王偉,劉桃根,李雪浩,王如賓,徐衛(wèi)亞
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化學(xué)腐蝕下花崗巖三軸壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)
王偉1, 2,劉桃根1, 2,李雪浩1, 2,王如賓1, 2,徐衛(wèi)亞1, 2
(1. 河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京,210098;2. 河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所,江蘇南京,210098)
利用巖石三軸測(cè)試系統(tǒng)對(duì)3種不同pH化學(xué)溶液浸泡后的花崗巖進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn),探討不同pH化學(xué)溶液對(duì)花崗巖力學(xué)特性的腐蝕效應(yīng),獲得不同化學(xué)溶液對(duì)花崗巖強(qiáng)度和變形特性的影響規(guī)律。并通過測(cè)量3種溶液浸泡過程中各溶液的pH變化以及浸泡巖樣的質(zhì)量變化分析化學(xué)溶液對(duì)巖石的腐蝕程度。研究結(jié)果表明:不同pH化學(xué)溶液對(duì)花崗巖力學(xué)性質(zhì)的影響不同,pH為10溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強(qiáng)度最高,pH為13溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強(qiáng)度次之,pH為7溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強(qiáng)度最低,且花崗巖的凝聚力隨差浸泡溶液的pH增加而增加,而內(nèi)摩擦角隨著pH增加而減少,并進(jìn)一步分析化學(xué)溶液對(duì)花崗巖強(qiáng)度的腐蝕機(jī)理。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果可為構(gòu)建花崗巖化學(xué)腐蝕條件下本構(gòu)模型提供重要的試驗(yàn)資料。
花崗巖;化學(xué)腐蝕;三軸壓縮試驗(yàn);應(yīng)力?應(yīng)變曲線;腐蝕機(jī)理
巖石的物理力學(xué)性質(zhì)除了與應(yīng)力條件、自身結(jié)構(gòu)成分有關(guān),巖石賦存環(huán)境也是重要的影響因素。水溶液環(huán)境對(duì)巖石變形力學(xué)特性影響很大。對(duì)于水溶液環(huán)境存在時(shí),巖石力學(xué)特性不僅需要考慮附加外荷載引起的孔隙水壓力及水溶液的軟化弱化作用,還需要考慮水化學(xué)溶液與巖石之間的水?巖化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的巖石結(jié)構(gòu)及礦物成分的變化。水巖相互作用即水巖反應(yīng),一般是指水溶液與巖石(巖體)之間的相互作用,一方面改變著巖石的物理、化學(xué)及力學(xué)性質(zhì),另一方面也改變著地下水自身的特性?;瘜W(xué)腐蝕下裂隙巖石的室內(nèi)試驗(yàn)表明,水巖相互作用對(duì)裂隙巖石裂紋搭接方式、破壞形式以及強(qiáng)度損傷變形特性產(chǎn)生影響[1?4]。對(duì)水巖相互作用下巖石單軸瞬時(shí)強(qiáng)度[5?8],以及巖石內(nèi)部微細(xì)觀結(jié)構(gòu)、模量、蠕變特性[9?11],腐蝕機(jī)理[12?14]等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。一些學(xué)者通過研究水相及基質(zhì)相中鈣離子濃度的變化,研究水化學(xué)溶液對(duì)水泥膠結(jié)類材料的力學(xué)強(qiáng)度及變形特性的影響效應(yīng),初步分析了水化學(xué)溶液對(duì)此類材料的腐蝕效應(yīng)[15?17]。王士天等[18]開展了大型水域水巖相互作用及其環(huán)境效應(yīng)的研究,歸納了水庫區(qū)水巖相互作用的類型及特征??紤]化學(xué)腐蝕作用下的巖石及類巖石材料力學(xué)特性數(shù)值模型和數(shù)學(xué)模型研究也取得了一定的進(jìn)展[19?21]。化學(xué)腐蝕對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)的影響,近年來越來越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視,尤其是對(duì)高放射性核廢料、二氧化碳深埋地質(zhì)處理以及石油地下存儲(chǔ)等大型巖土工程問題的研究,并取得了大量的研究成果[22?25]。從已有的研究成果可以看出,多數(shù)試驗(yàn)研究針對(duì)的是巖石單軸壓縮條件下的強(qiáng)度變形特性,對(duì)于水化學(xué)溶液腐蝕條件下的巖石三軸壓縮試驗(yàn)的研究成果并不多見。本文作者在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn),對(duì)不同pH化學(xué)溶液浸泡腐蝕后的硬脆性花崗巖進(jìn)行試驗(yàn)研究,研究化學(xué)腐蝕對(duì)花崗巖三軸壓縮條件下強(qiáng)度變形及相關(guān)參數(shù)的影響規(guī)律,探討水巖化學(xué)作用的宏觀力學(xué)效應(yīng)及其機(jī)理,為建立水化學(xué)環(huán)境下硬脆性巖石破壞過程的本構(gòu)關(guān)系以及相關(guān)工程實(shí)踐提供數(shù)據(jù)資料。
1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法
1.1 巖石試件及試驗(yàn)設(shè)備
試驗(yàn)巖樣取自某水電工程的壩基,為質(zhì)地較好的花崗巖。花崗巖為肉紅色、灰白色中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、中細(xì)粒鉀長(zhǎng)花崗巖,具等粒半自形結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造,局部見晶洞和晶腺,主要礦物成分為鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石、石英及少量云母和角閃石。根據(jù)SL 264?2001“水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程”、GB/T 50266—99“工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)”以及國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)推薦的標(biāo)準(zhǔn),制備花崗巖標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣,其直徑×高為5 mm×100 mm。
巖樣化學(xué)溶液浸泡過程中pH的測(cè)量采用上海雷磁pHs?25型pH計(jì)測(cè)量,測(cè)量精度為0.01,并且采用紀(jì)銘電子天平測(cè)量試樣質(zhì)量的變化,測(cè)量精度為 0.1 g。
常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)在河海大學(xué)巖土力學(xué)研究所流變?cè)囼?yàn)室進(jìn)行。該設(shè)備是法國(guó)TOP INDUSTRIE公司研制的全自動(dòng)三軸滲流流變伺服儀,由加載系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、三軸壓力室、數(shù)據(jù)采集裝置、滲透裝置等部分組成。巖石全自動(dòng)三軸滲流流變伺服儀(Triaxial Cell V3)具有單軸壓縮、三軸壓縮、滲透試驗(yàn)、流變?cè)囼?yàn)等功能。試驗(yàn)設(shè)備具有應(yīng)力控制、應(yīng)變控制、流量控制3種加載方式。圍壓和軸向偏壓由2個(gè)液壓泵控制,其精度為0.1 MPa。軸向應(yīng)變通過LVDT(linear variable differential transformer,即線性可變差動(dòng)變壓器)測(cè)量,環(huán)向應(yīng)變由貼有應(yīng)變片的環(huán)向應(yīng)變計(jì)測(cè)量。
1.2 化學(xué)溶液配制
溶液配制考慮了地下水溶液中含有的常見離子,以研究不同pH的Na2SO4溶液對(duì)花崗巖力學(xué)特性腐蝕效應(yīng)為主要目的。由于試驗(yàn)時(shí)間的限制,采用加大離子濃度和增加溶液pH的方式,以便能夠在較短的時(shí)間內(nèi)反映水化學(xué)溶液對(duì)花崗巖的腐蝕效應(yīng)。試驗(yàn)采用3種化學(xué)溶液,表1所示為3種水化學(xué)溶液Na2SO4濃度及pH。
1) 純凈水溶液主要離子為Na+和SO42?,pH=7。
2) 堿性水溶液的主要離子為Na+和SO42?,pH=10溶液中通過加入微量Na2HCO3達(dá)到目標(biāo)pH,pH=13溶液中通過加入適量的NaOH達(dá)到目標(biāo)pH。
表1 3種水化學(xué)溶液Na2SO4濃度及pH
1.3 試驗(yàn)方法
花崗巖浸泡試驗(yàn)采用半開放式[8]浸泡,即與外界聯(lián)通,模擬巖石的實(shí)際賦存環(huán)境。按照表1的要求配置3種溶液,稱量天然狀態(tài)下各花崗巖的質(zhì)量及幾何尺寸。每種化學(xué)溶液中放入4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件,在浸泡腐蝕過程中測(cè)量溶液pH及各個(gè)巖樣質(zhì)量的變化。根據(jù)溶液pH變化速率確定測(cè)量時(shí)間間隔。當(dāng)溶液pH及相應(yīng)巖樣質(zhì)量的變化在一段時(shí)間內(nèi)趨于穩(wěn)定,即認(rèn)為水巖相互作用達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。三軸壓縮試驗(yàn)采用流量控制式加載,先施加一定的圍壓(依據(jù)實(shí)際工程地應(yīng)力,采用2,6和10 MPa),然后施加軸向偏壓至試樣破壞。試驗(yàn)方案見表2。
表2 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)方案
2 結(jié)果與分析
2.1 化學(xué)腐蝕浸泡試驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1.1 水化學(xué)溶液pH變化
浸泡初始時(shí)間開始計(jì)時(shí),分不同時(shí)段對(duì)水化學(xué)溶液的pH進(jìn)行測(cè)定,得到各種水化學(xué)溶液pH隨著時(shí)間變化規(guī)律,浸泡45 d左右,溶液的pH趨于穩(wěn)定。各溶液浸泡過程中pH隨著時(shí)間的變化如圖1所示。
pH:1—7;2—10;3—13
1) 中強(qiáng)堿溶液(pH=10)pH隨浸泡時(shí)間增長(zhǎng)有趨于中性的趨勢(shì),而中性溶液(pH=7)pH隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸升高,強(qiáng)堿溶液(pH=13)pH浸泡過程中略有下降。45 d后,水巖相互作用趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
2) 水巖相互作用的初期階段,各水化學(xué)溶液pH變化顯著。隨后,溶液pH變化逐步變緩并趨于穩(wěn)定。表明水巖相互作用速率隨時(shí)間的推移不斷下降并最終趨于穩(wěn)定。
3) 中性pH=7和中強(qiáng)堿性pH=10環(huán)境條件下,化學(xué)溶液pH變化幅度較大;強(qiáng)堿性pH=13環(huán)境條件下,化學(xué)溶液的pH變化幅度較小。說明前者環(huán)境條件下水巖化學(xué)作用對(duì)化學(xué)溶液環(huán)境影響顯著,對(duì)于后者而言,水化學(xué)作用對(duì)化學(xué)溶液環(huán)境影響相對(duì)較弱。
4) pH=7的中性溶液隨著水巖相互作用的進(jìn)行,溶液的pH偏于堿性。其主要原因是花崗巖所含鉀長(zhǎng)石等硅酸鹽礦物的溶解所致。
2.1.2 浸泡過程巖樣質(zhì)量變化
不同水化學(xué)溶液環(huán)境下,部分試樣浸泡前質(zhì)量和水巖化學(xué)相互作用穩(wěn)定后試樣質(zhì)量見表3。圖2所示為水化學(xué)溶液作用下,測(cè)量各種水化學(xué)溶液中某試樣相對(duì)質(zhì)量差Δ(巖樣某浸泡時(shí)刻飽和質(zhì)量與初始質(zhì)量之差)隨著浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。取出巖樣,考慮到花崗巖質(zhì)地堅(jiān)硬,表面光滑無碎屑或粉末狀物質(zhì)附著,可以用棉布拭去表面的水分,使表面無明顯小水滴,用電子秤稱其質(zhì)量。所測(cè)量的巖樣質(zhì)量為對(duì)應(yīng)時(shí)刻飽和巖樣質(zhì)量(包括巖石和孔隙水的質(zhì)量)。通過與浸泡初始時(shí)刻巖樣質(zhì)量對(duì)比,可以間接反映水巖化學(xué)作用變化過程。
pH:1—7;2—10;3—13
表3 花崗巖巖樣初始質(zhì)量(mo)及化學(xué)腐蝕穩(wěn)定后的質(zhì)量(mf)
從圖2可以看出:巖樣相對(duì)質(zhì)量差在浸泡初始階段變化幅度較大,浸泡時(shí)間大于36 h后,Δ基本趨于穩(wěn)定。通過對(duì)比各種溶液浸泡巖樣質(zhì)量變化可以看出,強(qiáng)堿、堿溶液巖樣質(zhì)量差Δ變化規(guī)律及幅度類似,中性溶液巖樣質(zhì)量差Δ變化規(guī)律與前者類似,但大小有些差異。說明巖樣質(zhì)量差Δ變化與溶液pH有一定程度的相關(guān)性。
2.2 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析
圖3~5所示為不同pH下Na2SO4溶液浸泡后花崗巖不同圍壓下應(yīng)力?應(yīng)變曲線。每種化學(xué)溶液中浸泡4個(gè)巖樣,用來做圍壓分別為2,6和10 MPa的三軸壓縮試驗(yàn)。圍壓加載采用應(yīng)力控制式加載,加載到預(yù)定值后穩(wěn)定一段時(shí)間;再施加軸向偏應(yīng)力荷載,采用流量控制式加載,流量為0.5 cm3/min。三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。同種化學(xué)溶液腐蝕后的巖石不同圍壓條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖5~7所示。圖6所示為2 MPa圍壓下不同水化學(xué)溶液浸泡后巖石的應(yīng)力?應(yīng)變曲線,其他圍壓下應(yīng)力?應(yīng)變曲線的變化規(guī)律與之類似,限于篇幅不再列舉。由表4及圖3~6可知:
1) 相同水化學(xué)溶液腐蝕浸泡作用后,隨圍壓的增大,破壞峰值強(qiáng)度、塑性變形、初始彈性模量總體呈增大的趨勢(shì),巖樣有從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有缘内厔?shì)。
2) 相同圍壓條件下,比較不同水化學(xué)溶液浸泡腐蝕后花崗巖試樣的三軸壓縮強(qiáng)度,對(duì)應(yīng)可得pH=10溶液浸泡后巖樣強(qiáng)度最高,pH=13溶液浸泡后巖樣強(qiáng)度次之,pH=7的溶液浸泡后巖樣強(qiáng)度最低。并且在堿性溶液中隨著pH的增加,巖樣的塑性變形變大,巖石亦有從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有缘内厔?shì)。
3) 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明,水化學(xué)溶液對(duì)試樣造成不同程度的腐蝕。以pH=7中性溶液為參照,堿性的水化學(xué)溶液對(duì)花崗巖強(qiáng)度表現(xiàn)出一種正效應(yīng)[8],中強(qiáng)堿的這種效應(yīng)最強(qiáng),強(qiáng)堿次之,中性最弱。
表4 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果
圍壓/MPa:1—2;2—6;3—10
圍壓/MPa:1—2;2—6;3—10
圍壓/MPa:1—2;2—6;3—10
pH:1—7;2—10;3—13
水巖相互作用對(duì)花崗巖造成的損傷微細(xì)觀上表現(xiàn)為其礦物成分及結(jié)構(gòu)的變化,宏觀上表現(xiàn)為力學(xué)性質(zhì)的劣化。從浸泡試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析表明:水化學(xué)溶液對(duì)花崗巖三軸壓縮強(qiáng)度的影響是顯著的,造成不同程度的腐蝕效應(yīng)基于以下幾方面的原因:
1) 巖石的主要礦物成分為鉀長(zhǎng)石和微斜長(zhǎng)石,二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過65%。礦物中一部分的離子能夠與溶液中的OH?離子結(jié)合,改變?cè)械V物的結(jié)構(gòu)和組分。巖石中一部分的礦物能夠溶解于水化學(xué)溶液。當(dāng)溶液中某種物質(zhì)的濃度超過其溶解度時(shí),又會(huì)發(fā)生沉淀反應(yīng),附著與巖石顆粒表面,形成膠結(jié)物質(zhì)。
2) 巖石的化學(xué)成分不同,花崗巖主要成分為SiO2(≥65%),Al2O3,CaO,K2O,Na2O,F(xiàn)e2O3等,水化學(xué)溶液對(duì)不同化學(xué)成分作用的效果是不相同的。
3) 中性和弱堿性條件下,長(zhǎng)石的溶解度最?。粡?qiáng)堿性條件下,隨著pH的增加,溶解度增加[26?27]。根據(jù)長(zhǎng)石溶蝕過程的2個(gè)主要步驟:氫離子與長(zhǎng)石表面堿性陽離子發(fā)生交換反應(yīng);水解作用形成偏鋁酸而溶出;表面形成富硅的絡(luò)合物,并進(jìn)一步解體進(jìn)入水化學(xué)溶液。在其他條件相同情況下,pH越高,溶液中H+溶度越低,阻礙長(zhǎng)石溶蝕過程第一步的進(jìn)行。因此,pH=7中花崗巖比其他2種pH溶液更容易發(fā)生腐蝕,表現(xiàn)出強(qiáng)度最低。當(dāng)pH大于9時(shí),pH越高,長(zhǎng)石、高嶺石溶解度越大,表現(xiàn)為pH=10溶液中長(zhǎng)石溶解度小于pH=13的溶液。pH=13溶液中巖石所生成的次生孔隙率較大,因此pH=10溶液浸泡的巖樣強(qiáng)度高于pH=13浸泡巖樣的強(qiáng)度。在水巖相互作用中,溶蝕和溶解共同作用,影響著巖石的強(qiáng)度。
3 水化學(xué)腐蝕對(duì)花崗巖抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響
同種化學(xué)溶液浸泡腐蝕后三軸壓縮試驗(yàn)的1?3關(guān)系如圖7所示。采用摩爾?庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則,計(jì)算不同水化學(xué)浸泡腐蝕后花崗巖的強(qiáng)度參數(shù)和,計(jì)算公式見式(1),計(jì)算結(jié)果如表5所示。從圖5可見:隨著溶液的pH增加而增加,則隨著pH增加而減小。
式中:為擬合直線的斜率;為擬合直線的截距。
表5 不同水化學(xué)溶液浸泡腐蝕后的巖石強(qiáng)度參數(shù)
pH:1—7;2—13;3—10
不同水化學(xué)環(huán)境對(duì)巖石的腐蝕效應(yīng)是不相同的。腐蝕程度與化學(xué)溶液的pH、巖石本身的特性有關(guān)。從表5可以得出:不同pH的情況下,水巖相互作用的效果是不相同的,對(duì)巖石強(qiáng)度參數(shù)和的影響也存在一定的差異。pH=7的Na2SO4溶液浸泡后的巖石的凝聚力最小,pH=13的Na2SO4溶液浸泡后的巖石凝聚力最大,pH=10的Na2SO4溶液浸泡后巖石的凝聚力介于兩者之間。3種溶液浸泡后巖石的內(nèi)摩擦角差異并不顯著。中性溶液中,長(zhǎng)石的溶蝕速率較快,并且溶解度較低[26],所以析出的新礦物較多,新的礦物填補(bǔ)了由于溶蝕形成的孔隙,所以次生孔隙較少,而堿性溶液中,隨著pH的增加,溶解度會(huì)增大,析出礦物變少,次生孔隙較多,使得內(nèi)摩擦角降低[6],但由于新生礦物對(duì)孔隙的填充,內(nèi)摩擦角的變化并不明顯。此外,花崗巖的膠結(jié)物質(zhì)主要是硅質(zhì)膠結(jié),化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定,長(zhǎng)石溶解產(chǎn)生新的礦物包括高嶺石、二氧化硅膠體和富含硅的絡(luò)合物附著在膠結(jié)處,使得膠結(jié)物質(zhì)增加,內(nèi)凝聚力增強(qiáng)。
4 結(jié)論
1) 不同水巖相互作用下,巖石的變形特性表現(xiàn)出不同程度的差異。這種變化與pH及巖石自身特性有關(guān)。從巖石破壞模式上看,除圍壓影響著巖石的變形破壞模式外,破壞模式還受水化學(xué)溶液對(duì)巖石試件腐蝕效應(yīng)影響。圍壓越大和化學(xué)腐蝕效應(yīng)越強(qiáng),巖石的塑性變形越大,巖石有從脆性向延性的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)。
2) 化學(xué)腐蝕作用后巖石的凝聚力隨著溶液的pH增加而增加,而內(nèi)摩擦角隨溶液的pH增加而減少。
3) 不同pH的堿性水化學(xué)溶液相對(duì)于中性溶液而言,其對(duì)花崗巖水化學(xué)作用是一種正效應(yīng)。具體而言,經(jīng)pH=10的溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強(qiáng)度最高,經(jīng)pH=13的溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強(qiáng)度次之,經(jīng)pH=7的溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強(qiáng)度最低。
4) 本試驗(yàn)研究?jī)H考慮了堿性化學(xué)溶液對(duì)巖石短期力學(xué)特性的影響,而實(shí)際工程的巖石處在各種復(fù)雜的水化學(xué)環(huán)境之中。因此,開展酸性、堿性及其他水化學(xué)溶液環(huán)境下巖石短、長(zhǎng)期應(yīng)力?化學(xué)?滲流多場(chǎng)耦合研究是下一步研究的重點(diǎn)。
[1] FENG Xiating, DING Wuxiu, ZHANG Dongxiao. Multi-crack interaction in limestone subject to stress and flow of chemical solutions[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Scienecs, 2009, 46: 159?171.
[2] FENG Xiating, LI Shaojun, CHEN Sili. Effect of water chemical corrosion on strength and cracking characteristics of rocks: A review[J]. Key Eng Mater, 2004, 261/262/263: 1335?1360.
[3] 馮夏庭, 丁梧秀. 應(yīng)力?水流?化學(xué)耦合下巖石破裂全過程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(9): 1465?1473. FENG Xiating, DING Wuxiu. Meso-mechanical experiment of microfracturing process of rock under coupled mechanical- hydrological-chemical environment[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(9): 1465?1473.
[4] 姚華彥. 化學(xué)溶液及其水壓作用下灰?guī)r破裂過程宏細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)與理論分析[D]. 武漢: 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 2008: 54?84. YAO Huayan. Macro-mesomechanical experiment and theoretical analysis on limestone under coupled chemical corrosion and water pressure[D]. Wuhan: Chinese Academy of Sciences. Institute of Rock & Soil Mechanics, 2008: 54?84.
[5] Feucht L J, Logan J M. Effects of chemically active solutions on shearing behavior of a sandstone[J]. Tectonophysics, 1990, 175(1/2/3): 159?176.
[6] 李鵬, 劉建, 李國(guó)和, 等. 水化學(xué)作用對(duì)砂巖抗剪強(qiáng)度特性影響效應(yīng)研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(2): 380?386. LI Peng, LIU Jian, LI Guohe, et al. Experimental study for shear strength characteristics of sandstone under water-rock interaction effects[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(2): 380?386.
[7] Logan J M, Blackwell M I. The influence if chemically active fluids on the frictional behavior of sandstone[J]. Transactions, American Geophysical Union, 1983, 64(2): 835?837.
[8] 湯連生, 張鵬程, 王思敬. 水?巖化學(xué)作用之巖石斷裂力學(xué)效應(yīng)的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002,21(6): 822?827. TANG Liansheng, ZHANG Pengcheng, WANG Sijing. Testing study on effects of chemical action of aqueous solution on crack propagation in rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(6): 822?827.
[9] 喬麗萍. 砂巖彈塑性及蠕變特性的水物理化學(xué)作用效應(yīng)試驗(yàn)與本構(gòu)研究[D]. 武漢: 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所, 2008: 19?74. QIAO Liping. Experimental theoretical numerical studier of elastoplastic and creep property of sandstone with hydro- physico-chemical influencing effects[D]. Wuhan: Chinese Academy of Sciences. Institute of Rock & Soil Mechanics, 2008: 19?74.
[10] 劉建, 喬麗萍, 李鵬. 砂巖彈塑性力學(xué)特性的水物理化學(xué)作用效應(yīng): 實(shí)驗(yàn)研究與本構(gòu)模型[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2009, 28(1): 20?29. LIU Jian, QIAO Liping, LI Peng. Experimental studies and constitutive model of elastoplastic mechanical behaviors of sandstone with hydro-physicochemical influencing effects[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2009, 28(1): 20?29.
[11] 崔強(qiáng). 化學(xué)溶液流動(dòng)?應(yīng)力耦合作用下砂巖的空隙結(jié)構(gòu)演化與蠕變特征研究[D]. 沈陽: 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 2008: 50?85. CUI Qiang. The study of interstice structure evolve and creep characteristics under chemical solution flow-stress coupling[D]. Shenyang: Northeastern University. College of Resource and Civil Engineering, 2008: 50?85.
[12] 陳四利, 馮夏庭, 周輝. 化學(xué)腐蝕下砂巖三軸細(xì)觀損傷機(jī)理及損傷變量分析[J]. 巖土力學(xué), 2004, 25(9): 1363?1367. CHEN Sili, FENG Xiating, ZHOU Hui. Study on triaxial meo-failure mechanism and damage variables of sandstone under chemical erosion[J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(9): 1363?1367.
[13] 湯連生, 王思敬. 巖石水化學(xué)損傷的機(jī)理及量化方法探討[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2002, 21(3): 314?319. TANG Liansheng, WANG Sijing. Analysis on mechanism and quantitative methods of chemical damage in water-rock interaction[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2002, 21(3): 314?319.
[14] 陳四利. 化學(xué)腐蝕下巖石細(xì)觀損傷破裂機(jī)理及本構(gòu)模型[D]. 沈陽: 東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院, 2008: 74?87. CHEN Sili. Meso-mechanism and its constitutive model of rock damage under chemical erosion[D]. Shenyang: Northeastern University. College of Resource and Civil Engineering, 2008: 74?87.
[15] Xie S Y, Shao J F, Burlion N. Experimental study of mechanical behaviour of cement paste under compressive stress and chemical degradation[J]. Cement and Concrete Research, 2008, 38(12): 1416?1423.
[16] Ulm F J, Lemarchand E, Franz H H. Elements of chemo- mechanics of calcium leaching of cement-based materials at different scales[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2003, 70: 871?889.
[17] Nguyen V H, Nedjar B, Rorrenti J M. Chemo-mechanical coupling behaviour of leached concrete PartⅡ: Modelling[J]. Nuclear Engineering and Design, 2007, 237(20/21): 2090?2097.
[18] 王士天, 劉漢超, 張倬元, 等. 大型水域水巖相互作用及其環(huán)境效應(yīng)研究[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 1997, 8(1): 69?88. WANG Shitian, LIU Hanchao, ZHANG Zhuoyuan, et al. Research on the water rock interaction and its environmental effects in reservoir areas[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 1997, 8(1): 69?88.
[19] Ann B, Juha A, Tobias B, et al. Numerical modelling of uniaxial compressive failure of granite with and without saline porewater[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2008, 45(7): 1126?1142.
[20] Pietruszczak S, Lydzba D, Shao J F. Modellling of deformation response and chemo-mechanical coupling in chalk[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanic, 2006, 30(10): 997?1018.
[21] Loret B J, Hueckel Y, Gajo A. Chemo-mechanical coupling in saturated porous media: elastic-plastic behaviour of homoionic expansive clays[J]. International Journal of Solids and Structures, 2002, 39(10): 2773?2806.
[22] 劉泉聲, 張程遠(yuǎn), 劉小燕. DECOVALEX_IV TASK_D 項(xiàng)目的熱?水?力耦合過程的數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(4): 709?720. LIU Quansheng, ZHANG Chengyuan, LIU Xiaoyan. Numerical modeling and simulation of coupled THM processes in Task_D of DECOVALEX_IV[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006, 25(4): 709?720.
[23] 劉亞晨. 核廢料儲(chǔ)存圍巖介質(zhì)THM耦合過程的力學(xué)分析[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2006, 17(1): 54?57. LIU Yachen. Mechanical analysis for THM coupling of fractured rock mass surrounding nuclear waste repositories[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2006, 17(1): 54?57.
[24] 劉亞晨, 蔡永慶. 核廢料貯庫圍巖介質(zhì)THM耦合的地界問題及其加權(quán)疾風(fēng)方程[J]. 地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù), 2001, 12(4): 59?63. LIU Yachen, CAI Yongqing. The definite problem and weighted integral equation for coupled thermo-hydro-mechanical in the fractured rock mass media surrounding nuclear waste repositories[J]. Journal of Geological Hazards and Environment Preservation, 2001, 12(4): 59?63.
[25] 孫輝, 李兆敏, 焦玉勇. 稠油油藏?zé)?流體?力學(xué)耦合模型研究及應(yīng)用[J]. 巖土力學(xué), 2007, 28(12): 2560?2564. SUN Hui, LI Zhaomin, JIAO Yuyong. Study on a coupled thermal-hydraulic-mechanical model in heavy oil reservoir exploitation and its application[J]. Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(12): 2560?2564.
[26] 羅孝俊, 楊衛(wèi)東, 李榮西, 等. pH對(duì)長(zhǎng)石溶解度及次生空隙發(fā)育的影響[J]. 礦物巖石地球化學(xué)通報(bào), 2001, 20(2): 103?107. LUO Xiaojun, YANG Weidong, LI Rongxi, et al. Effects of pH on the solubility of the feldspar and development of secondary porosity[J]. Bulletin of Mineralogy, Petrology and Geochemistry, 2001, 20(2): 103?107.
[27] 肖奕, 王汝成, 陸現(xiàn)彩, 等. 低溫堿性溶液中微紋長(zhǎng)石溶解性質(zhì)研究[J]. 礦物學(xué)報(bào), 2003, 23(4): 333?340. XIAO Yi, WANG Rucheng, LU Xiancai, et al. Experimental study on the low-temperature dissolution of microperthite in alkaline solution[J]. Acta Mineralogica Sinica, 2003, 23(4): 333?340.
Mechanical behaviour of granite in triaxial compression under chemical corrosion
WANG Wei1, 2, LIU Taogen1, 2, LI Xuehao1, 2, WANG Rubin1, 2, XU Weiya1, 2
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2. Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)
A rock triaxial testing was used to conduct triaxial compression tests on the granites samples which were soaked in three chemical solutions with different pH. The effect of chemical solutions on the mechanical properties of granites was studied. The influence of chemical solutions on strength and deformation properties of granites was investigated. The corrosion degree was evaluated by measuring the variation of pH for three solutions and the variation of mass of soaked samples. The results show that the effects of three solutions on the mechanical properties of granite are different. The triaxial strength of granite is the highest in the case of pH=10, followed by that of pH=13 and it is lowest with pH=7. The cohesion of granite increases with the increase of pH of the solution, and the friction angle decreases with the increase of pH. Furthermore, the chemical erosion mechanism on the strength of granite was analyzed. Results obtained from laboratory tests could provide experimental data for the constitutive modeling of granite with chemical corrosion.
granite; chemical corrosion; triaxial compression test; stress?strain curve; corrosion mechanism
10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.033
TU443
A
1672?7207(2015)10?3801?07
2015?01?01;
2015?03?19
國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2011CB013504);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2013BAB06B01);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51209075);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(B15020060)(Project (2011CB013504) supported by the National Basic Research Program of China (973 Program); Project (2013BAB06B01) supported by the National Key Technology R&D Program of China; Project (51209075) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (B15020060) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)
王偉,博士,副教授,從事巖石力學(xué)與工程研究;E-mail:wwang@hhu.edu.cn
(編輯 陳愛華)