凍融干濕循環(huán)條件下壓砂礫石損傷過程

劉民安，董亞萍，李 晨，李王成,3,4，李于坤，馬己安，高海燕，郝 璐

凍融干濕循環(huán)條件下壓砂礫石損傷過程

劉民安1，董亞萍2，李 晨2，李王成2,3,4，李于坤2，馬己安2，高海燕2，郝 璐2

（1. 寧夏大學(xué)食品與葡萄酒學(xué)院，銀川 750021； 2. 寧夏大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，銀川 750021；3. 寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；4. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，銀川 750021）

為了解凍融干濕循環(huán)條件下壓砂礫石損傷過程，該研究模擬當(dāng)?shù)刈匀粴夂颦h(huán)境，探討壓砂礫石粒徑、鹽度及凍融干濕循環(huán)次數(shù)對壓砂礫石田間風(fēng)化的作用效果。測定壓砂礫石質(zhì)量損失量，采用掃描電鏡試驗(yàn)和X射線粉末衍射試驗(yàn)觀察壓砂礫石的微觀結(jié)構(gòu)及礦物組成的變化，初步分析了當(dāng)?shù)貕荷暗[石損傷機(jī)理。結(jié)果表明：1）小粒徑（2、10 mm）處理的壓砂礫石質(zhì)量損失量較大。壓砂礫石質(zhì)量損失量與粒徑負(fù)相關(guān)，累積質(zhì)量損失率與粒徑負(fù)相關(guān)，與凍融干濕循環(huán)次數(shù)正相關(guān)。壓砂礫石累積質(zhì)量損失率與凍融干濕循環(huán)次數(shù)為一次函數(shù)遞增關(guān)系（2≥0.928）。影響壓砂礫石質(zhì)量損失量因素為粒徑，影響礫石累積質(zhì)量損失率因素為凍融干濕循環(huán)次數(shù)、粒徑。2）粒徑為10 mm、鹽度為6 g/L處理時(shí)孔隙率增幅最大（16.78%）?？紫堵逝c粒徑負(fù)相關(guān)，與凍融干濕循環(huán)次數(shù)正相關(guān)，影響礫石孔隙率因素由大到小為粒徑、凍融干濕循環(huán)次數(shù)。3）壓砂礫石中主要有5種礦物，白云母和鈉長石質(zhì)量分?jǐn)?shù)與粒徑正相關(guān)，石英與粒徑負(fù)相關(guān)。粒徑是影響壓砂礫石石英、白云母和鈉長石含量主要因素。4）壓砂礫石損傷內(nèi)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特性、裂隙發(fā)育情況和親水性礦物含量；外因?yàn)閮鋈陲L(fēng)化、水巖作用及鹽分參與淋溶。研究結(jié)果可為壓砂地土壤健康發(fā)展與可持續(xù)利用提供依據(jù)。

風(fēng)化；礦物；淋溶；壓砂礫石；凍融干濕循環(huán)；掃描電鏡

0 引 言

壓砂地是將10～15 cm厚的卵石、砂礫石等覆蓋在土壤表面，以達(dá)到協(xié)調(diào)土壤水肥氣熱狀況目的的一種土地利用方式[1]，在寧夏推廣近百年[2]，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。壓砂地種植作物主要是硒砂瓜、枸杞、棗樹、甜瓜、歐李[3]。隨著壓砂地種植年限的不斷延長，受壓砂礫石（主要是灰綠板巖）風(fēng)化加劇及不合理耕作方式等的影響，壓砂地的肥力會不斷降低，生態(tài)功能會逐漸喪失。為此，學(xué)者們展開了與壓砂地相關(guān)的研究，這些研究主要集中在壓砂地水鹽運(yùn)移和土壤質(zhì)量等方面。研究表明，長期壓砂種植后土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土壤水分入滲過程受到影響[4]，壓砂地保水、保溫[5-6]、抑鹽[7-9]和降塵[10]的作用逐漸減弱，土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量和含量[11]明顯降低，土壤微生物環(huán)境[12]發(fā)生改變。然而，對于覆蓋在鹽堿土上的不同粒徑壓砂礫石田間風(fēng)化過程的研究較少。

巖石風(fēng)化顯著影響其周圍土壤[13]、水體[14]、植物[15]及氣候變化[16-17]情況。曾志雄等[18-20]研究表明，凍融干濕循環(huán)作用比單獨(dú)干濕循環(huán)作用、單獨(dú)凍融循環(huán)作用對巖土的破壞力更強(qiáng)。韓鐵林等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在三峽庫岸邊坡消落帶砂巖風(fēng)化過程中，凍融循環(huán)比干濕循環(huán)對砂巖破壞更強(qiáng)，此外，酸性化學(xué)溶液中SO42-溶液對砂巖的破壞力最強(qiáng)。在凍融干濕循環(huán)作用下，非飽和黃土微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，水分重新分布，并且黃土強(qiáng)度減弱[22]。千枚巖的物理力學(xué)特征指標(biāo)隨循環(huán)次數(shù)的增加逐漸弱化，并且在不同凍融循環(huán)或干濕循環(huán)處理中，極干-極濕循環(huán)處理對千枚巖的損傷最嚴(yán)重[23]。目前，在凍融干濕環(huán)境巖土風(fēng)化過程方面的研究取得了一定的成果，但針對寧夏中衛(wèi)地區(qū)壓砂礫石（灰綠板巖）在凍融干濕循環(huán)條件下?lián)p傷規(guī)律的研究較少。

寧夏當(dāng)?shù)佧}堿土上壓砂礫石常年遭受凍融干濕循環(huán)破壞，李王成等[24]僅對壓砂地礫石元素淋溶影響因素等進(jìn)行了探討，但其風(fēng)化過程及影響機(jī)理仍不明確，鹽堿環(huán)境對壓砂礫石風(fēng)化過程的影響作用還需要進(jìn)一步研究。研究壓砂礫石田間風(fēng)化過程及其影響因素對寧夏中衛(wèi)地區(qū)壓砂地產(chǎn)業(yè)健康及可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。為了解凍融干濕循環(huán)條件下壓砂礫石損傷過程，本研究模擬當(dāng)?shù)刈匀粴夂颦h(huán)境，探討壓砂礫石粒徑、鹽度及凍融干濕循環(huán)次數(shù)對壓砂礫石田間風(fēng)化的作用效果，以期為闡明壓砂礫石風(fēng)化過程對壓砂地的影響機(jī)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試壓砂礫石樣品均采自寧夏回族自治區(qū)中衛(wèi)市沙坡頭區(qū)香山鄉(xiāng)紅圈子村尹東大隊(duì)同一區(qū)域（36°56′24″N，105°13′44″E），地處于香山-大羅山變質(zhì)分區(qū)[25]。供試壓砂礫石是奧陶系灰綠-深灰色云母斜長綠泥石石英板巖，屬于變質(zhì)巖。壓砂礫石粒徑通常為10～30 mm，壓砂厚度為10～15 cm[26]。寧夏灌區(qū)耕地毛面積64.23萬hm2，鹽漬化面積占比39.72%，其中，輕、中、重級鹽漬化面積比例為2.1:1.42:1[27]。試驗(yàn)用水為NaCl溶液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和過程

試驗(yàn)采用室內(nèi)模擬方法，依據(jù)國際制砂粒分級標(biāo)準(zhǔn)（砂粒粒徑為0.02～2 mm）、當(dāng)?shù)爻Ｒ姼采暗[石粒徑（10～30 mm）和寧夏土壤鹽漬化等級劃分標(biāo)準(zhǔn)（輕度、中度、重度），設(shè)計(jì)A1～A4共4種礫石粒徑處理（直徑2、10、20、30 mm）和B1～B4共4種鹽分處理（NaCl鹽溶液濃度分別為0、3、6、10 g/L）的兩因素隨機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)，詳見表1。試驗(yàn)設(shè)置16個處理，每個處理重復(fù)3次，共計(jì)48次試驗(yàn)。

表1 兩因素隨機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)處理

清洗礫石并在自然光下晾曬，曬干后利用4個尼龍網(wǎng)篩（2、10、20、30 mm）篩分，隨后人工挑揀相應(yīng)粒徑壓砂礫石，保證粒徑均勻一致。另外，切割5 cm × 5 cm × 10 cm的壓砂礫石標(biāo)準(zhǔn)試件5塊。然后將礫石置于105℃的烘箱干燥24 h，置于干燥箱中備用。根據(jù)壓砂地的壓砂厚度（10～15 cm），采用壓砂厚度為12 mm，用萬特電子秤（量程3 000 g、精度0.01 g）稱量單桶質(zhì)量（1 000 ± 1）g，隨機(jī)選取干燥后的壓砂礫石，裝入1 L的塑料燒杯中。隨后將不同NaCl鹽溶液（0、3、6、10 g/L）倒入相應(yīng)處理的塑料燒杯中，保鮮膜封好，浸泡48 h，使得礫石達(dá)到飽水狀態(tài)。詳見圖1。

試驗(yàn)時(shí)，凍結(jié)溫度為（?20±2）℃，凍結(jié)時(shí)長17 h；融解溫度為（25±2）℃，融解時(shí)長為7 h；干濕溫度（30±2）℃，干燥時(shí)長22 h，泡水時(shí)長2 h，采用上海一恒鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9245A）和風(fēng)冷變頻冰箱（美菱）控制試驗(yàn)環(huán)境溫度，如圖2所示。一個凍融干濕循環(huán)過程作為一個大循環(huán)，一個循環(huán)48 h。凍融干濕循環(huán)次數(shù)為80次，試驗(yàn)時(shí)長160 d，基本單元為20次。

1.3 試驗(yàn)檢測項(xiàng)目與指標(biāo)計(jì)算方法

試驗(yàn)開始前，依據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程.SL-264-2001》[28]測定壓砂礫石（灰綠板巖）的含水率（%）、吸水率（%）。試驗(yàn)過程中，每進(jìn)行10次循環(huán)，通過烘干法稱量杯底壓砂礫石屑（粒徑＜0.15 mm），循環(huán)開始前（即循環(huán)次數(shù)為0）、循環(huán)20、80次時(shí)，依據(jù)ICAS檢測中心實(shí)驗(yàn)室推薦方法和GB/T30904-2014標(biāo)準(zhǔn)[29]，用掃描電鏡（德國蔡司公司Zeiss EVO18）和X射線粉末衍射儀（德國布魯克公司Bruker D8）測定表面形貌、微觀結(jié)構(gòu)及礦物組成。

壓砂礫石累積質(zhì)量損失率為：

W=|(M?0)/0|×100%（1）

式中W是第次壓砂礫石累積質(zhì)量損失率，%；M是第次凍融干濕循環(huán)處理后壓砂礫石總損失量，g；0是凍融干濕循環(huán)處理開始前壓砂礫石的質(zhì)量，g。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)由Excel、Origin2018軟件進(jìn)行圖形的輸出，MATLAB軟件進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)圖像二值化處理，Jade 6.0軟件處理X射線粉末衍射試驗(yàn)壓砂礫石衍射圖譜。采用Excel軟件進(jìn)行曲線擬合得出相應(yīng)變量函數(shù)關(guān)系，采用SPSS 25.0軟件進(jìn)行相關(guān)分析和逐步回歸分析明確自變量對因變量的主要影響因素。

2 結(jié)果與分析

2.1 天然狀態(tài)下壓砂礫石裂隙發(fā)育及礦物組成分析

2.1.1 不同粒徑壓砂礫石物理性質(zhì)分析

對比4種粒徑壓砂礫石的基本物理性質(zhì)發(fā)現(xiàn)（表2），壓砂礫石（除2 mm粒徑外）的天然含水率，自由吸水率，飽和吸水率值隨著礫石粒徑增大而減小，說明粒徑較大的礫石裂隙發(fā)育較差。此外，自由吸水率和飽和吸水率值均低于1.5%，說明壓砂礫石吸水性較差。壓砂礫石的飽水系數(shù)均小于0.91，說明壓砂礫石抗凍性較好，其中，20和30 mm壓砂礫石的飽水系數(shù)較大，說明二者大開型空隙比小開型空隙多；10 mm壓砂礫石的飽水系數(shù)較小，但其大開型和小開型空隙均是最大的。

表2 不同粒徑壓砂礫石基本物理性質(zhì)

注：Max、Min、SD分別為最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差。-，無數(shù)據(jù)。

Note: Max, Min and SD are maximum, minimum and standard deviation, respectively. -, no data.

2.1.2 不同粒徑壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)分析

為了解田間不同粒徑壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)，評價(jià)其裂隙發(fā)育情況，對4種粒徑（2、10、20、30 mm）進(jìn)行掃描電鏡檢測，鑒定壓砂礫石表面形貌、裂隙形態(tài)及大小和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等，結(jié)果見圖3。

圖3掃描電鏡結(jié)果顯示，自然狀態(tài)下壓砂礫石試樣表面形貌相對比較粗糙，呈現(xiàn)河流狀形貌，表面凹凸不平，具有板巖的明顯的板狀構(gòu)造。板理面由礦物定向排列而成，板理清晰，微裂隙與微裂縫發(fā)育，最大連通裂隙長度可達(dá)40m，部分微孔洞發(fā)育，孔洞分為槽形和多孔結(jié)構(gòu)，最大微孔洞直徑在30m左右。壓砂礫石碎屑大都呈不規(guī)則鱗片狀、長條狀，少數(shù)呈有棱角的塊狀、粒狀，顆粒輪廓分明，其大小、形貌差別較大，顆粒粒徑相對較小，粒徑在1～12m間變化。壓砂礫石礦物膠結(jié)方式有孔隙充填式和孔隙墊襯式，鱗片狀有的面面接觸成型，存在較小微孔隙，有的面線相連成形成凸起，粒狀和塊狀堆積成團(tuán)粒，分布松散，結(jié)構(gòu)稀松，存在較多的裂隙。壓砂礫石在田間經(jīng)歷風(fēng)化過程，不論礫石粒徑大小，其表面形貌都有一定的破壞，微裂隙、裂隙和微孔洞發(fā)育，膠結(jié)方式改變，膠結(jié)強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)不同程度破壞?？傮w上，粒徑越小破壞越明顯。

SEM圖像的大小是通過像素來表達(dá)的，圖像顏色的深淺是由灰度來表達(dá)，不同的灰度對應(yīng)不同的閾值。利用MATLAB對壓砂礫石掃描電鏡圖片（2 000倍）進(jìn)行圖像二值化處理后計(jì)算壓砂礫石孔隙率，結(jié)果見圖4。

從圖4可知，2和20 mm粒徑的壓砂礫石孔隙分布均勻。相比之下，10和30 mm壓砂礫石孔隙分布較集中。天然狀態(tài)下的壓砂礫石孔隙率隨著粒徑的增大而減小，函數(shù)擬合結(jié)果顯示兩者呈線性函數(shù)遞減關(guān)系。

2.1.3 不同粒徑壓砂礫石礦物組成分析

通過X射線粉末衍射試驗(yàn)測定壓砂礫石礦物組成。由表3可知，壓砂礫石主要礦物有石英、云母、斜長石、綠泥石、方解石，礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別44%、18%、18%、15%、4%。壓砂礫石的大硬度礦物有石英及斜長石，占比62%；小硬度礦物有云母、綠泥石及方解石，占比37%；不穩(wěn)定礦物有云母和斜長石，占比36%。從礦物石英的含量可知，壓砂礫石是堿性巖石（SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜52%）。此外，黏土礦物綠泥石（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%）是礫石呈現(xiàn)灰綠-深灰色顏色和遇水軟化的主要原因。

表3 壓砂礫石礦物組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石質(zhì)量變化分析

2.2.1 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石質(zhì)量變化

由表4可知，16個處理的壓砂礫石經(jīng)歷凍融干濕過程后其質(zhì)量均有一定程度的減少，在2.32～33.57 g之間。第40次循環(huán)前，2 mm壓砂礫石質(zhì)量損失量最大；40次循環(huán)后，10 mm壓砂礫石質(zhì)量損失量最大?？傮w上，小粒徑（2、10 mm）處理對壓砂礫石質(zhì)量損失量較大。這主要是因?yàn)樵陲査畻l件下的凍融干濕循環(huán)破壞過程中，小粒徑的壓砂礫石自身比表面積大、孔隙率較大、裂隙發(fā)育較高、風(fēng)化程度較高和與淋溶液和礫石間作用面積較大，礫石更容易在鹽分的參與下發(fā)生結(jié)構(gòu)的改變，從而導(dǎo)致了壓砂礫石碎屑的產(chǎn)生。

表4 不同粒徑及鹽度壓砂礫石的質(zhì)量損失量變化

2.2.2 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石累積質(zhì)量損失率分析

圖5表明在凍融干濕循環(huán)過程中，16種處理的壓砂礫石累積質(zhì)量損失率隨著凍融干濕循環(huán)次數(shù)增加而增大，10～20次凍融干濕循環(huán)時(shí)，壓砂礫石累積質(zhì)量損失率變化最大。16種處理的壓砂礫石第80次累積質(zhì)量損失率為A1B1（8.99%）、A1B2（11.26%）、A1B3（10.99%）、A1B4（10.27%）、A2B1（5.47%）、A2B2（8.35%）、A2B3（8.86%）、A2B4（9.52%）、A3B1（4.51%）、A3B2（5.49%）、A3B3（5.64%）、A3B4（5.84%）、A4B1（3.76%）、A4B2（4.33%）、A4B3（3.91%）、A4B4（4.63%）總體上，小粒徑（2、10 mm）處理的壓砂礫石累積質(zhì)量損失率較大。

通過對16種不同粒徑及鹽度處理與壓砂礫石累積質(zhì)量損失率進(jìn)行函數(shù)擬合（見表5），結(jié)果發(fā)現(xiàn)壓砂礫石累積質(zhì)量損失率與不同粒徑及鹽度處理呈一次函數(shù)遞增關(guān)系，且擬合度較高（2≥0.928）。

表5 凍融干濕循環(huán)次數(shù)與壓砂礫石累積質(zhì)量損失率函數(shù)關(guān)系

注：：壓砂礫石累積質(zhì)量損失率，%；：凍融干濕循環(huán)次數(shù)；**：<0.01；*：<0.05。

Note:: cumulative mass loss rate of gravel-sand, %;: freeze-thaw-dry-wet cycle times. **：<0.01；*：<0.05。

2.2.3 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石質(zhì)量損失量、累積質(zhì)量損失率影響因素分析

對粒徑、鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)與壓砂礫石質(zhì)量損失量、累積質(zhì)量損失率進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果見表6。

表6 粒徑、鹽度、循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量損失量、累積質(zhì)量損失率相關(guān)系數(shù)

注：樣本數(shù)128個。

Note: The sample size is 128.

經(jīng)過皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)（表6），發(fā)現(xiàn)壓砂礫石質(zhì)量損失量與粒徑顯著中度負(fù)相關(guān)（0.4<|=|?0.55|<0.6，<0.01），與鹽度和凍融干濕循環(huán)次數(shù)無相關(guān)關(guān)系。壓砂礫石累積質(zhì)量損失率與粒徑顯著強(qiáng)負(fù)相關(guān)（0.6<|?0.61|<0.8，<0.01），與鹽度無相關(guān)關(guān)系，與凍融干濕循環(huán)次數(shù)顯著強(qiáng)正相關(guān)（0.6<0.69<0.8，<0.01），與質(zhì)量損失量顯著弱正相關(guān)（0.2<0.37<0.4，<0.01）。逐步回歸方程（表7）表明，本試驗(yàn)條件下，影響壓砂礫石質(zhì)量損失量因素為粒徑，影響壓砂礫石累積質(zhì)量損失率因素為凍融干濕循環(huán)次數(shù)、粒徑。

表7 粒徑、鹽度、循環(huán)次數(shù)與質(zhì)量逐步回歸分析

2.3 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石劣化模式掃描電鏡分析

2.3.1 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石表面形貌分析

圖6分別顯示了凍融干濕循環(huán)20、80次時(shí)12種組合處理的壓砂礫石宏觀表面形貌變化情況。由圖可知壓砂礫石掃描電鏡（500倍）結(jié)果顯示，12種處理組合對壓砂礫石表面形貌都有一定的破壞作用，其微裂隙、裂隙和微孔洞進(jìn)一步發(fā)育，膠結(jié)作用降低，結(jié)構(gòu)遭受不同程度的破壞。同一凍融干濕循環(huán)次數(shù)，同一鹽分處理?xiàng)l件下，壓砂礫石的基巖破壞程度、表面粗糙程度、微裂隙數(shù)量大小、裂隙數(shù)量大小、微孔洞數(shù)量大小及巖屑含量隨著壓砂礫石粒徑增大而減小，而顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度隨著壓砂礫石粒徑增大而增大。相同凍融干濕循環(huán)次數(shù)，同一粒徑水平條件下，壓砂礫石的基巖破壞程度、表面粗糙程度、微裂隙數(shù)量大小、裂隙數(shù)量大小、微孔洞數(shù)量大小及巖屑含量隨著淋溶液鹽分的增大而增大，而顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度隨著淋溶液鹽度增大而減小。80次凍融干濕循環(huán)處理壓砂礫石表面形貌破壞程度大于20次凍融干濕循環(huán)時(shí)，具體表現(xiàn)為基巖破壞面積各大、破壞深度更深，表面形貌更粗糙及平整度下降，巖屑從小粒徑少量分散分布到大粒徑巖屑從基巖上剝離，巖屑數(shù)量增加，裂紋邊界逐漸平滑。微裂隙、裂隙及微孔洞數(shù)量增多，顆粒結(jié)構(gòu)從相對密實(shí)狀態(tài)逐漸變得趨于松散，顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度降低。綜上所述，壓砂礫石表面形貌破壞程度隨粒徑增大而減小，隨鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)增大而增大。

2.3.2不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)分析

選取20、80次的2、10、30 mm壓砂礫石選定區(qū)域進(jìn)行鎢絲燈掃描電鏡微觀結(jié)構(gòu)分析，圖7為20和80次凍融干濕循環(huán)后12個處理的壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)掃描電鏡結(jié)果。12種處理組合對壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)均有一定的破壞作用，尤其是沿板理或板理劈理面更容易遭受破壞并剝落。壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)破壞程度（基巖破壞程度、表面破碎程度、微裂隙數(shù)量大小、裂隙數(shù)量大小、微孔洞數(shù)量大小及巖屑含量大?。┡c粒徑呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。80次凍融干濕循環(huán)后的壓砂礫石微觀結(jié)構(gòu)較20次凍融干濕循環(huán)時(shí)更為松散，破碎面積及深度更大，孔隙發(fā)育更明顯，裂紋輪廓更圓潤，顆粒間膠結(jié)強(qiáng)度更低，巖屑數(shù)量更多，巖屑更小更薄。此外，80次凍融干濕循環(huán)后巖屑出現(xiàn)熔融狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)氯化鈉結(jié)晶，說明發(fā)生了鹽風(fēng)化，此現(xiàn)象在小粒徑大鹽度處理的壓砂礫石樣品中更為明顯。這是因?yàn)閴荷暗[石經(jīng)歷凍融干濕循環(huán)破壞時(shí)壓砂礫石裂隙發(fā)育，小粒徑的比表面積更大利于鹽分累積。

2.3.3 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石孔隙率及其影響因素分析

為進(jìn)一步描述凍融干濕循環(huán)條件下壓砂礫石孔隙發(fā)育情況，利用MATLAB對壓砂礫石掃描電鏡圖片（2 000倍）進(jìn)行二值處理后計(jì)算壓砂礫石孔隙率得到圖8。

圖8表明，壓砂礫石孔隙率在80次凍融干濕循環(huán)時(shí)比20次凍融干濕循環(huán)時(shí)更大，其中，A1B4、A2B2、A2B3、A2B4、A4B2、A4B3處理孔隙率變化較大，分別增大了12.88%、11.57%、16.78%、15.95%、14.64%、14.91%。20次循環(huán)時(shí)，不同鹽度處理的2 mm壓砂礫石孔隙率均大于30%，10 mm壓砂礫石孔隙率均>29%，30 mm壓砂礫石孔隙率均>23%。80次循環(huán)時(shí)，不同鹽度處理的2 mm壓砂礫石孔隙率均>33%，10 mm壓砂礫石孔隙率均>40%，30 mm壓砂礫石孔隙率均>30%。比較而言，10 mm壓砂礫石處理，孔隙率增幅最大。

對粒徑（1，mm）、鹽度（2，g/L）、凍融干濕循環(huán)次數(shù)（）與孔隙率（，%）進(jìn)行皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果見表8。壓砂礫石孔隙率與粒徑顯著中度負(fù)相關(guān)（=?0.48，<0.01），與鹽度無相關(guān)關(guān)系，與凍融干濕循環(huán)次數(shù)顯著強(qiáng)正相關(guān)（= 0.69，<0.01）。逐步回歸方程表明，本試驗(yàn)條件下，影響壓砂礫石孔隙率因素由大到小為粒徑、凍融干濕循環(huán)次數(shù)。

=0.316+0.0023?0.0031(2=0.84,<0.01) （2）

表8 粒徑、鹽度、循環(huán)次數(shù)與孔隙率相關(guān)系數(shù)

注：樣本數(shù)24個。下同。

Note: Sample size is 24. Same below.

2.4 不同粒徑及鹽度水平下壓砂礫石礦物組成變化規(guī)律

為進(jìn)一步了解凍融干濕循環(huán)處理?xiàng)l件下不同粒徑及鹽度處理的壓砂礫石礦物組成及含量，利用Jade6.0軟件進(jìn)行物相分析并統(tǒng)計(jì)壓砂礫石礦物組成及含量，結(jié)果見圖9。

圖9顯示了凍融干濕循環(huán)20、80次時(shí)，12種組合處理的壓砂礫石X射線衍射試驗(yàn)譜圖定性及定量處理結(jié)果。由圖可知，不同處理組合的壓砂礫石中礦物種類以石英、鈉長石及白云母為主，還有綠泥石和方解石。結(jié)合表9粒徑、鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)及各個礦物含量的皮爾遜相關(guān)分析結(jié)果表明，石英含量與粒徑呈現(xiàn)顯著強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系（=?0.64，<0.01），與鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)無相關(guān)關(guān)系。白云母含量與粒徑呈現(xiàn)顯著中度正相關(guān)關(guān)系（0.4<=0.47<0.6，<0.05），與鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)無相關(guān)關(guān)系。鈉長石含量與粒徑呈現(xiàn)顯著中度正相關(guān)關(guān)系（0.4<=0.45<0.6，<0.05），與鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)無相關(guān)關(guān)系。綠泥石、方解石含量與粒徑、鹽度和凍融干濕循環(huán)次數(shù)無相關(guān)關(guān)系。根據(jù)表10礦物的逐步回歸方程可知，本試驗(yàn)條件下，影響壓砂礫石石英、白云母和鈉長石含量的因素為粒徑，其余礦物無顯著影響因素。

表9 粒徑、鹽度、循環(huán)次數(shù)與礦物含量相關(guān)系數(shù)

表10 粒徑與礦物含量逐步回歸分析

2.5 壓砂礫石損傷機(jī)理

從氣象及環(huán)境條件角度分析（圖10），研究區(qū)的壓砂礫石在春、冬季節(jié)發(fā)生凍融循環(huán)破壞，夏、秋季節(jié)經(jīng)歷干濕循環(huán)作用，處于輕度鹽漬化土壤表面（含鹽量1.5 g/kg左右）。這為壓砂礫石田間風(fēng)化提供環(huán)境條件，并且研究區(qū)壓砂地覆蓋材料灰綠板巖取自香山?jīng)_積扇區(qū)域，壓砂礫石是板巖經(jīng)歷自然風(fēng)化過程而形成，自身存在裂隙發(fā)育。

從巖性角度分析，自然狀態(tài)下，田間不同粒徑的壓砂礫石裂隙發(fā)育有差異。隨粒徑增大，裂隙發(fā)育程度隨粒徑增大而減小，孔隙率和粒徑呈線性函數(shù)遞減關(guān)系。壓砂礫石表面形貌相對比較粗糙，板狀構(gòu)造，礦物晶體多呈不規(guī)則鱗片狀，礦物膠結(jié)方式有孔隙充填式和孔隙墊襯式，礦物組成是石英、白云母、斜長石、綠泥石、方解石。綜上所述，壓砂礫石為微風(fēng)化，強(qiáng)度較弱，抗風(fēng)化能力較弱。

從鹽分參與的凍融干濕循環(huán)過程角度分析，在試驗(yàn)前壓砂礫石經(jīng)歷48 h不同鹽度水平溶液飽水處理時(shí)，鹽溶液濕潤壓砂礫石表面后滲入礫石內(nèi)部的微裂隙、裂縫及微孔洞。此時(shí)，鹽溶液與壓砂礫石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得壓砂礫石裂隙進(jìn)一步發(fā)育；并且生成黏土礦物，從而破壞礫石內(nèi)部膠結(jié)狀態(tài)等。試驗(yàn)過程中，壓砂礫石首先經(jīng)歷凍融過程，凍結(jié)時(shí)，壓砂礫石內(nèi)部裂隙中鹽溶液因低溫作用而凍結(jié)，產(chǎn)生冰晶，冰晶不斷增多導(dǎo)致礫石內(nèi)部裂隙漲大，裂隙不斷發(fā)育；融解時(shí)，由于溫度上升，礫石內(nèi)部冰晶融化，冰晶由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)和少部分氣態(tài)。隨后，壓砂礫石進(jìn)行干濕處理，干燥時(shí)，壓砂礫石內(nèi)部鹽溶液隨著溫度上升而蒸發(fā)，蒸發(fā)后留下鹽晶體，礫石溫度逐漸上升，發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象；浸泡時(shí)，發(fā)生熱膨脹的壓砂礫石經(jīng)較低鹽溶液淋洗并浸泡，溫差作用進(jìn)一步加快壓砂礫石裂隙發(fā)育匯集。凍融干濕循環(huán)過程中，壓砂礫石中的親水性黏土礦物綠泥石和云母吸水膨脹，體積變大，促進(jìn)礫石內(nèi)部孔隙、裂隙逐漸發(fā)育、匯集；同時(shí)，礦物顆粒逐漸軟化、分解，礫石微觀結(jié)構(gòu)逐漸趨于松散。此外，綠泥石、白云母等礦物的定向排列，在壓砂礫石內(nèi)部形成非常明顯的層理、片理、裂縫等軟弱結(jié)構(gòu)面，在這些結(jié)構(gòu)面附近，礦物顆粒間的粘結(jié)力很小，強(qiáng)度很低，導(dǎo)致壓砂礫石遇水軟化。同時(shí)，鹽溶液與壓砂礫石發(fā)生與飽水48 h時(shí)同樣的化學(xué)反應(yīng)，此處不再贅述。本試驗(yàn)條件下，壓砂礫石內(nèi)部裂隙中鹽溶液不斷經(jīng)歷著三相轉(zhuǎn)變，并且鹽分參與促進(jìn)水巖相互作用，最終壓砂礫石結(jié)構(gòu)被破壞，礦物組成改變，膠結(jié)作用減弱，壓砂礫石強(qiáng)度減低，宏觀上表現(xiàn)為壓砂礫石破碎成更小粒徑碎石或巖屑。

壓砂礫石凍融干濕循環(huán)破壞的主要內(nèi)因是其結(jié)構(gòu)特性、裂隙發(fā)育情況和親水性礦物含量；主要外因是氣象條件引起的凍融風(fēng)化和水巖作用及礫石所處土壤鹽分參與淋溶過程。

3 結(jié) 論

本研究針對寧夏中衛(wèi)香山地區(qū)壓砂礫石風(fēng)化問題，以當(dāng)?shù)刂饕獕荷暗[石（灰綠板巖）為研究對象，在了解當(dāng)?shù)貕荷暗[石裂隙發(fā)育情況的基礎(chǔ)上，通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，設(shè)置了4種粒徑和4種鹽分濃度的兩因素隨機(jī)試驗(yàn)，研究本試驗(yàn)條件下，壓砂礫石質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)和礦物組成的變化規(guī)律，主要得到以下結(jié)論：

1）小粒徑（2、10 mm）處理的壓砂礫石質(zhì)量損失量較大。壓砂礫石質(zhì)量損失量與粒徑負(fù)相關(guān)，累積質(zhì)量損失率與粒徑負(fù)相關(guān)，與凍融干濕循環(huán)次數(shù)正相關(guān)。壓砂礫石累積質(zhì)量損失率與凍融干濕循環(huán)次數(shù)為線性函數(shù)遞增關(guān)系（2≥0.928）。影響壓砂礫石質(zhì)量損失量因素為粒徑，影響礫石累積質(zhì)量損失率因素為凍融干濕循環(huán)次數(shù)、粒徑。

2）壓砂礫石表面形貌與微觀結(jié)構(gòu)破壞程度隨著粒徑增大而減小，隨著鹽度、凍融干濕循環(huán)次數(shù)增大而增大；第80次凍融干濕循環(huán)后巖屑出現(xiàn)熔融狀態(tài)，并發(fā)現(xiàn)氯化鈉結(jié)晶。壓砂礫石孔隙率與粒徑負(fù)相關(guān)，與凍融干濕循環(huán)次數(shù)正相關(guān)。10 mm壓砂礫石的處理，孔隙率增幅最大，影響礫石孔隙率因素由大到小為粒徑、凍融干濕循環(huán)次數(shù)。

3）白云母和鈉長石含量與粒徑正相關(guān)，石英與粒徑負(fù)相關(guān)。粒徑是影響壓砂礫石石英含量、白云母含量和鈉長石含量的主要因素。

本試驗(yàn)過程中，采用2、10、20、30 mm粒徑的壓砂礫石為研究對象，未涉及小于2 mm以下粒徑水平，但在試驗(yàn)過程中各個粒徑壓砂礫石部分質(zhì)量以巖屑的形式淋失，作為土壤的補(bǔ)充源，因此小于2 mm粒徑水平下壓砂礫石風(fēng)化過程可進(jìn)一步研究。凍融干濕循環(huán)次數(shù)對壓砂礫石損傷及淋溶有重要影響，考慮到本試驗(yàn)可行性，采用凍融干濕循環(huán)次數(shù)為80次，時(shí)間序列較短，建議今后試驗(yàn)延長循環(huán)次數(shù)。壓砂礫石所處土壤中分布著植物根系，土壤微生物、小型動物的活動及腐植酸對巖石的分解都可以改變巖石風(fēng)化過程。因此，有必要研究植物、微生物生命活動對壓砂礫石理化特性的影響。

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Damage process of gravel-sand under freeze-thaw-dry-wet cycle

Liu Min’an1, Dong Yaping2, Li Chen2, Li Wangcheng2,3,4, Li Yukun2, Ma Ji’an2, Gao Haiyan2, Hao Lu2

(1.,,750021,; 2.,,750021,; 3.,750021,; 4.,750021,)

It is of great significant to study the weathering process of gravel-sand and its influential factors in Ningxia. The gravels are important for crop production such as watermelon because the sandy fields covered with gravels can prevent evaporation and keep soil moisture. However, the weather process of the gravels on the sandy fields is little understood. This study aimed to clarify the damage process of gravel-sand under the conditions of freeze-thaw-dry-wet cycle. The gravels were sampled from sandy fields (gray-green slate)in Xiangshan area of Zhongwei, Ningxia of China (36°56′24″N,105°13′44″E). An indoor simulation experiment was carried out. According to the international soil classification standard and local gravel-sand particle sizes distributions, four levels of gravel sizes (2, 10, 20 and 30 mm) were designed. Based on the soil salinization classification standard in Ningxia, four salinity treatments were considered. The concentration of NaCl were 0, 3, 6 and 10 g/L, respectively, used for simulation of salinization of no, light, moderate, severe levels. A total of 16 treatments including four particle sizes and four salinity levels were designed. Each treatment replicated three times. Each freeze-thaw-dry-wet cycle started from freezing at ?20 °C for 17 hours, increasing temperature to 25 °C for seven hours, drying at 30 °C in a dry oven for 22 hours and then soaking for two hours. Before starting the test, the water content and water absorption of the gravel-sand were measured. During the freeze-thaw-dry-wet cycles, the mass loss (particle size <0.15 mm) of the gravel-sand was measured every 10 cycles. When the cycles were 0, 20, and 80, the microstructure and mineral composition of gravel-sand were determined by a scanning electron microscopy and a X-ray powder diffraction instrument, respectively. The effects of particle size, salinity and the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles on the weathering of gravel-sand were explored. The results showed that the mass loss of gravel-sand with small particle size (2 and 10 mm) was higher relatively. The mass loss and the cumulative mass loss rate of gravel-sand were negatively correlated with particle size, and the cumulative mass loss rate of gravel-sand was positively correlated with the number of freeze-thaw-dry-wet cycle. In general, the relationship between the cumulative mass loss rate of gravel-sand and the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles followed an increasing linear function (2≥0.928). The factors affecting the cumulative mass loss rate were the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles and particle size. The porosity was high when the particle size was 10 mm and the salinity was 6 g/L, and the porosity was negatively correlated with particle size but positively correlated with the numbers of freeze-thaw-dry-wet cycles. The factors affecting the porosity of gravel were particle size and freeze-thaw-dry-wet cycle. Five kinds of minerals was found in the gravel-sand and they were muscovite, albite, quartz, cholorite and calcite. The content of muscovite and albite were positively correlated with particle size, and quartz content was negatively correlated with particle size. Particle size was the main factor affecting the contents of quartz, muscovite and albite in gravel-sand. The damage of gravel-sand was caused internally by structural characteristics, fissure development and hydrophilic mineral content, and caused externally by freeze-thaw weathering, water-rock interaction and salt leaching. The results provide valuable information for the healthy development and sustainable utilization of soil in gravel-sand land.

weathering; minerals; leaching; gravel-sand; freeze-thaw-dry-wet cycle; scanning electron microscopy

劉民安，董亞萍，李晨，等. 凍融干濕循環(huán)條件下壓砂礫石損傷過程[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(1)：176-187. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.022 http://www.tcsae.org

Liu Min’an, Dong Yaping, Li Chen, et al. Damage process of gravel-sand under freeze-thaw-dry-wet cycle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(1): 176-187. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.022 http://www.tcsae.org

2020-06-20

2020-11-23

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51869023）；寧夏自治區(qū)級青年拔尖人才項(xiàng)目（030103030008）；寧夏大學(xué)“西部一流”重大創(chuàng)新項(xiàng)目（ZKZD2017002）；寧夏大學(xué)國內(nèi)一流建設(shè)學(xué)科“水利工程”學(xué)科項(xiàng)目（NXYLXK2017A03）

劉民安，實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向?yàn)樗临Y源退化與修復(fù)方向。Email：liumin_an@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.01.022

P584

A

1002-6819(2021)-01-0176-12