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石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水特性與孔隙特征研究

2014-08-18 07:10:28,,2,,
長江科學(xué)院院報(bào) 2014年9期
關(guān)鍵詞:毛細(xì)石膏孔徑

,,2,,

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院,武漢 430074;2.黃淮學(xué)院 建筑工程學(xué)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(yùn)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(zhì)巖層[2],其中19座隧道由于圍巖滲水導(dǎo)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(shè)過程中,原巖體的應(yīng)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(bǔ)給地下水的過程中巖石遭到侵蝕,干濕交替條件下巖石結(jié)構(gòu)構(gòu)造發(fā)生改變[5],造成巖石劣化,往往會(huì)造成嚴(yán)重的工程問題。

巖石是一種典型的多孔介質(zhì)材料,毛細(xì)作用下巖石的水分傳輸特性主要取決于其內(nèi)部孔裂隙的數(shù)量、大小、張開程度及其連通性,同時(shí)也受其礦物成分、組成晶粒大小等因素的影響。巖石的毛細(xì)吸水過程不僅反映巖石介質(zhì)內(nèi)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(yán)重。

因此本次將對(duì)十字埡隧道石膏質(zhì)巖進(jìn)行毛細(xì)吸水試驗(yàn),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(zhì)巖劣化研究提供依據(jù)。

2 巖樣特征與礦物成分分析

試驗(yàn)所需石膏質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)試件,表1為石膏質(zhì)巖試件的基本參數(shù)。

表1 石膏質(zhì)巖試件的基本參數(shù)

X衍射試驗(yàn)半定量給出各試件的礦物成分及其含量。結(jié)果顯示,巴東十字埡隧道石膏質(zhì)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(zhì)巖主要為細(xì)粒晶粒結(jié)構(gòu),水平層狀構(gòu)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(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)采用一維單面吸水方式,僅將試樣一個(gè)底面浸入水面以下0.2 mm進(jìn)行吸水,并用石蠟密封試樣側(cè)面,稱取試樣質(zhì)量m1。吸水過程t時(shí)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(shí)間內(nèi)的累計(jì)吸水量。

這種實(shí)驗(yàn)方法雖簡單易行,但無法實(shí)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境下的連續(xù)吸水過程,且毛巾擦拭試樣會(huì)造成一定的實(shí)驗(yàn)誤差。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 石膏質(zhì)巖吸水曲線和吸水過程函數(shù)

圖1中的實(shí)線是試件S1,S2,S3,S4累計(jì)吸水量隨吸水時(shí)間的變化曲線。本次實(shí)驗(yàn)各試件持續(xù)吸水22 d,22 d后試件基本達(dá)到毛細(xì)吸水穩(wěn)定狀態(tài),最大累計(jì)吸水量為6.22 g,最小累計(jì)吸水量僅為1.26 g。孔隙率越大,對(duì)累計(jì)吸水量的貢獻(xiàn)也就越大[6],試件S1,S2,S3,S4的孔隙率約為毛細(xì)吸水率的5倍,呈近正比例關(guān)系,正比例系數(shù)與孔徑大小分布以及孔隙結(jié)構(gòu)特征等因素有關(guān)。

圖1 試件S1,S2,S3,S4的吸水曲線與擬合曲線

用對(duì)數(shù)函數(shù)式(1)對(duì)石膏質(zhì)巖持續(xù)22 d的吸水過程曲線進(jìn)行近似擬合:

M=aln(t)+b, 0

(1)

擬合結(jié)果如圖1中虛線所示,對(duì)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(shì),但不能準(zhǔn)確表現(xiàn)出具體的變化過程。為了更準(zhǔn)確地描述石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水過程,將吸水曲線分段研究[7],對(duì)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(jìn)行描述。

快速吸水階段采用二次函數(shù)方程式(2)進(jìn)行擬合:

m=a1t2+b1t+c1, 0

(2)

式中:T為快速吸水階段持續(xù)時(shí)間。

不同試件的快速吸水階段持續(xù)時(shí)間T也不相同(見圖2),本次實(shí)驗(yàn)中,試件S1快速吸水時(shí)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(duì)強(qiáng)弱。T時(shí)間點(diǎn)之前試件吸水速率較大,且隨著時(shí)間增加而逐漸減小,在T時(shí)間點(diǎn)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(shí)間點(diǎn)之前,試件S1,S2,S3,S4在T時(shí)間點(diǎn)前的吸水量分別占累計(jì)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(xì)致地了解石膏質(zhì)巖在各段時(shí)間內(nèi)的毛細(xì)吸水過程,分別對(duì)4個(gè)石膏質(zhì)巖試件在0.4和4 h內(nèi)的吸水特征曲線進(jìn)行近似擬合(圖3),同樣建立起0.4和4 h內(nèi)毛細(xì)吸水二次函數(shù)方程式,即

(3)

圖3 0.4和4 h內(nèi)吸水過程擬合曲線

表2列出各試件在0.4,4 h內(nèi)和快速吸水階段毛細(xì)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(shí)間的增加,吸水速率減小得越來越慢。在T點(diǎn)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(huì)發(fā)生一定的變化,孔隙特征的變化必然導(dǎo)致巖石吸水過程發(fā)生改變。在石膏質(zhì)巖塊經(jīng)歷0,5和10次干濕循環(huán)后,分別切割得到標(biāo)準(zhǔn)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(duì)石膏質(zhì)巖毛細(xì)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(jì)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(gè)階段的分界時(shí)間點(diǎn)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(shí)間變?yōu)?和5 h。這2個(gè)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(nèi)吸水曲線同樣遵循二次函數(shù)式(3)(圖5),擬合結(jié)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(nèi)吸水?dāng)M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(jì)吸水量增加,循環(huán)次數(shù)越多,瞬時(shí)吸水量越大,累計(jì)吸水量也越大。在前0.4 h內(nèi),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(jì)吸水量的25%。在接下來的3.6 h內(nèi),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%??梢姡蓾窠惶娲螖?shù)越多,前期吸水比例越大,吸水飽和速度越快,快速吸水時(shí)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(jìn)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(zhì)巖孔隙特征

毛細(xì)吸水特性的變化在微觀上主要由孔隙特征決定[8]。石膏質(zhì)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(jìn)行壓汞實(shí)驗(yàn),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(jì)算分析得到,十字埡隧道出露的石膏質(zhì)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(duì)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(xì)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%。孔隙分選性較差[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(zhì)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(duì)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。孔徑大于1.0 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(shí)驗(yàn)壓汞儀精度有限,石膏質(zhì)巖中還可能有精度以外的微孔隙存在。

4.4 毛細(xì)吸水孔徑區(qū)間近似確定

儲(chǔ)層研究中認(rèn)為可以滿足液體自由流動(dòng)的毛細(xì)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(jié)構(gòu)、流動(dòng)液體等眾多差異性的存在,實(shí)際吸水毛管孔隙范圍并不相同,因此對(duì)有效孔隙下限的研究也比較多[10]。本次利用石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水量和飽和毛細(xì)吸水量以及毛細(xì)管曲線近似確定石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水孔徑區(qū)間。

飽和吸水的體積可以近似認(rèn)為是飽和吸水有效孔徑下限r(nóng)以上的所有孔隙體積之和,也可認(rèn)為是壓汞實(shí)驗(yàn)中大于r孔隙累計(jì)進(jìn)汞量。由此可根據(jù)飽和吸水量以及壓汞實(shí)驗(yàn)中累計(jì)進(jìn)汞量與孔隙直徑的關(guān)系確定有效孔徑下限。假定自然毛細(xì)吸水孔徑下限也是r,那么可用飽和吸水量與毛細(xì)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(xì)吸水量之差和壓汞數(shù)據(jù)確定毛細(xì)吸水有效孔徑上限R。表4為簡單計(jì)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(jié) 論

(1) 石膏質(zhì)巖毛細(xì)吸水特性和孔隙特征有直接的關(guān)系,巖石孔隙特征決定著其毛細(xì)吸水特性,而反復(fù)的吸水干燥過程也會(huì)引起巖石孔隙特征的變化。

(2) 十字埡隧道石膏質(zhì)巖中石膏含量普遍大于90%,石膏質(zhì)巖主要為細(xì)粒晶粒結(jié)構(gòu),水平層狀構(gòu)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(zhì)巖在0.4 h內(nèi)、4 h內(nèi)和快速吸水階段吸水量與吸水時(shí)間均近似滿足二次函數(shù)關(guān)系,二次函數(shù)的二次項(xiàng)系數(shù)絕對(duì)值近似表示吸水速率的變化快慢。

(4) 干濕循環(huán)后,石膏質(zhì)巖孔隙率增加,前期吸水比例增大,快速吸水時(shí)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(xì)吸水量和壓汞數(shù)據(jù)可以近似得到毛細(xì)吸水孔徑區(qū)間,但存在一定的實(shí)驗(yàn)誤差。

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