王艷磊，唐建新，江 君，代張音,4,舒國(guó)鈞

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院,重慶 400044;3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 重慶 400042;4.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025 )

水-巖化學(xué)作用下灰砂巖的力學(xué)特性與參數(shù)損傷效應(yīng)

王艷磊1,2，唐建新1,2，江 君3，代張音1,2,4,舒國(guó)鈞1,2

(1.重慶大學(xué) 煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400044;2.重慶大學(xué) 資源及環(huán)境科學(xué)學(xué)院,重慶 400044;3.重慶地質(zhì)礦產(chǎn)研究院 重慶 400042;4.貴州大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025 )

將灰砂巖作為試驗(yàn)和研究對(duì)象，基于不同pH值、不同濃度、不同成分的水化學(xué)溶液的侵蝕作用，進(jìn)行一系列的浸泡試驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了不同水化學(xué)環(huán)境下灰砂巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征、變形特性、強(qiáng)度損傷及其力學(xué)參數(shù)劣化機(jī)制。結(jié)果表明：水化學(xué)溶液的酸堿性越強(qiáng)、濃度越大，其對(duì)灰砂巖試件的腐蝕作用越強(qiáng)；化學(xué)腐蝕作用使灰砂巖試件有從脆性向延性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，同時(shí)導(dǎo)致其力學(xué)參數(shù)劣化，相同條件下，黏聚力c的劣化程度大于內(nèi)摩擦角φ，且在酸性溶液中的劣化程度大于堿性溶液；溶液中Ca2+，Mg2+濃度、試件的孔隙變化率η均與試件力學(xué)參數(shù)的劣化程度呈正相關(guān)關(guān)系，而試件相對(duì)質(zhì)量差Δm與之相反，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；新定義的孔隙率損傷參量能夠準(zhǔn)確的表達(dá)試件力學(xué)參數(shù)隨水巖化學(xué)作用的損傷演化過程。

水巖化學(xué)作用；灰砂巖；力學(xué)參數(shù)損傷；細(xì)觀損傷參量；腐蝕機(jī)理

地表或深部地質(zhì)環(huán)境中的巖體與其周圍的水不斷地進(jìn)行著各種各樣的物理、力學(xué)、化學(xué)的水巖相互作用(WRI)[1]。水巖化學(xué)作用主要是通過化學(xué)溶蝕改變巖石裂隙表面特征，使巖體力學(xué)性質(zhì)劣化并改變裂隙的滲流特性[2]。天然地質(zhì)作用形成的巖石，存在著諸多內(nèi)部缺陷，如礦物解理、微裂隙、粒間孔隙、晶格缺陷等[3]。在遭受水巖化學(xué)作用過程中，其內(nèi)部缺陷進(jìn)一步發(fā)展，微觀結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，由此引起巖石力學(xué)性質(zhì)的逐步劣化，對(duì)巖土工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，對(duì)水-巖化學(xué)作用下巖石的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行分析研究具有重要的工程理論及實(shí)踐意義。

近年來，關(guān)于水-巖化學(xué)作用對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)影響的研究以及巖石受各種環(huán)境侵蝕下的破裂機(jī)理的研究受到了許多國(guó)內(nèi)外研究者的重視。如丁梧秀，馮夏庭[4]對(duì)化學(xué)腐蝕下裂隙巖體的損傷效應(yīng)和斷裂準(zhǔn)則進(jìn)行了初步探討；楊慧等[5]研究了水化學(xué)溶液對(duì)巖石中裂紋的腐蝕作用，建立了水-巖化學(xué)作用下等效裂紋擴(kuò)展的細(xì)觀力學(xué)模型并計(jì)算了應(yīng)力強(qiáng)度因子；N.Li等[6]從化學(xué)溶液對(duì)巖石膠結(jié)物腐蝕后體積變化的角度出發(fā)，研究膠結(jié)物的減少所引起的化學(xué)損傷，并建立相應(yīng)的化學(xué)腐蝕損傷模型；也有學(xué)者[7-10]開始關(guān)注水化學(xué)環(huán)境對(duì)一些特殊巖石的影響作用。現(xiàn)階段的研究成果主要集中在水-巖化學(xué)作用對(duì)巖石宏觀力學(xué)特征的影響等方面，而從微細(xì)觀層次逐漸展開到宏觀力學(xué)效應(yīng)方面，并對(duì)其化學(xué)腐蝕機(jī)制進(jìn)行系統(tǒng)研究的尚且不多，需要更進(jìn)一步的探索。

本文以水巖化學(xué)腐蝕作用下灰砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化為起點(diǎn)，開展了溶液pH值、濃度及化學(xué)成分對(duì)灰砂巖試樣物理力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究，依次監(jiān)測(cè)了化學(xué)腐蝕過程中浸泡溶液的pH值及其溶出Ca2+，Mg2+離子濃度和巖樣孔隙率及相對(duì)質(zhì)量差的變化規(guī)律，并初步分析探討了水巖化學(xué)腐蝕機(jī)制。研究結(jié)果對(duì)與水巖化學(xué)作用有關(guān)的巖體工程的安全性和穩(wěn)定性有一定的參考和指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試件制備

試驗(yàn)所需的灰砂巖試樣取自四川船景煤礦+642水平的運(yùn)輸大巷，為了保證試件的統(tǒng)一性和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，所需巖塊均在巷道同一位置選取，每一組的試件盡量從同一巖塊上鉆取。

經(jīng)薄片和礦物成分鑒定，所取巖樣為鈣質(zhì)長(zhǎng)石砂巖，呈深灰色，主要由石英、鉀長(zhǎng)石、黑云母以及巖屑組成，其表面光學(xué)顯微結(jié)構(gòu)圖像如圖1所示。該巖樣為細(xì)中粒砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，膠結(jié)物成分主要以碳酸鹽為主，膠結(jié)類型為孔隙式；礦物成分為鉀長(zhǎng)石49%，石英31%，黑云母10%，金屬礦物3%，白云母3%，巖屑4%。

圖1 灰砂巖試樣表面顯微結(jié)構(gòu)圖像

根據(jù)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)推薦的試驗(yàn)方法[11]，將巖石試樣加工成直徑為50 mm，高徑比為2.0的圓柱體。試件的兩端面不平行度小于0.005 mm，端面磨平度小于0.02 mm，軸線垂度不超過0.001弧度，同時(shí)保證試樣側(cè)面光滑垂直，不平度小于0.3 mm。

1.2 化學(xué)溶液的配制

真實(shí)環(huán)境中，水巖之間的相互作用是一個(gè)長(zhǎng)期而又緩慢的過程，由于時(shí)間限制，本次試驗(yàn)采用了加大溶液離子濃度和增加溶液pH值的方式，以便能在較短的時(shí)間內(nèi)反映出水化學(xué)溶液對(duì)灰砂巖試樣的腐蝕效應(yīng)。試驗(yàn)所配置的化學(xué)溶液見表1。

表1 試驗(yàn)化學(xué)溶液的配置

Table 1 Configuration of test solution

成分濃度/(mol·L-1)pHNa2SO40.011,4,7,9,11Na2SO40.107NaHCO30.017蒸餾水—7

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要共加工了45個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件，將制作完成的試件進(jìn)行抽真空并作烘干處理(溫度50 ℃條件下烘干48 h)，稱量其原始質(zhì)量。按照表1的要求配置溶液，每種化學(xué)溶液中放入5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行浸泡。浸泡試驗(yàn)采用半開放式浸泡[8]，即與外界聯(lián)通，同時(shí)定期對(duì)溶液進(jìn)行攪動(dòng)，以期模擬巖石的真實(shí)賦存環(huán)境。在浸泡過程中，對(duì)溶液pH值及Ca2+,Mg2+濃度、試件質(zhì)量及其孔隙率的變化進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)間間隔根據(jù)溶液pH值變化速率而確定。當(dāng)溶液pH值的變化在一段時(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)。常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)采用流量控制式加載，先施加一定的圍壓(取5，10，15和20 MPa)，然后施加軸向偏壓至試件破壞，試驗(yàn)方案見表2。

表2 常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)方案

Table 2 Test scheme for conventional three axis compression

試件浸泡環(huán)境pH值溶液濃度/(mol·L-1)圍壓/MPaNa2SO4溶液10.015101520Na2SO4溶液40.015101520Na2SO4溶液70.015101520Na2SO4溶液90.015101520Na2SO4溶液110.015101520Na2SO4溶液70.15101520NaHCO3溶液70.015101520蒸餾水7—5101520干燥——5101520

化學(xué)溶液對(duì)試件的腐蝕作用是其化學(xué)成分和水共同作用的結(jié)果，但是要將兩者分開進(jìn)行單獨(dú)分析，對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求很高，難度很大。在此采用對(duì)比分析的方法，即先將不同pH值條件下的0.01 mol/L Na2SO4溶液的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比研究，再對(duì)比分析中性條件下各種化學(xué)溶液(包括蒸餾水)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這樣即可以得到水對(duì)試件的軟化腐蝕作用，也可以體現(xiàn)出各種化學(xué)溶液對(duì)試件腐蝕作用的強(qiáng)弱及其作用相較于蒸餾水的結(jié)果，從而間接反映出溶液化學(xué)成分在腐蝕過程中的作用及其強(qiáng)弱。

2 侵蝕浸泡試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 化學(xué)溶液pH值變化

水溶液的pH值采用雷磁酸度計(jì)PHS-3C測(cè)量，以試件完全浸入溶液時(shí)刻為起點(diǎn)開始計(jì)時(shí)，依次對(duì)各種水化學(xué)溶液的pH值進(jìn)行測(cè)定，測(cè)量時(shí)間間隔根據(jù)溶液pH值變化速率來確定，從而得到各種水化學(xué)溶液pH值隨著時(shí)間的變化規(guī)律。各溶液浸泡過程中pH值隨時(shí)間的變化情況如圖2所示。

圖2 不同環(huán)境下水化學(xué)溶液的pH值隨時(shí)間的變化曲線

從圖2可以得到：

(1)無(wú)論初始溶液的酸堿性如何，隨著時(shí)間的推移，各種溶液的pH值均逐漸趨于中性，說明在水巖化學(xué)作用過程中溶液的酸堿度具有自平衡性。但是在中性條件下，溶液的pH值隨作用時(shí)間的增加而有所增大，趨于弱堿性。這主要是由于溶液中的H+離子在化學(xué)腐蝕作用中逐漸消耗減少，同時(shí)所選灰砂巖巖樣的主要成分為硫硅酸鹽，其水解后會(huì)呈現(xiàn)出弱堿性。

(2)在水巖化學(xué)作用前期(0～15 d)，各種溶液的pH值變化十分明顯，之后其變化幅度逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定。這說明水巖化學(xué)反應(yīng)具有較強(qiáng)的時(shí)間依賴性，即水巖化學(xué)作用會(huì)隨著腐蝕時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減弱，最終趨于停止。

(3)酸性溶液pH值的增大幅度大于堿性溶液pH值的減小幅度，說明灰砂巖對(duì)酸性溶液更為敏感。

(4)在相同時(shí)間段內(nèi)，初始pH值相同的各種溶液的pH值變化大小依次為：0.1 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L NaHCO3>蒸餾水，表明在其他條件相同的情況下，溶液的濃度越大，其pH值變化幅度越大，即對(duì)灰砂巖試件的腐蝕作用越強(qiáng)，且Na2SO4溶液的腐蝕作用比NaHCO3溶液強(qiáng)，同時(shí)兩者對(duì)灰砂巖試件的腐蝕作用均大于蒸餾水。

2.2 化學(xué)溶液Ca2+、Mg2+離子濃度變化

采用EDTA標(biāo)定法測(cè)量水溶液中溶出的Ca2+，Mg2+離子濃度，得到各種環(huán)境下溶液中Ca2+，Mg2+離子濃度隨時(shí)間的變化規(guī)律。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知兩種離子濃度的變化規(guī)律基本相同，因而在此只對(duì)Ca2+離子濃度的變化進(jìn)行分析說明，如圖3所示。

圖3 不同環(huán)境下水化學(xué)溶液中Ca2+離子濃度隨時(shí)間的變化曲線

由圖3可知：(1)在不同的時(shí)間段內(nèi)，各種溶液溶出Ca2+離子濃度的變化規(guī)律基本相同，均具有明顯的疊加性和階段性。隨著腐蝕時(shí)間的增加，溶液中Ca2+離子濃度不斷累積增多，最終趨于一定值；同時(shí)，根據(jù)溶液中Ca2+離子濃度的遞增速率可以將腐蝕過程分為3個(gè)階段：快速反應(yīng)階段(試驗(yàn)初期0～15 d)，這一階段中Ca2+離子溶出速率很快，其濃度快速增大；緩慢反應(yīng)階段(試驗(yàn)中期15～50 d)，Ca2+離子溶出速率隨時(shí)間的增加而逐漸減小，其濃度也逐漸趨于穩(wěn)定；穩(wěn)定階段(50 d之后)，Ca2+離子溶出速率很小，基本趨于0，濃度保持穩(wěn)定。

(2)在其他條件相同的情況下，溶液的酸、堿性越強(qiáng)，其溶出的Ca2+離子濃度越大。同時(shí)間段內(nèi)，酸性溶液中溶出的Ca2+離子濃度較堿性溶液更大，說明灰砂巖對(duì)酸性溶液更為敏感。

(3)在相同時(shí)間段內(nèi)，pH值相同的各種溶液的溶出Ca2+離子濃度大小依次為：0.1 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L NaHCO3>蒸餾水，這說明在其他條件相同的情況下，溶液中溶出Ca2+離子濃度隨溶液自身濃度的增大而增加；同時(shí)Na2SO4溶液對(duì)灰砂巖的腐蝕作用強(qiáng)于NaHCO3溶液，且兩者對(duì)灰砂巖試件的腐蝕作用均大于蒸餾水。

2.3 浸泡前后巖樣孔隙率變化

巖石是一種多孔介質(zhì)，其內(nèi)部存在著裂紋與孔隙，一般情況下，地下砂巖的孔隙率大多為12%～34%[13]。此次實(shí)驗(yàn)所測(cè)試件孔隙率為其總孔隙率(包括開口與閉合兩部分孔隙)，計(jì)算公式為

式中，n為試件的總孔隙率；ρg為試件的干視密度；ρ為試件的真密度。

同時(shí)在文獻(xiàn)[12]的研究基礎(chǔ)上，本文定義了一個(gè)可以反映灰砂巖試件孔隙率變化程度的物理量——孔隙變化率η，計(jì)算公式為

式中，n0和nt分別為試件腐蝕前后的總孔隙率。

對(duì)不同水化學(xué)溶液條件下灰砂巖試件腐蝕前后的孔隙率及孔隙變化率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見表3。

圖4為在0.01 mol/L Na2SO4溶液中浸泡15 d與60 d的灰砂巖試件的孔隙變化率隨溶液pH值的變化曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)灰砂巖試件的孔隙變化率隨著化學(xué)腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)而增大。

(2)在其他條件相同的情況下，化學(xué)溶液的酸堿性越強(qiáng)，灰砂巖試件的孔隙變化率越大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。此外，試件在酸性溶液中的孔隙變化率較堿性溶液中的更大，說明灰砂巖對(duì)酸性溶液更為敏感。

(3)在相同pH條件下，灰砂巖試件在相同腐蝕時(shí)間內(nèi)的孔隙變化率大小依次為：0.1 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L NaHCO3>蒸餾水，這說明化學(xué)溶液濃度越大，灰砂巖試件的孔隙變化率就越大；Na2SO4溶液對(duì)灰砂巖試件孔隙變化率的影響程度大于NaHCO3溶液，同時(shí)兩種溶液對(duì)灰砂巖試件孔隙變化率的影響程度均大于蒸餾水。

表3 不同條件下灰砂巖試件腐蝕前后的總孔隙率及孔隙變化率統(tǒng)計(jì)

Table 3 Statistics of total porosity and pore change rate of gray sandstone specimens before and after corrosion under different conditions

水化學(xué)環(huán)境浸泡時(shí)間/dpH值溶液濃度/(mol·L-1)初始孔隙率n0/%腐蝕后孔隙率nt/%孔隙變化率η/%Na2SO4溶液1510.019.129.766.99Na2SO4溶液6010.019.179.988.82Na2SO4溶液1540.019.239.603.98Na2SO4溶液6040.019.199.655.03Na2SO4溶液1570.019.209.432.45Na2SO4溶液6070.019.189.513.62Na2SO4溶液1590.019.099.423.63Na2SO4溶液6090.019.259.694.71Na2SO4溶液15110.019.229.725.39Na2SO4溶液60110.019.189.826.92Na2SO4溶液6070.109.159.675.63NaHCO3溶液6070.019.249.543.23蒸餾水607—9.169.362.14

圖4 在0.01 mol/L Na2SO4溶液中灰砂巖試件浸泡15 d與60 d的孔隙變化率隨溶液pH值的變化曲線

2.4 浸泡前后巖樣質(zhì)量變化

在不同水化學(xué)溶液環(huán)境下，通過對(duì)比部分試件浸泡前原始烘干質(zhì)量和溶液腐蝕作用過程中的飽和試樣質(zhì)量，來間接反映水巖化學(xué)作用的變化過程。

具體方法如下：將制作完成的試件進(jìn)行抽真空并作烘干處理(溫度50 ℃條件下烘干48 h)，稱量其原始質(zhì)量m0。實(shí)驗(yàn)過程中從溶液中取出巖樣，由于灰砂巖質(zhì)地堅(jiān)硬，表面光滑無(wú)碎屑、粉末狀物質(zhì)附著，可以用紙巾拭去試件表面的水分(無(wú)明顯水漬殘留即可)，用電子秤稱其質(zhì)量mi。所測(cè)巖樣質(zhì)量mi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)。兩者之間的相關(guān)關(guān)系如下計(jì)算公式所示：

式中，ms為試件內(nèi)部孔隙水的質(zhì)量；mr為試件溶出物質(zhì)質(zhì)量；Δm為試件相對(duì)質(zhì)量差。

圖5即為不同pH值條件下，在0.01 mol/L Na2SO4溶液作用下，所測(cè)量的試件相對(duì)質(zhì)量差Δm(巖樣某浸泡時(shí)刻飽和質(zhì)量與其原始烘干質(zhì)量之差)隨浸泡時(shí)間的變化規(guī)律。

圖5 不同pH值的0.01 mol/L Na2SO4溶液作用下，試件相對(duì)質(zhì)量差Δm隨浸泡時(shí)間的變化曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)在各種水化學(xué)溶液環(huán)境下，試件相對(duì)質(zhì)量差Δm隨浸泡時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同，均在試驗(yàn)初期(0～3 d)快速增大，之后逐漸減小，且減小速率逐漸變小，最終趨于穩(wěn)定，保持不變。

(2)在試驗(yàn)初期，水溶液由孔隙浸入試件內(nèi)部，同時(shí)水巖化學(xué)作用強(qiáng)烈，但浸入溶液質(zhì)量明顯大于溶蝕物質(zhì)質(zhì)量，所以相對(duì)質(zhì)量差Δm快速增大；隨著浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)，試件達(dá)到飽和狀態(tài)，但水巖化學(xué)作用依舊強(qiáng)烈，試件內(nèi)部孔隙體積隨腐蝕作用的進(jìn)行而逐漸增大，隨之浸入試件孔隙內(nèi)的溶液增多，但溶蝕物質(zhì)質(zhì)量大于浸入溶液的新增質(zhì)量，因此相對(duì)質(zhì)量差Δm開始減??；之后水巖化學(xué)作用逐漸減弱，并趨于穩(wěn)定，試件溶蝕物質(zhì)質(zhì)量和孔隙內(nèi)溶液質(zhì)量變化幅度漸漸減小，最終保持穩(wěn)定，相對(duì)質(zhì)量差Δm保持不變。

(3)溶液的酸、堿性越強(qiáng)，腐蝕過程中試件相對(duì)質(zhì)量差Δm的變化幅度越大，且最終值越小。相同時(shí)間段內(nèi)，試件相對(duì)質(zhì)量差Δm在酸性溶液中的變化幅度大于堿性溶液。

(4)通過對(duì)試件相對(duì)質(zhì)量差Δm的分析研究，可以間接反映出水巖化學(xué)作用的過程及強(qiáng)弱，即相對(duì)質(zhì)量差Δm越小，水巖化學(xué)作用越強(qiáng)，反之亦然。

3 三軸壓縮試驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)在重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，設(shè)備采用美國(guó)MTS公司生產(chǎn)的巖石應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)MTS815。不同水化學(xué)環(huán)境下灰砂巖試件三軸壓縮試驗(yàn)的σ1-σ3關(guān)系如圖6所示，可以看出兩者呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，所以其黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ采用摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則計(jì)算得出[14]，計(jì)算公式為

式中，m為擬合直線的斜率；b為擬合直線的截距。

圖6 不同水化學(xué)環(huán)境下灰砂巖試件三軸壓縮試驗(yàn)的σ1-σ3關(guān)系

三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)詳見表4，圖7為不同pH、圍壓為10 MPa條件下，0.01 mol/L Na2SO4溶液浸泡60 d后灰砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖8為pH=7、圍壓為15 MPa條件下，不同溶液浸泡60 d后灰砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，在其他圍壓條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化趨勢(shì)與之類似，限于篇幅不再列舉。由表4及圖7,8可知：

表4 不同水化學(xué)環(huán)境下灰砂巖試件三軸壓縮試驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

Table 4 Table of results of three-axis compression test of gray sandstone specimens under different water chemistry conditions

試件狀態(tài)水化學(xué)環(huán)境pH值溶液濃度/(mol·L-1)圍壓/MPa5101520黏聚力c/MPa內(nèi)摩擦角φ/(°)干燥———115.42134.24149.52175.3221.4840.16飽水Na2SO4溶液10.0186.3497.17111.20129.6613.9638.27飽水Na2SO4溶液40.0197.26107.63120.97141.1216.5239.02飽水Na2SO4溶液70.01105.45119.34136.37159.7619.1339.75飽水Na2SO4溶液90.0199.66113.03123.83142.4317.6439.43飽水Na2SO4溶液110.0192.43101.18118.62135.7415.6738.86飽水Na2SO4溶液70.10100.58106.82125.33156.7316.7739.13飽水NaHCO3溶液70.01107.52116.24130.71162.4819.5439.79飽水蒸餾水7—109.61123.39143.45164.2319.7839.82

圖7 不同pH值，圍壓為10 MPa條件下，在0.01 mol/L Na2SO4溶液浸泡60 d后灰砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖8 pH=7、圍壓為15 MPa條件下，在不同水溶液中浸泡60 d后灰砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)與干燥狀態(tài)試件相比，受水化學(xué)溶液腐蝕后灰砂巖試件的破壞比較緩慢，有從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有缘内厔?shì)，且隨著圍壓的增大，這種趨勢(shì)變得越來越明顯。

(2)在相同圍壓條件下，被水化學(xué)溶液浸泡后灰砂巖試件的力學(xué)參數(shù)均小于干燥狀態(tài)下的，說明溶液的化學(xué)腐蝕作用降低了灰砂巖試件的力學(xué)參數(shù)，且相同條件下，其黏聚力c的降低程度大于內(nèi)摩擦角φ。

(3)在其他條件相同的情況下，隨著溶液酸、堿性的增強(qiáng)，灰砂巖試件的峰值強(qiáng)度、黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ的降低程度也隨之增大，并且其黏聚力c的降低程度大于內(nèi)摩擦角φ，在酸性溶液中的降低程度大于堿性溶液。

(4)在溶液pH值相同的情況下，灰砂巖試件力學(xué)參數(shù)的劣化程度依次為：0.1 mol/L Na2SO4> 0.01 mol/L Na2SO4> 0.01 mol/L NaHCO3>蒸餾水，說明在其他條件相同的情況下，化學(xué)溶液的濃度越大，灰砂巖試件力學(xué)參數(shù)的降低程度就越大； Na2SO4溶液對(duì)灰砂巖試件力學(xué)參數(shù)的劣化影響程度大于NaHCO3溶液，同時(shí)兩者對(duì)灰砂巖試件力學(xué)參數(shù)的劣化影響程度均大于蒸餾水。

3.2 化學(xué)損傷參數(shù)定義

研究水化學(xué)溶液對(duì)巖樣損傷作用的前提是選擇合適的損傷變量，關(guān)于損傷變量的定義有很多，常見的主要是從微細(xì)觀和宏觀兩個(gè)角度來選擇合適的度量損傷的狀態(tài)變量[15-16]。微細(xì)觀方面可選擇試件的孔隙長(zhǎng)度、體積、多少等，宏觀角度可選用試件的屈服應(yīng)力、應(yīng)變、密度和彈性系數(shù)等。由2.3節(jié)內(nèi)容已知，灰砂巖試件經(jīng)過溶液腐蝕過后的孔隙率有所增大，孔隙結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化。因此，選用孔隙率的損傷變量來定義溶液化學(xué)腐蝕對(duì)灰砂巖試件的腐蝕損傷程度，則所選化學(xué)損傷參數(shù)S計(jì)算如下[12]：

3.3 化學(xué)損傷對(duì)灰砂巖力學(xué)參數(shù)的影響

結(jié)合2.3節(jié)所測(cè)數(shù)據(jù)，按式(5)計(jì)算得到灰砂巖試件在不同水化學(xué)溶液浸泡腐蝕后相應(yīng)的損傷參數(shù)S，分析損傷參數(shù)S與灰砂巖試件物理力學(xué)參數(shù)之間的相互關(guān)系，如圖9所示。

圖9 灰砂巖試件各力學(xué)參數(shù)與損傷參數(shù)S的關(guān)系

同時(shí)進(jìn)一步對(duì)圖9進(jìn)行回歸分析，可得到：

由圖9及相關(guān)回歸方程(6)可以看出，灰砂巖試件的黏聚力、內(nèi)摩擦角和抗壓強(qiáng)度均隨著損傷變量S的增大而呈現(xiàn)出減小的趨勢(shì)，其中黏聚力c與損傷參量S呈指數(shù)減小關(guān)系，內(nèi)摩擦角φ與損傷參量S呈線性減小關(guān)系，抗壓強(qiáng)度σ1與損傷參量S符合冪函數(shù)關(guān)系。這進(jìn)一步說明了水化學(xué)溶液對(duì)灰砂巖試件的腐蝕作用會(huì)隨腐蝕時(shí)間的加長(zhǎng)而逐漸累積增強(qiáng)，其損傷累積效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致灰砂巖試件宏觀物理力學(xué)性質(zhì)的劣化和相關(guān)力學(xué)參數(shù)的降低。

4 水巖化學(xué)腐蝕作用的機(jī)制分析

浸泡試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，水化學(xué)溶液對(duì)灰砂巖的腐蝕作用非常明顯。通過對(duì)腐蝕前后試件質(zhì)量和水化學(xué)溶液進(jìn)行測(cè)定，得到試件質(zhì)量、孔隙率、溶液pH值和部分溶出離子濃度的變化情況(2.1節(jié))，并以此為據(jù)深入分析水巖化學(xué)腐蝕作用的反應(yīng)機(jī)制及其規(guī)律，分析結(jié)果如下：

(1)在酸性條件下，溶液的pH值升高，且其中溶出的Ca2+，Mg2+離子濃度增大，這主要是由于灰砂巖成分中的白云石和方解石等礦物在酸性條件下易與H+離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng):

此外，灰砂巖礦物成分中還有少量的云母和長(zhǎng)石也會(huì)與H+離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng):

(2)在堿性條件下，溶液的pH值降低，溶液中溶出的Ca2+、Mg2+離子濃度增大，但較酸性條件下離子濃度增加幅度小，這主要是由于白云石和方解石在堿性環(huán)境下不易溶解，只存在少量的水解反應(yīng)。同時(shí)，灰砂巖中的石英和云母在堿性條件下容易發(fā)生發(fā)應(yīng)：

總之，灰砂巖試件在微細(xì)觀結(jié)構(gòu)上的改變與其在宏觀方面力學(xué)參數(shù)的變化有著密切的關(guān)系。在微細(xì)觀方面主要表現(xiàn)為試件礦物成分及其結(jié)構(gòu)的變化，在宏觀方面則表現(xiàn)為試件力學(xué)參數(shù)的劣化。試件宏觀力學(xué)參數(shù)的劣化是其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的外在表現(xiàn)，同時(shí)試件的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化又為其宏觀力學(xué)參數(shù)劣化的內(nèi)因。

5 結(jié) 論

(1)不同的化學(xué)溶液對(duì)灰砂巖試件的腐蝕程度各不相同。其余條件相同的情況下，化學(xué)溶液的酸、堿性越強(qiáng)、濃度越大，其對(duì)灰砂巖試件的腐蝕作用越強(qiáng)，試件力學(xué)參數(shù)的劣化程度就越大；溶液化學(xué)成分對(duì)灰砂巖試件腐蝕程度的影響有所不同，相同條件下，Na2SO4溶液> NaHCO3溶液>蒸餾水。

(2)水化學(xué)溶液對(duì)灰砂巖的腐蝕作用具有較強(qiáng)的時(shí)間依賴性和明顯的階段性，整個(gè)作用過程可分為3個(gè)階段：試驗(yàn)初期(0～15 d)的快速反應(yīng)階段，試驗(yàn)中期(15～50 d)的緩慢反應(yīng)階段和試驗(yàn)后期(50 d之后)的穩(wěn)定階段；酸、堿性溶液在化學(xué)腐蝕過程中具有趨中性，而中性溶液逐漸趨于弱堿性。

(3)化學(xué)腐蝕過后，溶液中Ca2+，Mg2+濃度、試件的孔隙變化率η均與灰砂巖試樣力學(xué)參數(shù)的劣化程度呈正相關(guān)關(guān)系，而試件相對(duì)質(zhì)量差Δm相反，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(4)水化學(xué)溶液的腐蝕作用會(huì)改變灰砂巖試件的變形特性，使其有從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有缘内厔?shì)。同時(shí)，化學(xué)腐蝕作用會(huì)降低灰砂巖試件的力學(xué)參數(shù)，相同條件下，其黏聚力c的降低程度大于內(nèi)摩擦角φ；在酸性溶液中的降低程度大于堿性溶液，說明灰砂巖對(duì)酸性溶液更為敏感。

(5)基于化學(xué)腐蝕過程中試件孔隙率變化情況與其力學(xué)參數(shù)劣化程度的相關(guān)關(guān)系，定義化學(xué)損傷參量S，得到灰砂巖試件的黏聚力c與損傷參量S呈指數(shù)減小關(guān)系，內(nèi)摩擦角φ與損傷參量S呈線性減小關(guān)系，抗壓強(qiáng)度σ1與損傷參量S符合冪函數(shù)減小關(guān)系。

[1] 楊慧,曹平,江學(xué)良.水-巖化學(xué)作用等效裂紋擴(kuò)展細(xì)觀力學(xué)模型[J].巖土力學(xué),2010,31(7):2104-2110. Yang Hui,Cao Ping,Jiang Xueliang.Micromechanical model for equivalent crack propagation under chemical corrosion of water-rock interaction[J].Rock and Soil Mechanics,2010,31(7):2104-2110．

[2] 姚華彥,馮夏庭,崔強(qiáng),等.化學(xué)侵蝕下硬脆性灰?guī)r變形和強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2009,30(2):338-343. Yao Huayan,Feng Xiating,Cui Qiang,et al.Experimental study of effect of chemical corrosion on strength and deformation of hard brittle limestone[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(2):338-343.

[3] Zheng Jiangtao,Ju Yang,Zhao Xin.Influence of pore structures on the mechanical behavior of low-permeability sandstones Numerical reconstruction and analysis[J].International Journal of Coal Science & Technology,2014,1(3):329-337.

[4] 丁梧秀,馮夏庭.化學(xué)腐蝕下裂隙巖石的損傷效應(yīng)及斷裂準(zhǔn)則研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(6):899-904. Ding Wuxiu,Feng Xiating.Damage effect and fracture criterion of rock with multi-preexisting cracks under chemical erosion[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(6):899-904.

[5] 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.

[6] Li N,Zhu Y M,Bo S,et al.A chemical damage model of sandstone in acid solution[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003，40(2)：243-249.

[7] 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 meso-failure mechanism and damage variables of sandstone under chemical erosion[J].Rock and Soil Mechanics,2004,25(9):1363-1367.

[8] 王偉,劉桃根,李雪浩,等.化學(xué)腐蝕下花崗巖三軸壓縮力學(xué)特性試驗(yàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,46(10):3801-3807. Wang Wei,Liu Taogen,Li Xuehao,et al.Mechanical behaviour of granite in triaxial compression under chemical corrosion[J].Journal of Central South University(Science and Technology),2015,46(10):3801-3807.

[9] 丁梧秀,陳建平,徐桃,等.化學(xué)溶液侵蝕下灰?guī)r的力學(xué)及化學(xué)溶解特性研究[J].巖土力學(xué),2015,36(7):1825-1830. Ding Wuxiu,Chen Jianping,Xu Tao,et al.Mechanical and chemical characteristics of limestone during chemical erosion[J].Rock and Soil Mechanics,2015,36(7):1825-1830.

[10] 姚華彥,馮夏庭,崔強(qiáng),等.化學(xué)溶液及其水壓作用下單裂紋灰?guī)r破裂的細(xì)觀試驗(yàn)[J].巖土力學(xué),2009,30(1):59-78. Yao Huayan,Feng Xiating,Cui Qiang,et al.Meso-mechanical experimental study of meso-fraeturing process of limestone under coupled chemical corrosion and water pressure[J].Rock and Soil Mechanics,2009,30(1):59-78.

[11] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組.GB/T 50266-99 工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,1999:55-57. The National Standards Compilation Group of People’s Republic of China.GB/T 50266—99 Standard for test methods of engineering rock masses[S].Beijing:China Planning Press,1999:55-57.

[12] 韓鐵林,陳蘊(yùn)生,師俊平,等.水化學(xué)腐蝕對(duì)砂巖力學(xué)特性影響的試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,32(S2):3064-3072. Han Tielin,Chen Yunsheng,Shi Junping,et al.Experimental syudy of mechanical characteristics of sandstone subjected to hydrochemical erosion[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(S2):3064-3072.

[13] 崔強(qiáng),馮夏庭,薛強(qiáng),等.化學(xué)腐蝕下砂巖孔隙結(jié)構(gòu)變化的機(jī)制研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(6):1209-1215. Cui Qiang,Feng Xiating,Xue Qiang,et al.Mechanism syudy of porosity structure change of sandstone under chemical corrosion[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(6):1209-1215.

[14] 苗勝軍,蔡美峰,冀東,等.酸性化學(xué)溶液作用下花崗巖力學(xué)特性與參數(shù)損傷效應(yīng)[J].煤炭學(xué)報(bào),2016,41(4):829-835. Miao Shengjun,Cai Meifeng,Ji Dong,et al.Damage effect of granite’s mechanical properties and parameters under the action of acidic solutions[J].Journal of China Coal Society,2016,41(4):829-835.

[15] 李鵬,劉健,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.

[16] Feng X T,Ding W X.Experimental study of limestone micro-fracturing under a coupled stress,fluid flow and changing chemical environment[J].International Journal of Rock Mechanics and Miing Sciences,2007,44(3):437-448.

Mechanical properties and parameter damage effect of malmstone under chemical corrosion of water-rock interaction

WANG Yan-lei1,2,TANG Jian-xin1,2,JIANG Jun3,DAI Zhang-yin1,2,4,SHU Guo-jun1,2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;3.ChongqingInstituteofGeologyandMineralResources,Chongqing400042,China;4.MiningCollege,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Taking the malmstone as the experiment and research object,based on the erosion effect of aqueous solution with different pH values,concentrations and components,a series of immerse on tests and triaxal compression experiments are conducted to compare and analyze the micro structure characteristics,deformation features,intensity damage and deterioration mechanics of its mechanical parameters of the malmstone under different water chemistry circumstances.The test results indicate that the increasing acidity and basicity and the higher concentration lead to more strong corrosion behavior towards the malmstone.Besides,the chemical corrosion turns the malmstone from fragility into ductility and leads to the deterioration of mechanical parameters.Under the same condition,the deterioration degree of cohesion is higher than that of internal friction angle,and the deterioration degree in acid solution is higher than that in alkaline solution.In addition,the concentration of Ca2+and Mg2+in the solution,as well as the pore rate,shows a positive correlation with the deterioration degree of the mechanical parameters,while the relative mass difference of specimens Δmshows a negative correlation with it.Moreover,the new defined porosity damage parameter is capable to accurately reflect the damage evolution process of mechanical parameters of specimens under the chemical water-rock interaction.

chemical action of water-rock;gray sandstone;mechanical parameter damage;meso-damage parameter;corrosion mechanism

10.13225/j.cnki.jccs.2016.0664

2016-05-20

2016-06-26責(zé)任編輯:常 琛

煤礦災(zāi)害動(dòng)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題重點(diǎn)資助項(xiàng)目(2011DA105287-ZD201504)

王艷磊(1988—)，男，山西高平人，博士研究生。E-mail:860024333@qq.com

TD315

A

0253-9993(2017)01-0227-09

王艷磊，唐建新，江君,等.水-巖化學(xué)作用下灰砂巖的力學(xué)特性與參數(shù)損傷效應(yīng)[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):227-235.

Wang Yanlei,Tang Jianxin,Jiang Jun,et al.Mechanical properties and parameter damage effect of malmstone under chemical corrosion of water-rock interaction[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):227-235.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0664