石灰岩的风化程度探讨

石灰岩的风化程度探讨

摘要：研究石灰岩的风化程度对工程建设、工程地质勘察和露天石质文物的保护有十分重要的意义。本文首先介绍引起石灰岩风化的因素，再详细探讨石灰岩风化程度的划分现状，最后对一些评价石灰岩风化程度的定性和定量方法进行了介绍。

关键词：石灰岩；风化；程度；加固

1 引言

石灰岩的风化是指石灰岩表面长期与水、大气和生物接触的过程中产生物理和化学等变化而使石灰岩变成松散的堆积物的过程。中强程度的风化会导致石灰岩的稳定性和强度显著降低，对建筑工程条件产生不良影响；中等风化中发生的化学变化会使石灰岩质文物的成分发生变化，会导致文物的颜色发生改变；山体上的石灰岩强风化则会引起崩塌和滑坡等不良地质现象。因此，对石灰岩风化程度的研究有十分重要的意义。本文首先介绍引起石灰岩风化的主要因素，接着对石灰岩的风化程度进行研究，最后对一些主要的评价石灰岩风化程度的方法进行介绍。

2 影响石灰岩风化的因素

2.1 物理因素

物理因素主要是指气温、水分、可溶性盐、湿度等因素对石灰岩产生的破坏。其中最主要的因素是灰岩裂隙中间水分的冻结和温度的变化。

水的冻结在高山地带和严寒地区会经常发生，当气温下降到零摄氏度以下时，灰岩裂隙里的水会冰冻变成固态，体积发生膨胀，会对裂隙的两壁产生膨胀压力，使裂隙变得更大。当冰融化后水会沿着裂隙渗入，进而溶蚀软化岩体，如此反复会使石灰岩崩解成块。

温度变化产生的温差使石灰岩的收缩和膨胀交替进行。石灰岩导热性较差，温度高时表层先受热膨胀，内部因未受热而依然保持原来的体积，这样会引起灰岩的表层壳状脱离；在温度较低时外层先收缩，内部由于余热未散而保持受热状态的体积，会使表层发生径向性开裂。这种不协调的收缩和膨胀反复进行会削弱灰岩内部和表层之间的连接而逐渐松动进而产生表层的脱落。

2.2 化学因素

化学风化作用主要是指石灰岩里的矿物质成分在水、氧气、二氧化碳和其它溶液的作用下发生的破坏过程。主要包括氧化作用、水化作用、溶解作用和水解作用。

其中氧化作用经常与水化作用伴随进行，水化作用是指岩体里的某种矿物质与水分结合从而改变矿物质原有的分子式使灰岩体积发生膨胀，破坏石灰岩的内部结构；水解作用指的是岩体内的矿物质与水的成分发生化学作用，生成新的化合物；溶解作用指的是水直接溶解石灰岩里的矿物质而使岩体遭到破坏。

2.3 生物因素

石灰岩在植物、动物和微生物的影响下引起的破坏即为生物风化。主要包括生物的物理风化和生物的化学风化。

其中植物的根部楔入石灰岩裂隙中而使得岩体崩裂，穴居动物的穿凿和掘土等破坏作用都属于生物的物理风化；生物产生的碳酸、有机酸、硝酸以及动植物遗体对岩体的腐蚀作用使得石灰岩成分发生变化、疏松、性质软化的现象均属于生物的化学风化。

3 石灰岩风化程度的评价现状

按照石灰岩风化的特征和深浅，将风化程度分为五级：未风化、微风化、中等风化、强风化和全风化。

目前，石灰岩风化程度的划分多采用的是工程地质定性的评价方法，从石灰岩的结构、矿物成分、灰岩颜色、掘进难易程度、破碎的程度等方面进行综合分析确定。但是，仅依赖这些不确定的定性的依据进行石灰岩风化程度的划分具有很大随意性，尤其当在两个风化的等级间存在着渐变关系的时候，对划定分界线产生很大的困难。因此，尽快研究并发展定量的分析评价方法是十分必要的。

目前经常用对石灰岩地质性质较敏感的物理和力学性质指标对石灰岩的风化程度进行定量评价，通过现场或室内测试石灰岩的单项物理力学性质或综合的指标进行石灰岩风化程度分带。由于石灰岩的类型千差万别，影响石灰岩风化的因素也很复杂，各种石灰岩风化的速度和风化后的形态变化也不同，因此很难建立一套统一的、定量的划分石灰岩风化程度的标准。尽管目前给出的物理力学定量指标使石灰岩风化程度的划分有了定量的依据，但这些是非常初步的。因此石灰岩风化程度的划分应当利用定量指标和定性描述相互结合的方法，两者相互印证来积累采用定量的指标划分石灰岩风化程度的相关经验。以下则对石灰岩风化程度的定性和定量划分方法进行介绍。

4 石灰岩风化程度的定性划分

石灰岩风化程度的定性划分是指从石灰岩的结构、矿物成分、掘进难易程度、破碎的程度等野外特征进行综合分析确定，受人的经验和主观因素的影响较大。对石灰岩的五级风化程度作如下划分：

(1) 未风化：石灰岩岩质新鲜，偶见风化痕迹，石灰岩组织结构未变。

(2) 微风化：石灰岩岩质新鲜，沿着节理面有些铁锰质渲染的痕迹或略有变色，有少量的风化痕迹，没有疏松物质，矿物质和石灰岩的组织结构基本没发生改变。

(3) 中等风化：石灰岩构造层理清晰，但被节理裂隙切割成岩块状，裂隙里填充着少量风化物；结构部分破坏，矿物质的成分基本没发生变化，只沿着节理面出现了次生矿物；锤击声音脆，岩体不容易击碎，用镐难挖掘，岩芯钻方可钻进。

(4) 强风化：石灰岩岩体被节理的裂隙分割为成块的碎块状；岩体结构大部分被破坏，构造层理不清晰，矿物质成分显著发生变化；锤击声音哑，碎岩可以用手折断，干钻不容易钻进，用镐可以挖掘。

(5) 全风化：石灰岩岩体被节理的裂隙分割成了散体状；岩体结构基本被破坏，只有外观仍保持着原岩状态；碎石可以用手捏碎，用镐可以挖掘，干钻可钻进。

5 石灰岩风化程度的定量划分

5.1 波速比和风化系数判别指标

波速比是指风化石灰岩与新鲜石灰岩压缩波速度之比，风化系数是指风化石灰岩与新鲜石灰岩饱和单轴抗压强度之比。这两种指标对石灰岩风化程度的划分如下：

（1）未风化：波速比在0.9～1.0之间，风化系数在0.9～1.0之间。

（2）微风化：波速比在0.8～0.9之间，风化系数在0.8～0.9之间。

（3）中等风化：波速比在0.6～0.8之间，风化系数在0.4～0.8之间。

（4）强风化：波速比在0.4～0.6之间，风化系数小于0.4。

（5）全风化：波速比在0.2～0.4之间。

5.2 石灰岩的微观结构判别指标

石灰岩经过风化作用后，在微观上会有许多异于原岩体的特征。比如微裂隙的发育特征、微观结构的构造、矿物质的黏土化以及其他次生变化的程度等。分析并研究风化石灰岩的微观特征，即可判别石灰岩的风化程度。目前存在的方法是通过在显微镜下观察岩体裂隙的发育状况和衡量方解石的次生蚀变程度来判别石灰岩的风化程度。