邱恩喜,陳秋玲,孫希望,張 蕊,萬(wàn)旭升,渠孟飛,王 彬

(1.西南石油大學(xué) 土木工程與測(cè)繪學(xué)院,成都 610500; 2.成都理工大學(xué) 地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610059; 3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430071; 4.中鐵二院昆明勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 工程設(shè)計(jì)處, 昆明 650200)

0 引 言

紅層為形成于侏羅系和白堊系[1]的沉積巖,巖性主要為泥巖和砂巖。紅層在我國(guó)西南地區(qū)分布廣泛[2],且多為砂泥巖互層結(jié)構(gòu)。在自然氣候作用下,黏土礦物的水化作用導(dǎo)致泥巖結(jié)構(gòu)破壞、體積膨脹[3]。此外,泥巖地基等豎向變形受交通荷載影響。因此,在紅層泥巖地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)面臨著經(jīng)濟(jì)性與安全性的矛盾,研究紅層泥巖的膨脹變形規(guī)律與內(nèi)在作用機(jī)制為解決該矛盾提供技術(shù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

泥巖等膨脹性巖石膨脹特性受物理環(huán)境、受力條件等因素影響,賴遠(yuǎn)超等[4]、唐朝生等[5]設(shè)計(jì)膨脹試驗(yàn)探究了多種影響因素對(duì)其膨脹性的影響規(guī)律。大量研究表明[6-7],在浸水條件下泥巖的膨脹時(shí)程曲線呈顯著的階段性變化[8]。在浸水前期,泥巖快速吸水導(dǎo)致吸水率增加,水化作用劇烈,內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞;隨著時(shí)間增加,泥巖逐漸達(dá)到最大吸水量,水化作用趨于穩(wěn)定,膨脹速率降低,膨脹變形逐漸穩(wěn)定。膨脹時(shí)程曲線呈良好的指數(shù)擬合關(guān)系[9],且垂直荷載對(duì)膨脹變形具有明顯抑制作用[10]?；谝陨涎芯?部分學(xué)者提出了膨脹時(shí)程模型或本構(gòu)模型[11],并不斷完善了泥巖受各種因素影響下的膨脹模型[12]。Einstein從內(nèi)部機(jī)制作用層面將膨脹變形劃分機(jī)械膨脹、滲透膨脹和晶內(nèi)膨脹[13],并進(jìn)一步驗(yàn)證了該機(jī)制[14],為膨脹機(jī)制的探究奠定基礎(chǔ)。

宏觀膨脹機(jī)理的發(fā)展促進(jìn)微細(xì)觀尺度的探索,掃描電鏡試驗(yàn)(Scanning Electron Microscope,SEM)、X射線衍射試驗(yàn)(X-ray Diffraction,XRD)等微觀技術(shù)被廣泛應(yīng)用于定性研究微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律[15],分別用于微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分分析。運(yùn)用這2種技術(shù)得到泥巖在自然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)致密,黏土礦物主要以薄片狀或書(shū)卷狀存在,顆粒之間以面-面接觸或邊-面接觸為主;遇水條件下,黏土礦物不斷吸水膨脹[16-17],顆粒間聯(lián)結(jié)作用逐漸被破壞,初始孔隙、裂隙不斷發(fā)育并伴有大量次生微孔生成[18],顆粒間距不斷增加。然后借助圖像處理軟件定義孔隙等效孔徑、孔隙率[19]和分形維數(shù)[20]等幾何特征參數(shù)在浸水后的變化。大量學(xué)者認(rèn)為,泥巖的礦物成分和結(jié)構(gòu)特征是導(dǎo)致膨脹現(xiàn)象的主要原因[21],以蒙脫石為代表的黏土礦物對(duì)泥巖的脹縮特性影響最為顯著。其中蒙脫石、高嶺石等晶胞均由Si-O四面體和Al-O-OH八面體組成,形成獨(dú)特的層間結(jié)構(gòu)而水分子易通過(guò)進(jìn)入層間結(jié)構(gòu)導(dǎo)致粒內(nèi)膨脹[22]。因此,試樣宏觀膨脹性與微觀孔隙特征具有顯著相關(guān)性,浸水后孔隙的結(jié)構(gòu)擴(kuò)展、數(shù)量增加,揭示了膨脹變形的微觀機(jī)制[23]。

陳福榜等[24]、崔凱等[25]同時(shí)通過(guò)將孔隙參數(shù)引入膨脹本構(gòu)建立了宏觀性質(zhì)與微觀特征之間的關(guān)系?；陔p電層理論與XRD試驗(yàn)結(jié)果,根據(jù)礦物晶體結(jié)構(gòu)建立了黏土礦物與膨脹變形的關(guān)系[26],并分析了黏土礦物含量對(duì)膨脹變形的影響[27]。另外,部分學(xué)者基于顆粒力學(xué)理論,根據(jù)微觀圖像特征建立微觀結(jié)構(gòu)模型,從而提出膨脹模型[28]。然而,這些理論模型的建立需要多種理想假設(shè),且理論分析較為復(fù)雜。而通過(guò)擬合分析將微細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)引入宏觀性質(zhì),建立微細(xì)觀與宏觀性質(zhì)的擬合模型可以更快反映宏觀與微細(xì)觀的響應(yīng)特性,但宏觀與微觀間的聯(lián)系依然較為薄弱。

為此,本文以紅層泥巖為研究對(duì)象,采用XRD、SEM等試驗(yàn)方法,探究泥巖與泥巖填料的膨脹變形和黏土礦物成分、含量及微觀結(jié)構(gòu)特征的量化關(guān)系。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)特征建立蒙脫石含量、晶層間距和孔隙度等多種因素影響下的膨脹響應(yīng)機(jī)制?；谂蛎涀冃闻c微觀結(jié)構(gòu)特征結(jié)果,定義微觀特征參數(shù),從而建立宏觀與微觀的響應(yīng)關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 泥 巖

紅層泥巖取自成都市金堂(圖1),紅層泥巖受風(fēng)化影響較大,已有大量剝落、崩解等,具有泥巖與砂巖互層結(jié)構(gòu)。將取回的試樣按照《鐵路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(TB 10115—2014),測(cè)試樣品的基本物理參數(shù),如表1所示。

表1 紅層泥巖及填料試樣基本物理參數(shù)

圖1 取樣位置

根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)進(jìn)行重型擊實(shí)試驗(yàn),確定紅層泥巖填料的壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)。將風(fēng)干后泥巖經(jīng)干燥、過(guò)篩、拌和等處理后,燜24 h,然后進(jìn)行擊實(shí),不同蒙脫石摻量的泥巖填料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示,試驗(yàn)顆粒級(jí)配如表3所示。

表2 紅層泥巖填料擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表3 試驗(yàn)顆粒級(jí)配

通過(guò)SEM和XRD試驗(yàn)分別得到紅層泥巖試樣的礦物含量(表4)和微觀形貌(圖2),試樣結(jié)構(gòu)致密,顆粒結(jié)構(gòu)完整,內(nèi)部孔裂隙較少,顆粒間以面-面接觸為主,部分礦物顆粒具有顯著片狀結(jié)構(gòu),且表面有少量黏土礦物附著。礦物以石英(含量30.44%)、斜長(zhǎng)石(含量22.54%)、方解石(含量15.09%)、黏土礦物(含量31.93%)為主,且黏土礦物中伊利石含量最高。

表4 紅層泥巖礦物成分分析

圖2 紅層泥巖SEM圖像

1.1.2 蒙脫石

所選蒙脫石的XRD試驗(yàn)結(jié)果顯示(圖3),黏土礦物含量為65.69%,顆粒呈灰紫色,粒徑較小,質(zhì)量輕。按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)開(kāi)展自由膨脹率試驗(yàn),結(jié)果(圖4)顯示蒙脫石膨脹性強(qiáng),通過(guò)設(shè)計(jì)蒙脫石加入比例(5%～50%)得到蒙脫石摻量與粉末自由膨脹率呈線型關(guān)系。然后,根據(jù)《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》(TB 10038—2012)中的規(guī)定以自由膨脹率為劃分膨脹等級(jí)的指標(biāo),確定0%、19%、26%和44%分別表示不同膨脹等級(jí)蒙脫石比例M。

注:cps表示每秒計(jì)數(shù);Md、Fd、Qd分別表示蒙脫石、鉀長(zhǎng)石、方解石衍射角位置的晶間距。圖3 蒙脫石XRD圖譜

圖4 蒙脫石摻量與自由膨脹率變化曲線

1.2 試驗(yàn)方案

以最優(yōu)含水率與96%的壓實(shí)度配制不同膨脹等級(jí)的泥巖填料圓柱形試樣(Ф61.8 mm×20 mm),分別進(jìn)行不同蒙脫石摻量無(wú)荷和有荷膨脹特性試驗(yàn),研究蒙脫石含量與垂直荷載對(duì)膨脹變形的影響。然后對(duì)無(wú)荷膨脹試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行XRD和SEM試驗(yàn),探究不同蒙脫石摻量泥巖填料宏觀膨脹率與礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)的量化關(guān)系。具體膨脹試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 紅層泥巖膨脹性試驗(yàn)方案

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

采用X`Pert MPD PRO型X射線衍射儀分析試樣中的礦物種類及晶胞特征?？紤]試驗(yàn)條件、物理化學(xué)反應(yīng)時(shí)間與試驗(yàn)產(chǎn)生的變形等因素影響[29],采用德國(guó)生產(chǎn)的ZEISS EX0 MA15型掃描電子顯微鏡觀察同一試樣不同位置在不同放大倍數(shù)下的SEM圖像,觀察顆粒間的膠結(jié)方式、礦物形貌等特征,并結(jié)合Image-Pro Plus(IPP) 圖像處理軟件定量分析微觀結(jié)構(gòu)特征。IPP軟件處理后的孔隙結(jié)構(gòu)具有隨機(jī)分布的特點(diǎn),符合巖土顆粒的各向異性[30]。在圖像放大倍數(shù)、閾值等因素影響下,1 300±300倍放大后結(jié)果更符合實(shí)際[31]。因此,本文選擇放大1 000倍的SEM圖像進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)定量研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 膨脹率試驗(yàn)

2.1.1 泥巖膨脹性試驗(yàn)

圖5為泥巖原樣膨脹變形的時(shí)程曲線,在前3 h內(nèi),膨脹率迅速增長(zhǎng)達(dá)到最大膨脹率的96%以上,其后膨脹率達(dá)到最大值后出現(xiàn)少量降低;在12 h時(shí)膨脹率分別為最大膨脹率的81.08%和97.65%,詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。泥巖各向異性導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果存在離散性,膨脹率為0.07%～0.17%,但都反映了泥巖原樣膨脹率較低。膨脹變形時(shí)程曲線存在較為明顯的峰值點(diǎn),揭示了泥巖的總膨脹變形分為可逆變形與不可逆變形,當(dāng)試樣達(dá)到含水飽和狀態(tài),膨脹變形逐漸保持穩(wěn)定。

表6 泥巖原樣膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

注:δ穩(wěn)定、δmax分別為膨脹率的穩(wěn)定值和最大值。圖5 泥巖原樣膨脹率-時(shí)間曲線

2.1.2 泥巖填料無(wú)荷膨脹性試驗(yàn)

M=19%、26%、44%的試樣膨脹率曲線在前3 d斜率較大,尤其是在浸水18 h內(nèi)膨脹率超過(guò)穩(wěn)定膨脹率的60%(圖6)。當(dāng)t≥15 h后,摻有蒙脫石的試樣達(dá)到膨脹穩(wěn)定。M=0%、26%、44%試樣的時(shí)程曲線形態(tài)一致,M=19%的平行組試樣在快速增長(zhǎng)階段結(jié)束時(shí),膨脹率分別為41.58%和33.79%,在緩慢階段膨脹率分別增加了7.74%和15.48%。因此,M=19%的試樣雖表現(xiàn)出了不同的增長(zhǎng)規(guī)律,但最終穩(wěn)定膨脹率一致。該結(jié)果與試驗(yàn)過(guò)程中的系統(tǒng)誤差有關(guān),且試驗(yàn)中難以確保試樣為同一壓實(shí)度。在同一條件下,壓實(shí)度小的試樣,水分更容易進(jìn)入到試樣,使得快速增長(zhǎng)階段膨脹變形更劇烈。M=0%試樣膨脹變形規(guī)律表現(xiàn)為隨時(shí)間增加,先近似呈垂直直線增長(zhǎng),后達(dá)到最大膨脹率(3.0%～3.8%),其膨脹率為泥巖的28.3倍,解釋了結(jié)構(gòu)破壞對(duì)抵抗膨脹變形能力的影響。

圖6 膨脹率-時(shí)間曲線Figs.6 Time-history curves of swelling rate

根據(jù)穩(wěn)定后的試樣膨脹率繪制蒙脫石摻量與軸向膨脹率及飽和含水率的關(guān)系曲線(圖7),其中隨蒙脫石摻量增加膨脹率和飽和含水率都呈指數(shù)增加,擬合度分別為0.998和0.963。蒙脫石層間結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)親水性[32],因此,蒙脫石摻量越高,吸水性越強(qiáng),試樣含水率越高。蒙脫石層間離子吸附水分后使得層間間距增加,導(dǎo)致礦物成分發(fā)生膨脹,從而引起試樣發(fā)生膨脹變形[33]。

圖7 蒙脫石摻量與膨脹率及飽和含水率的關(guān)系曲線

2.1.3 泥巖填料有荷膨脹性試驗(yàn)

圖8反映了試樣軸向變形受垂直荷載的影響程度,M=0%、19%的試樣膨脹率先快速增長(zhǎng)后緩慢增長(zhǎng),與無(wú)垂直荷載條件規(guī)律一致;M=26%、44%的試樣膨脹率隨時(shí)間增加,膨脹率近似呈直線增長(zhǎng),增長(zhǎng)速率保持不變,M=44%時(shí)試樣達(dá)到膨脹穩(wěn)定需要更長(zhǎng)時(shí)間。泥巖填料中摻入蒙脫石后,膨脹率均先增加后減小,摻量越高在σv1=15 kPa處的最大膨脹率越大;同時(shí),脹縮率峰值隨摻量增加越顯著。當(dāng)垂直荷載σv>15 kPa,隨荷載增大,泥巖填料膨脹率近似直線降低,隨蒙脫石摻量增加而增加,曲線斜率絕對(duì)值增大,即膨脹率隨蒙脫石摻量增加其降低速率增加,與蒙脫石的強(qiáng)可塑性有關(guān)。當(dāng)σv=50 kPa,M=0%的試樣膨脹率為0,隨荷載繼續(xù)增加,試樣開(kāi)始收縮。定義使泥巖填料膨脹率為0的荷載為其膨脹力,M>0%試樣膨脹力顯著大于M=0%試樣,但膨脹力大小與蒙脫石摻量未呈現(xiàn)顯著規(guī)律性。

圖8 軸向脹縮率變化曲線

2.2 礦物成分分析

計(jì)算得到泥巖填料試樣在膨脹試驗(yàn)前等效黏土礦物含量分別為44.41%、49%和60.83%,試驗(yàn)結(jié)束后黏土礦物含量均降低,其與試樣試驗(yàn)過(guò)程中的物理化學(xué)反應(yīng)有關(guān)[34]。圖9顯示了試驗(yàn)后黏土礦物含量在31%～39%內(nèi)波動(dòng),其中,M=44%的試樣試驗(yàn)前后黏土礦物含量降低24.83%,降幅約41%,石英和方解石分別在29%～35%和14%～16%范圍波動(dòng),斜長(zhǎng)石降低0.49%～12.24%。

基于以上分析,定義參數(shù)α表示初始蒙脫石摻量(M=0%、19%、26%、44%)與試驗(yàn)后檢測(cè)出的黏土礦物含量的比值,揭示黏土礦物含量對(duì)膨脹性的影響規(guī)律。通過(guò)α與膨脹率的關(guān)系曲線(圖10)可以看出,膨脹率隨α增加而增加。M=19%、44%試樣隨蒙脫石含量增加,其α表現(xiàn)出明顯增長(zhǎng),解釋了蒙脫石等黏土礦物含量與膨脹率的相關(guān)性。在同一條件下,垂直荷載對(duì)膨脹率的影響,揭示了試樣膨脹率受內(nèi)部礦物組成和外部應(yīng)力條件共同影響。

圖10 礦物成分與膨脹率關(guān)系曲線

根據(jù)XRD衍射圖譜計(jì)算得到試樣結(jié)晶度與晶格參數(shù)見(jiàn)表7。其中,摻料蒙脫石結(jié)晶度偏低,晶體尺寸較小,而M=0%的泥巖試樣結(jié)晶度最大、平均晶粒尺寸最小。加入蒙脫石后,結(jié)晶度明顯降低,平均晶粒尺寸為摻量前的2倍,即隨蒙脫石摻量增加,結(jié)晶度逐漸降低,M=44%試樣降幅為42.86%。與M=19%試樣相比,M=26%試樣平均晶粒尺寸降低16.5 nm,降幅為13.16%。其原因包含2個(gè)方面:所選蒙脫石自身結(jié)晶度較低;試樣在膨脹試驗(yàn)過(guò)程中,水分子進(jìn)入顆粒間,黏土礦物顆粒由于吸水不斷膨脹,顆粒尺寸增加、間距減小,形成絮凝狀結(jié)構(gòu)。

表7 泥巖填料結(jié)晶度與晶格參數(shù)

2.3 微觀結(jié)構(gòu)分析

2.3.1 微觀結(jié)構(gòu)形貌分析

對(duì)無(wú)垂直荷載的試樣進(jìn)行SEM試驗(yàn),觀察放大5 000倍后的試樣形貌,得到其在試驗(yàn)后的SEM圖像(圖11)。從圖11可以看出,隨蒙脫石摻量增加,薄片狀或卷曲狀礦物顆粒逐漸增多,粒間孔隙、裂隙不斷減少,顆粒間聯(lián)結(jié)作用增強(qiáng),面-面接觸的排列方式逐漸增加。在不同蒙脫石摻量條件下的試樣均可見(jiàn)礦物顆粒主要呈層狀結(jié)構(gòu),顆粒間以面-面接觸為主,且有局部細(xì)小顆粒附著于石英、方解石等非黏土礦物表面。

圖11 泥巖填料的SEM圖像

2.3.2 微觀結(jié)構(gòu)定量分析

將試樣SEM圖像導(dǎo)入到IPP圖像處理軟件中,進(jìn)行孔隙分割與二值化處理,根據(jù)宏觀孔隙率調(diào)整閾值范圍,定義孔隙率和分形維數(shù)[35]描述孔隙的形狀特征與數(shù)量隨蒙脫石摻量的變化規(guī)律。其中,孔隙率為孔隙面積占總面積的比率,分形維數(shù)用以反映顆粒表面粗糙程度,計(jì)算公式如下:

(1)

(2)

式中:S為孔隙面積(μm2);L為孔隙周長(zhǎng)(μm);n為試樣孔隙率(%);S總為所取圖像總面積(μm2);D為分形維數(shù);A為函數(shù)擬合常數(shù)。

根據(jù)公式得到計(jì)算結(jié)果如圖12所示?？紫堵逝c分形維數(shù)隨蒙脫石含量的擬合度均>0.815,孔隙率呈線性降低,孔隙數(shù)量減少,顆粒邊緣不斷圓滑;分形維數(shù)隨蒙脫石含量增加而增加,顯示了孔隙數(shù)量及形狀受蒙脫石含量影響。在浸水過(guò)程中,隨蒙脫石摻量增加,試樣水化作用越劇烈,水化過(guò)程持續(xù)時(shí)間增加,宏觀膨脹越顯著。研究表明[18],引起膨脹的微觀機(jī)制主要包含3種,含黏土礦物巖土膨脹主要與黏土礦物吸水導(dǎo)致晶層膨脹有關(guān)。因此,蒙脫石摻量越高,由蒙脫石層間吸水導(dǎo)致膨脹量越大,顆粒間間距減少量越大,孔隙率越低。

圖12 不同蒙脫石摻量的孔隙特征參數(shù)

受放大倍數(shù)及分辨率影響,孔隙結(jié)構(gòu)難以得到準(zhǔn)確的納米級(jí)孔隙。因此,根據(jù)試樣的孔隙分布情況調(diào)整孔徑劃分范圍,得到不同蒙脫石摻量條件下孔隙等效孔徑分布如圖13所示?？紫镀骄刃Э讖椒植荚?～10 μm范圍內(nèi),根據(jù)已有研究關(guān)于孔隙等級(jí)劃分[35],其孔隙均屬于微孔和小孔范圍,整體孔隙較小。等效孔徑為1～4 μm的孔隙數(shù)量占比超過(guò)93.54%,其中,孔徑為1～2 μm的孔隙數(shù)量隨蒙脫石摻量增加逐漸減少,孔徑為2～4 μm的孔隙數(shù)量隨蒙脫石摻量增加逐漸增加。

圖13 泥巖填料孔徑分布

在浸水過(guò)程中,蒙脫石吸水導(dǎo)致晶體顆粒膨脹形成疏松蜂窩狀結(jié)構(gòu),粒間孔隙減小,晶體內(nèi)不斷產(chǎn)生新的微小孔隙,隨蒙脫石摻量增加,膨脹量增加,粒間孔隙減小數(shù)量比例增大。同時(shí),礦物顆粒水化作用下,其聯(lián)結(jié)作用逐漸被破壞,局部礦物顆粒發(fā)生剝落和運(yùn)移,從而導(dǎo)致顆粒間孔隙增大。因此,孔徑變化與礦物膨脹及顆粒結(jié)構(gòu)破壞2種作用強(qiáng)弱均有關(guān)。所以當(dāng)蒙脫石在泥巖填料試樣中含量越高,粒徑為1～2 μm的孔隙數(shù)量越多,2～4 μm范圍孔隙數(shù)量越少。微觀結(jié)構(gòu)的孔徑分布是導(dǎo)致巖土材料發(fā)生膨脹的內(nèi)在原因,礦物成分尤其是黏土礦物吸水膨脹性質(zhì)是使得孔徑分布發(fā)生變化的原因之一,即試樣的宏觀特性變化是微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分共同作用后的結(jié)果。

2.3.3 宏-微觀響應(yīng)機(jī)制

為了揭示不同膨脹等級(jí)試樣在浸水過(guò)程中發(fā)生膨脹變形的微觀機(jī)制及宏觀與微觀之間的聯(lián)系,根據(jù)泥巖填料宏觀膨脹試驗(yàn)結(jié)果與微觀定量結(jié)果分析其宏觀與微觀的定量關(guān)系。泥巖填料中蒙脫石摻量較高時(shí),孔隙率較低,泥巖填料膨脹率較大,顆粒結(jié)晶度較低且顆粒分形維數(shù)較大。在黏土礦物含量和水-巖作用的共同影響下,蒙脫石摻量為44%時(shí),孔隙率2.96%,膨脹率69.11%,揭示了蒙脫石含量是膨脹變形的主要誘發(fā)因子。黏土礦物尤其是蒙脫石致密的片狀或針狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致蒙脫石摻量越大的試樣,粒間孔隙越少,結(jié)構(gòu)更加致密且顆粒形狀更加規(guī)則。同時(shí),當(dāng)蒙脫石含量增量遠(yuǎn)大于孔隙率減少量時(shí),膨脹率依舊呈顯著增加,反映了黏土礦物的膨脹機(jī)制不局限于晶層膨脹,還存在其他膨脹機(jī)制進(jìn)一步導(dǎo)致顯著宏觀膨脹變形。

由于試樣宏觀膨脹現(xiàn)象是黏土礦物含量與微觀孔隙結(jié)構(gòu)共同作用的表現(xiàn),因此定義微觀特征參數(shù)λ表示泥巖填料試樣中蒙脫石摻量與微觀孔隙率之比[8],從而反映膨脹率與微觀的定量關(guān)系。進(jìn)一步繪制參數(shù)λ與膨脹率之間的關(guān)系曲線如圖14所示。微觀特征參數(shù)λ與膨脹率呈指數(shù)增長(zhǎng),擬合度R2為0.998,曲線斜率先增加后減少,揭示了在膨脹前期,蒙脫石摻量增加而孔隙率降低的定量關(guān)系。當(dāng)蒙脫石摻比達(dá)到某一限值時(shí),膨脹率與蒙脫石之間的相關(guān)性降低。以微觀特征參數(shù)為中間基礎(chǔ)的宏觀-微觀定量關(guān)系,為泥巖填料工程的膨脹性判定提供了一種預(yù)測(cè)方法,從而為施工提供參考依據(jù)。

圖14 膨脹率-λ關(guān)系曲線

3 結(jié) 論

以西南地區(qū)紅層泥巖填料為研究對(duì)象,分析了蒙脫石摻量和垂直荷載對(duì)膨脹變形的影響規(guī)律,明確了蒙脫石摻量對(duì)礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)的影響,并建立了微觀特征與宏觀之間的響應(yīng)聯(lián)系,主要結(jié)論為:

(1)當(dāng)荷載<33 kPa時(shí),荷載作用對(duì)膨脹變形的抑制作用較弱;當(dāng)荷載>15 kPa時(shí),蒙脫石摻量越高,膨脹率降低速率越低。

(2)不同蒙脫石摻量試樣在浸水膨脹后,黏土礦物含量增幅為14.31%,不同摻量試樣的膨脹率隨黏土礦物含量增加而增加;浸水膨脹后,試樣結(jié)晶度逐漸降低,降幅為42.86%,平均晶粒尺寸在摻量條件下降低16.5 nm。

(3)試樣分形維數(shù)與孔隙率隨蒙脫石摻量分別呈線性增加和降低,試樣孔徑在1～4 μm范圍占比超過(guò)93.54%,隨蒙脫石摻量增加,孔徑為1～2 μm的孔隙占比增加,孔徑為2～4 μm的孔隙占比降低。

(4)采用指數(shù)模型對(duì)微觀特征參數(shù)λ與膨脹率進(jìn)行擬合分析,膨脹率隨λ增加且擬合度為0.998,揭示了膨脹率與黏土礦物含量和孔隙率的響應(yīng)規(guī)律。