石膏质岩毛细吸水特性与孔隙特征研究

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(1.中国地质大学 工程学院，武汉 430074；2.黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000)

1 研究背景

巴东十字垭隧道在施工完成后仅仅投入运营2 a就发生了破坏[1]，造成了巨大损失。不仅是十字垭隧道，在我国西部的隧道工程中，有23座隧道不同程度穿过石膏质岩层[2]，其中19座隧道由于围岩渗水导致混凝土衬砌发生不同程度的腐蚀和破坏[3-4]。在隧道建设过程中，原岩体的应力状态发生改变，围岩次生裂隙的产生为地下水的渗透提供了通道。在降雨补给地下水的过程中岩石遭到侵蚀，干湿交替条件下岩石结构构造发生改变[5]，造成岩石劣化，往往会造成严重的工程问题。

岩石是一种典型的多孔介质材料，毛细作用下岩石的水分传输特性主要取决于其内部孔裂隙的数量、大小、张开程度及其连通性，同时也受其矿物成分、组成晶粒大小等因素的影响。岩石的毛细吸水过程不仅反映岩石介质内孔隙特征，也是岩石劣化的重要考虑因素，在干湿交替情况下，岩石劣化更为严重。

因此本次将对十字垭隧道石膏质岩进行毛细吸水试验，并比较研究干湿循环后吸水特性和孔隙特征的变化，为石膏质岩劣化研究提供依据。

2 岩样特征与矿物成分分析

试验所需石膏质岩均来自于巴东十字垭隧道，统一切割成尺寸约为Ø 50 mm×100 mm的标准圆柱试件。S1，S2，S3，S4岩样取自不同位置，S5-1，S5-2，S5-3分别为同一岩块经过0，5，10次干湿循环之后切割得到的标准试件，表1为石膏质岩试件的基本参数。

表1 石膏质岩试件的基本参数

X衍射试验半定量给出各试件的矿物成分及其含量。结果显示，巴东十字垭隧道石膏质岩所含矿物主要有石膏、白云石、沸石和石英，其中以石膏为主，含量大于90%，白云石含量为2%～5%，并含有微量的石英和沸石等其他矿物。

石膏质岩主要为细粒晶粒结构，水平层状构造，层理由石膏和白云石含量不同的小层平行排列表现出来。石膏主要为板状或片状，板状晶体一般长0.21 mm左右，宽0.1 mm左右，晶体无色透明，常有1组解理明显可见。

3 吸水实验方法

本次实验采用一维单面吸水方式，仅将试样一个底面浸入水面以下0.2 mm进行吸水，并用石蜡密封试样侧面，称取试样质量m1。吸水过程t时刻将试样取出，用吸水毛巾擦去岩样底表面多余水分，并将试样放在电子天平上并迅速记录读数m2，m2-m1便是试样在t时间内的累计吸水量。

这种实验方法虽简单易行，但无法实现实际环境下的连续吸水过程，且毛巾擦拭试样会造成一定的实验误差。

4 实验结果分析

4.1 石膏质岩吸水曲线和吸水过程函数

图1中的实线是试件S1，S2，S3，S4累计吸水量随吸水时间的变化曲线。本次实验各试件持续吸水22 d，22 d后试件基本达到毛细吸水稳定状态，最大累计吸水量为6.22 g，最小累计吸水量仅为1.26 g。孔隙率越大，对累计吸水量的贡献也就越大[6]，试件S1，S2，S3，S4的孔隙率约为毛细吸水率的5倍，呈近正比例关系，正比例系数与孔径大小分布以及孔隙结构特征等因素有关。

图1 试件S1，S2，S3，S4的吸水曲线与拟合曲线

用对数函数式(1)对石膏质岩持续22 d的吸水过程曲线进行近似拟合：

M=aln(t)+b, 0

(1)

拟合结果如图1中虚线所示，对数函数虽然可以近似说明吸水量、吸水速率的整体变化趋势，但不能准确表现出具体的变化过程。为了更准确地描述石膏质岩毛细吸水过程，将吸水曲线分段研究[7]，对前期快速吸水段和后期近恒速吸水段分别采用不同的过程函数进行描述。

快速吸水阶段采用二次函数方程式(2)进行拟合：

m=a1t2+b1t+c1, 0

(2)

式中：T为快速吸水阶段持续时间。

不同试件的快速吸水阶段持续时间T也不相同(见图2)，本次实验中，试件S1快速吸水时间约为24 h，试件S2和S4约为96 h，而试件S3最大，大概需要144 h。T的大小反映了孔隙有效性的相对强弱。T时间点之前试件吸水速率较大，且随着时间增加而逐渐减小，在T时间点之后吸水速率基本稳定。各试件的吸水量主要集中在T时间点之前，试件S1，S2，S3，S4在T时间点前的吸水量分别占累计吸水量的87.78%，92.02%，84.21%和81.21%。

图2 快速吸水阶段拟合曲线

恒速吸水阶段吸水速率近于0，吸水量略有增加，吸水至22 d的恒速吸水曲线可以用线性函数近似拟合。

为了更加全面细致地了解石膏质岩在各段时间内的毛细吸水过程，分别对4个石膏质岩试件在0.4和4 h内的吸水特征曲线进行近似拟合(图3)，同样建立起0.4和4 h内毛细吸水二次函数方程式，即

(3)

图3 0.4和4 h内吸水过程拟合曲线

表2列出各试件在0.4，4 h内和快速吸水阶段毛细吸水过程函数的拟合参数，拟合参数a反映的是吸水速率的变化快慢。通过比较a的大小可以看出，试件S1的吸水速率减少得较快，而试件S3的吸水速率减小得最慢，随着时间的增加，吸水速率减小得越来越慢。在T点之后，各试件吸水加速度几乎为0。

表2 吸水曲线拟合参数

4.2 干湿循环前后吸水曲线特征比较

在干湿交替过程中，岩石孔隙特征会发生一定的变化，孔隙特征的变化必然导致岩石吸水过程发生改变。在石膏质岩块经历0，5和10次干湿循环后，分别切割得到标准圆柱试件S5-1，S5-2和S5-3，每次干湿循环过程浸泡10 d，干燥7 d，分析比较干湿循环对石膏质岩毛细吸水过程的影响。

干湿循环后，岩石密度减小，循环次数越多，岩石密度越小，但颗粒密度几乎没有发生变化，孔隙率随着干湿循环次数的增多而增大。吸水曲线描述的是累计吸水22 d吸水量的变化过程，吸水率分别为0.2%，0.86%和2.1%。干湿循环前后试件吸水均可近似分为快速阶段和恒速阶段，但2个阶段的分界时间点T不同，S5-1快速吸水持续72 h，S5-2和S5-3的快速吸水时间变为7和5 h。这2个阶段均可满足二次函数式(2)和线性函数(图4)，前0.4 h内吸水曲线同样遵循二次函数式(3)(图5)，拟合结果见表3。

图4 干湿循环前后快速吸水段拟合曲线

图5 干湿循环前后0.4h内吸水拟合曲线

表3 干湿循环前后吸水过程拟合

干湿循环之后，岩石累计吸水量增加，循环次数越多，瞬时吸水量越大，累计吸水量也越大。在前0.4 h内，与试件S5-1和S5-2相比，试件S5-3吸水比例最大，约完成累计吸水量的25%。在接下来的3.6 h内，试件S5-2的吸水比例最大，约为54.08%。7 h以后，试件S5-3的吸水比例最大，约为54.76%。可见，干湿交替次数越多，前期吸水比例越大，吸水饱和速度越快，快速吸水时间也就越短。而在快速吸水阶段，循环次数越多，岩石平均吸水速率越大，且吸水速率减小越快。在7 h之后，干湿循环试件进入近恒速吸水阶段，而试件S5-1仍处于快速吸水阶段，吸水速率大于循环后试件。72 h后试件S5-1近恒速吸水，其平均吸水速率小于循环后试件，且循环次数越多，恒速吸水阶段平均吸水速率越大。

4.3 干湿循环前后石膏质岩孔隙特征

毛细吸水特性的变化在微观上主要由孔隙特征决定[8]。石膏质岩孔隙类型主要为粒间孔隙,含少量裂隙及溶孔。从经历0，5和10次干湿循环的试件S5-1，S5-2和S5-3上分别取样进行压汞实验，通过压汞曲线(图6)提取特征参数，比较干湿循环前后孔隙大小和孔隙分选性的变化。

图6 干湿循环前后毛管压力曲线

根据试件S1，S2，S3，S4和S5-1的压汞数据计算分析得到，十字垭隧道出露的石膏质岩孔隙率较低，平均最大连通孔径为2.85 μm，平均孔隙直径约为0.88μm，孔隙分选性较差。对于试件S5-1，最大连通孔隙为2 μm，平均孔隙直径为0.54 μm，大孔隙在孔隙中所占的比例较小，孔隙偏于细孔径。孔径大于1.0 μm的孔隙约占总孔隙体积的34%，分布在0.1～1.0 μm区间的约占62.3%，小于0.1 μm的孔隙约占3.8%。孔隙分选性较差[9]，分选系数约为2.9。

比较图6中压汞曲线并提取特征参数可知，干湿循环之后，石膏质岩孔隙率增大，5次循环后，最大连通孔隙直径增大到4.2 μm，平均孔隙直径增至1.6 μm，大孔隙比例显著增加，孔隙偏于粗孔隙。孔径大于1 μm的孔隙约占77%，分布在0.1～1.0 μm区间的约占22%，小于0.1 μm的孔隙仅有1%。分选系数为1.4，孔隙大小分布相对集中。10次干湿交替之后，最大连通孔隙直径增大到10.6 μm，平均孔隙半径为4.5 μm，大孔隙比例继续增加，孔隙偏向大孔隙更多。孔径大于1.0 μm孔隙约占89%，分布在0.1～1.0 μm区间的约占10.9%，小于0.1 μm的孔隙不足0.1%，孔隙分选性有所提高。

需要指出的是，由于本次实验压汞仪精度有限，石膏质岩中还可能有精度以外的微孔隙存在。

4.4 毛细吸水孔径区间近似确定

储层研究中认为可以满足液体自由流动的毛细管孔隙直径区间为0.000 2～0.5 μm，但是由于岩石类型、孔隙结构、流动液体等众多差异性的存在，实际吸水毛管孔隙范围并不相同，因此对有效孔隙下限的研究也比较多[10]。本次利用石膏质岩毛细吸水量和饱和毛细吸水量以及毛细管曲线近似确定石膏质岩毛细吸水孔径区间。

饱和吸水的体积可以近似认为是饱和吸水有效孔径下限r以上的所有孔隙体积之和，也可认为是压汞实验中大于r孔隙累计进汞量。由此可根据饱和吸水量以及压汞实验中累计进汞量与孔隙直径的关系确定有效孔径下限。假定自然毛细吸水孔径下限也是r，那么可用饱和吸水量与毛细吸水量之差近似表示有效孔隙上限R以上孔隙体积之和，同样利用饱和吸水量与毛细吸水量之差和压汞数据确定毛细吸水有效孔径上限R。表4为简单计算得到的有效孔径上、下限值，可以看出有效孔隙上限值和压汞曲线得到的最大连通孔径相差不大。

表4 有效孔隙直径区间值

5 结 论

(1) 石膏质岩毛细吸水特性和孔隙特征有直接的关系，岩石孔隙特征决定着其毛细吸水特性，而反复的吸水干燥过程也会引起岩石孔隙特征的变化。

(2) 十字垭隧道石膏质岩中石膏含量普遍大于90%，石膏质岩主要为细粒晶粒结构，水平层状构造。最大连通孔径为2.85 μm，平均孔隙直径的均值约0.88 μm，孔隙分选性差。

(3) 石膏质岩在0.4 h内、4 h内和快速吸水阶段吸水量与吸水时间均近似满足二次函数关系，二次函数的二次项系数绝对值近似表示吸水速率的变化快慢。

(4) 干湿循环后，石膏质岩孔隙率增加，前期吸水比例增大，快速吸水时间变短。微观角度上看，孔隙最大连通孔径和平均直径变大，孔隙偏于粗孔隙，孔隙分选性提高。

(5) 利用饱和吸水量、毛细吸水量和压汞数据可以近似得到毛细吸水孔径区间，但存在一定的实验误差。

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