酸性干濕循環(huán)作用下紅砂巖物理力學(xué)性能劣化規(guī)律

張甘平 劉振寧 王魯男 張洺溪

【摘? ?要】? ?研究干濕循環(huán)與酸溶液耦合作用對(duì)紅砂巖物理力學(xué)性質(zhì)的影響，通過(guò)對(duì)紅砂巖試樣進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、掃描電鏡及礦物成分測(cè)試，研究不同干濕循環(huán)次數(shù)和溶液不同pH值下試樣的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)及礦物成分的變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加、溶液酸性的增強(qiáng)，試樣的質(zhì)量、縱波波速、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)差異性衰減的規(guī)律，微觀結(jié)構(gòu)更加紊亂，礦物成分含量發(fā)生改變，這是紅砂巖物理力學(xué)性能劣化的微觀機(jī)制。

【關(guān)鍵詞】? ?干濕循環(huán)作用；酸腐蝕作用；物理性質(zhì)；力學(xué)性質(zhì)；微觀機(jī)制

Study on the Deterioration in Physical and Mechanical Properties of Red Sandstone under Dry-wet Cycling in Acidic Environment

Zhang Ganping， Liu Zhenning， Wang lunan*， Zhang Mingxi

（Liaoning Petrochemical University， Fushun 113000， China）

【Abstract】? ? In order to study the coupling effects of dry-wet cycling and acid solution on the physical and mechanical properties of red sandstone， thedry-wet cycling tests， uniaxial compression tests， scanning electron microscopy and mineral composition tests were carried out to investigate the changes of physical and mechanical properties， microstructure and mineral composition of the specimens under differentdry-wet cycles and solution pH values. The results show that as thedry-wet cyclesand the acidity of the solution increase， the mass， longitudinal wave velocity， modulus of elasticity and uniaxial compressive strength of the specimens exhibit a differential decay pattern.Moreover， the microstructure becomes disordered and the mineral content changes.This is the microscopic mechanism for the deterioration in physical and mechanical properties of red sandstone.

【Key words】? ? ?dry-wet cycling; acid corrosion effect; physical properties; mechanical properties; microscopic mechanism

〔中圖分類號(hào)〕 TU45? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕 1674 - 3229（2023）01- 0070 - 05

0? ? ?引言

隨著我國(guó)工程建設(shè)的飛速發(fā)展，大型水工建筑物日漸增多，在為人們帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也對(duì)岸坡工程的穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn)。例如三峽庫(kù)區(qū)，水位常年在145～175m間反復(fù)升降，這種干濕交替會(huì)對(duì)庫(kù)岸邊坡巖體的物理力學(xué)性能產(chǎn)生劣化效應(yīng)［1］；同時(shí)，自然界中的水往往不是中性的，隨著酸雨、工業(yè)排污等問(wèn)題的加劇，水質(zhì)偏酸性。因此，庫(kù)岸邊坡巖體往往同時(shí)面臨著干濕循環(huán)交替與酸溶液腐蝕作用，產(chǎn)生耦合劣化效應(yīng)，其物理力學(xué)性能出現(xiàn)更大幅度的降低，易于誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害。因此，研究干濕循環(huán)與酸溶液耦合作用下巖石物理力學(xué)性能的劣化規(guī)律和機(jī)制至關(guān)重要。

巖石的峰值強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力及內(nèi)摩擦角等都隨干濕循環(huán)次數(shù)增加而逐漸降低［2］。劉新榮等［3］認(rèn)為砂巖經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后，其微小的孔隙度會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度的大幅度降低。崔凱等［4］發(fā)現(xiàn)賀蘭口巖畫(huà)載體變質(zhì)砂巖的質(zhì)量、縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變特征總體呈現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸差異性衰減的規(guī)律。上述研究巖石所處的干濕循環(huán)條件大多處于中性環(huán)境中，而實(shí)際情況是酸性或堿性的環(huán)境更為普遍。酸性干濕循環(huán)下，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角都隨循環(huán)次數(shù)的增加而降低，并且循環(huán)次數(shù)較小時(shí)劣化較為嚴(yán)重，而后呈緩和趨勢(shì)；pH值越低，劣化程度越嚴(yán)重［5-6］。申林方等［7］提出不同pH環(huán)境下玄武巖單軸抗壓強(qiáng)度均隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低，并且在酸性環(huán)境下劣化程度最大，中性次之，堿性最弱。傅晏等［8］發(fā)現(xiàn)砂巖隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加、pH值的減小，劣化程度趨于嚴(yán)重，劣化效應(yīng)由大至小依次為：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角。

現(xiàn)有研究大多集中在干濕循環(huán)單一條件下巖石物理力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)干濕循環(huán)和化學(xué)溶液耦合作用下巖石的劣化規(guī)律與機(jī)制研究鮮少涉及。本文以典型紅砂巖為研究對(duì)象，通過(guò)干濕循環(huán)試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、掃描電鏡及礦物成分測(cè)試，研究干濕循環(huán)與酸溶液耦合作用對(duì)紅砂巖的質(zhì)量、縱波波速、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度等物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)的影響，并揭示紅砂巖劣化的微觀機(jī)制。

1? ? ?材料與方法

1.1? ?試樣制備

潘家沱滑坡位于重慶市云陽(yáng)縣長(zhǎng)江沿岸，其穩(wěn)定性受庫(kù)水波動(dòng)的影響。在長(zhǎng)期干濕交替的環(huán)境中，滑坡巖體物理力學(xué)性能出現(xiàn)顯著劣化?；禄鶐r主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組（J2s）的紅砂巖，選其作為研究對(duì)象。采集后密封帶回室內(nèi)，利用水鉆、切割機(jī)、磨石機(jī)等將巖石制備成高10cm、直徑5cm的圓柱試樣。試樣制備好后，挑選外觀無(wú)缺陷的再進(jìn)行縱波波速篩選，從中挑出波速相近的試樣開(kāi)展后續(xù)的試驗(yàn)。

1.2? ?試驗(yàn)方法

使用蒸餾水和2mol/L的鹽酸溶液配置3種不同pH值的溶液（pH值分別為7、5、3），將試樣浸入制備好的溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)試驗(yàn)。參照規(guī)范中的方法［9］，先將所有加工好的試樣放在105℃的烘箱中干燥24h，冷卻1h后，采用自然浸水法，將試樣放入溶液中飽和24h，此為1次干濕循環(huán)。循環(huán)次數(shù)分別設(shè)定為0、10、20、30和40次，共5種。

在干濕循環(huán)過(guò)程中，通過(guò)相關(guān)物理性質(zhì)測(cè)試得到紅砂巖試樣的基本物理性質(zhì)參數(shù)；干濕循環(huán)后的試樣放入YAW-2000型單軸壓力試驗(yàn)機(jī)中，以0.05MPa/s的速率進(jìn)行加載，直至破壞。此外，對(duì)干濕循環(huán)后的試樣進(jìn)行電鏡掃描（SEM）及X射線衍射試驗(yàn)（XRD），以確定在不同干濕循環(huán)次數(shù)和pH值下試樣微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分的變化規(guī)律。

2? ? ?結(jié)果及分析

2.1? ?物理性質(zhì)變化

2.1.1? ?質(zhì)量變化

圖1給出了不同pH值溶液中紅砂巖試樣的質(zhì)量隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況。結(jié)果表明，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣質(zhì)量逐漸減小，并且下降的幅度與pH值有很大關(guān)系。在同一酸性環(huán)境下，干濕循環(huán)次數(shù)越多，試樣質(zhì)量損失就越大，以pH=3為例，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)分別為10、20、30、40 時(shí)，質(zhì)量損失率分別為1.72%、2.50%、3.08%、3.52%，說(shuō)明干濕循環(huán)對(duì)試樣的損傷是逐漸累積的。除了干濕循環(huán)次數(shù)，溶液pH值對(duì)試樣質(zhì)量也有顯著的影響。以n=20為例，當(dāng)溶液pH=7、5、3時(shí)，試樣質(zhì)量的損失率分別為1.69%、1.96%、2.50%，表明溶液的酸性越強(qiáng)，試樣質(zhì)量下降的幅度越大。

2.1.2? ? 縱波波速變化

圖2給出了不同pH值溶液下紅砂巖試樣的縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化情況。結(jié)果表明，試樣縱波波速隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸下降，且下降的速度先快后慢，表現(xiàn)出與質(zhì)量損失率相同的階段性。以pH=3為例，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)分別為10、20、30、40時(shí)，試樣縱波波速下降，且縱波波速損失率逐漸增加，分別為11.12%、16.48%、20.19%、21.31%。波速下降表明干濕循環(huán)可以促進(jìn)巖石中孔隙或裂隙的發(fā)育。在相同的干濕循環(huán)次數(shù)下，溶液pH值越小，試樣縱波波速下降的幅度越大。以n=20為例，當(dāng)溶液pH=7、5、3時(shí)，試樣縱波波速的損失率分別為12.72%、14.92%、16.48%。在整個(gè)干濕循環(huán)周期內(nèi)，試樣在不同pH值溶液下縱波波速損失率的變化過(guò)程與質(zhì)量損失率基本一致。

2.2? ?力學(xué)性質(zhì)變化

通過(guò)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以得到紅砂巖試樣在不同條件下的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度［10］，結(jié)果如表1所示。

由表1可知：（1）隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其彈性模量逐漸降低，單軸抗壓強(qiáng)度也在不斷減小。以pH=3為例，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)分別為10、20、30、40時(shí)，試樣的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度下降，而彈性模量變化率以及單軸抗壓強(qiáng)度變化率逐漸增加，彈性模量分別降低了38.56%、47.46%、58.72%、66.28%；單軸抗壓強(qiáng)度分別降低了19.97%、27.28%、35.96%、41.43%。（2）干濕循環(huán)作用對(duì)紅砂巖造成的損傷是漸進(jìn)的。以pH=7為例，經(jīng)過(guò)10次干濕循環(huán)后，彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度下降幅度較大，分別達(dá)到 32.23%與13.66%。干濕交替循環(huán)20次后，彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度分別下降了 33.83%與18.81%，可見(jiàn)干濕循環(huán)作用對(duì)紅砂巖的彈性模量的影響要大于單軸抗壓強(qiáng)度。（3）在pH=3溶液中干濕循環(huán)作用后的紅砂巖試樣的彈性模量明顯低于pH=7的蒸餾水及pH=5溶液中的彈性模具，單軸抗壓強(qiáng)度也是如此。（4）溶液的酸性越強(qiáng)，紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)弱化幅度越大一些。干濕循環(huán)20次后，pH=7、pH=5與pH=3溶液浸泡的紅砂巖彈性模量下降幅度都較大，分別為33.83%、40.84%、47.46%；單軸抗壓強(qiáng)度也分別下降了18.81%、22.99%、27.28%。從各階段的劣化程度來(lái)看，隨著干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加，酸性溶液對(duì)紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)劣化程度要大于中性溶液。

3? ? ?微觀機(jī)制分析

3.1? ?微觀結(jié)構(gòu)變化

圖3為pH = 3溶液中不同干濕循環(huán)次數(shù)作用后的紅砂巖試樣SEM圖像。試樣未經(jīng)歷干濕循環(huán)作用時(shí)，具有緊密的結(jié)構(gòu)，少有裂隙，如圖3（a）所示；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣顆粒趨于片狀化，表面孔隙數(shù)量明顯增加，結(jié)構(gòu)趨于松散，微裂紋也逐漸發(fā)育，如圖3（b）所示；當(dāng)干濕循環(huán)40次時(shí)，試樣的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)形態(tài)與初始狀態(tài)相比已發(fā)生了本質(zhì)的變化，如圖3（c）所示，此時(shí)紅砂巖試樣顆?；救繛槠瑺?，微觀結(jié)構(gòu)變得松散、多孔，較大孔隙的數(shù)量增加，微裂隙發(fā)育的更長(zhǎng)、更寬。

圖4為pH = 5和pH = 7溶液下不同干濕循環(huán)次數(shù)作用后的紅砂巖試樣SEM圖像?？傮w上，試樣的微觀結(jié)構(gòu)從整潔而密集逐漸變化到紊亂無(wú)章。當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)為0次時(shí)，試樣顆粒分布均勻，結(jié)構(gòu)致密，如圖4（a）、（c）所示。在經(jīng)歷干濕循環(huán)作用后，試樣表面的微觀結(jié)構(gòu)不再密集和均勻，顆粒形狀逐漸發(fā)展為無(wú)序的絮狀形態(tài)，并且發(fā)生了大量沉淀現(xiàn)象，孔隙度不斷增加，如圖4（b）、（d）所示。圖3和圖4相比較可知，紅砂巖試樣在pH=5溶液下微觀結(jié)構(gòu)的劣化程度要低于pH=3的溶液，而pH=7溶液下試樣的劣化程度最低。由此可知，溶液的酸性越強(qiáng)，對(duì)紅砂巖試樣的侵蝕作用越大，沉淀現(xiàn)象越明顯，試樣的微觀結(jié)構(gòu)越紊亂。

3.2? ?礦物成分變化

圖5的柱狀圖顯示了紅砂巖試樣在經(jīng)歷不同次數(shù)干濕循環(huán)作用后的礦物相對(duì)含量。從圖5中可以看出，石英是紅砂巖最豐富的組成部分。在pH值為7的溶液中干濕循環(huán)作用后，試樣中的長(zhǎng)石和方解石均出現(xiàn)減少現(xiàn)象，且隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，長(zhǎng)石的相對(duì)含量最終減少了5.2%，方解石減少了8.9%。長(zhǎng)石主要成分是鋁硅酸鹽，可以與水分子發(fā)生水解作用形成偏鋁酸而溶出；而石英和黏土礦物均出現(xiàn)增加現(xiàn)象，但總體變化不明顯［4］。在pH值為5的酸性溶液中干濕循環(huán)作用后，試樣中長(zhǎng)石和方解石的減少現(xiàn)象比蒸餾水中明顯，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，長(zhǎng)石的相對(duì)含量最終減少了8.9%，方解石減少了23.2%；石英和黏土礦物的相對(duì)含量在逐步提高。在pH值為3的酸性溶液中干濕循環(huán)作用后，試樣中的長(zhǎng)石和方解石相對(duì)含量快速減少，在最終經(jīng)歷40次循環(huán)后，長(zhǎng)石的相對(duì)含量減少了17.1%，方解石減少了29.1%；石英和黏土礦物相對(duì)含量的增加愈發(fā)明顯。

紅砂巖在干濕交替的反復(fù)作用下，水分子在原生微裂隙中不斷地溶蝕，造成裂隙不斷擴(kuò)大，并形成新的裂縫和孔隙。當(dāng)紅砂巖在酸性溶液中反復(fù)浸泡后，長(zhǎng)石表面的陽(yáng)離子與H+發(fā)生置換反應(yīng)，導(dǎo)致長(zhǎng)石中的K+、Ca2+等從其骨架中離析出來(lái)；方解石在酸性溶液中，也會(huì)與H+發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使方解石的相對(duì)含量降低；而石英的性質(zhì)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，在酸性溶液中幾乎不發(fā)生反應(yīng)［11］。紅砂巖里的膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生溶解，降低了試樣內(nèi)部顆粒之間的凝聚力和摩擦力，造成原生裂隙不斷擴(kuò)大，并且形成新的裂縫和孔隙。隨著溶液pH值的減小，紅砂巖的損傷劣化程度越來(lái)越大。在微觀上表現(xiàn)為試樣內(nèi)部礦物成分的改變，反映到宏觀上，則表現(xiàn)為紅砂巖試樣的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)等都不斷降低。

4? ? ?結(jié)論

（1）紅砂巖試樣質(zhì)量、縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量均呈現(xiàn)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加、溶液酸性的增強(qiáng)而逐漸差異性衰減的規(guī)律。

（2）在微觀結(jié)構(gòu)方面，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加、溶液的酸性的增強(qiáng)，對(duì)紅砂巖試樣的侵蝕作用越大，沉淀現(xiàn)象越明顯，微觀結(jié)構(gòu)越紊亂；在微觀物質(zhì)方面，在干濕循環(huán)作用下，試樣內(nèi)部方解石和長(zhǎng)石的含量降低，并隨溶液pH值的減小，其方解石和長(zhǎng)石的含量下降程度越來(lái)越大。

（3）在干濕循環(huán)作用下，水分子在原生裂隙中不斷溶蝕，造成裂隙不斷擴(kuò)大，形成新的裂縫和孔隙；且隨著溶液pH值的減小，紅砂巖內(nèi)部的礦物成分與酸性溶液中的氫離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成紅砂巖被進(jìn)一步地侵蝕，這是紅砂巖物理力學(xué)性能劣化的微觀機(jī)制。

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