新疆花崗巖物理力學性質(zhì)的礦物組成和微觀結(jié)構分析

魏 翔

(重慶工商大學廢油資源化技術與裝備工程研究中心, 重慶 400067)

花崗巖是中國高放廢物地質(zhì)處置首選巖體，研究其物理力學特性及微觀結(jié)構對處置巖體安全和穩(wěn)定性評價具有重要的意義[1]。中外學者開展了花崗巖物理力學性質(zhì)和微觀結(jié)構的研究[2]。梁昌玉等[3]研究了在中低應變率條件下花崗巖單軸壓縮斷口的細-微觀特征，得出了表征巖石破壞機制的巖石宏觀破裂狀態(tài)和細-微觀形貌；劉博等[4]研究了風化對花崗巖抗壓強度、彈性模量以其泊松比等力學參數(shù)的影響；涂新斌等[5]開展了風化后的花崗巖微觀結(jié)構定量分析；尚彥軍等[6-7]研究了花崗巖不同風化程度的化學指標及微觀特征變化規(guī)律；馮濤等[8]研究了武廣高速鐵路風化花崗巖的微觀特征；陳秋南等[9]開展了南岳地區(qū)花崗巖殘積土的微觀特性研究；張宇皓等[10]研究了高溫水冷后花崗巖微觀孔徑及滲透性分析；郭國瀟等[11]基于顆粒流程序研究花崗巖單軸抗壓強度的尺寸效應。

在前人研究不同外力作用下花崗巖微觀結(jié)構特征變化機理的基礎上，開展了不同類型花崗巖的物理力學性質(zhì)的微觀結(jié)構分析研究。以高放廢物地質(zhì)處置新疆預選區(qū)天湖花崗巖體為研究對象，按照礦物顆粒大小分為粗粒、中粒和細粒三類花崗巖試樣并開展物理力學、電鏡掃描和礦物成分測試實驗，得出不同類型花崗巖試樣的孔隙率和強度等物理力學性質(zhì)、微觀結(jié)構圖像和礦物成分組成，通過微觀特征分析不同類型花崗巖物理力學性質(zhì)之間差異，從而為處置庫選址和評價提供可靠的實驗依據(jù)。

1 試樣制備和試驗方案

1.1 試樣制備

針對新疆天湖巖體進行鉆孔，選取粗粒、中粒和細粒3種花崗巖試樣，制備成圓柱體，直徑宜為48～54 mm，高徑比為2.0～2.5。試樣尺寸為50 mm×100 mm，如圖1所示。選取單軸壓縮試驗后的碎片，研磨成粉來為電鏡掃描和礦物成分分析實驗做準備(圖2)。

圖1 花崗巖試樣Fig.1 Granite specimen

圖2 單軸壓縮試驗后的花崗巖碎片F(xiàn)ig.2 Granite fragments after uniaxial compression test

圖3 MTS815巖石力學實驗系統(tǒng)Fig.3 MTS815 rock mechanics experiment system

1.2 實驗設備和方案

通過實驗主要獲得花崗巖波速、密度、孔隙率、單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比等物理力學參數(shù)和微觀結(jié)構圖像以及礦物成分組成。采用中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RSM-SY5智能聲波檢測儀，利用直透法(直達波法)測量試樣縱波波速。使用游標卡尺和電子天平測量試樣直徑、長度和質(zhì)量，利用式(1)計算試樣密度。采用吸水性試驗，使用蒸餾水，根據(jù)式(2)測量試樣孔隙率。試樣的單軸壓縮實驗使用美國MTS公司生產(chǎn)的巖石應力試驗機MTS815(圖3)，采用位移控制軸向加載，加載速率為1×10-3mm/s[12]。通過電鏡掃描獲得花崗巖微觀結(jié)構圖像，主要采用VEGAⅡLMU可變真空掃描電鏡，放大倍數(shù)為4～100 000。通過德國Bruker AXS D8-Focus X 射線衍射儀獲得試樣礦物成分組成，并且按照《金屬材料定量相分析 X射線衍射K值法》(GB/T 5225—1985)的K值法(K為表征待測樣品中相和參考相特征的常數(shù)，僅與兩相性質(zhì)及所用輻射有關)結(jié)合絕熱法進行礦物成分定量分析。

(1)

(2)

式中：m為試樣質(zhì)量，g；H為試樣高度，mm；D為試樣直徑，mm；ρ為試樣密度，g/cm3；ρd為試樣干密度，g/cm3；ρp為試樣顆粒密度，g/cm3；n為巖石孔隙率，%。

2 實驗結(jié)果

2.1 試樣物理力學實驗結(jié)果

試驗分為3組，每組3個試樣，通過物理實驗獲得花崗巖試樣物理參數(shù)，如表1所示。根據(jù)式(1)、式(2)得出花崗巖試樣孔隙率，并利用巖石應力試驗機獲得試樣的應力-應變曲線以及單軸抗壓強度、彈性和變形模量以及泊松比，如表2所示。

表1 試樣物理參數(shù)

表2 試樣力學參數(shù)結(jié)果

2.2 試樣微觀結(jié)構特征

通過X射線衍射儀對試樣開展礦物成分分析，并給出了3種試樣的礦物的含量，如表3所示。

表3 試樣礦物成分含量

通過電鏡掃描得到試樣的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)圖像。圖4～圖6給出了不同放大倍數(shù)下的3種花崗巖的SEM 照片。

3 實驗結(jié)果分析

巖石物理力學性質(zhì)的差異主要是由于微觀結(jié)構差異導致。對不同粒徑的花崗巖試樣的孔隙率和單軸抗壓強度等物理力學參數(shù)差異進行微觀分析。

3.1 花崗巖物理力學性質(zhì)的礦物組成分析

圖7給出了花崗巖礦物含量與孔隙率和抗壓強度之間關系。可以看出，花崗巖主要由長石和石英組成，云母較少。由于長石、石英、云母等礦物膠結(jié)很好，質(zhì)密度很高，故花崗巖的孔隙率很小。隨著花崗巖粒徑變化，各種礦物的含量也發(fā)生變化?；◢弾r粒徑越細，其長石含量越多，石英和云母含量越少。由于長石顆粒呈柱狀結(jié)合緊密，而石英呈顆粒狀，云母呈薄片狀，晶粒間空隙較大。因此細?；◢弾r由于長石含量多而孔隙率很小。

花崗巖主要由石英和長石兩種礦物組成，其含量超過90%。石英和長石兩種礦物自身強度很高，因此花崗巖的單軸抗壓強度較高。隨著花崗巖粒徑越粗，其云母含量增加。盡管花崗巖中云母含量較低，但由于云母的強度低，它的存在大大降低了花崗巖的力學性質(zhì)。在巖石受力過程中，云母分布集中的部位會首先發(fā)生破裂。因此粗?；◢弾r由于其云母含量較高，故其單軸抗壓強度較低。

圖5 中?；◢弾r不同放大倍數(shù)的SEM圖像Fig.5 Different magnification SEM chart of medium grained granite

圖6 細?；◢弾r不同放大倍數(shù)的SEM圖像Fig.6 Different magnification SEM chart of fine grained granite

圖7 花崗巖礦物含量與孔隙率和抗壓強度之間關系Fig.7 Relationship between granite mineral content and porosity and compressive strength

3.2 巖石物理力學性質(zhì)的微觀結(jié)構分析

通過對不同粒徑花崗巖進行電鏡掃描，得到SEM圖像100多張，經(jīng)過比較分析，選擇3種放大倍數(shù)的圖像(圖4～圖6)。從放大100倍SEM
圖像可以看出，花崗巖微觀結(jié)構質(zhì)密，礦物膠結(jié)很好，因此花崗巖的孔隙率比較低。從放大800倍和2 000倍SEM
圖像可以看出，細?；◢弾r呈塊體狀，塊體較大，不同塊體之間膠結(jié)緊密；中粒花崗巖呈層狀，分布均勻且密集；粗?；◢弾r微觀結(jié)構呈不規(guī)則粒狀堆砌微結(jié)構形態(tài)，晶粒間膠結(jié)松散。根據(jù)晶粒間所呈現(xiàn)的邊-邊、面-面接觸以及其裂隙發(fā)育和充填狀態(tài)，由于粗?；◢弾r晶粒間裂隙發(fā)育且有充填物，故其孔隙率比細粒和中?；◢弾r大。

花崗巖中主要礦物為長石、石英和云母，而從放大100倍SEM
圖像可以看出，長石、石英和云母礦物鑲嵌組合比較質(zhì)密，膠結(jié)良好，質(zhì)密度很高且晶粒發(fā)育均勻故花崗巖的單軸抗壓強度很高。從放大800倍和2 000倍SEM
圖像可以看出，細?；◢弾r各晶粒鑲嵌緊密，基本無貫通裂隙發(fā)育；中?；◢弾r呈層狀，層之間結(jié)合緊密，裂隙閉合，有少量石英顆粒離散分布；粗?；◢弾r晶粒離散分布，膠結(jié)不緊密，裂隙貫通且張開。微結(jié)構細?；◢弾r呈塊體狀，塊體較大，不同塊體之間膠結(jié)緊密；中粒花崗巖呈層狀，分布均勻且密集；粗粒花崗巖微觀結(jié)構呈不規(guī)則粒狀堆砌微結(jié)構形態(tài)，晶粒間膠結(jié)松散。因此由于粗?；◢弾r晶粒膠結(jié)松散，故其單軸抗壓強度較低。

4 討論

從花崗巖微觀結(jié)構可以看出：巖石礦物組分及其晶粒接觸和彼此鑲嵌的組合特征決定了巖石的物理力學性質(zhì)。巖石粒徑不同，微觀結(jié)構也不同，其中粒徑越細，長石含量越高，云母含量越少，晶粒膠結(jié)緊密且彼此鑲嵌，同時巖石的孔隙率越低強度越高。鑒于此，可以認為細?；◢弾r由于其云母含量少且晶粒膠結(jié)緊密而具有質(zhì)密、低孔隙率和高力學強度的特點。這與楊永明等[13]表述的孔隙結(jié)構特征對巖石力學性能的影響是一致的。高放廢物地質(zhì)處置作為一項復雜的地下工程，花崗巖作為首選巖體，其物理力學性質(zhì)決定工程巖體穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)對天湖花崗巖巖體物理力學性質(zhì)的礦物成分和微觀結(jié)構分析，可以認為天湖花崗巖具有質(zhì)密、低孔隙率和高力學強度的特點，因此天湖巖體適合作為處置庫場址，同時細?；◢弾r更加合適。

5 結(jié)論

新疆天湖巖體作為中國高放廢物處置庫建設預選區(qū)，不同粒徑花崗巖的物理力學性質(zhì)的礦物成分和微觀結(jié)構分析研究能為處置庫選址和地下實驗室建設提供數(shù)據(jù)支持。以高放廢物處置新疆預選區(qū)天湖花崗巖為研究對象，對3種不同粒徑花崗巖試樣進行物理力學、電鏡掃描和礦物成分測試等試驗，開展不同粒徑花崗巖的礦物成分、微觀結(jié)構與物理力學性質(zhì)的關系。得出如下主要結(jié)論。

(1)花崗巖主要石英、長石和云母3種礦物組成，其中長石含量最多，云母含量最少。石英和長石礦物膠結(jié)很好，質(zhì)密度很高，強度很高，因此花崗巖具有孔隙率低和強度高特點。同時由于隨著粒徑變粗，花崗巖中云母含量增加，而云母礦物質(zhì)密度較差，強度較低，故相比于細?；◢弾r，粗?；◢弾r孔隙率高但強度低。

(2)電鏡掃描得到花崗巖試樣不同放大倍數(shù)SEM圖像，得出花崗巖微觀結(jié)構質(zhì)密，礦物膠結(jié)很好，顆粒分布均勻，因此花崗巖具有花崗巖孔隙率低和強度高特點。同時由于細粒花崗微觀結(jié)構呈鱗片狀且晶粒鑲嵌緊密，中粒試樣呈層狀，粗粒試樣呈不規(guī)則粒狀堆砌微結(jié)構形態(tài)且晶粒無鑲嵌，故相比于粗?；◢弾r，細?；◢弾r孔隙率低但強度高。

(3)花崗巖由于云母含量少且晶粒膠結(jié)緊密而具有質(zhì)密、低孔隙率和高力學強度的特點，從而更適合作為高放廢物地質(zhì)處置巖體。