李长明,宋丽莎,王立久†

(1.大连理工大学土木工程学院,116024,辽宁大连;2.水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室,大连理工大学材料工程研究中心,116024,辽宁大连;3.河南建筑职业技术学院,450064,郑州)

砒砂岩是一种发育不充分的特殊泥岩、泥沙岩,形成在古生代二叠纪、中生代三叠纪、侏罗纪和白垩纪,主要分布在黄河中游的内蒙古、山西和陕西3省(区)交界地区。该特殊泥岩、泥沙岩,给当地的生态环境造成了较恶劣的影响,学者形容其危害毒如砒霜,固称其为砒砂岩[1]。砒砂岩分布区气候干燥,植被稀疏,岩层风化严重,地形支离破碎,多沟壑、陡坡。全年降水较为集中,多在每年的6—9月[2],且多以暴雨形式降下,在降水和洪水冲蚀下,砒砂岩浸水膨胀崩解、溃散成沙,被水流挟裹进入河流中,淤积在河道中,抬升河床。

砒砂岩地区水土流失十分严重,是黄河中游地区发生剧烈侵蚀作用的中心,土壤侵蚀模数高达2万t/(km2·a)[3],部分地区土壤侵蚀模数高达3万～4万t/(km2·a)[4],是黄河中游黄土高原地区最集中的碎屑基岩产沙区。砒砂岩区的面积仅占黄土高原面积的2.6%,但其产沙量占到黄土高原地区输入黄河中上游泥沙量的30%[5-6]左右。砒砂岩是黄河中上游及其支流泥沙沉积物的主要来源[7-9],砒砂岩区是水土保持工作的重点地区。土壤侵蚀与水土流失给当地的农业发展和生态环境带来了灾难性的影响。砒砂岩也是黄河中上游及其支流泥沙沉积物的主要来源[7-8]。目前针对砒砂岩区水土流失的治理措施主要有种植沙棘(Hippophae rhamnoides)构筑沙棘柔性坝[10-11],修筑淤地坝淤积泥沙,拦蓄水源[12-13]等。这些工程措施中淤地坝拦沙蓄水效率最高[14-15];然而,砒砂岩区现有的淤地坝大多是直接使用砒砂岩碾压而成,坝体材料的强度和耐水性能不能满足工程要求,在降水过后往往因砒砂岩遇水溃散性而被洪水冲毁[16]。

可见,改善砒砂岩的抗蚀性,可将砒砂岩转变为一种筑坝材料利用起来,变害为宝,通过在沟壑或支流河流上筑坝,蓄水拦沙,将泥沙沉积在库区内减少输入黄河泥沙量,拦蓄的洪水可为植物生长提供水源,这对当地的水土流失治理及后期植被修复具有重要意义。笔者主要对砒砂岩的抗蚀性进行分析,应用光学显微镜、电子扫描电镜(SEM)、X射线衍射,研究砒砂岩的矿物组成及微观结构,搞清楚砒砂岩的岩石结构、岩性特征及化学组分,为砒砂岩溃散机制研究、砒砂岩改性研究、以及砒砂岩的开发利用与治理提供参考和建议。

1 砒砂岩基本物理性质

1.1 砒砂岩基本物理参数

从颜色上分,砒砂岩主要有灰黄、灰白、白色、紫红色等颜色,不同颜色的砒砂岩呈层状交叠分布,形同“五花肉”,砒砂岩区地貌如图1所示。本次试验主要选用具有代表性的白色和红色2种砒砂岩。试验砒砂岩采自内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗沙圪堵镇二老虎沟。自然状态下的砒砂岩成块状,但经自然风蚀和水蚀后破碎成块粒状。本次试验用的砒砂岩有块状的,也有散沙状的。块状砒砂岩制作成规则形状的立方体块体,进行力学性能测试。散沙状的砒砂岩,用来做颗粒分析实验。

图1 砒砂岩地区地貌Fig.1 Feature of Pisha sandstone area

1.1.1 耐水性试验 将砒砂岩块体浸泡在水中,观测砒砂岩在水中的变化情况,砒砂岩在水中变化过程如图2所示,可以看出:砒砂岩岩块放入水中后,立刻有气泡冒出,有少量的颗粒从岩块上散落;2 min后,有大量颗粒散落,岩块周围已落有厚厚一层,岩块依然能保持成一个整体;5 min后,有块状砒砂岩从岩块上剥落,岩块崩解开裂;10 min后岩块完全崩解溃散成散沙。可见,砒砂岩遇水后会迅速崩解溃散,整个历程只有10 min左右,这是在静水条件下测得的崩解溃散时间,若是在降水和水流冲蚀下,崩解溃散的过程会更短。可见,砒砂岩的抗蚀性很差,遇水崩解,在水流冲蚀下很快就会溃散成散沙,其表层生长的植被也往往会随着其崩解溃散而遭到破坏,砒砂岩地区的水土流失和植被损坏情况十分严重,生态环境较为恶劣。

1.1.2 基本物理性能指标 参照GB/T 50123—1999《土工试验方法标准》[17],对砒砂岩颗粒的基本物理性能进行测试。采用筛分法分析颗粒粒径分布,蜡封法测自然密度,比重瓶法测表观密度,重型击实法测最大干密度和最优含水率。砒砂岩自然密度、表观密度、颗粒不均匀系数、曲率系数、最优含水率及最大干密度测试结果见表1。

图2 砒砂岩水中溃散过程示意图Fig.2 Course of Pisha sandstone collapse in water

表1 砒砂岩物理性能指标Tab.1 Physical index of Pisha sandstone

砒砂岩颗粒粒径分布如图3所示。按水利部发布的行业标准SL 237—1999《土工试验规程》[18]对土的工程分类可知,白色砒砂岩可归类为级配不良砂(SP),红色砒砂岩归类为含细粒土砂(SF)。砒砂岩的击实曲线如图4所示,有较为明显的峰值点。白色砒砂岩的最优含水率wop=11.6%,最大干密度ρdmax=2.03 g/cm3;红色砒砂岩最优含水率wop=12%,最大干密度ρdmax=1.95 g/cm3。2种砒砂岩相差不大,较为接近。

图3 砒砂岩颗粒级配曲线图Fig.3 Grading curve of Pisha sandstone

1.1.3 砒砂岩力学性能 将取来的砒砂岩块体处理成近似150 mm×150 mm×150 mm的立方体试块,一组3个试块,在压力试验机上进行立方体抗压试验,砒砂岩立方体试块及受压破坏情况如图5所示。砒砂岩原岩成岩不充分,岩体结构疏松,岩体强度不高,白色砒砂岩立方体抗压强度在0.4～1.2 MPa之间,红色砒砂岩立方体抗压强度在0.9～2.8 MPa之间。砒砂岩块体强度较为离散,变化较大,这与选取的块体的成岩情况有关。红色砒砂岩岩块强度略高于白色砒砂岩;但砒砂岩块体泡水后,因胶结物质遇水反应溶解,岩体崩解,溃散成沙,强度丧失,试验中未能测出砒砂岩饱水抗压强度。

图4 砒砂岩击实试验曲线Fig.4 Compaction curve of Pisha sandstone

1.2 砒砂岩矿物组分

使用德国布鲁克(German Bruker)公司生产的型号为SRS3400,发射靶为Cu Kα的X射线荧光发射谱分析仪(XRF),对砒砂岩的氧化物成分进行分析,分析结果见表2。可以看出:砒砂岩主要氧化物成分为 SiO2、Al2O3、Fe2O3和 CaO,其中 SiO2的质量分数最大,在65%左右;其次是Al2O3,在14%左右;其余各氧化物成分质量分数都在10%以下。白色和红色砒砂岩氧化物成分没有差别,主要氧化物的质量分数也较为接近,差别较为明显的是Fe2O3和CaO的质量分数;其中Fe2O3质量分数的不同,是引起二者颜色上差异的主要原因。

图5 砒砂岩岩块Fig.5 Pisha sandstone block

表2 砒砂岩各氧化物质量分数Tab.2 Chemical composition(XRF)of Pisha sandstone(wt.) %

使用德国西门子(German Siemens)公司生产的型号为D500的X射线衍射光谱分析仪(XRD),对砒砂岩的矿物成分进行了分析,扫描范围从5°到80°(2θ),扫描速率为 2°/min,步长 0.02°,XRD 分析结果见图6,可见,砒砂岩矿物成分中,主要以石英、长石为主,石英的最强峰出现在26.6°(2θ)附近,长石的最强峰出现在27°(2θ)附近。另外还有赤铁矿和云母峰被检测出来,但峰强度较弱。除上述矿物成分之外,其他矿物分的峰并不明显,这是由于这些矿物结晶度较差,未形成结晶,在XRD图上难以表现出来。

图6 砒砂岩XRD分析图Fig.6 X-ray diffraction patterns of Pisha sandstone

2 砒砂岩微观形貌

使用光学显微镜,对砒砂岩块体进行观察,能够很直观地了解砒砂岩的细观结构、物质形貌、孔隙结构以及各类物质之间的结合方式。图7和8是砒砂岩放大20倍和50倍后的光学显微镜照片,可以看出,砒砂岩表面较为粗糙,结构疏松,结晶度较好的块状晶体和黏土类物质胶结在一起,并存在较多的孔隙。红色砒砂岩含黏土类泥砾物质较多,白色晶体掺杂在黏土类物质中,相较于白色砒砂岩,颗粒更为细小,类似粉砂质泥岩。白色砒砂岩黏土类物质较少,主要为结晶度较好的白色晶体物质,晶体颗粒较为粗大,类似石英粗砂岩。结合XRD分析可以判断,砒砂岩中的这些晶体颗粒为石英或长石颗粒。

使用扫描电镜(日本电子株式会社生产,JEOL JSM-6460LV型)对砒砂岩的微观结构进行观察,进一步分析砒砂岩微观结构及胶结物质形貌,并通过能谱分析(EDS)对化学成分进行分析。砒砂岩的SEM图如图9所示,砒砂岩微观形貌主要是呈絮状、片状或蜂窝状的凝胶物质,其微观结构主要呈块粒链接或絮状链接。

砒砂岩各化学元素质量分数见表3,化学组成元素的能谱分析(EDS)结果见图10。从图10可以看出,硅元素的波峰最大,其余出现较为明显波峰的元素有钙、铁和铝,另外还有钾元素和钠元素的波峰出现。从表3可以看出,2种颜色砒砂岩各元素质量分数差异不大,这与XRF测试结果较为一致。

图7 砒砂岩20倍光学显微镜图Fig.7 20×optical micrograph of Pisha sandstone

图8 砒砂岩50倍光学显微镜图Fig.8 50×optical micrograph of Pisha sandstone

图9 砒砂岩SEM图Fig.9 SEM micrograph of Pisha sandstone

表3 砒砂岩化学元素质量分数Tab.3 Composition of Pisha sandstone by SEM-EDS %

3 结论

1)砒砂岩颗粒粒径分布不均匀,红色和白色有较大差异,相较于白色砒砂岩,红色砒砂岩细小颗粒更多,可归类为含细粒土砂(SF),而白色砒砂岩则可归类为级配不良砂(SP)。白色砒砂岩的最优含水率wop=11.6%,最大干密度ρdmax=2.03 g/cm3;红色砒砂岩最优含水率 wop=12%,最大干密度ρdmax=1.95 g/cm3。二者相差不大,较为接近。红色砒砂岩岩块强度略高于白色砒砂岩,本次试验测得的红色砒砂岩立方体抗压强度在0.9～2.8 MPa之间,白色砒砂岩在0.4～1.2 MPa之间。

图10 砒砂岩化学元素能谱图Fig.10 EDSpatterns of Pisha sandstone

2)红色和白色砒砂岩的矿物成分及氧化物成分没有差异,主要矿物均为石英、长石,还有赤铁矿和云母。主要氧化物成分为 SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO,其中SiO2质量分数最大,为65%左右;其次是Al2O3,为14%左右;其余各氧化物成分都在10%以下。Fe2O3和CaO的质量分数略有差异。

3)红色砒砂岩含有较多的黏土类物质,孔隙较大,结构疏松,主要以黏土类胶结在一起;白色砒砂岩黏土类物质较少,主要是结晶度较好的石英、长石颗粒,主要是颗粒间咬合在一起,胶结物质较少。砒砂岩微观形貌主要是呈絮状、片状或蜂窝状的凝胶物质,其微观结构主要呈块粒链接或絮状链接。