粉砂質泥巖遇水損傷規律及化學改性研究

楊建林,王來貴,李喜林,趙國超,李　闖

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新　123000;2.遼寧工程技術大學力學與工程學院，阜新　123000;3.遼寧工程技術大學建筑工程學院，阜新　123000)

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粉砂質泥巖遇水損傷規律及化學改性研究

楊建林1, 2,王來貴2,李喜林3,趙國超2,李闖1

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新123000;2.遼寧工程技術大學力學與工程學院，阜新123000;3.遼寧工程技術大學建筑工程學院，阜新123000)

為了研究粉砂質泥巖遇水損傷規律和提高其耐崩解性，利用X射線衍射儀、傅里葉變換紅外光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡、潤濕角測量儀和電子萬能試驗機等，表征了試樣的成分、微觀形貌、潤濕角、單軸抗壓強度和膨脹率等特征。結果表明：改性前試樣表面裂紋的寬度隨浸水時間的增加而迅速增大，經過10分鐘崩解成碎屑，改性后試樣浸水2 d表面無明顯變化；改性后試樣的潤濕角由3.9°增為122.2°；經過改性，試樣的膨脹率明顯減小，大小僅為改性前的37%～44%；改性后泥巖的單軸抗壓強度增加了10%～65%。硅酸鹽粘土礦物遇水膨脹是粉砂質泥巖內部產生損傷的主要原因。有機硅改性劑與粉砂質泥巖發生縮聚反應，巖粒表面形成非極性的憎水膜，泥巖的憎水性增強；泥巖內部顆粒間的膠結程度改善，單軸抗壓強度明顯提高。

粉砂質泥巖； 力學性能； 損傷； 微觀機理； 改性

1　引　言

膨脹性軟巖中含有蒙脫石、伊利石等硅酸鹽礦物[1]。粉砂質泥巖是一種分布最廣的膨脹性軟巖，天然狀態下具有較高的力學強度，但遇水后體積迅速膨脹發生軟化，力學強度急劇降低，甚至發生崩解，嚴重影響了工程的穩定性[2]。工程中許多事故的發生與泥巖復雜的組成和力學性質密切相關，如崩塌、滑坡、頂板冒落、底板底鼓等[3,4]。中國每年約600 km軟巖圍巖進行開掘巷道，隨著深度的增加，地應力增加、用水量增多、地質環境不斷惡化，導致巷道作業困難、成本增高、安全難以保證等一系列困難[5]。因此，膨脹性軟巖巷道的支護成為困擾煤礦安全生產和建設的重大難題之一。

為了提高工程的穩定性，許多研究人員對泥巖進行了大量試驗和理論研究。Nyhuis等[6]對泥巖的薄片進行了觀測，研究了泥巖的巖相特征；劉長武等[7]分析泥巖遇水后力學性質的變化規律，結合泥巖的成分組成和微觀結構，提出了泥巖遇水軟化崩解的機理；呂勇剛等[8]利用CT研究泥巖遇水的崩解過程，指出最初的微小裂縫提供了水滲入泥巖的最初路徑，導致粘土礦物質的膨脹；黃宏偉等[9]研究了泥巖遇水時微觀結構的變化過程，分析了泥巖遇水軟化崩解的原因；寧建國等[10]研究了砂質泥巖頂板遇水后的狀態，發現泥巖顆粒體積小，顆粒之間點點接觸、孔隙小、膠結性差，遇水體積膨脹，易斷裂且巖層破斷后具有一定的阻水能力；劉鎮等[11]通過粉砂質泥巖飽水軟化試驗，提出了飽水過程中微觀結構演化的判據，定量描述了軟巖微觀結構與力學特性之間的關系；張建華等[12]研究了水在軟巖巷道變形中所起的作用；許廣等[13]研究了軟巖巷道圍巖變形破壞的全過程；汪亦顯等[14]研究了膨脹性軟巖與水相互作用過程中，由于水的腐蝕軟巖損傷力學劣化效應的時間相依性；郭福利等[15]研究了圍壓和飽水狀態對軟巖強度的影響規律，提出了兩者對強度的影響機制；柴肇云等[16]利用化學材料對泥巖進行改性處理，分析了泥巖改性前后物理力學性質的變化規律；王海龍等[17]研究了水泥含量和齡期不同時粉質粘土抗壓強度的變化規律；Mircea等[18]利用水泥對膨脹土進行改性，研究了無側限抗壓強度的變化規律。楊建林等[19]利用水泥對泥巖進行改性，研究了改性前后泥巖受壓過程中變形場的演化過程。目前，研究主要側重于遇水后泥巖微觀結構的變化，并對遇水泥巖的力學強度進行簡單分析。膨脹性泥巖遇水內部產生損傷，根據泥巖的成分和微觀結構特點通過改性改善內部結構，提高力學強度，從而提高泥巖工程的穩定性具有重要意義。

本文以粉砂質泥巖為例，研究遇水過程中的損傷規律，并通過化學改性方法改變泥巖的微觀結構，提高泥巖遇水的耐崩解性，從根本上提高泥巖工程的穩定性。地下工程中泥巖受到圍壓作用，裂隙閉合，采用水泥注漿很難對其進行加固，需采用流動性好的改性。采用有機硅加固劑作為改性材料，通過X射線衍射儀、傅里葉變換紅外光譜儀、激光共聚焦顯微鏡、掃描電鏡、潤濕角測量儀、電子萬能試驗機和膨脹率測試儀，表征了改性前后泥巖的成分、微觀形貌、潤濕角、單軸抗壓強度和膨脹率等物理力學性質變化規律，并從微觀上討論了粉砂質泥巖遇水損傷機理及改性機理。

2　試　驗

試驗中所用粉砂質泥巖取自內蒙古伊敏河礦區。粉砂質泥巖層一部分位于 15號煤層以上，厚度一般為 5～20 cm，巖性以粉砂質泥巖、粉砂巖為主；另一部分位于 16 號煤層底板以下，由粉砂質泥巖、粉砂巖、細砂巖組成，控制厚度 30 m，巖層水平層理發育。

2.1X射線衍射試驗

泥巖成分不均勻，為了使測量結果更加具有代表意義，選取質量為200 g的塊狀泥巖，用重錘敲碎后放入瑪瑙研缽研磨，研磨成粒度小于300目的細粉，利用四分法制備試驗樣品。通過島津X射線衍射儀(型號XRD-6 100)，對粉末狀樣品的成分進行測試，試驗中儀器參數為：Cu靶，光管加速電壓30 kV，管電流40 mA，石墨單色器，步長為0.02°，掃描速度為5°/min。

2.2泥巖浸水試驗

將粉砂質泥巖風干，挑選無宏觀裂紋的大塊泥巖，切成邊長為2 cm的正方體6塊。在培養皿底部邊緣，利用氧乙炔焰燒4個洞，將試樣放在培養皿內，分別標注為1號、2號、3號、4號、5號和6號試樣。將培養皿放入金屬網中，用4條棉線將金屬網連接到木棒上。為減少取出試樣時水的影響，燒杯中水的高度為2.5 cm，略高于試樣高度。試驗時，將金屬網和培養皿放入水中，2號、3號、4號、5號和6號試樣分別浸入水中等待3 s、6 s、9 s、12 s和15 s后將木棒升高，將試樣取出。取出過程中動作要輕，減少水對試樣的影響。泥巖經過浸水后強度很低，如果利用掃描電鏡觀察試樣表面形貌，需要對試樣進行干燥處理，處理過程中可能對試樣表面帶來新的損傷。因此，利用激光共聚焦顯微鏡OLS4000對試樣表面進行顯微觀察，試樣不需要進行干燥，但該儀器的最大放大倍數為2000倍且分辨率低于掃描電鏡。試樣在養護箱中經過48 h養護后，利用激光共聚焦顯微鏡觀察試樣的表面形貌。

2.3紅外光譜試驗

改性劑中基團的種類決定了改性的效果，利用日本島津傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR，型號IRPrestige-21)，測量聚硅烷有機硅的分子結構。利用瑪瑙研缽將0.2 g左右的KBr粉末進一步研磨成細粉，放入專用模具內，利用手動壓機壓成透明薄片，所用壓力為600 MPa。將薄片放入儀器樣品托，放入樣品腔測量周圍環境中空氣的背底。用棉簽在薄片表面涂一層改性劑，測量改性劑的紅外光譜。

2.4潤濕角測量

將大塊粉砂質泥巖切成邊長2 cm的正方體6塊，用5號金相砂紙將表面磨平。將試樣平均分成兩組，其中一組為改性前試樣；另一組試樣浸入有機硅加固劑，30 min后將試樣取出，在空氣中放置12 h，為改性后試樣。利用潤濕角測量儀(型號jgw-360)，測量試樣的潤濕角。在每塊試樣表面滴兩滴水，測量潤濕角，平均值為改性前后試樣的潤濕角。

2.5膨脹率測量試驗

將粉砂質泥巖制成φ50 mm×20 mm的圓柱形試樣。分成兩組，每組6個試樣。其中一組浸入有機硅加固劑，30 min后取出，在空氣中放置12 h，該組試樣作為改性后試樣。在樣品腔內側涂一層凡士林減少泥巖與樣品腔間的摩擦力，測試時試樣上下表面各放一張濾紙，在上表面放一塊φ50 mm×10 mm的透水石，將位移傳感器放于透水石表面中心。用燒杯將水沿著腔體側壁緩慢倒入樣品腔，當水面與上面透水石表面齊平時，根據樣品腔體的內徑、蒸餾水的密度可計算出高于透水石5 mm所需的蒸餾水的質量44.1 g，用電子天平事先將蒸餾水稱量好，等蒸餾水與透水石上表面齊平時將稱量的蒸餾水迅速倒入。

2.6單軸壓縮試驗

采用尺寸為φ50 mm×100 mm的標準試樣，控制試樣的尺寸誤差，小于±1 mm。試樣分為兩組，每組6個試樣，其中一組放入聚硅烷有機硅加固劑浸泡30 min后，在空氣中放置12 h，為改性后泥巖試件，另一組為改性前泥巖試件。利用YAW-2000電子萬能試驗機對試樣進行單軸壓縮試驗，采用位移控制加載過程，速率為0.008 mm/s。

2.7掃描電子顯微鏡試驗

在單軸壓縮試驗后的試樣表面取一小塊，其中一面為斷口，將與斷口相對的面用砂紙磨平，試樣厚度小于5 mm，打磨過程中不能碰到斷口。普通掃描電鏡試樣需要進行干燥處理，為了降低試樣干燥過程中水對泥巖內部結構的影響，在較低溫度下(室溫)對試樣進行干燥處理。用洗耳球將試樣吹干凈。將試樣放于陰涼處干燥3 d，然后將試樣放入手套箱的真空室內，抽真空12 h。將試樣放入噴碳儀，斷面朝上，進行噴碳處理。用導電膠將試樣粘到掃描電鏡樣品臺上，利用掃描電子顯微鏡(型號Shimadzu SUPERSCAN SS-550)觀察樣品表面顯微形貌。所用加速電壓為15 kV，探測器為二次電子探測器。

3　結果與討論

圖1　試樣的X射線衍射Fig.1　X-ray diffraction of sample

圖 1給出了試樣的XRD圖，利用Highscore軟件對數據進行分析計算，粉砂質泥巖的主要成分為云母32%、石英30%、蒙脫石15%、高嶺石12%、方解石11%，圖中U、Q、M、K和C分別代表云母、石英、蒙托石、高嶺石和方解石。

3.1泥巖表面形貌隨浸水時間的變化規律

圖2為粉砂質泥巖經不同浸水時間后表面的三維形貌，試驗過程見2.2。風干試樣的表面平整，無裂紋。圖 2(a)為浸水3 s后試樣表面的形貌，可以觀察到表面存在大量的小裂紋，裂紋的最大寬度處約為100 μm，但表面仍然比較平整。試樣浸泡6 s后，裂紋寬度增加，最寬處達420 μm，如圖 2(b)。試樣浸泡9 s后表面裂紋的最大寬處為900 μm，并且表面變得高低不平，如圖 2(c)。圖 2(d)為試樣浸水12 s后的表面形貌，裂紋寬度進一步增加，最寬處達到 1150 μm，表面變得更加高低不平。浸泡15 s后，試樣取出時破裂成多塊，無法測量裂紋寬度。

圖2　試樣在水中不同浸泡時間后表面三維形貌(a)浸水3秒(×100);(b)浸水6秒(×100);(c)浸水9秒 (×100)(d)浸水12秒(×100)Fig.2　Three dimension morphology of samples in water for different time

圖3給出了試樣表面裂紋的最大寬度W隨浸水時間T的變化規律。試樣在水中浸泡后，隨時間的增加，表面裂紋的寬度迅速增加，浸泡時間小于12 s時，可用拋物線曲線描述裂紋寬度與浸水時間之間的關系，相關系數為0.9764。本試驗表明，水使粉砂質泥巖內部的微觀結構發生改變。試樣內部不同區域的水所起作用不同。硅酸鹽粘土礦物的晶體結構為層狀結構，層間距較大，水分子容易進入層間，以結晶水形式存在，使硅酸鹽粘土礦物的晶格體積發生膨脹，導致試樣內產生次生孔隙[20]。粘土顆粒表面存在負電荷，水分子為極性分子，被粘粒表面吸引形成水膜，分子結合水和吸附水組成水膜，吸附水位于分子結合水外面，吸附水是水化膜的主要部分，厚度約為5～10 μm[21]。泥巖遇水后，粘土顆粒表面的水膜使泥巖體積膨脹，產生大量次生孔隙。重力水在孔隙間能夠自由流動，對硅酸鹽粘土礦物產生沖刷、運移、溶解、溶蝕作用，進一步增加了次生孔隙的尺寸和數量。

3.2改性前后粉砂質泥巖潤濕角的變化

有機硅加固劑的主要成分為聚有機硅氧烷。圖4為有機硅加固劑的紅外光譜。圖中存在多個吸收峰，其中：1095 cm-1處為Si-O-Si基團做對稱伸縮振動時產生的吸收峰；2966 cm-1處為甲基做伸縮振動時產生的吸收峰；1250 cm-1處為環氧基做伸縮振動時產生的吸收峰；966 cm-1峰為C=C-H基團的彎曲振動峰；794 cm-1峰為Si-CH3基團的彎曲振動峰。可見，有機硅改性材料中存在多種活性基團，粉砂質泥巖的礦物顆粒可能與改性材料發生化學反應，改善微觀結構。通過羥基-烷氧基或羥基-羥基反應，硅氧烷鏈的一端與泥巖顆粒的表面相連，另一端與鄰近的泥巖顆粒相連。烷氧基水解使相鄰顆粒間以硅氧烷鏈聯結在一起，使泥巖的強度增強。由于泥巖顆粒表面連接了一層非極性分子膜，水分子不能進入泥巖內部，使泥巖的憎水性增強，耐崩解性增加。

通過改性前、后試樣浸泡在水中經過不同時間的完整度表征崩解性，如圖5所示。改性前試樣在水中浸泡10 s后，表面一小部分崩解成細粉狀，分散在燒杯底部，圖5(a)所示；浸水600 s后試樣完全崩解，以碎屑狀堆積在燒杯底部，如圖5(b)所示。改性后試樣在水中浸泡10 s后，表面形貌無明顯變化，如圖5(c)所示；浸水2 d后形貌仍然無明顯變化，如圖5(d)。該試驗表明，改性劑使泥巖內部的微觀結構發生改變，泥巖的憎水性發生變化。

圖3　試樣表面的裂紋最大寬度W隨浸水時間T的變化規律Fig.3　Time of samples in water dependence of the maximum width of cracks in the surface of samples

圖4　有機硅基改性材料的紅外光譜Fig.4　FTIR spectra of organosilicon material

圖5　改性前后粉砂質泥巖試樣的崩解性(a) 改性前試樣浸水10 s;(b) 改性前試樣浸水600 s;(c)改性后試樣浸水10 s;(d) 改性后試樣浸水2 dFig.5　Degradation of modified and unmodified silty-mudstone samples

潤濕角的測量分兩組進行，試驗見2.4。改性前水滴在試樣表面鋪展，并且很快滲入內部，如圖6(a)；水滴在改性后試樣表面以近似球形存在，如圖6(b)。表1為改性前后粉砂質泥巖潤濕角的測量結果，潤濕角從改性前的3.9°增至122.2°。該試驗表明，經過改性粉砂質泥巖由親水性變為憎水性。

表1　改性前后試樣表面水的潤濕角

3.3泥巖的膨脹性

圖6　水滴在粉砂質泥巖試樣表面的形貌(a)改性前;(b)改性后Fig.6　Morphology of water drop on the surface of silty-mudstone samples

圖7　改性前后試樣的膨脹率Fig.7　Relationship between swelling ratio and time of modified and unmodified samples

圖7為粉砂質泥巖在水中膨脹率隨時間的變化規律。改性前和改性后試樣分別經過約7 h和12 h后達到膨脹穩定狀態。改性前試樣的穩定膨脹率在9.0%～9.6%范圍內，改性后試樣的穩定膨脹率在3.6%～3.9%范圍內，改性后試樣膨脹率為改性前試樣膨脹率的37%～44%。泥巖膨脹率減小的原因可能是改性劑使硅酸鹽粘土礦物表面的電荷性質發生改變，粘土表面包覆了一層非極性的膜，極性水分子不易吸附在巖粒周圍，并且不能浸入粘土礦物的晶格內部；另外，有機硅改性劑可能滲入巖粒間的孔隙，經過化學反應將部分孔隙填滿，減少了水分遷移的通道。文獻[16]報道的改性試樣的膨脹率顯著大于本文改性試樣的膨脹率。這可能由兩個原因造成的：一方面泥巖的成巖程度不同，本文中所用粉砂質泥巖的成巖較弱，巖粒間存在較多孔隙，膠結作用不強；另一方面，本文測量的是軸向膨脹率，徑向膨脹受到限制，而文獻[16]中測試了自由膨脹率，徑向膨脹未受限制。

表2　改性前后試樣的單軸抗壓強度

3.4改性對粉砂質泥巖力學強度的影響

表2給出了試樣的單軸抗壓強度，具體試驗過程見2.6。改性后試樣的平均抗壓強度為4.91 MPa，明顯大于改性前試樣的平均抗壓強度3.66 MPa。改性后試樣的抗壓強度均高于改性前試樣的抗壓強度，提高幅度在10%-65%范圍內，原因可能是改性劑進入試樣內部，改善了巖粒間的膠結狀態。

(a)改性前試樣(×1500)　(b)改性后試樣(×1500)圖8　改性前后試樣的微觀形貌Fig.8　Microstructure of modified and unmodified samples

3.5改性前后粉砂質泥巖的微觀結構

圖8為改性前后粉砂質泥巖的微觀形貌，放大倍數為1500倍。改性前泥巖存在大量片狀結構，片狀結構和顆粒間存在大量微孔隙，如圖8(a)。聯系XRD試驗結果，片狀物為粘土礦物。經過有機硅加固劑改性后，試樣組成礦物顆粒的尺寸減小，同時微孔隙的體積和數量明顯減小，如圖8(b)。試驗結果表明，改性后巖粒間的結合更加緊密。

4　遇水損傷的微觀機理

圖9為改性前后粉砂質泥巖遇水后產生損傷的微觀機理示意圖。試樣主要由膨脹性硅酸鹽粘土顆粒(主要為蒙脫石、高嶺石等)、非膨脹性硅酸鹽粘土顆粒和石英顆粒組成。顆粒之間存在粒間孔隙，片狀粘土顆粒間以聚集體方式存在，聚集體之間存在較大的孔隙，硅酸鹽粘土礦物顆粒將粉砂質泥巖中的多種巖粒膠結在一起，如圖9(a)。將改性前的試樣浸入水中，硅酸鹽粘土礦物的晶面間距較大，水分子可以進入晶胞內部，使硅酸鹽粘土的晶胞體積膨脹；另外，帶負電的膨脹性硅酸鹽粘土礦物顆粒表面能夠吸附極性水分子，形成的水膜使試樣體積顯著增加。試樣內部膨脹性粘土礦物分布不均勻，使試樣內部應力分布不均勻，發生不均勻膨脹[22]，試樣內部產生大量空洞，如圖9(b)，圖中不規則區域代表空洞，灰色區域代表膨脹性粘土礦物吸水后體積。隨著試樣浸水時間的增加，膨脹性粘土礦物吸附的水分增加，試樣內部空洞的數量和體積增加，在內部應力的作用下，近鄰的空洞相互連接導致宏觀裂隙的產生，裂隙的長度和寬度隨浸水時間的增加而增加。有機硅加固劑由多種活性化學基團組成，活性基團在硅酸鹽粘土礦物表面發生縮聚反應，反應式為：

(1)

反應式中R代表基團。巖粒表面被一層非極性的憎水膜包覆，近鄰粘土顆粒通過憎水膜相互連接，憎水膜的主鏈為Si-O鍵，如圖9(c)所示，圖中黑色短線代表連接近鄰顆粒的憎水膜。改性后試樣浸水后，由于憎水膜中的非極性基團R與極性水分子間的吸引力很弱，硅酸鹽粘土礦物表面不能吸附水分子，水分子更不能進入晶胞內部，因此泥巖由親水性變為憎水性，膨脹性粘土顆粒不會吸水膨脹，如圖9(d)。粉砂質泥巖內部存在較多原生孔隙和微裂隙，水可以沿著這些通道進入泥巖內部[8]，圖9(d)中黑點表示水。改性后試件的膨脹率仍較大，可能由于水滲入試件內部的孔隙或微裂隙，在孔隙或微裂隙周圍產生楔裂力，使粉砂質泥巖的體積發生膨脹[22]。

圖9　改性前后粉砂質泥巖遇水損傷機理(a)改性前試樣;(b)改性前試樣遇水;(c) 改性后試樣;(d) 改性后試樣遇水Fig.9　Micro-damage-mechanism of modified and unmodified silty-mudstone with water

5　結　論

本文對改性前后粉砂質泥巖的成分、微觀結構、憎水性以及力學性質進行了研究，并分析了改性前后粉砂質泥巖遇水后的微觀損傷機理。得出以下結論：

(1) 改性前試樣浸入水中后，裂紋寬度隨時間增加迅速增加，經過10 min后完全崩解；改性后試樣浸入水中2 d試樣沒有發生崩解。膨脹性粘土礦物遇水體積膨脹，試樣內部產生次生孔隙和微裂紋等損傷;

(2) 改性后試樣的水理性質發生明顯改變，由親水性變為憎水性。試樣的膨脹率明顯減小，大小僅為改性前的37%～44%;

(3) 改性后泥巖的單軸抗壓強度明顯增加，增加幅度在10%～65%之間;

(4) 經過有機硅加固劑改性后，巖粒表面形成一層非極性的憎水膜。有機硅加固劑還使巖粒的膠結性得到改善，試樣的力學強度得到提高。

[1] 羅忠,邵龍義,姚光華,等. 滇東黔西上二疊統含煤巖系泥巖粘土礦物組成及環境意義[J].古地理學報,2008,10(3):297-304.

[2] 何滿潮，景海河，孫曉明. 軟巖工程力學[M].北京：科學出版社，2002：21-24.

[3] 王來貴,趙娜,劉建軍,等. 巖石(土)類材料拉張破壞有限元法分析[M].北京:北京師范大學出版社,2011:1-4.

[4] 姚強嶺,李學華,瞿群迪,等. 泥巖頂板巷道遇水冒頂機理與支護對策分析[J].采礦與安全工程學報,2011,28(1):28-33.

[5] 郭志飚,胡永光,任愛武,等. 深部膨脹性軟巖巷道修復技術研究[J].采礦與安全工程學報,2006,23(3):316-319.

[6] Nyhuis C J,Rippen D,Denayer J.Facies characterization of organic-rich mudstones from the Chokier Formation (lower Namurian),south Belgium[J]. Geologica Belgica,2014,17(3-4):311-322.

[7] 劉長武,陸士良. 泥巖遇水崩解軟化機理的研究[J].巖土力學, 2000,21(1):28-31.

[8] 呂勇剛，陳濤. 水環境下泥巖崩解過程的CT 觀測與數值模擬研究[J].中國港灣建設,2015,35(5):24-27.

[9] 黃宏偉，車平. 泥巖遇水軟化微觀機制研究[J].同濟大學學報(自然科學版) ,2007,35(7):866-870.

[10] 寧建國,劉學生,譚云亮,等. 淺埋砂質泥巖頂板煤層保水開采評價方法研究[J].采礦與安全工程學報,2015,32(5):814-820.

[11] 劉鎮,周翠英,朱鳳賢,等. 軟巖飽水軟化過程微觀結構演化的臨界判據[J].巖土力學,2011,32(3):661-666.

[12] 張建華,翟錦,呂兆海. 富水軟巖巷道變形機理分析及控制技術研究[J].煤炭工程,2014,46(1):53-55.

[13] 許廣,唐又馳. 深部軟巖煤巷圍巖變形分析與控制技術研究[J].中國安全科學學報,2011,21(2):109-113.

[14] 汪亦顯,曹平,黃永恒,等. 水作用下軟巖軟化與損傷斷裂效應的時間相依性[J].四川大學學報(工程科學版),2010,42 (4):55-62.

[15] 郭福利,張頂立,蘇潔,等. 地下水和圍壓對軟巖力學性質影響的實驗研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(11):2324-2332.

[16] 柴肇云,郭衛衛,康天合,等. 有機硅材料改性泥巖物性變化規律研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(1):168-175.

[17] 王海龍,申向東. 水泥摻量對固化土早期結構形成的影響[J]. 硅酸鹽通報,2011,30(2):469-473.

[18] Mircea A,Irina L,Anghel S. Effects of EcO-cement (GGBS) on the expansive soil strength[J].JournalofCivilEngineeringandScience,2014,3(1):74-80.

[19] 楊建林,王來貴,張鵬,等. 水泥改性泥巖受壓破壞的變形場演化規律研究[J]. 硅酸鹽通報,2015,34(11):3271-3276.

[20] 譚羅榮. 關于粘土巖崩解、泥化機理的討論[J]. 巖土力學,2001,22(1):1-5.

[21] 朱效嘉. 軟巖的水理性質[J]. 礦業科學技術,1996,(3/4):46-50.

[22] 楊建林,王來貴,李喜林,等. 遇水-風干循環作用下泥巖斷裂的微觀機制研究[J]. 2014,33(增2):3606-3612.

Damage-law of Silty-mudstone in Water and Chemical Modification

YANGJian-lin1,2，WANGLai-gui2，LIXi-lin3，ZHAOGuo-chao2，LIChuang1

(1.College of Materials Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China；2.College of Mechanics and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China；3.College of Architecture and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

To improve the harmful properties of silty-mudstone in geotechnical engineering. By X-ray diffractometer, Fourier transform infrared spectrometer, scanning electron microscope(SEM), three-dimensional laser topography measurement instrument, swell test, contact angle measuring instrument and electronic universal testing machine, the silty-mudstone was characterized to research on the change rules of composition，surface topography, wetting angle, uniaxial compressive strength and swell rate, respectively. More attention was paid to the modification mechanism of organosilicon material. The results show that the width of cracks increase with the soaking times of samples，silty-mudstone can disintegrate in water after 10 min，but the samples that were modified by organosilicon material can not disintegrate after immering in water for 2 d. The contact angle of water on the surface of samples increases from 3.9° to 122.2° after modification. The expansion ration of samples decreases to 37%-44%. Uniaxial compressive strength increases by 10%-65%. Hydrophobic film forms through condensation polymerization active groups of organic silicon material in the surface of sample grains. The cementation condition between grains of silty-mudstone is enhanced by organosilicon material，the uniaxial compressive strength of mudstone is enhanced accordingly.

silty-mudstone；mechanical property；damage；micro-mechanism；modified property

國家自然科學基金資助(51404136，51274110，51304106，51274079)

楊建林(1980-)，男，講師，博士.主要從事復合材料及巖土力學方面的研究.

TU451;X936

A

1001-1625(2016)06-1883-08