硫酸鹽侵蝕下砂巖縱波波速及孔隙結(jié)構(gòu)表征試驗(yàn)研究

李民 LI Min

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，濟(jì)南 250000）

0 引言

水巖侵蝕作用是地球上存在的一種基本的物理化學(xué)現(xiàn)象，巖石在溶液的長(zhǎng)期侵蝕下，不但造成巖石內(nèi)部化學(xué)元素的改變，還會(huì)對(duì)巖石內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)造成影響。外在環(huán)境的差異往往會(huì)對(duì)巖石性能造成很大的影響，研究發(fā)現(xiàn)水巖間的干濕循環(huán)侵蝕會(huì)降低巖石本身強(qiáng)度[1]，從而引起巖體結(jié)構(gòu)的破壞；朱朝輝等[2]對(duì)不同含水率的砂巖試件進(jìn)行巴西劈裂試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件在不同含水率下的強(qiáng)度劣化規(guī)律；袁璞等[3]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著砂巖所處溶液pH 值的降低，試件縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度隨之減小，砂巖試件劣化程度增加；王來(lái)貴等[4]對(duì)不同溶液環(huán)境下長(zhǎng)石砂巖性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)Na2SO4溶液環(huán)境下石砂巖縱波波速、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)都將減小；王魯男、俞縉等[5-6]對(duì)不同溶液浸泡下的粉砂巖進(jìn)行物理性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)侵蝕下粉砂巖強(qiáng)度的衰減規(guī)律，并建立了強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型。溶液侵蝕會(huì)對(duì)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性能造成很大影響，從而降低其安全耐久性，我國(guó)海域遼闊，海岸線眾多，海水中含有大量硫酸鹽，沿海一帶的巖石不斷經(jīng)受著硫酸根離子的侵蝕，研究表明硫酸鹽溶液對(duì)眾多巖石材料性能有著巨大影響，韓鐵林等[7]對(duì)砂巖在不同水化學(xué)溶液腐蝕下的力學(xué)性能進(jìn)行研究，試驗(yàn)表明硫酸鹽溶液濃度越大，砂巖試件劣化程度越大；張萌[8]在硫酸鹽腐蝕對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)特征影響的研究中發(fā)現(xiàn)硫酸鹽腐蝕作用使得材料內(nèi)部小孔隙、中孔隙逐漸擴(kuò)張成相互連通裂隙，增強(qiáng)試件損傷程度。鹽溶液侵蝕下巖石自身結(jié)構(gòu)及性能均會(huì)發(fā)生變化，侵蝕巖體宏觀力學(xué)性能的變化是由微觀結(jié)構(gòu)變化所引起的，而確定鹽侵蝕巖體力學(xué)性能變化規(guī)律對(duì)沿海工程建設(shè)項(xiàng)目安全建設(shè)至關(guān)重要，因此探究硫酸鹽侵蝕巖體微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律對(duì)沿海工程項(xiàng)目制定安全高效施工方案具有指導(dǎo)意義。

本文以砂巖試件為研究對(duì)象，對(duì)砂巖在不同濃度（0%、5%、10%、15%）硫酸鈉溶液進(jìn)行不同齡期（0d、30d、60d、90d、150d）的侵蝕試驗(yàn)，研究侵蝕時(shí)間、硫酸根離子濃度對(duì)砂巖試件的縱波波速、孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙率微觀參數(shù)的影響規(guī)律，研究成果可為沿海鹽侵蝕地區(qū)工程項(xiàng)目實(shí)施方案的確定提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)流程

試驗(yàn)選用砂巖來(lái)自于安徽省淮南市丁集礦的細(xì)顆粒砂巖，埋深為678m，呈灰白色，試塊選用同一巖層，且垂直于節(jié)理面，巖塊表面完整無(wú)裂紋。根據(jù)相關(guān)規(guī)范將試件加工成Φ50×100mm 的標(biāo)準(zhǔn)試件，試件兩端不平整度在0.05mm 以內(nèi)，將加工完成的砂巖試件利用非金屬超聲波檢測(cè)儀進(jìn)行試件縱波波速的測(cè)量，剔除波速差異較大的試件，每組選取3 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，共選用51 個(gè)砂巖試件，標(biāo)準(zhǔn)試件如圖1 所示。

1.2 試驗(yàn)流程

將砂巖試件放置于烘干箱內(nèi)12h，取出試件置于干燥箱內(nèi)冷卻至室溫，再將試件分別置于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、5%、10%與15%硫酸鈉溶液對(duì)砂巖試件進(jìn)行為期30d、60d、90d、150d 侵蝕，侵蝕試驗(yàn)結(jié)束后將試件再次烘干并冷卻至室溫，對(duì)侵蝕試件進(jìn)行縱波波速的測(cè)量；核磁共振（NMR）試驗(yàn)采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產(chǎn)的MesoMR23-060V-1 型核磁共振儀對(duì)試件T2譜分布、孔徑分布等特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試件縱波波速的變化規(guī)律

利用超聲波技術(shù)對(duì)巖石類(lèi)非金屬材料進(jìn)行波速測(cè)量時(shí)，當(dāng)試件內(nèi)部材質(zhì)結(jié)構(gòu)保持一致時(shí)，其縱波波速應(yīng)基本一致，而材料內(nèi)部存在著裂縫、孔隙、斷層及材質(zhì)不均勻時(shí)，超聲波會(huì)在試件內(nèi)部缺陷處及分界處發(fā)生各種反射、折射、透射與繞射，從而使得所測(cè)得的聲學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。侵蝕時(shí)間與試件縱波波速間的關(guān)系結(jié)果如圖2 所示，得到縱波波速與侵蝕時(shí)間之間關(guān)系如式（1）。

圖2 縱波波速與侵蝕時(shí)間的關(guān)系

由式（1）和圖2 可知，相同濃度硫酸鹽溶液下，砂巖試件縱波波速隨著侵蝕時(shí)間的增大而降低，硫酸鹽濃度為0%，侵蝕時(shí)間為30d、60d、90d、150d 時(shí)試件縱波波速降幅分別為5.0%、6.8%、8.1%、8.4%，降幅逐漸減??；相同侵蝕時(shí)間下，隨著硫酸鹽溶液濃度的增大，砂巖試件縱波波速整體呈下降趨勢(shì)。分析原因：砂巖試件長(zhǎng)期浸泡于水中，水對(duì)砂巖起到軟化與溶解的作用，部分材料溶于水中，當(dāng)水分蒸發(fā)時(shí)部分溶質(zhì)隨水分外流，試件內(nèi)部孔隙增大[7]，彈性波在砂巖試件傳導(dǎo)過(guò)程中遇到裂紋孔隙會(huì)出現(xiàn)反射、折射、繞射，宏觀上表現(xiàn)為彈性波傳播路徑變長(zhǎng)和波速的顯著降低，試件縱波波速隨之減小。相較于水硫酸鹽溶液中硫酸根離子能與砂巖反應(yīng)，對(duì)砂巖侵蝕性更高，試件劣化程度更大，試件縱波波速隨硫酸鹽濃度的增大而減小，當(dāng)硫酸鹽濃度達(dá)到一定時(shí)，硫酸鹽濃度的增加對(duì)試件縱波波速影響將不再明顯。

2.2 NMR 試驗(yàn)結(jié)果與分析

核磁共振技術(shù)可在對(duì)試件損傷程度較小的情況下利用T2圖譜準(zhǔn)確地反映出試件內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)分布，T2圖譜中橫坐標(biāo)代表孔徑大小，波峰面積代表孔隙數(shù)目，馳豫時(shí)間T2越大，孔隙半徑越大，弛豫時(shí)間和孔隙尺寸可用式（2）表示。

式中：ρ 為材料弛豫強(qiáng)度；S 為孔隙表面積；V 為孔隙體積。

0%硫酸鈉溶液中不同侵蝕時(shí)間下砂巖試件T2圖譜如圖3 所示，不同濃度硫酸鈉溶液下侵蝕60d 時(shí)試件T2圖譜如圖4 所示。由圖3、圖4 可知侵蝕作用下砂巖試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，不同侵蝕時(shí)間下砂巖試件的T2圖譜分布曲線均呈三峰型，隨著溶液侵蝕時(shí)間的增加，T2圖譜峰值增大且向右偏移，相較于普通砂巖試件，侵蝕30d、60d、90d、150d 主峰峰值分別升高17.6%、25.9%、31.8%、37.6%，表明隨著侵蝕時(shí)間的增加試件內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，孔徑變大，試件內(nèi)部孔隙率增大，侵蝕時(shí)間越長(zhǎng)，砂巖損傷程度越大。由圖4 可知隨著硫酸鈉溶液濃度增加，T2圖譜峰值增大，但增幅明顯降低，當(dāng)溶液濃度超過(guò)5%后峰值增幅不再明顯，說(shuō)明隨著硫酸鈉溶液濃度的增加試件孔隙直徑增大，孔隙率增加。為進(jìn)一步研究試件內(nèi)部不同孔徑孔隙在總孔隙中的占比，對(duì)不同干濕循環(huán)次數(shù)下砂巖試件不同孔徑孔隙占比進(jìn)行計(jì)算。

圖3 0%硫酸鹽溶液不同侵蝕時(shí)間下試件T2 圖譜

圖4 侵蝕60d 不同硫酸鹽濃度下試件T2 圖譜

將侵蝕砂巖試件孔徑劃分成微孔（R≤0.01μm）、小孔（0.01μm＜R≤0.1μm）、中孔（0.1μm≤R≤1μm）、大孔（R＞1μm）4 個(gè)區(qū)間，孔徑劃分區(qū)間如圖5 所示。根據(jù)孔徑劃分方法可求出侵蝕砂巖各孔徑分布規(guī)律，如圖6 所示。

圖5 砂巖試件內(nèi)部孔徑劃分

圖6 砂巖試件內(nèi)部孔隙分布規(guī)律

由圖6 可知砂巖內(nèi)部孔隙分布主要以微孔、小孔為主，隨著侵蝕時(shí)間的增加，試件內(nèi)部微孔所占比例降低，小孔占比明顯增高，硫酸鈉溶液濃度為0%時(shí)侵蝕30d、60d、90d、150d 試件微孔占比降低22.1%、28.8%、30.8%、31.6%，小孔占比增加了41.9%、54.4%、56.2%、56.5%；不同硫酸鹽濃度侵蝕下砂巖試件呈現(xiàn)相同規(guī)律，試件內(nèi)部微孔占比減少，小孔占比增加，中孔、大孔占比變化不大。這是由于侵蝕時(shí)間增長(zhǎng)與硫酸鹽濃度的增大都會(huì)增大對(duì)砂巖試件的侵蝕，增大試件內(nèi)部孔隙直徑，增加孔隙率，使微孔向小孔轉(zhuǎn)化，中孔大孔數(shù)目也會(huì)增加，但試件本身總孔隙率也會(huì)變大，因此中孔、大孔占總孔隙率比例變化不大。

3 結(jié)論

①相同硫酸鹽濃度下隨著侵蝕時(shí)間的增大，砂巖試件縱波波速隨之降低，兩者呈良好的對(duì)數(shù)關(guān)系；相同侵蝕時(shí)間下，隨著硫酸鹽溶液濃度的增大，砂巖試件縱波波速整體呈下降趨勢(shì)，試件劣化程度增加。②砂巖試件的T2圖譜分布曲線均呈三峰型，隨著溶液侵蝕時(shí)間的增加，T2圖譜峰值增大且向右偏移，隨著侵蝕時(shí)間的增加試件內(nèi)部孔隙數(shù)量增加，孔徑變大，試件內(nèi)部孔隙率增大，侵蝕時(shí)間越長(zhǎng)，砂巖損傷程度越大。③砂巖內(nèi)部孔隙分布主要以微孔、小孔為主，隨著侵蝕時(shí)間的增加，試件內(nèi)部微孔所占比例降低，小孔占比明顯增高，試件內(nèi)部微孔占比減少，小孔占比增加，侵蝕時(shí)間增長(zhǎng)與硫酸鹽濃度的增大都會(huì)增大對(duì)砂巖試件的侵蝕，增大試件內(nèi)部孔隙直徑，增加孔隙率，使微孔向小孔轉(zhuǎn)化。