与其他岩性的岩石相比，易于风化崩解是泥质岩最为显著的特征之一。崩解作用对泥质岩物理力学性状最直接的影响是使其粒径在崩解前后发生明显改变，由崩解前粒径较大的块体变为崩解后粒径较小的颗粒。泥质岩不同程度的崩解不仅会使其自身性质由岩性向土性转变，而且由于崩解所造成的粒度变化会改变其周围区域内孔隙的充填及连通状况，给基坑开挖、隧道施工、坡面处理、地基稳定性等造成了诸多困扰[1-4]。
如何才能有效地处理泥质岩的崩解性，学者们已开展了大量研究。在岩石崩解特性表征方法的研究方面，获取泥质岩崩解特性的定量化指标参数主要选用以下几种方法：1) 采用由Wood等[5]提出并经Santi[6]改进的静态崩解试验(Jar Slake Test)方法来定性描述泥质岩在蒸馏水中浸泡30 min和48 h时的崩解状态，依据崩解状态参照Santi所建立的划分依据来判定静态崩解指数(Jar Slake Index)；2) 采用Deo[7]崩解试验(Slake Test)测试其崩解指数(Slake Index)；3) 采用Gamble[8]所提出的耐崩解试验(Slake Durability Test)测试其耐崩解指数(Slake Durability Index)。其中，除JSI需要人工定性判断后选取之外，SI和SDI均为定量化表征参数。中国《工程岩体试验方法标准》[9](GB/T 50266-99)中对耐崩解试验及SDI的测试方法和技术标准提出了相关要求。
但是，由于在标准试验中考虑的环境条件较为单一，而实际上泥质岩所处的环境相对于试验室条件又比较复杂。由于研究所涉及的问题是多学科的交叉点，加之问题的复杂性，所以，大多研究集中在温度、水流或化学等因素对泥质岩崩解特性的影响方面[10-13]，而针对泥质岩所处环境的酸碱性，对泥质岩崩解特性所进行的研究还很薄弱。因此，对泥质岩不同pH值环境下的崩解特性的研究，可为与之密切相关的环境地质问题提供理论依据及技术支持。
试验选取阜新海州露天矿采出的新鲜岩石，岩样取出后用保鲜膜包裹运回试验室。将取回的岩石加工成50 g左右的小块，并从中挑选无裂纹、材质均匀的岩块。本次试验总共设计了7组，每一组的pH值分别为4、5、6、7、8、9、10(每组均可在±0.5浮动)，每组设计了3个平行样，每个样品由5到6小块组成，总共需要105~126块，遂选取120块。将这120块泥岩分成21份，每份质量在250 g左右，称量后分别装入密封袋中，准备用于后续试验。试验全程控制环境温度及pH，主要步骤为：
1) 取部分岩屑烘干粉碎至100目以下，用X射线衍射仪分析矿物成分，使用荧光光谱法分析化学成分。
2) 另取部分岩样进行物理性质试验，得到岩样基本物理指标见表 1。
3) 利用硫酸和氢氧化钠配置好相应酸碱度的溶液，密封保存。
4) 将泥样称重后放入透明容器中，注入事先配置好的浸泡液至浸没岩样，标上相应pH值。将泥样连同容器放入恒温箱中，恒温箱设置为25 ℃。试验中使用酸碱滴定仪保持浸泡液在相应pH上下0.5浮动。
5) 浸泡至24 h，将容器上清液倒掉，再把余下的液体连同样品一同转入事先已经进行标号的钢盆。
6) 将钢盆放入烘箱，在105 ℃下烘干至恒重，烘干时间不少于8 h。
7) 烘干后将样品取出置于干燥器内冷却至室温，结合粗筛分要求和本试验样品特点，选择粒径级配为10、5、2、1 mm的分样筛进行筛分。
8) 把每个样品筛上的样品汇总，密封，进入下一个循环。根据崩解情况，试验总共进行了5个循环。
因岩样组数及循环太多，列出部分崩解现象汇总如表 2，其中pH为6的样品浸泡中及烘干后的变化情况如图 1。
参照Wood等[5]所建立的判定静态崩解指数的划分依据，吴道祥等人依据崩解状态，将泥岩崩解的强弱程度定性地分为强崩解、中崩解、弱崩解、不崩解4个等级[14]。试验所选的各组泥样浸水24 h内均不崩解，仅有一些小裂纹，水中有少量细渣和泥质沉淀，经过一次干湿循环后才呈块状崩解，属于上述当中的弱崩解。
第1次循环之后崩解量小于试样总重量的1%，故可认为这次循环没有崩解，不需要做颗粒分析。随着循环次数的增加，崩解物的粒径级配在不断变化。当进行到第5个循环，大粒径颗粒崩解稳定，即大于5 mm的颗粒含量趋于不变，得到一些始终不能崩解的物质，多为云母、细小的砾石等。因此，可以认为崩解基本已达到最大限度，没必要进行接下去的循环，本试验总共进行了5次干湿循环，4次筛分。试验所得不同粒径颗粒含量随干湿循环次数的变化曲线见图 2。
分析图 2并结合泥质岩的崩解现象可以得到以下结论：
1) 由图 2(a)、(b)可以发现，岩样第1个循环>5 mm的颗粒百分含量为100%，几乎未发生崩解；第2个循环为87.38%~91.64%，崩解速度较快；第3个循环百分含量则降为54.83%~73.08%，泥质岩发生剧烈崩解。泥质岩中含有可膨胀性的粘土矿物，黏土矿物吸水体积膨胀变形、崩裂解体，导致岩石崩解。当岩石经历失水后再遇水这样的过程时，这种现象更明显。本次试验样品在第1循环时崩解量少，第2、3个循环却迅速崩解间接证明了这一结论。
2) 第3个循环时，pH为4的样品颗粒百分含量(>5 mm)下降32.55%，崩解速度最快，而处于蒸馏水中的样品下降18.56%，崩解速度最慢。
3) 随着循环的进行，>10 mm的颗粒含量逐渐减少至零，而5~10 mm的颗粒含量趋于稳定，到第5个循环时，各种级别的颗粒含量和第4个循环的结果变化较小，崩解达到最大限度，可认为没有必要进行接下去的循环。
4) 崩解越剧烈，各种粒径的崩解物含量变化就越剧烈，变化曲线越陡，达到峰值或谷底所需干湿循环的次数越少，并且达到渐进线所需的循环次数也越少。图 2(c)中2~5 mm的颗粒含量在第3个循环出现峰值，且斜率大、曲线陡；由图 2(d)、(e)同样可发现，第3个循环的曲线最陡，第3个循环之后所有曲线渐渐趋于平缓，崩解速度减慢。同时，随着循环的进行，图 2(d)、(e)均呈上升趋势，泥质岩的崩解物不断细化，崩解程度不断加深，崩解速度先增加后逐渐减小。
Erguler、Walsri等[15-16]通过综合研究，提出用崩解比(Disintegration Ratio, DR)这一定量化参数对泥质岩的崩解特性进行综合评价。本文引用此研究成果，崩解比的计算方法如下：
1) 绘制样品粒度变化曲线图，横坐标为粒径大小，纵坐标为小于该粒径大小的颗粒百分含量。
2) 崩解比采用计算公式
式中：Dr为样品第n次筛分崩解比，%；Sn为第n次筛分曲线下方面积；S为整体面积。
通过上述方法计算崩解比，其崩解比变化情况如图 3、图 4。
观察图 3可发现以下3点：1) 第1次筛分曲线明显上凸，蒸馏水中样品的崩解比远远高于酸碱环境中的崩解比，表明第1次筛分时，酸碱环境下泥质岩的崩解强度远远大于中性；2) 随着循环的进行，尤其第3次和第4次筛分时，崩解比曲线趋于平缓，但依然有轻微上凸，说明随着循环的进行，酸、碱和中性的崩解比越来越接近，崩解程度越来越接近，但酸碱依然略强；3) 第1、2次筛分，崩解比曲线间隔比较大，说明泥质岩在第2次筛分时发生剧烈崩解；而第3、4次筛分时，曲线间隔明显减小，崩解速度减慢。从图 4可以看出，整体上酸性环境下的崩解比曲线在下方，曲线较陡，碱性环境在中间，中性环境在下方，曲线相对比较平缓。表明不同酸碱度环境中的泥岩崩解强度大小关系是：酸>碱>中性。
使用荧光光谱法对岩石化学成分进行分析，结果如表 3所示。
由X射线衍射图谱可见(图 5)，阜新海州露天矿泥质岩属于天然岩石，物相较多，其主要成分是高岭石、石英，含有少量伊利石、绿泥石、方解石和白云石。石英化学性质稳定，具较强的抗水性与抗风化能力，亲水性极弱。方解石和白云石的主要成分是碳酸钙，碳酸钙遇酸极易发生反应：CaCO3+H2SO4→CaSO4+H2O+CO2。高岭石等粘土矿物具有亲水性，并能与硫酸发生化学反应，生成可溶性盐类。伊利石与硫酸化学反应方程式为
高岭石与硫酸化学反应化学方程式为
粘土矿物与硫酸发生化学反应，生成可溶性盐类溶于水，一方面破坏了原来岩石的内部结构体系, 使得岩石出现泥化现象；另一方面形成岩石内部连通的“空间”，使得水分子与黏土矿物充分接触而加速岩石崩解，导致泥质岩在酸中崩解最快。碳酸钙在碱性浸泡液中更加稳定，本文泥质岩碳酸钙含量少，碳酸钙的碱溶液稳定性在崩解过程中表现不明显。最终导致泥质岩在不同pH值溶液中崩解强度大小关系为：酸>碱>中性。
以阜新海州露天矿泥质岩为研究材料，进行不同酸碱度下泥质岩静态崩解试验，观察泥岩的崩解现象，计算崩解物的颗粒含量、崩解比，并得到以下结论：
1) 随着干湿循环的进行，泥质岩的崩解程度不断加深，崩解速度先增大后逐渐减小甚至消失, 第2、3个循环崩解速度最快。
2) 不同pH值溶液中的泥岩崩解强度大小关系是：酸>碱>中性，其中酸性比碱性略强，二者远远大于中性。泥质岩对所处环境的酸碱性比较敏感，酸雨能造成泥质岩耐崩解能力很大程度降低。将酸雨地区泥质岩用于工程建设时，应当检测所处环境的酸碱性，并减少该地SO2等酸性气体排放量，减少造成泥质岩崩解的环境因素。
3) 泥质岩中不溶于水的矿物成分，可以和酸发生化学反应生成可溶性盐类，破坏了原来岩石的内部结构体系, 形成岩石内部连通的“空间”，是泥质岩在酸中崩解最剧烈的主要原因。
4) 泥质岩的崩解特性受多重因素影响，实际中泥质岩所处的环境相对于试验室条件比较复杂，本文通过对比发现，单一水化环境条件下的干湿循环不足以反应工程实际情况，考虑泥质岩所处环境pH值的不同对工程建设有重要意义。
2015, Vol. 37 Issue (2): 23-27
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2015, Vol. 37 Issue (2): 23-27
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