鹽酸作用下紅砂巖的物理力學特性及強度預測模型

蘭永偉， 唐鵬程， 周 莉， 劉 旭

(1.黑龍江科技大學 礦業(yè)工程學院， 哈爾濱 150022； 2.黑龍江科技大學 建筑工程學院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

西南山區(qū)地貌落差大，以山地為主，在酸雨作用下，邊坡巖體內(nèi)部遭受到了不同程度的腐蝕破壞。在長期腐蝕累積效應作用下，隨著時間的推移，化學作用加劇，巖體邊坡力學強度降低，使得巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性降低，從而導致邊坡的滑坡等工程事故發(fā)生。因此，開展鹽酸作用下紅砂巖礦物質(zhì)成分、力學參數(shù)的變化規(guī)律、強度預測的研究，對酸雨作用下的巖體工程穩(wěn)定性預測具有現(xiàn)實意義。

廖浩浩等[1]、岳招等[2]、朱維娜等[3]研究得到了不同化學溶液腐蝕下砂巖強度的變化規(guī)律。孫治國等[4]研究了化學腐蝕下砂巖的蠕變力學特征。俞縉等[5]研究了經(jīng)酸性、中性和堿性水化學溶液浸泡的巖石的孔隙度和力學參數(shù)的變化規(guī)律。彭燕[6]、謝妮等[7]和王艷磊等[8]得到了不同酸性浸泡后巖樣的縱波波速及微觀結(jié)構(gòu)特征。王激揚[9]分析了酸性化學侵蝕和沖擊載荷耦合條件下砂巖的損傷特征。辛東夫[10]、駱韜等[11]、許明祥[12]研究得到了不同化學溶液腐蝕作用下砂巖力學特性及裂隙擴展規(guī)律。馮曉偉等[13]提出了化學作用下砂巖流變損傷本構(gòu)模型。霍潤科等[14-16]建立了化學作用下砂巖的損傷本構(gòu)模型。王魯男等[17]等、劉新榮等[18]和韓鐵林等[19-20]得到了凍融次數(shù)和化學腐蝕對單軸抗壓強度的裂化規(guī)律。然而，有關化學作用對巖石礦物成分變化規(guī)律以及對力學參數(shù)裂化預測模型的研究還鮮見報道。

筆者對鹽酸作用后的紅砂巖開展了X衍射實驗(XRD)和單軸抗壓實驗，分析了鹽酸作用下紅砂巖礦物質(zhì)成分、力學參數(shù)、破壞形態(tài)、損傷變量的變化規(guī)律，得到了紅砂巖強度預測模型，探討了紅砂巖的化學損傷機制。

1 實 驗

文中選取四川省雅安市一處公路邊坡的紅砂巖為樣品，將其加工成高100 mm、直徑50 mm的標準試件，如圖1a所示。將每組(3個)紅砂巖試件浸泡在1.5 mol/L鹽酸溶液中，如圖1b所示，分別浸泡0、14、21和28 d。對鹽酸作用后的紅砂巖試件開展單軸壓縮實驗，采用位移控制加載，位移加載速率為0.01 mm/s。將壓縮破壞后的試件磨成粉末如圖1c所示，進行X衍射實驗。

圖1 紅砂巖試件Fig. 1 Red sandstone specimen

2 實驗結(jié)果分析

2.1 礦物質(zhì)成分

對鹽酸不同作用時間下的紅砂巖進行XRD衍射實驗。衍射實驗后紅砂巖衍射圖譜如圖2所示。鹽酸不同作用時間下的紅砂巖礦物成分質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 鹽酸作用不同時間后紅砂巖礦物質(zhì)含量變化

由圖2、表1可知，與鹽酸作用前相比，鹽酸作用時間為14、21和28 d時，紅砂巖中的伊利石質(zhì)量分數(shù)分別降低了16.4%、26.2%和38.3%，鈉長石分別降低了16.7%、22.7%和31.3%，鉀長石分別降低了7.8%、9.5%和11.5%。由此可知，隨著鹽酸作用時間的增加，紅砂巖中伊利石、鈉長石和鉀長石的礦物質(zhì)量分數(shù)逐漸降低，其中伊利石礦物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)變化大。

圖2 鹽酸作用下紅砂巖衍射圖像 Fig. 2 Diffraction image of red sandstone action of hydrochloric acid

2.2 力學特征

2.2.1 應力-應變曲線

鹽酸作用下紅砂巖應力-應變曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著鹽酸作用時間的增加，紅砂巖的單軸抗壓強度逐漸降低，應力-應變曲線中壓密階段曲線下凹程度越來越大，彈性階段的曲線斜率變小。

圖3 紅砂巖的應力-應變曲線Fig. 3 Stress-strain curves of red sandstone

2.2.2 單軸抗壓強度、彈性模型和泊松比

鹽酸作用下紅砂巖的力學參數(shù)見表2。圖4～6為紅砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量、泊松比隨鹽酸作用時間的變化曲線。由表2和圖4可知，與鹽酸作用前相比，鹽酸作用時間為14、21和28 d時，紅砂巖單軸抗壓強度分別降低了13.90%、23.31%和39.94%。紅砂巖的單軸抗壓強度隨著鹽酸作用時間的增加而降低。

表2 紅砂巖的力學參數(shù)

由表2和圖5可知，與鹽酸作用前相比，鹽酸作用時間為14、21和28 d時，紅砂巖彈性模量分別降低了10.04%、21.73%和39.39%。紅砂巖的彈性模量與作用時間呈三次多項式函數(shù)關系，隨著化學作用時間的增加,紅砂巖的彈性模量逐漸降低。

圖4 紅砂巖的單軸抗壓強度Fig. 4 Uniaxial compressive strength of red sandstone

圖5 紅砂巖的彈性模量Fig. 5 Elastic modulus of red sandstone

圖6 紅砂巖的泊松比Fig. 6 Poisson′s ratio of red sandstone

由表2和圖6可知，與鹽酸作用前相比，鹽酸作用時間為14、21和28 d時，紅砂巖的泊松比分別增加了6.17%、19.38%和24.67%。紅砂巖的泊松比與作用時間呈二次多項式函數(shù)關系，隨著鹽酸作用時間的增加，紅砂巖的泊松比逐漸增大。

2.2.3 破壞特征

鹽酸作用不同時間下紅砂巖單軸壓縮破壞形態(tài)如圖7所示。

圖7 紅砂巖單軸壓縮破壞形態(tài) Fig. 7 Uniaxial compression failure mode of red sandstone

由圖7可知，鹽酸作用前的紅砂巖單軸壓縮破壞時，破壞模式主要表現(xiàn)為劈裂破壞。鹽酸作用14 d后的紅砂巖試塊在軸向方向出現(xiàn)一條明顯的劈裂裂縫，且紅砂巖的底部局部區(qū)域出現(xiàn)崩裂，此時的破壞是劈裂破壞與底部崩裂破壞，是剪切破壞。鹽酸作用21 d的紅砂巖試塊表面呈現(xiàn)出多條裂縫，說明破壞模式以拉伸破壞為主?；瘜W作用28 d的紅砂巖試塊表面呈共軛斜面剪切破壞，軸向的側(cè)面出現(xiàn)環(huán)向破壞，且內(nèi)部也出現(xiàn)幾條剪切的裂縫，未脫落區(qū)域表面都出現(xiàn)幾條比較寬的裂縫，承受剪切的能力變?nèi)酢＞C上可知，隨著鹽酸化學作用時間的增加，試件中裂縫數(shù)量增加，破碎程度逐漸加劇。

3 損傷機制

3.1 強度預測模型

設化學作用后紅砂巖的強度為σc(t)，并且是可微函數(shù)，初始強度為σc0，則化學作用t天到(t+Δt)天后峰值強度的損失率為

(1)

式中，λ—單位時間內(nèi)的峰值強度損失率。

式(1)變化為

(2)

即

(3)

對式(3)積分，得

σc(t)=aσc0exp(-λt)，

(4)

式中，a——強度的修正系數(shù)。

結(jié)合圖4紅砂巖單軸抗壓強度和化學作用時間的擬合曲線，式(4)變?yōu)?/p>

σc=1.041σc0e-0.017 2t。

(5)

根據(jù)式(5)可以預測化學作用一定時間后的紅砂巖的強度，即為化學作用下紅砂巖的強度預測模型。

3.2 損傷變量

將紅砂巖的彈性模量作為損傷變量，以損傷力學理論為基礎，得出鹽酸作用下紅砂巖的損傷變量為

(6)

式中：D——鹽酸作用下紅砂巖的損傷變量；

E0——紅砂巖的基準損傷狀態(tài)；

Ed——紅砂巖化學損傷狀態(tài)的彈性模量。

圖8 單軸抗壓強度損傷變量Fig. 8 Damage variable of uniaxial compressive strength

結(jié)合實驗所測數(shù)據(jù)，按式( 6) 計算得到紅砂巖試件在鹽酸溶液不同天數(shù)浸泡腐蝕后相應的損傷變量D。由圖8可知，隨鹽酸作用時間的增加，紅砂巖的損傷變量不斷增大。鹽酸作用下紅砂巖的損傷演化規(guī)律與力學參數(shù)劣化規(guī)律大體一致，紅砂巖的損傷變量與化學作用時間呈二次函數(shù)關系。

D=0.000 5t2-0.000 2t+0.001 4。

(7)

3.3 損傷變量與強度的關系

結(jié)合所測數(shù)據(jù)，得到損傷參數(shù)D與紅砂巖強度之間的關系如圖9所示。由圖9可知，鹽酸作用下紅砂巖中的伊利石礦物不斷減小，紅砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生改變，引起試樣宏觀損傷，導致試樣強度不斷降低。鹽酸溶液對紅砂巖的腐蝕作用隨著腐蝕時間的加長，其積累效應會導致紅砂巖試樣宏觀上的強度降低。紅砂巖單軸抗壓強度和損傷變量之間的關系為

σ=42.578e-1.269 4D。

(8)

圖9 損傷變量和單軸抗壓強度的關系 Fig. 9 Relationship between damage variable and uniaxial compressive strength

當損傷變量達到最大時，即D=1，此時紅砂巖的單軸抗壓強度的最小值σmin=11.96 MPa,將σmin=11.96 MPa代入到式(5)中可以得到鹽酸作用時間t=76.57 d。由此可知，式(5)可預測鹽酸作用下紅砂巖強度的衰減規(guī)律，該紅砂巖強度預測模型具有一定的實用性。

3.4 影響機理

通過對紅砂巖X衍射實驗的結(jié)果分析可知，紅砂巖中的伊利石(K((Al4Si2O9)(OH)3)、鉀長石(K(AlSiO8))和鈉長石(Na(AlSi3O8))礦物質(zhì)含量隨著化學作用時間增加而減少。這是因為紅砂巖礦物質(zhì)在酸性溶液中發(fā)生化學反應：

K((Al4Si2O9)(OH)3)+ HCl→K++ Ai3++

H2SiO3+ H2O。

(9)

Na(AlSi3O8)+H2O+HCl→H2SiO3+Na++

Al3++Cl-。

(10)

K(AlSiO8)+HCl+H2O→K++Ai3++H2SiO3+Cl-。

(11)

由式(9)～(11)可以表明，紅砂巖中伊利石、鈉長石和鉀長石在酸性溶液發(fā)生化學反應，生成了易溶于水的礦物質(zhì)。使得紅砂巖中礦物質(zhì)成分減少，導致紅砂巖內(nèi)部孔隙不斷演化、擴展，生成裂紋。隨著化學作用時間增加，裂紋演化、貫通，破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整性，使得紅砂巖的抗壓強度降低。

4 結(jié) 論

(1)與鹽酸作用前相比，鹽酸作用時間為14、21和28 d時，紅砂巖中的伊利石質(zhì)量分數(shù)分別降低了16.4%、26.2%和38.3%，隨著鹽酸作用時間的增加，紅砂巖中伊利石、鈉長石和鉀長石的礦物質(zhì)量分數(shù)逐漸降低，其中伊利石礦物質(zhì)質(zhì)量分數(shù)降低較為明顯。

(2)隨著鹽酸作用時間的增加，紅砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量逐漸降低，泊松比逐步增加。單軸抗壓強度與鹽酸作用時間呈指數(shù)函數(shù)關系，彈性模量與鹽酸作用時間呈三次多項式函數(shù)關系，泊松比與鹽酸作用時間呈二次多項式函數(shù)關系。鹽酸作用時間增加的增長，紅砂巖單軸壓縮破碎程度加劇。

(3)以紅砂巖的峰值強度的損失率為基礎，推導了鹽酸作用下紅砂巖強度預測模型。以彈性模量為參數(shù)，建立了紅砂巖的損傷變量和單軸抗壓強度之間的關系，驗證了鹽酸作用下紅砂巖的單軸抗壓強度預測模型的有效性。