不同pH条件下红层泥岩崩解特性研究
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作者:赵顺良 查焕奕
摘要：研究红层泥岩在不同酸碱环境中的崩解特性对保障红层泥岩人工边坡、地基工程的安全性十分重要。通过开展pH为3，7，11条件下红层泥岩的崩解试验，深入了解了红层泥岩在不同酸碱环境下的崩解现象，分析了干湿循环后红层泥岩粒径级配特征、不均匀系数、曲率系数、比表面积增量及崩解率及崩解比的变化规律，揭示了红层泥岩在不同pH条件下的崩解机制。研究表明：pH=3r，红层泥岩崩解现象最剧烈，裂缝出现最早，贯通速率最快;干湿循环后粒径级配均表现出大颗粒减小，小颗粒增多;与pH=7相比，pH=3和11的环境对红层泥岩崩解后颗粒的不均匀系数及曲率系数影响更加明显，增长幅度更大;红层泥岩崩解率与崩解比的变化速率在不同酸碱环境中从大到小依次为pH=3>pH=11>pH=7;在酸性条件下，红层泥岩的比表面积增幅最快，远高于碱性和中性环境。研究成果可为红层泥岩边坡及地基的稳定性分析及工程实践提供参考。
关 键 词：红层泥岩; 崩解特性; pH; 比表面积增量; 不均匀系数
中图法分类号： U419
文献标志码： A
DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.09.022
0 引 言
红层泥岩是一类特殊的软弱岩体，在自然状态下力学性能良好，但当外部环境改变时极易发生软化和崩解[1-2]。红层泥岩的风化崩解不仅会使其自身性质发生改变，还可形成松散细小颗粒，严重破坏红层泥岩边坡的整体性能，给工程建设造成巨大的影响。
近年来，随着高速公路和铁路的发展，对红层软岩作为公路和铁路路基填料的相关研究逐渐成为热点[3-4]。影响红层泥岩崩解性能的因素很多，目前研究主要集中在水环境对红层泥岩的崩解性能影响方面。申培武等[5]通过开展巴东组紫红色泥岩室内干湿循环崩解试验，研究了红层泥岩崩解过程中颗粒的分形与形态特征，建立了评价红层泥岩稳定程度的模型。吴道祥等[6]通过对铜陵至黄山高速公路汤口―屯溪段沿线的红层软岩进行研究，初步揭示了红层软岩的崩解机制。周翠英等[7-8]根据室内软岩静态崩解和软岩碎片浸水试验以及不同浸泡阶段的软岩扫描电镜试验，揭示了水-软岩界面的细观演化规律。现有研究虽已深入探讨了水环境对红层泥岩崩解性能的影响，但受试验方法和试验环境的限制，其考虑的环境条件较为单一，大多研究集中在温度或湿度对红层泥岩崩解特性的影响方面[9-10]，而对复杂环境下红层泥岩的崩解机制研究尚属少见。加之自然环境中红层泥岩所处环境比较复杂，尤其随着环境问题日益严峻，在中国南方地区降雨或地下水并不只是呈中性，酸、碱等化学环境对红层泥岩影响日益突出[11-12]。因此，研究红层泥岩在不同pH条件下的崩解特性成为工程实际的迫切需要。
基于此，本文开展了不同pH条件下红层泥岩崩解试验，深入分析了酸碱环境对红层泥岩崩解特性的影响。并通过对比观测不同pH环境作用下红层泥岩的扫描电镜特征，探讨了不同pH环境作用加剧红层泥岩崩解的机理。
1 不同pH条件下红层泥岩崩解试验
试验用红层泥岩试块均取自浙江省湖州市某高速公路边坡上。选取完整性较好的红层泥岩，制作9块10 cm×20 cm，重2 kg±20 g的圆柱体试样。共设计3组pH，分别为3，7，11 （pH误差为±0.1）。为减小试验误差，将试样分3组，在温度20 ℃条件下同时进行试验，试验结果取3组试验结果的平均值。按照SL/T 264―2020《水利水电工程岩石试验规程》进行崩解试验，具体试验步骤如下：
（1） 取试样切割过程中的碎屑粉碎后置于烘箱中80 ℃烘干，在用标准筛网筛取小于0.075 mm 的红层泥岩粉末进行XRD试验，同时在碎屑中选取4个大小合适的块状红层泥岩制备SEM试样，其中1个烘干后进行SEM试验，其余3个干湿循环试样一起进行干湿循环试验。
（2） 利用浓硫酸及氢氧化钠配置pH为3，7，11的溶液各1 000 mL，溶液pH值误差为±0.1。
（3） 将制备好的红层泥岩试样置于塑料盘中，再注入配置好的溶液，标明相应的pH值后连同塑料盘置于恒温恒湿箱中。恒温恒湿箱中温湿度分别设置为25 ℃和95%。
（4） 浸泡24 h后，将盘中溶液上层清液倒掉，余下溶液及试样转入已标号的钢盘中。
（5） 将钢盘置于105 ℃烘箱中烘干24 h（此时试样已达到恒重），再将样品置于干燥箱内冷却至室温，此时认为试样完成一次干湿循环。
（6） 利用标准筛（筛孔分别为40，20，10，5，2，1，0.5，0，25，0.075 mm）对崩解试样进行筛分，记录每个粒径的红层泥岩质量，绘制其粒径级配曲线。
（7） 重复上述（2）～（6），直至干湿循环16次，结束试验。试验过程中在第一次干湿循环后取出步骤（1）中制备的SEM试样进行SEM试验，此SEM试样不再进行后续崩解试验。
2 试验结果与分析
2.1 崩解现象
红层泥岩在不同pH条件下其崩解现象基本相同。以pH=7时红层泥岩的崩解现象为例（见图1），可以看出，红层泥岩样品置于水中时，试样表面黏附大量气泡，表层红层泥岩急剧剥落成细小颗粒，溶液逐渐变浑浊（见图1（b）～（e）），试样表面气泡上升至水面随即破碎。浸泡5 min时，试样表面已出现细小裂缝，裂缝急剧扩展、贯通。浸泡10 min时，已出现粒径为2～5 mm、5～10 mm及10～20 mm不规则球状颗粒，同时出现20～40 mm的块状岩体（见图1（c））。随着浸泡时间增长，样品表面愈加酥松，越来越多软岩碎片脱落或松散拼搭在样品表面（见图1（d））。浸泡30 min时，样品已有大量松散碎片脱落，样品丧失整体性（见图1（e））。因此，整个崩解过程可大致描述为：表层出现大量气泡→气泡破裂→细小裂纹出现→裂纹扩展→裂纹贯通→表层剥落，以此循环直至完全崩解。但红层泥岩在不同pH条件下各现象出现的时间并不相同，pH=3时，气泡最多，裂缝出现最早，贯通最快，pH=11次之，pH=7时最慢。
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为更清楚说明红层泥岩崩解过程中岩体表面变化规律，从pH=7的试样中选取粒径为20～40 mm的块状岩体拍照观察，如图2所示。可以看出，红层泥岩表面的裂缝可分为3类：即贯通裂缝、未贯通裂缝、新生裂缝。同时，红层泥岩表面的部分裂缝呈鳞片状，置于水中会继续发育、贯通从而出现鳞片状剥落（见图3）。
对3组不同pH条件下红层泥岩的崩解形态进行观察，以pH=3时的红层泥岩崩解形态为例说明，如图4所示。随着干湿循环次数的增加，红层泥岩颗粒从大块岩体变成小粒径颗粒;干湿循环1次后，试样粒径变化剧烈，崩解后红层泥岩形态呈不规则球状;干湿循环5次后试样中已无粒径大于20 mm的红层泥岩颗粒，此时崩解趋于稳定;干湿循环11次后试样中粒径进一步变小，颗粒粒径基本小于2 mm，依据SL/T 264―2020《水利水电工程岩石试验规程》，认定此时试样崩解完全。
2.2 粒径级配特征
为研究pH对红层泥岩崩解特性的影响，需对不同pH下红层泥岩粒径级配特征的演化规律进行分析。图5为不同pH下红层泥岩各粒径颗粒的质量分数变化曲线。由图5可知：进行第1次干湿循环时，红层泥岩粒径变化最明显;溶液pH值为3，7，11时红层泥岩分别在第5，8，7次干湿循环后趋于稳定。同时，红层泥岩经干湿循环崩解后的粒径均从大粒径变成小粒径，粒径大于40 mm的红层泥岩快速减小最终变成0;r=20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm粒组的质量分数显现出明显的峰值变化;r<2 mm粒组的质量分数均随干湿循环次数的增加而逐渐增长，最终趋于稳定。崩解完全后，r=1～2 mm粒组的红层泥岩质量分数最高，均表现出先增大后趋于稳定的变化趋势，但在溶液的pH=3时，r=1～2 mm粒组在第9次干湿循环后也表现出一定的下降，由此可见，此时红层泥岩虽然整体崩解趋于完全，但粒径小于2 mm粒组依然可持续崩解。
以2～5 mm粒组为例，不同pH下红层泥岩的粒径颗粒质量分数变化剧烈的原因主要为：一方面干湿循环过程中r>5 mm粒组的崩解产物进入该粒组，增加了该粒组的质量分数;另一方面，该粒组中颗粒继续崩解成更小粒径的颗粒，从而减小了该粒组的质量分数。一增一减，从而导致该粒组质量分数剧烈变化。同时，在酸碱影响下，水岩相互作用更加明显，红层泥岩膨胀不均匀，造成内部应力分布不均，从而导致小颗粒逐渐从大块岩体表面剥落;红层泥岩中化学成分与酸碱发生化学作用，溶蚀不断增加，导致微小裂缝急剧扩展，从而加剧了红层泥岩破裂成松散小颗粒。
2.3 崩解率与崩解比
可以利用崩解率和崩解比来表征红层泥岩经干湿循环后的崩解状态。一般认为，崩解率Dre为粒径小于2 mm的岩体的质量与岩样总质量之比，即：
Dre=mrp2/m总×100%（1）
图6为不同pH条件下红层泥岩崩解试样的崩解率及崩解比随干湿循环次数的变化曲线。由图6（a）可知，不同pH条件下红层泥岩崩解率均随干湿循环次数的增加而增长，3种不同的pH作用下红层泥岩崩解率的增长速率从大到小依次为pH=3>pH=11>pH=7，由此说明，酸性环境对红层泥岩的损伤最大，碱性环境次之，中性环境最小，这与文献[13]中所述结果一致。造成红层泥岩崩解率持续增加的原因主要是由于水岩作用下，红层泥岩中的黏土矿物溶解，削弱了红层泥岩颗粒间的黏结作用，造成空洞或裂隙[13-14]。而不同pH条件下红层泥岩崩解率的增长速率不同是因为酸、碱环境下，红层泥岩中的黏土矿物除溶解，同时还与酸碱发生化学反应，加速了红层泥岩中微小空洞的形成，裂隙发育更加迅速。
Erguler认为崩解比Dr也可以很好评价泥岩的崩解特征，并将其定义为第n次筛分曲线下方面积与整体面积之比，本文以pH=7、第5次干湿循环时的粒径级配曲线为例说明：
Dr=SABJ/SABCD×100%（2）
式中：Dr表示第5次干湿循环时筛分崩解比;SABJ为第5次干湿循环时粒径级配曲线下方面积;SABCD为第5次干湿循环时所有粒径级配曲线整体面积。
由式（2）计算可得不同pH条件下红层泥岩的崩解比随干湿循环次数变化曲线，如图6（c）所示。可以看出：不同pH条件下红层泥岩崩解比均与干湿循环次数成负相关关系;且经一次干湿循环后t层泥岩崩解比下降幅度最大，分别下降16.38%（pH=3），17.07%（pH=7），17.47%（pH=11），此时，崩解比大小基本相同;但从第二次干湿循环开始，红层泥岩崩解比的下降速率开始有所区别，从小到大依次为pH=7
2.5 比表面积增量表征
红层泥岩崩解过程中试样粒径从大块岩体变成细小颗粒，其比表面积会急剧变化。李昆鹏认为，比表面积增量可在一定程度上表征红层泥岩的破碎程度[17]。比表面积增量的计算方法如下：
ΔS=Si-S0（5）
Si=SiMi（6）
M=kDi3ρ（7）
即：
ΔS=SiMi-S0M0（8）
各式中：ΔS为试样比表积增量;Si为径i次干湿循环后的比表面积;S0为初始比表面积;Mi为径i次干湿循环后的红层泥岩质量;Di表示每次干湿循环后红层泥岩的特征粒径。由于本文红层泥岩崩解产物为不规则球状颗粒，依据文献[17]，k=π/6，因此，式（8）可变为
ΔS=SiMi-S0M0=πDi2N（Di）Mi-πD02N（D0）M0=πDi26M（Di）πDi3ρMi-πD026M（D0）πD03ρM0（9）
进一步化简得：
ΔS=6M（Di）DiρMi-6M（D0）D0ρ M0 =6PiMiDiρMi-6P0M0D0ρ M0 =6PiDiρ-6P0D0ρ=6PiDiρ-6D0ρ（10）
式中：Di表示每次干湿循环后红层泥岩的特征粒径。本文中粒径选择为r>40 mm，20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm，1～2 mm，0.5～1 mm，0.25～0.5 mm，0.075～0.25 mm，<0.075 mm等10组，其中r>40 mm粒组取50 mm，即红层泥岩初始状态的大小，<0.075 mm粒组取0～0.075 mm平均值，其他组取Dmid=（Dmax+Dmin）/2，即10组特征粒径分别为50，30，15，7.5，3.5，1.5，0.75，0.325，0.162 5，0.037 5 mm，ρ取2.40 g/cm3。
依据式（10）计算得到不同pH作用下红层泥岩崩解后颗粒比表面积增量随干湿循环次数变化曲线，如图8所示。由图8可知：红层泥岩崩解后颗粒比表面积增量均随干湿循环次数的增加而增加;在酸性条件下，红层泥岩的比表面积增幅最快，远高于碱性和中性环境。这主要是因为红层泥岩中的黏土矿物在酸性环境中更易发生化学反应，从而造成红层泥岩中Ca2+、Mg2+、Na+等离子的快速溶解，进而加速了红层泥岩的崩解速率。
3 讨 论
经XRD分析可知（见图9），红层泥岩中含有石英、云母、碳酸钙以及黏土矿物（高岭石、蒙脱石、伊利石等）。图10为原始红层泥岩的SEM图，从图中可以看出，红层泥岩未被作用前的表面光滑平整、颗粒间胶结紧密，未见明显的空洞。图11为不同pH作用下红层泥岩的SEM，可见，经不同pH作用后，红层泥岩的微观形貌变化较大，均出现不同程度的破坏，表面粗糙、凹凸不平，有细小颗粒剥落，颗粒边缘较光滑，出现明显的溶蚀痕迹。3种pH作用后红层泥岩表层粗糙度从大至小依次为pH=3>pH=11>pH=7，这与上述宏观分析所得结果一致。
试验结果表明，不同pH条件下红层泥岩的崩解特性各不相同，酸性条件下红层泥岩崩解较快，碱性环境次之，中性最慢。这主要是因为红层泥岩中含有丰富的高岭石、蒙脱石、伊利石等黏土矿物，这些黏土矿物在水岩作用下极易被溶蚀、软化，并产生了可溶性阳离子（如Ca2+、Mg2+、Na+等离子），削弱了岩体颗粒间的黏结作用导致解体;同时黏土矿物遇水极易发生膨胀，使红层泥岩岩体内部应力分布不均，使岩体进一步破损，导致岩体发生崩解[16-20]。
黏土矿物与酸发生反应一方面加速了高岭石、蒙脱石、伊利石等的溶蚀，使红层泥岩内部出现细小空洞、裂隙，裂隙快速发育、贯通，加速了红层泥岩的崩解;另一方面破坏了红层泥岩内部微观结构，削弱了岩体间的黏聚力，使其出现泥化现象，因此红层泥岩在酸性条件下表现出极大的崩解性。
而在碱性环境下，红层泥岩中的黏土矿物虽然比较稳定，与OH-反应不明显，但红层泥岩中硅酸盐、碳酸钙等在一定程度上会与OH-发生明显的反应，破坏了岩体的微观结构，使微小裂缝快速发育，加速了红层泥岩的崩解。但其反应剧烈程度较小，因此红层泥岩在碱性环境中的崩解速率强于中性环境而弱于酸性环境。
4 Y 论
本文通过开展红层泥岩在不同pH条件下的崩解试验研究，详细阐述了红层泥岩在不同pH条件下的崩解过程，分析了其崩解产物的粒径级配、崩解率、崩解比、不均匀系数、曲率系数及比表面积增量等参数的变化，得到以下结论：
（1） 红层泥岩在不同pH条件下的崩解现象基本相同，崩解过程可描述为：表层出现大量气泡→气泡破裂→细小裂纹出现→裂纹扩展→裂纹贯通→表层剥落，以此循环直至完全崩解。不同pH溶液中崩解的剧烈程度从大至小依次为：pH=3>pH=11>pH=7。
（2） 不同pH条件下红层泥岩经干湿循环后的颗粒粒径均表现出r>40 mm质量分数逐渐减小，r=20～40 mm，10～20 mm，5～10 mm，2～5 mm质量分数先增大后减小，r<2 mm质量分数逐渐增大后趋于稳定的趋势。但在pH=3时，r=1～2 mm粒组与pH=7、pH=11的变化趋势有所不同，具体表现为在前9次干湿循环其质量分数持续增加，而后表现出一定的下降。
（3） 不同pH作用下红层泥岩崩解率均随干湿循环次数的增加而增长，崩解比均随干湿循环次数的增加而减小。但3种不同的pH作用下红层泥岩崩解率与崩解比的变化速率均有所不同，从大到小依次为pH=3>pH=11>pH=7。
（4） 红层泥岩崩解产物的不均匀系数与曲率系数均随干湿循环次数的增加呈现出先增大后减小的趋势，但酸、碱对红层泥岩崩解产物的不均匀系数及曲率系数影响更加明显，与中性环境相比，其增长幅度更大。
（5） 红层泥岩崩解产物比表面积增量均随干湿循环次数的增加而增加;在酸性条件下，红层泥岩崩解产物的比表面积增幅最快，远高于碱性和中性环境。
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⒖嘉南祝
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（编辑：郑 毅）
Disintegration characteristics of red bed mudstone under different pH conditions
ZHAO Shunliang1，ZHA Huanyi2
（1.Qinghai Provincial Institute of Transportation Planning and Design，Xining 810000，China; 2.School of Civil Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410000，China）
Abstract：
The disintegration characteristics of red mudstone under different pH conditions are very important for the safety of slopes and foundation engineering.The disintegration phenomenon of red bed mudstone under different pH conditions was investigated by conducting disintegration tests of red mudstone at pH 3，7 and 11.Moreover，the variation patterns of grain size gradation，inhomogeneity coefficient，curvature coefficient，specific surface area increment，disintegration rate and disintegration ratio of red-bedded mudstone specimens after dry and wet cycles were analyzed in detail，revealing the disintegration mechanism of red-layered mudstone under different pH conditions.The red mudstone showed the strongest degradation phenomenon under pH 3 with the earliest initial crack and the fastest penetrating rate.The particle size gradation after dry and wet cycles both showed a decrease in large particles and an increase in small particles.The influence of environment of pH=3 and 11 on the inhomogeneity and curvature coefficients of particles after disintegration of red-bedded mudstone were more obvious compared with pH=7.The change rate of the red-bedded mudstone disintegration rate and disintegration ratio from large to small is pH=3>pH=11>pH=7.Under acidic conditions，the specific surface area of red-bedded mudstone increased fastest，much higher than that in alkaline and neutral environments.The research results can provide reference for stability analysis and engineering practice of red bed mudstone slopes and foundations.
Key words：
red bed mudstone;disintegration characteristic;pH;specific surface area increment;non-uniformity coefficient
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