黏土矿物的溶解、损失和黏土矿物遇水膨胀的差异是影响炭质岩石崩解的主控原因。