不同溶液下石膏巖溶蝕試驗(yàn)研究

高明明，燕 新，焦云成

（新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

引言

近年來，公路建設(shè)日益增多，而隧道在交通建設(shè)中發(fā)揮著越來越大的作用，圍巖的性質(zhì)往往決定著隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)采取的種類及支護(hù)的強(qiáng)度。LI等[1-2]證明了大部分地質(zhì)年代均有石膏巖的存在。因此，在隧道的建設(shè)中經(jīng)常遇到石膏巖，在瑞士的奇霍伊電力隧道、巴東縣十字埡隧道都遇到了石膏巖。石膏巖的溶蝕性及軟化性導(dǎo)致隧道工程問題時(shí)有發(fā)生[3-4]。

1 試樣制取

試驗(yàn)中所用巖石取自湖北竹溪隧道圍巖，石膏含量在90%。試驗(yàn)中采用標(biāo)準(zhǔn)三軸試樣，鉆取Ф50 mm×100 mm的圓柱體，再利用切割機(jī)進(jìn)行切割打磨，巖樣平整度誤差＜0.02 mm。

2 試驗(yàn)方案

將制備好的試樣置于不同溶液中進(jìn)行室內(nèi)靜態(tài)溶蝕，試驗(yàn)周期為一個(gè)月，每天1200定時(shí)進(jìn)行量測；溶蝕試驗(yàn)結(jié)束后利用電子顯微鏡觀察經(jīng)不同溶液溶蝕后石膏巖的微觀結(jié)構(gòu)，并建立石膏巖溶蝕量與單軸壓縮強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，為工程建設(shè)提供理論指導(dǎo)。

2.1 溶蝕試驗(yàn)

將制備好的石膏巖試樣分別在蒸餾水、Nacl溶 液（0.5 mol/L）、冰醋酸溶液（0.058 mol/L、pH=3）、 NaOH溶液（0.01 mol/L 、pH=12）中進(jìn)行靜態(tài)溶蝕試驗(yàn)，每天測量不同溶液中石膏巖的溶蝕量并持續(xù)記錄一個(gè)月。

2.2 石膏質(zhì)巖微觀電鏡試驗(yàn)

為進(jìn)一步研究不同溶液對(duì)石膏巖的溶蝕程度以及溶蝕后的微觀形貌特征差異，從微觀角度出發(fā)去解釋石膏巖的溶蝕軟化特點(diǎn)，利用微觀電鏡對(duì)各溶液中溶蝕后的石膏巖進(jìn)行觀察，對(duì)比分析其溶蝕后破碎程度、裂隙大小等。選取經(jīng)不同溶液中溶蝕后的石膏巖樣，經(jīng)脫水處理后用電鏡掃描新鮮斷面，進(jìn)行試驗(yàn)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

石膏巖在各溶液中最終溶蝕量各不相同，總體趨勢(shì)為溶蝕量隨時(shí)間變化而增加，最終趨于穩(wěn)定狀態(tài)；但不同溶液中石膏巖最終的溶蝕量差異很大。Nacl溶液中石膏巖的溶蝕量基本為純水中的兩倍，與盧耀如[5]研究結(jié)果一致，溶蝕量分別為6.4 g和3.12 g。冰醋酸溶液與NaOH溶液中石膏巖的溶蝕量分別為2.91 g和2.73 g，與蒸餾水中石膏巖的溶蝕量相接近。

為了更加直觀地看到溶蝕速率隨時(shí)間的變化，將單位時(shí)間石膏巖溶蝕的質(zhì)量作為溶蝕速率繪制曲線，見圖1。

圖1 溶蝕量曲線

隨著時(shí)間變化不同溶液中石膏巖的溶蝕量均是初始階段增加快，然后減緩，最后趨于穩(wěn)定，但是上升的速率與最終趨于穩(wěn)定的時(shí)間不同。（1）NaCl溶液中的石膏巖溶蝕曲線，初始上升速率比其他三種溶液大，在NaCl溶液中石膏巖保持較高的溶蝕速率持續(xù)到第17天，隨后溶蝕速率下降到較低速率且在第24 天才趨于平緩。（2）其他三種溶液中的石膏巖初始溶蝕速率基本一致，比NaCl溶液中的石膏巖的溶蝕速率低2.5倍左右，且在第12天溶蝕速率下降到較低水平，隨后逐步進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。最先進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的是NaOH溶液中的石膏巖，在試驗(yàn)進(jìn)行到第15天開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；隨后冰醋酸溶液中的石膏巖在第17 天進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)以及蒸餾水中的石膏巖在第18天進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)溶蝕后的石膏巖進(jìn)行電鏡掃描，不同溶液溶蝕后的石膏巖樣的電鏡掃描照片見圖2。

圖2 石膏巖溶蝕后電鏡掃描照片

從圖2（a）可以看出，NaCl溶液中石膏巖溶蝕程度大，表面破碎嚴(yán)重，裂隙清晰可見，與上述NaCl溶液中石膏巖溶蝕速率大于其他溶液中石膏巖的溶蝕速率相一致。這是氯離子進(jìn)入石膏巖內(nèi)參與反應(yīng)，石膏巖水合物由CaSO4·2 H2O 向CaSO4·10 H2O 轉(zhuǎn)化[6]，可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)：

圖2（b）蒸餾水中的石膏巖電鏡掃描照片表面輕微破碎。圖2（c）冰醋酸中的石膏巖表面有少許裂紋，因?yàn)槭鄮r溶蝕后溶液呈酸性，但是冰醋酸中原有的H+離子會(huì)在石膏巖溶蝕的過程中使其更快達(dá)到平衡態(tài)，抑制其繼續(xù)溶蝕[7]，隨著H+離子濃度的不斷加大，其對(duì)石膏巖溶蝕反應(yīng)的抑制程度也逐步加大。因此，冰醋酸溶液中石膏巖的溶蝕速率開始和蒸餾水接近，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，其溶蝕速率逐漸低于純水中石膏巖的溶蝕速率。圖2（d）中NaOH溶液中的石膏巖最完整，表面附著一層絡(luò)合物，這是石膏巖與NaOH反應(yīng)生成的Ca（OH）2。絡(luò)合物附著在石膏巖表面阻止了石膏巖與NaOH溶液的接觸，故溶液對(duì)石膏巖的溶蝕無法繼續(xù)，在圖1中表現(xiàn)為初始階段NaOH溶液中的石膏巖溶蝕速率與蒸餾水和冰醋酸溶液中石膏巖的溶蝕速率基本一致，但其更早進(jìn)入低速溶蝕狀態(tài)，并在等 15天就進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。

通過單軸壓縮試驗(yàn)分別測得各溶液中溶蝕后的石膏巖的強(qiáng)度，測得值分別為NaCl溶液中溶蝕量為6.4 g，單軸壓縮強(qiáng)度為3.311 MPa；蒸餾水中溶蝕量為3.12 g，單軸壓縮強(qiáng)度為8.135 MPa；冰醋酸溶液中溶蝕量為2.91 g，單軸壓縮強(qiáng)度為8.656 MPa；NaOH溶液中溶蝕量為2.73 g，單軸壓縮強(qiáng)度為9.358 MPa。 利用origin進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果見圖3。采用Chapman模型對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，R2=0.998 93，擬合效果很好，得到經(jīng)驗(yàn)公式：Y=a×（1-e-bx）c。

圖3 溶蝕量與強(qiáng)度擬合曲線

5 結(jié)語

（1）四種溶液中NaCl溶液對(duì)石膏巖的溶蝕程度最大，初始溶蝕速率大，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間長，所以在隧道工程建設(shè)過程中，遇到石膏質(zhì)圍巖時(shí)應(yīng)使其與鹽溶液隔絕開。（2）酸性以及堿性溶液環(huán)境對(duì)石膏巖的溶蝕有一定的抑制作用。（3）利用origin對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，建立了石膏巖溶蝕量與強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式。