摘 要：为深入认识黄土高原地区砒砂岩干燥时坚如磐石、遇水后溃散泥化的微观机理，对不同粒度砒砂岩原状试样进行三轴剪切试验和CT扫描，获取不同粒度砒砂岩的强度特征和微结构特征，并分析了砒砂岩孔径的分布特点。结果表明：砒砂岩试样的抗剪强度随粒度增大而降低，试样的峰值强度与固结围压存在良好的线性关系;由CT扫描得到的砒砂岩二维图像显示不同粒度试样的孔隙形态非常复杂;从三维重构模型的统计结果发现砒砂岩平均孔隙半径随砒砂岩粒径的增大而升高;砒砂岩的强度存在明显的粒度效应，砒砂岩粒度大小决定了内部孔隙的分布情况，进而引起强度的改变。

关键词：砒砂岩;粒度;孔隙;抗剪强度;三轴试验;CT扫描

中图分类号：TU43;S157.1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.014

Study on Triaxial Strength Characteristics and Microstructure of the Arsenic

Sandstone

LIU Yaping

（School of Architecture， Zhengzhou Shengda Economics and Management College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract：In order to further understand the microscopic mechanism of arsenic sandstone which is hard as rock in dry state and muddy in water， triaxial shear test and CT scan test were carried out for obtaining the strength characteristics and microstructure characteristics of arsenic sandstones in different grain grades. The results show that the strength of sandstone sample decreases with the increase of grain size in triaxial shear test. There is a good linear relationship between peak strength and consolidation confining pressure. The two-dimensional and three-dimensional reconstruction images of sandstone samples can be obtained by CT scanning. It is found that the porosity and average pore radius of sandstone increase with the increase of particle size. The strength of sandstone has obvious “particle size effect”. The smaller the particle size of arsenic sandstone， the smaller its porosity， and thus the higher the strength.

Key words： arsenic sandstone; particle size; pore; shear strength; triaxial shear tests; CT scanning

我国黄土高原北部地区分布的砒砂岩，是一种由厚层砂岩、页岩和泥质砂岩组成的互层状陆相碎屑岩系[1-3]，是由各种砂粒堆积、胶结在一起的风化沉积岩，其颗粒直径通常为0.062 5～2 mm [4-5]。砒砂岩由于成岩程度低、颗粒胶结强度弱、结构强度小，遇水后容易发生溃散和泥化现象，且易受风化剥蚀，因此造成严重的水土流失危害[6]。受长年物理风化的影响，砒砂岩内部孔隙非常发育，研究砒砂岩孔隙结构的分布对于分析砒砂岩强度特性和物理特性有重要意义，可以为深入了解其相关物理力学性质提供重要参考。目前，对于砒砂岩力学和微观结构，相关学者已开展了广泛研究，例如：李长明等[7]研究了砒砂岩的颗粒组成、结构几何特点和相关物理特征，并提出了砒砂岩的水蚀溃散机理;李明玉等[8]对砒砂岩的应力—应变关系进行了试验研究;陈溯航等[9]通过压汞试验研究了含水率与冻融循环效应对砒砂岩微观结构的影响;吴利杰等[10]采用显微摄像和图像分析技术对砒砂岩进行微结构特征分析，得到了抗压、抗拉强度与颗粒分维数的关系。

以往的研究成果侧重于砒砂岩的力学特性，对于利用新型微观测试手段研究其内部特性的研究还比较少见。近年来，随着图像分析技术和流体模拟方法的发展，研究岩石的多孔结构特点成为一个热点[11-12]。砒砂岩作为一种多孔介质，其渗透特性取决于内部的孔隙结构，其力学特性也与孔隙结构有密切关系。X射线计算机断层扫描技术（CT）作为一种无损检测技术已被广泛应用于许多领域的三维几何形状检测，非常适合岩石细观结构观测，可以在不損坏试件内部结构的前提下直接获得样品内部结构空间分布状况。因此，本研究通过三轴剪切试验和X射线计算机断层扫描（CT），获取砒砂岩的强度指标和孔隙结构状况，探讨不同粒径级别砒砂岩的抗剪强度和孔隙结构特点，旨在为深入认识黄土高原地区砒砂岩干燥时坚如磐石、遇水后溃散泥化的微观机理提供参考。

1 试验方法

1.1 试 样

试验材料为钙质砒砂岩，取自鄂尔多斯盆地北部杭锦旗砒砂岩裸露区地表。取样地位于黄土高原北部，为新华夏构造体系，地质构造较复杂，北东方向展布明显的褶皱断裂。区域内的砒砂岩不仅出露在沟谷中，而且大量分布于地表和坡面上，其岩性为砾岩、砂岩及泥岩，交错层理发育，颜色混杂。

采用探槽取样的方式进行取样，将砒砂岩裸露区的原状砒砂岩进行切块、包装并运输至实验室，按照试验要求加工成直径50 mm、高100 mm的标准圆柱体试样。根据颗粒级配分析进行岩样颗粒级别划分，其中：粗粒砒砂岩的中值粒径dm=2.21 mm，中粒砒砂岩的中值粒径dm=0.97 mm，细粒砒砂岩的中值粒径dm=0.46 mm。分别取粗粒、中粒和细粒砒砂岩试样进行物理力学试验，样品的表观图片见图1。

1.2 三轴剪切试验

利用应变控制式岩石三轴加载系统对试样进行剪切试验，围压设为5、10、15、20 MPa四级，剪切速率设为0.001 0 mm/min，得到开始加载至试样破坏的应力应变曲线。试验时，首先安装试样，再向压力腔内注水;然后施加固结围压，控制加压速率保持0.05 MPa/s直到围压值基本稳定;最后对砒砂岩试样施加轴向压力进行剪切，控制剪切过程中的轴向变形速率保持在0.01 mm/min。

1.3 CT扫描

使用高精度微米CT扫描仪进行微观结构观测，其电压和电流参数分别为140 kV和330 mA，扫描精度为0.03 mm。经过扫描，每个样本得到约800张横截面图像。CT扫描的方法和过程：将样品放置在载物台上慢速旋转，旋转过程中CT扫描仪发射的X射线穿透样品进行扫描，扫描的结果经过灰度值检测器过滤，利用图像采集装置得到二维断面图像。为了保证被测样本内部结构的精确量化，采用MATLAB图形处理工具箱对所有横截面图像进行预处理[13]。由于岩石颗粒和孔隙密度的差异很大，所以通过图像灰度阈值来区分固相和孔隙相[14]，本研究采用自动分割阈值方法，利用计算机自动对灰度值进行统计，从而将图像按照二值化进行区域分割。扫描图片的成像像素为2 048×2 048，对于直径为50 mm的柱状样，像素分辨率约为50 mm/2 048=24.4 μm，达到了亚微米级精度。

2 试验结果分析

2.1 试样的微观形貌

扫描电子显微镜（SEM）在放大200倍的情况下得到的3种粒度砒砂岩图像见图2，可以看出，砒砂岩表面棱角分明、节理清晰，微观结构主要呈颗粒状，随着颗粒粒径的减小，颗粒的密实程度有所提高，粗粒砒砂岩颗粒之间的孔隙清晰可见，中粒砒砂岩的孔隙规模明显减小，而细粒砒砂岩颗粒排列紧密、孔隙微小。

2.2 强度试验结果

常规三轴剪切试验所得3种粒度砒砂岩的应力—应变关系曲线见图3，可以看出，不同围压下样品的应力—应变关系曲线总体趋势相似，围压越大线性变形阶段的斜率越大，说明围压的增加提高了砒砂岩试样的刚度，而当围压超过15 MPa后，线性变形阶段的应力—应变关系曲线随围压增加的变化不再明显，表明当围压值大于15 MPa后，岩石内部的原生缺陷充分闭合。从峰值应力的分布情况可以看出，细粒和中粒砒砂岩的轴向变形量比较接近，但粗粒砒砂岩的轴向变形量相对于细粒和中粒试样明显偏小。总体上，当三轴剪切试验的固结围压相同时，砒砂岩试样的强度随粒度增大而降低;对于同一粒度砒砂岩试样，其抗剪强度随固结围压的上升而增加，见图4，不同砒砂岩试样三轴抗剪强度与固结围压的线性拟合相关系数（R）均达到或超过了0.98。

2.3 CT扫描结果

2.3.1 扫描图像

从CT扫描的结果中提取一系列二维图像，称为切片，切片存储所有平面上的X射线衰减系数。通常，将CT数作为灰度值记录在灰度图像中，利用MATLAB软件的图像处理功能对图像灰度进行分割。由于岩石组成的密度差异明显，因此孔隙和岩石颗粒可以通过各自的CT数识别：低CT数表示孔隙（黑色），高CT数表示高密度矿物（白色），见图5（A、B、C为试样编号，分别代表粗粒、中粒、细粒砒砂岩试样），可以看出孔隙的形状多为不规则多边形，具体形态非常复杂。

将岩样的二维扫描切片按顺序堆叠，组成三维模型，利用三维图像分析软件image J实现模型的重构。以中粒砒砂岩为例，重构结果如图6所示，可以看出砒砂岩内部的孔隙形状、尺寸各异，各孔隙相互之间的连通性不高，且孔隙分布具有较强的非均质性。孔隙的连通方向，客观上决定了其在剪切过程中内部的裂隙发育趋势。

2.3.2 孔隙分布特征

由每个孔隙包含像素的数量，求出每个孔隙面积、体积（以三维模型中孔隙的体积为依据区分微小孔隙和大中孔隙，样品中体积≥50 mm3的孔隙为大中孔隙，反之则为微小孔隙）及所有孔隙总面积占图像面积的百分比，结果统计见表1，可以看出，随着试样颗粒粒径的增大，孔隙所占百分比、大中孔隙数量和孔隙总体积明显增加，体现了颗粒粒径对样品孔隙分布的影响。

从孔隙统计结果可以得到图7所示样品孔径分布频率曲线（其中：纵坐标为孔隙分布的频率;横坐标为孔隙的等效半径，定义为孔隙等效为球体的半径），可以看出不同试样随孔隙尺寸增大，孔径的分布频率不同：试样C（细粒砒砂岩）孔径分布频率出现了单一峰值，峰值频率为46.5%，其对应的等效半径小于0.5 mm;试样B（中粒砒砂岩）孔径分布频率同样存在单峰，峰值频率为36.2%，对应的等效半径为0.78 mm;试样A（粗粒砒砂岩）孔径分布频率存在2个峰值，對应的等效半径分别为0.45、1.64 mm，表明相对于粒径较小的砒砂岩，粗粒试样中孔隙尺寸较大，大中孔隙所占的比例较高。造成这种现象的原因是粗粒砒砂岩内部的孔径分布范围更广，小孔隙的分布频率相对其他砒砂岩偏小，但是大孔隙的分布频率明显更高，即粗粒砒砂岩内部的小孔隙与大孔隙同时占据了较大的比例。

2.4 强度与微观结构的关系

从不同粒度砒砂岩的三轴剪切试验和CT扫描结果来看，砒砂岩抗剪强度与其粒度有明显的关系，粒度越大强度相对越低，这种粒度效应本质上是由不同粒度试样微观结构的差异引起的[15]。粗粒砒砂岩的内部孔隙含量最多，孔径分布频率存在2个峰值，说明内部孔隙的尺寸较大，且大中孔隙所占的比例较高，孔隙分布特点影响了在剪切过程中颗粒之间摩擦力的发挥，使得试样整体抵抗剪切的能力下降。在相同围压下砒砂岩粒度越小，其内部颗粒排列越紧密、颗粒间的孔隙越小，试样的强度就越高。

3 结 论

（1）砒砂岩的强度具有明显的粒度效应，即强度随粒度增大而降低，同一粒度砒砂岩的抗剪强度与固结围压存在良好的线性关系。

（2）应用X射线计算机断层扫描技术即CT扫描技术，获得了不同粒度砒砂岩孔隙的二维图像和三维孔隙模型，对扫描结果的统计发现砒砂岩平均等效孔隙半径随着颗粒粒径的增大而增加。

（3）砒砂岩强度存在粒度效应，原因是砒砂岩内部孔隙的规模随颗粒尺寸减小而降低，使砒砂岩致密程度提高，从而提高了其强度。

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【责任编辑 张智民】

收稿日期：2018-12-15

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41472115）

作者简介：刘亚萍（1984—），女，甘肃天水人，讲师，硕士，研究方向为建筑材料

E-mail：lang374@163.com