受酸腐蝕花崗巖反復(fù)加卸載后力學(xué)性能研究

郭立軍

（中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

近些年來，由于工業(yè)化的迅速發(fā)展，引起環(huán)境污染等問題，酸雨等時(shí)有發(fā)生。在地下工程施工過程中，也常常面臨著酸性環(huán)境。因此，許多學(xué)者針對(duì)酸性環(huán)境對(duì)巖石的化學(xué)、物理及力學(xué)影響開展了較多研究。王子娟等［1］針對(duì)酸堿性環(huán)境下的巖石采用三軸壓縮試驗(yàn)進(jìn)行了相關(guān)的研究。劉永勝等［2］通過對(duì)大理巖和砂巖進(jìn)行酸腐蝕試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)大理巖的表面變化特征和質(zhì)量變化率都比砂巖明顯，化學(xué)反應(yīng)主要集中在前期階段。Hutchinson 等［3］利用HCl溶液、HNO3溶液、H2SO4溶液和堿性鹽溶液來模擬酸雨工況對(duì)巖石的腐蝕影響，發(fā)現(xiàn)在酸性溶液中H+離子的濃度對(duì)巖石的表面溶解和侵蝕起到了關(guān)鍵作用，在堿性鹽溶液下，基本上不發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。對(duì)于水化學(xué)巖石的物理及力學(xué)特性多以酸堿對(duì)比為主［4］，但是酸環(huán)境更加貼合工程建設(shè)環(huán)境［2］。而對(duì)于酸環(huán)境下巖體受力情況，大多數(shù)研究只考慮了單次受荷載的情況［5-6］，在地下工程施工中，巖體會(huì)經(jīng)常受到反復(fù)加卸荷的作用［7］，因此開展受酸腐蝕巖石反復(fù)加卸載的研究是十分有必要的。

荷載改變巖體結(jié)構(gòu)特征引起其結(jié)構(gòu)性能劣化常用損傷來表述。對(duì)此相關(guān)學(xué)者也做了相應(yīng)的研究?；魸?rùn)科等［8-9］開展了砂巖在酸性條件下的物理化學(xué)及力學(xué)性能的試驗(yàn)研究，分析了砂巖在受酸腐蝕后的損傷特性，建立了相應(yīng)的分析模型和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型。陳四利等［10］對(duì)不同巖石進(jìn)行化學(xué)腐蝕后力學(xué)特性系統(tǒng)性的試驗(yàn)研究及分析，利用顯微鏡、CT 掃描等技術(shù)手段研究得出了化學(xué)腐蝕下巖石的動(dòng)態(tài)破裂特征和演化規(guī)律，建立了損傷演化變量及化學(xué)損傷的本構(gòu)模型。丁梧秀等［11-12］對(duì)完整巖石和裂隙巖石分別進(jìn)行了不同水化學(xué)溶液的腐蝕試驗(yàn)，分析了不同流速情況下巖石的損傷效應(yīng)。

本研究利用巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)受酸腐蝕的花崗巖進(jìn)行了反復(fù)加卸載試驗(yàn)。對(duì)其破壞形式進(jìn)行研究，針對(duì)pH 值、腐蝕時(shí)間、加載次數(shù)和花崗巖的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)采用的試樣取自我國(guó)酸雨較發(fā)育地區(qū)，花崗巖產(chǎn)自河南省駐馬店市，質(zhì)地均勻，堅(jiān)硬密實(shí)。試樣的切割打磨均委托湖南瀏陽市某巖石加工廠完成，依據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）推薦標(biāo)準(zhǔn)，將試樣切割打磨成高100 mm、直徑50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方案

本研究對(duì)花崗巖進(jìn)行酸腐蝕試驗(yàn)：分別配置pH=2 和pH=4 的H2SO4溶液以及pH=7 的蒸餾水溶液，化學(xué)腐蝕10 d、20 d 和30 d 后對(duì)花崗巖進(jìn)行反復(fù)加卸載試驗(yàn)，加載系統(tǒng)采用長(zhǎng)春展拓ZTRE-210型微機(jī)控制巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)，負(fù)荷控制加載速率為500 N/s。加載的負(fù)荷—時(shí)間關(guān)系如圖1 所示?；◢弾r第一次加載目標(biāo)負(fù)荷為20 kN，然后卸載至1 kN，隨后每次加載目標(biāo)負(fù)荷比前一個(gè)遞增20 kN，每次卸載負(fù)荷均為20 kN，反復(fù)加卸載直至試樣破壞。

圖1 花崗巖反復(fù)加卸載負(fù)荷—時(shí)間關(guān)系

反復(fù)加卸載過程中不同狀態(tài)下花崗巖破壞形態(tài)如圖2 所示。反復(fù)加卸載條件下花崗巖均保持了較高的巖石完整性，只有少數(shù)巖石下端有較多碎屑剝落，并且數(shù)量遠(yuǎn)小于單軸壓縮產(chǎn)生的碎屑。這是因?yàn)樵诩有遁d過程中花崗巖內(nèi)部裂隙通過壓密后，再經(jīng)過卸載階段，各裂隙間經(jīng)歷擴(kuò)容后又再次被壓密，碎屑得以填充裂隙，導(dǎo)致試樣在破壞時(shí)仍保持了較高的完整性。自然狀態(tài)下的花崗巖以剪切破壞為主。經(jīng)過pH=7 的水溶液浸泡后，花崗巖試樣表現(xiàn)為劈裂破壞。被酸性溶液侵蝕后的花崗巖試樣，破壞形態(tài)與水溶液浸泡后一致。但不同的是剪切裂紋變得更大。這是因?yàn)榻?jīng)過水化學(xué)溶液腐蝕后，花崗巖內(nèi)部原生孔隙得以擴(kuò)展，次生微裂紋數(shù)量增多，在加載和卸載的過程中，這些裂紋和孔隙經(jīng)過壓密，內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，再次加載時(shí)導(dǎo)致次生裂紋擴(kuò)展速度更快，因此破壞形態(tài)較單軸壓縮發(fā)生改變。

圖2 反復(fù)加卸載作用下花崗巖破壞形態(tài)

2 反復(fù)加卸載條件下受酸腐蝕巖石變形與強(qiáng)度特征分析

2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析

反復(fù)加卸載作用下花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。其較單軸壓縮曲線變化較大，說明反復(fù)加卸載這種加載方案對(duì)試樣裂紋的發(fā)育起到了促進(jìn)作用。從圖3 可以看出經(jīng)過水化學(xué)溶液腐蝕后，花崗巖應(yīng)力—應(yīng)變曲線較自然狀態(tài)巖樣變得更加平緩，巖石由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄?。被弱酸腐蝕10 d的巖樣，其劣化程度較其他巖樣并不突出。說明在酸腐蝕初始階段，巖樣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，由于這種反應(yīng)抑制了內(nèi)部孔隙的發(fā)展，隨著浸泡時(shí)間的變長(zhǎng)，溶液中反應(yīng)停止，由水溶液占主導(dǎo)作用，因此內(nèi)部孔隙再次擴(kuò)展。綜上可知，花崗巖經(jīng)過反復(fù)加卸載和水化學(xué)溶液腐蝕耦合作用下，巖樣內(nèi)部裂紋劣化更加明顯。

圖3 花崗巖應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

2.2 變形特征分析

花崗巖反復(fù)加卸載階段每個(gè)加載次數(shù)的軸向應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。從圖4中可以看出經(jīng)過水化學(xué)溶液浸泡后的花崗巖最大軸向應(yīng)變均比自然狀態(tài)要大，而且隨著加載次數(shù)的增長(zhǎng)，軸向應(yīng)變呈直線上升，并且在第6次加載至第7次加載時(shí)，軸向應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率達(dá)到最大。水化學(xué)溶液浸泡腐蝕花崗巖各腐蝕階段峰值應(yīng)變劣化規(guī)律如圖5 所示。自然狀態(tài)下花崗巖峰值應(yīng)力為12.21×10-4，三種水化學(xué)溶液浸泡10 d 后，峰值應(yīng)變分別上升至25.73×10-4（pH=7）、18.94×10-4（pH=4）和26.66×10-4（pH=2），上升幅度分別為110.73%、55.12%和118.35%。說明在腐蝕前期水化學(xué)溶液對(duì)花崗巖的變形影響非常大。隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，經(jīng)強(qiáng)酸和蒸餾水溶液處理巖樣峰值輕度基本保持不變，而被弱酸處理的巖樣應(yīng)變劣化速率仍保持不變，繼續(xù)增長(zhǎng)。說明花崗巖與不同水化學(xué)溶液發(fā)生反應(yīng)主要集中在浸泡前期。

圖4 花崗巖軸向應(yīng)變與加卸載次數(shù)關(guān)系

圖5 花崗巖峰值應(yīng)變劣化規(guī)律

2.3 強(qiáng)度特征分析

花崗巖峰值應(yīng)力劣化規(guī)律如圖6 所示。從圖6（a）中可以看出花崗巖在蒸餾水環(huán)境下強(qiáng)度劣化最為明顯，浸泡時(shí)間越長(zhǎng)強(qiáng)度越低。在弱酸環(huán)境下，花崗巖峰值應(yīng)力在前20 d內(nèi)呈直線下降，最高降幅達(dá)到10.68%，當(dāng)腐蝕時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)，花崗巖強(qiáng)度有小幅上升。這是因?yàn)榱蛩嵩诨◢弾r里面反應(yīng)后的生成物成了膠結(jié)鍵，提高了承載力。而在強(qiáng)酸性環(huán)境下，反應(yīng)后還有多余的硫酸根離子和氫離子，導(dǎo)致后續(xù)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，反應(yīng)生成物繼續(xù)分解，所以承載力降低。從圖6（b）中可以發(fā)現(xiàn)，在蒸餾水和弱酸條件下，花崗巖強(qiáng)度劣化特征最為明顯。綜上所述，不同的加載方式對(duì)花崗巖內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展產(chǎn)生影響，導(dǎo)致了花崗巖強(qiáng)度的降低。在不同水化學(xué)溶液的浸泡腐蝕下，花崗巖強(qiáng)度整體呈現(xiàn)劣化趨勢(shì)，其中對(duì)巖樣強(qiáng)度影響最為明顯的是腐蝕30 d且pH=7 的蒸餾水環(huán)境，說明在酸性環(huán)境下，試樣發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對(duì)其強(qiáng)度劣化有一定的影響，但其影響遠(yuǎn)小于蒸餾水溶液。

圖6 花崗巖峰值應(yīng)力劣化規(guī)律

3 結(jié)論

①在水化學(xué)溶液腐蝕和反復(fù)加卸載耦合作用下，花崗巖試樣隨著腐蝕作用的變強(qiáng)，花崗巖破壞形態(tài)由剪切破壞向劈裂破壞轉(zhuǎn)變，且破壞形態(tài)保持較高的完整性。在水化學(xué)溶液腐蝕和反復(fù)加卸載耦合作用下，花崗巖試樣由脆性向塑性轉(zhuǎn)化較為明顯。

②反復(fù)加卸載作用下，花崗巖的軸向應(yīng)變的軸向應(yīng)力隨加載次數(shù)的增加逐漸增大。在經(jīng)過水化學(xué)溶液腐蝕耦合作用下，花崗巖隨著水溶液pH 值的減小，其峰值抗壓強(qiáng)度并沒有減小，反而小幅上升。在弱酸環(huán)境下，當(dāng)腐蝕時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)，花崗巖強(qiáng)度也小幅上升。