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第 33 卷 第 8 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.33 No.8 2011 年 .8 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Aug. 2011 矿物成分对抛光岩石表面摩擦特性影响的试验研究 韩文梅 1，2，康天合1*，王 东1，王 开1，柴肇云1 1. 太原理工大学采矿工艺研究所，山西 太原 030024；2. 中北大学理学院，山西 太原 030051 摘 要在对 8 种岩石矿物成分 XRD 分析和使用三维白光干涉仪对其抛光表面进行表面形貌表征的基础上，在自行设 计的试验装置上，对自然、饱水和干燥状态下 8 种岩石试块的摩擦系数进行了试验研究。试验结果表明抛光岩石表 面的摩擦系数和其矿物成分相关。在多矿物组成成分的硅酸盐岩中，饱水与自然状态时的摩擦系数增加幅度大于干燥 和自然状态时摩擦系数减小的幅度。在多矿物组成成分的碳酸盐岩中，饱水与自然状态时的摩擦系数增加幅度小于干 燥和自然状态时摩擦系数减小的幅度。在 3 种不同状态下单矿物岩石的摩擦系数比多矿物岩石的摩擦系数变化幅度大。 关键词岩石；抛光表面；矿物成分；摩擦系数 中图分类号TU458 文献标识码A 文章编号1000–4548201108–1211–05 作者简介韩文梅1975– ，女，山西省晋城市人，讲师，博士研究生，主要从事岩石力学与工程力学方面的科研与 教学工作。E-mail taiyuanhanwenmei。 Experimental studies on influence of mineral composition on frictional characteristics of polished rocks HAN Wen-mei1, 2, KANG Tian-he1, WANG Dong1, WANG Kai1, CHAI Zhao-yun1 1. Institute of Mining Technology, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China; 2. School of Science, North University of China, Taiyuan 030051, China Abstract Analyzing the mineral composition of 8 kinds of rock types by XRD, and characterizing surface morphology of polished rocks by 3-D white light interferometer, frictional coefficients of 8 kinds of rock types in natural, saturated and dry conditions are investigated by means of the self-designed test apparatus. The experimental results indicate that the frictional coefficients relate to the mineral composition. The increment amplitude of frictional coefficients under saturated and natural conditions is greater than that under dry and natural conditions for silicates composed by multiple-stripe minerals. The increment amplitude of frictional coefficients under saturated and natural conditions is much smaller than that under dry and natural conditions for carbonates composed by multiple-stripe minerals. The variation of frictional coefficients of rocks composed by homogeneous mineral is larger than that of rocks composed by multiple-stripe minerals. Key words rock; polished surface; mineral composition; frictional coefficient 0 引 言 岩石表面的摩擦特性对于断裂岩体稳定性有着重 要的影响，研究岩石摩擦特性及其影响因素对工程而 言是十分必要的。已有的岩石摩擦特性研究成果主要 集中在岩石摩擦时接触表面的粗糙度[1-3]、 摩擦滑动方 式[4-7]，岩石的摩擦本构关系[8-10]，岩石摩擦滑动的微 观机制[11-12]及环境因素对岩石摩擦的影响规律[13-14] 等方面，岩石的矿物成分对岩石摩擦特性影响方面的 研究较少。 Amontons 建立的摩擦定律表明， 物体的摩 擦系数与两物体的接触面积无关， 而与界面性质相关。 Horn 等[15]在分析了不同矿物的摩擦系数后， 指出矿物 的晶体结构决定着光滑的矿物表面的摩擦特性。 Ramana 等[16]采用岩石的天然裂隙面和锯开面试验研 究了岩石的摩擦系数和其矿物成分之间的关系，指出 摩擦系数取决于岩石的矿物成分和表面粗糙度。 Linda 等[17]研究了利蛇纹石和叶蛇纹石的摩擦系数，得出由 于两种岩石的矿物成分不同导致利蛇纹石的摩擦系数 较低 （0.15～0.35） ， 叶蛇纹石的摩擦系数较高 （0.50～ 0.85） 。Scruggs[18]研究了白云母、黑云母和滑石的摩 擦特性，指出这 3 种层状硅酸盐矿物的摩擦特性与其 微观结构之间存在着一定的依赖关系。Morrow 等[19] ─────── 基金项目国家自然科学基金资助项目（50974093，50474057， 51004075） 收稿日期2010–05–13 *通讯作者 1212 岩 土 工 程 学 报 2011 年 试验研究了石英、高岭石、云母和钠长石等矿物作为 断层泥时，由于晶体结构的差异导致其结构含水及吸 水性的不同，对岩石摩擦强度的影响。而 Byerlee[20] 却指出当岩石滑动摩擦面上的正应力较小时，即在 低正应力条件下，岩石的摩擦系数较为分散，取值范 围为 0.3～10， 且摩擦系数和界面两侧岩石的矿物成分 无关，与滑动面上的粗糙度关系较大。分析现有的研 究成果，发现 Byerlee 的结论和 Horn、Reinen 等的结 论不太一致， 而且岩石矿物成分对其接触面处于干燥、 自然状态和饱水状态时摩擦系数的影响没有系统的研 究成果。 针对上述问题，本文对常见的千枚岩、长石石英 砂岩、长石岩屑砂岩、石英岩、石灰岩、大理岩、白 云质灰岩和鲕状石灰岩等 8 种岩石的切割面进行抛光 后，在自然状态、饱水状态和干燥状态下对其摩擦系 数进行了系统的试验研究，以揭示岩石矿物成分对其 摩擦特性影响的规律。 1 岩样的矿物成分 采用日本 SHIMADZU XRD-6000 型 X-射线粉末 衍射仪对 8 种试验岩样进行 X-射线衍射测试， 表 1 为 其矿物成分分析结果。按照矿物性质，可将试验岩样 分为两组。第Ⅰ组岩样的矿物成分以石英、长石和高 岭石等硅酸盐矿物为主，在千枚岩中还含有云母和绿 泥石，其中高岭石、绿泥石和云母为黏土矿物。第Ⅱ 组岩样的矿物成分以方解石和白云石等碳酸盐矿物为 主，在大理岩中还含有石英。方解石的主要成分是碳 酸钙，白云石的主要成分是碳酸钙和碳酸镁，为同族 矿物。另外，按矿物的数量来说，石英岩和鲕状石灰 岩为单矿物岩石，分别为 100的石英和 100的方解 石。石灰岩和白云质灰岩由方解石和白云石 2 种矿物 组成。 大理岩由石英、 方解石和白云石 3 种矿物组成。 长石石英砂岩和长石岩屑砂岩由石英、长石和高岭石 等 3 种矿物组成。千枚岩由石英、长石、高岭石和云 母等 4 种矿物组成。 2 岩样表面处理与形貌特征 用切割机将每种岩石加工成 50 mm50 mm50 mm 的试件各 3 个和 80 mm80 mm35 mm 的试件 各 1 个，共 32 个。每个试件选择一个面，用型号为 SIP-MSD-180，功率为 760W，转速为 4000 r/min 的抛 光机和500 的聚氨酯抛光片进行抛光。 采用美国 Micro XAM 的 ADE 三维白光干涉表面 形貌仪进行试件抛光面的表面特征测试。该仪器的 XYZ 三轴行程为 100 mm100 mm100 mm， 垂直扫 描范围为 30～100 mm， 分辨率为 480 像素752 像素， 垂直扫描分辨率最小可到 0.01 nm，侧向分辨率最小 可到8.8～0.01 μm， 重复精度为1 nm， 校正精度≤0.1， 视场范围为 84 μm63 μm～8 mm10 mm， 3 种显微 镜头 2.5 倍、10 倍和 50 倍可供选择。 选用 2.5 倍白光干涉镜头对 8 种岩样的抛光表面 进行形貌测试，测试的面积为 6.56 mm2.56 mm，空 间采样为 4.4 μm5.2 μm， 光学分辨率为 3.67 μm， 工 作距离为 10.3 mm，聚焦深度为 62.25 μm。 图 1 为三维白光干涉所生成的长石岩屑砂岩样抛 光表面形貌图。 图 1 长石岩屑砂岩样抛光表面形貌图 Fig. 1 Surface topography of polished feldspathic litharenite 使用 SPIP 软件对其表面形貌进行粗糙度分析， 表 面粗糙度指标分别用平均粗糙度 Sa和核心粗糙度 Sk 表示。其中，平均粗糙度是指横坐标在 0～6.56 mm 的范围内，纵坐标在 0～2.56 mm 的范围内，与横坐 标平行的不同中心线上粗糙度的算术平均值。核心粗 表 1 8 种岩样的矿物成分 Table 1 Mineral composition of 8 samples 矿物成分/ 组别 岩样编号 岩石名称 石英 方解石 白云石 长石 高岭石 云母 绿泥石 1 千枚岩 25.4 8.3 23.2 37.7 5.4 2 长石石英砂岩 11.4 70.3 18.3 3 长石岩屑砂岩 7.5 79.9 12.6 Ⅰ 4 石英岩 100 5 石灰岩 78.4 21.6 6 大理岩 13.5 74.1 12.4 7 白云质灰岩 76.6 23.4 Ⅱ 8 鲕状石灰岩 100 第 8 期 韩文梅，等. 矿物成分对抛光岩石表面摩擦特性影响的试验研究 1213 糙度是指试件表面形貌中除去山谷轮廓和峰值轮廓后 剩余部分的平均粗糙度。这 2 个参数可以准确地反映 微观不平度等特征。 图2为使用SPIP软件对8种岩样抛光表面的平均 粗糙度和核心粗糙度的分析结果。 从图 2 中可以看出， 8 种岩样抛光表面的平均粗糙度变化范围为 0.17～ 1.49 m，核心粗糙度变化范围为 0.49～2.32 m。8 种岩样表面平均粗糙度最大差值为 1.32 m，核心粗 糙度最大差值为 1.83 m。由于表面粗糙度在一定误 差范围内相差很小，在做岩石摩擦特性分析时，忽略 表面粗糙度对摩擦特性的影响，即认为在相同的粗糙 度表面进行摩擦特性试验。 图 2 8 种岩样抛光表面粗糙度 Fig. 2 Surface roughness of 8 polished samples 3 岩样抛光面摩擦系数测定方法及结果 3.1 测定装置与测定方法 图 3 为测定岩石表面摩擦系数的试验装置示意 图。该装置由 BJ100-1J 微电机、Φ1 mm 钢丝绳、量 程 5N 的弹簧秤、隔振台和上下两岩样组成。下部岩 样放置 80 mm80 mm35 mm 大小的试件，上部放 置 50 mm50 mm50 mm 大小的试件。根据 Amontons 第一定律，摩擦力 T、正压力 N 和摩擦系数 μ 的关系为 TμN。 按照图 3 所示的试验装置测试岩样 的摩擦系数。微电机以恒定转速 15 rpm 运动，弹簧秤 B 点沿水平方向匀速运动，移动的线速度为 4 mm/s。 弹簧秤中的力随 B 点位移而线性增加，通过弹簧 AB 牵引上部试件移动。上部试件开始滑动时刻对应的弹 簧秤读数即为摩擦力 T。 图 3 试验装置示意图 Fig. 3 Schematic diagram of experimental apparatus 3.2 测定顺序与测定条件 在试验过程中，先测定 8 种岩石试件在自然含水 状态下抛光表面的摩擦系数，再依次测定其饱水和干 燥状态下的摩擦系数。自然含水状态是指从工地取来 的岩块直接加工而成的岩样；饱水状态是指把自然状 态下的岩样泡水至随时间延长质量不增加为止。干燥 状态是指将岩样放在 110℃烘干箱中至恒重时的状 态。 3.3 测定结果 表 2 为 8 种试验岩样在自然、饱水和干燥状态下 的摩擦系数测定结果。由表 2 数据可以看出，8 种岩 样在饱水状态时的摩擦系数最大，平均值为 0.62；自 然状态时次之，平均值为 0.50；干燥状态时最小，平 均值为 0.34。 表 2 8 种岩样抛光表面岩石摩擦系数测定结果 Table 2 Frictional coefficient of 8 polished samples 摩擦系数 μ 岩样 编号 岩石名称 自然 饱水 干燥 1 千枚岩 0.420 0.534 0.394 2 长石石英砂岩0.420 0.516 0.411 3 长石岩屑砂岩0.470 0.564 0.460 4 石英岩 0.480 0.688 0.228 5 石灰岩 0.640 0.654 0.348 6 大理岩 0.510 0.546 0.226 7 白云质灰岩 0.650 0.676 0.398 8 鲕状石灰岩 0.422 0.764 0.236 平均 0.500 0.620 0.34 3.4 矿物成分对其抛光面摩擦系数的影响规律分析 图 4，5 表示出 8 种岩样在自然、饱水与干燥 3 种状态下的摩擦系数变化的百分比柱状图。 可以看出， 在第Ⅰ组硅酸盐岩试件中，千枚岩、长石石英砂岩和 长石岩屑砂岩中含有长石、石英以及高岭石、云母和 绿泥石等矿物，属多种矿物岩石，并富含黏土矿物， 饱水、 自然和干燥状态的摩擦系数值变化相对较小。 3 种岩样在饱水状态与自然状态相比摩擦系数依次增加 27.1，22.8和 20.0，干燥状态与自然状态相比摩 擦系数依次减小 6.2，2.1，2.1，饱水与自然状态 时的摩擦系数增加幅度大于干燥和自然状态时摩擦系 数减小的幅度。石英岩中只含有石英矿物，为单矿物 岩石，在 3 种状态下的摩擦系数变化较大。饱水和自 然状态相比摩擦系数增加 43.3，干燥和自然状态相 比摩擦系数减小 52.5。 图 4 8 种岩样饱和后摩擦系数增加的百分比图 Fig. 4 Percentage increase in frictional coefficient of 8 samples .after saturation 1214 岩 土 工 程 学 报 2011 年 图 5 8 种岩样 110℃烘干后摩擦系数减小的百分比图 Fig. 5 Percentage decrease in frictional coefficient of 8 samples .after drying 在第Ⅱ组碳酸盐岩试件中，石灰岩、大理岩和白 云质灰岩的主要矿物成分为方解石和白云石。3 种岩 样在饱水状态与自然状态相比摩擦系数依次增加 2.2， 6.6和 4.0， 干燥状态与自然状态相比摩擦系 数依次减小 45.6,50.9,38.8， 饱水与自然状态时的 摩擦系数增加幅度远小于干燥和自然状态时摩擦系数 减小的幅度。鲕状石灰岩中只含有方解石，在 3 种状 态下的摩擦系数差值都较大，饱水和自然状态相比摩 擦系数增加 81，干燥和自然状态相比摩擦系数减小 32。 3.5 矿物成分对抛光岩石表面摩擦特性影响的机理 分析 在第Ⅰ组硅酸盐岩试件中，千枚岩、长石石英砂 岩和长石岩屑砂岩在饱水和自然状态的摩擦系数差值 较大。由于千枚岩和长石砂岩中均含有一定量软弱的 黏土矿物，如高岭石，在水的作用下这些黏土矿物具 有一定的胀缩性，导致了在饱水和自然状态下摩擦系 数增加较大。石英、长石为架状晶体结构，若有流体 存在，则其摩擦系数会增加[15]，也是导致饱和状态与 自然状态摩擦系数增加较大的原因之一。 硅酸盐中的水，常为OH-和 H2O，易于转变为 HH2O。黏土矿物高龄石内含有一种狭义的结构 水， 这种水以OH-、 H、 H3O离子形式参与矿物晶格， 这种水与结构联系紧密， 当温度升高到 600～1000℃才 能使晶格破坏，使水分逸出。在 110℃的烘干温度下， 结构水仍然存在，黏土矿物的晶体结构不发生变化。 所以含有黏土矿物的千枚岩、长石石英砂岩和长石岩 屑砂岩在干燥状态与自然状态的摩擦系数值相比变化 不大。 在第Ⅱ组碳酸盐岩试件中，石灰岩、大理岩和白 云质灰岩的主要矿物为方解石和白云石，分子式分别 为 CaCO3和 CaMg[CO3]2。方解石和白云石为同族碳 酸钙矿物，均属三方晶系，为粒屑结构且具有孔隙度 大、渗透性强等性质。在自然状态下碳酸盐岩的孔隙 中会填充大量的水分子，所以经过饱水后，得到的摩 擦系数值与自然状态下的摩擦系数值相差不大。 CaCO3和 CaMg[CO3]2都难溶于水，所以饱水后其状 态和自然状态相比差别不大，也是导致饱水状态与自 然状态相比摩擦系数变化很小的原因之一，这与 Morrow 等[19]的实验结果相符合。 方解石和白云石中钙离子、镁离子和碳酸根作为 正负离子，借离子键的作用力相互粘合着，相互之间 的作用力很强。温度升高时，加剧了钙离子、镁离子 和碳酸根在晶体中的振摆运动，离子的热运动使粘着 点的剪切阻力减小，摩擦系数降低。 由石英组成的单矿物岩石石英岩和由方解石组成 的单矿物岩石鲕状石灰岩，在饱水、自然和干燥 3 种 状态下，摩擦系数变化都很大。除和矿物本身的晶体 结构，结合键及矿物的溶水性相关外，与它们都为单 一矿物岩石，经过抛光处理后，其表面粗糙度和多矿 物岩石表面粗糙度一样， 但多矿物岩石由于其复矿性， 增加了矿物之间的互溶性，是导致单矿物岩石比多矿 物岩石在 3 种不同状态下摩擦系数变化剧烈的可能原 因之一。 4 结 论 通过对几种常见的碳酸盐岩和硅酸盐岩的抛光表 面进行表面粗糙度测试及分析，其表面粗糙度在一定 误差范围内相差很小，认为在相同的岩石粗糙度表面 进行摩擦特性试验。 基于矿物组成成分对抛光岩石表面的摩擦特性进 行了试验研究，可以得到以下 4 点结论。 （1）在自然、饱水和干燥 3 种状态下，硅酸盐岩 和碳酸盐岩的摩擦系数均是饱水状态时最大，自然状 态时次之，干燥状态时最小。 （2） 在多矿物组成的硅酸盐岩中， 饱水与自然状 态时的摩擦系数增加幅度大于干燥和自然状态时摩擦 系数减小的幅度。这与矿物组成成分及其晶体结构有 关，也与矿物中水的存在方式有关。在多矿物组成的 碳酸盐岩中，饱水与自然状态时的摩擦系数增加幅度 远小于干燥和自然状态时摩擦系数减小的幅度，这与 矿物的组成结构及矿物的溶水性有关，也与矿物中离 子的热运动有关。 （3）单矿物岩石较多矿物岩石的摩擦系数在 3 种不同状态下变化剧烈，可能原因为多矿物岩石的复 矿性，增加了矿物之间的互溶性。 （4） 本文的研究仅涉及岩石矿物组成对抛光岩石 表面摩擦性能的影响，关于岩石的硬度、孔隙、颗粒 第 8 期 韩文梅，等. 矿物成分对抛光岩石表面摩擦特性影响的试验研究 1215 粒度和胶结方式等因素对其岩石摩擦性能的影响还需 要进行系列的基础理论和试验研究工作。 参考文献 [1] KULATILAKE P, BALASINGAM P, PARK J, et al. 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