司馬軍，譚 睿，馬 旭，潘 健，蔣明鏡,3

(1.武漢大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院， 湖北 武漢 430072； 2.湖北省巖土與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430072；3.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系， 上海 200092)

在自然條件下，巖體經(jīng)常受到水的化學(xué)侵蝕作用，其力學(xué)性能逐漸劣化，導(dǎo)致壩基、圍巖、邊坡等工程的穩(wěn)定性降低[1-3]。因此，開展巖體的化學(xué)侵蝕作用研究具有重要意義。近年來，國(guó)、內(nèi)外學(xué)者對(duì)水巖化學(xué)侵蝕作用開展了理論分析、數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)等方面的研究，探討了化學(xué)侵蝕作用機(jī)理，以及對(duì)巖石強(qiáng)度、破裂、變形等方面的影響，取得了較大進(jìn)展。在理論方面，湯連生等[4-5]分別運(yùn)用化學(xué)成分分析理論、能量觀點(diǎn)、考慮化學(xué)損傷的破壞力學(xué)方法，分析了巖石水化學(xué)損傷機(jī)理，以及水-巖化學(xué)作用的宏觀力學(xué)效應(yīng)。楊慧等[6]運(yùn)用地球化學(xué)礦物-水反應(yīng)的溶解動(dòng)力學(xué), 通過計(jì)算離子濃度的變化,探討了化學(xué)腐蝕下裂紋擴(kuò)展的定量化研究方法。在數(shù)值模擬方面，李鵬[7]提出了巖石應(yīng)力-滲流-化學(xué)耦合彈性數(shù)值模擬方法。Ciantia M O等[8-9]提出了考慮質(zhì)量損耗的化學(xué)風(fēng)化彈塑性本構(gòu)模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型。Jiang M等[10-11]基于質(zhì)量損耗假定提出了考慮化學(xué)風(fēng)化的微觀接觸模型，用離散元PFC軟件模擬了完整巖石和含階梯型裂縫巖石的化學(xué)風(fēng)化過程。由于水-巖化學(xué)作用影響因素多，作用機(jī)制復(fù)雜，室內(nèi)試驗(yàn)是研究的重要手段。Feng X T等[12]總結(jié)了不同化學(xué)溶液條件下花崗巖的強(qiáng)度和開裂特性。Xie S Y等[13]研究了化學(xué)風(fēng)化條件下石灰?guī)r性質(zhì)的變化過程。陳四利等[14]探討了不同化學(xué)溶液對(duì)花崗巖、砂巖和灰?guī)r強(qiáng)度的腐蝕效應(yīng)，并獲得了裂紋擴(kuò)展過程的顯微和全場(chǎng)圖像。馮夏庭等[15-16]研制了應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合的巖石力學(xué)伺服系統(tǒng)，研究了化學(xué)溶液作用下裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度、寬度及搭接破壞模式的規(guī)律和實(shí)時(shí)觀測(cè)圖像。苗勝軍等[17]研究了酸性化學(xué)溶液作用下花崗巖的力學(xué)特性和損傷效應(yīng)，認(rèn)為花崗巖對(duì)酸性溶液的pH值更為敏感?？傊?，目前對(duì)完整巖石化學(xué)侵蝕作用的試驗(yàn)研究較多，由于制樣困難，對(duì)天然含裂隙巖樣的試驗(yàn)研究較少，特別是同時(shí)考慮溶液濃度、pH值、應(yīng)力水平及浸泡時(shí)間等多因素影響的試驗(yàn)成果更少。

本研究采用天然花崗巖，應(yīng)用水刀法預(yù)制裂縫，通過自制的化學(xué)侵蝕-單軸加載簡(jiǎn)易裝置，研究了封閉溶液環(huán)境下試樣的質(zhì)量損失、應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)和力學(xué)性質(zhì)變化，分析了溶液濃度、pH值、應(yīng)力水平和浸泡時(shí)間等因素對(duì)起裂應(yīng)力、峰值強(qiáng)度、變形模量等力學(xué)指標(biāo)的影響，對(duì)揭示化學(xué)風(fēng)化巖體力學(xué)性質(zhì)的演變機(jī)制具有參考意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 巖石試樣制備

巖樣選取產(chǎn)自湖北麻城的芝麻白花崗巖。經(jīng)中科院巖土所巖石力學(xué)試驗(yàn)室X衍射分析，礦物成分主要由石英、鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石和鉀云母及高嶺石等組成，各成分比例及巖樣基本物理性質(zhì)見表1。各試樣取自同一塊大花崗巖，采取機(jī)械結(jié)合手工的方式精細(xì)打磨成60 mm(長(zhǎng))×30 mm(寬)×8 mm(厚)，加工精度為±0.3 mm。預(yù)制裂縫位于巖樣中心，長(zhǎng)10 mm，寬1 mm，角度為45°，見圖1。由于巖樣質(zhì)地堅(jiān)硬，采用機(jī)械鉆孔加工裂縫時(shí)易碎裂，成功率低。本試驗(yàn)改用高壓水刀(水壓力260 MPa)切割，不僅預(yù)制縫邊緣規(guī)則，而且切割速度快，成功率高。實(shí)測(cè)完整試樣和預(yù)制裂縫試樣的單軸抗壓強(qiáng)度值如表1所示。

表1 巖樣基本物理力學(xué)性質(zhì)

圖1水刀法預(yù)制單裂縫花崗巖試樣

1.2 試驗(yàn)方案

為了模擬復(fù)雜的水-巖化學(xué)侵蝕過程，本試驗(yàn)考慮溶液濃度、pH值、應(yīng)力水平及風(fēng)化時(shí)間等四種因素對(duì)試樣侵蝕的影響。其中，應(yīng)力水平定義為豎向應(yīng)力與試樣初始單軸抗壓峰值強(qiáng)度的比值。參考馮夏庭等[15]的試驗(yàn)研究方法，選取CaCl2作為基本溶液，并利用鹽酸和氫氧化鈉調(diào)整成目標(biāo)pH值。

由于因素較多，先進(jìn)行了一組預(yù)制裂隙試樣四因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2所示。CaCl2濃度的三水平由低到高為0.1 mol/L、0.5 mol/L和1.0 mol/L。溶液pH值選擇為2、7和12；浸泡時(shí)間選擇為7 d、30 d、90 d；應(yīng)力水平考慮0.0、0.2和0.5三種。為了減少數(shù)據(jù)的離散性，每組采用3～6個(gè)平行樣。另外，為了研究水巖相互作用對(duì)時(shí)間的依賴性，增加了一組試驗(yàn)：即0.5 mol/L和1.0 mol/L濃度下試樣從7 d、30 d、90 d至180 d的無壓力浸泡試驗(yàn)。最終完成有效裂隙試樣數(shù)量為87個(gè)。

浸泡前，將試樣先在烘箱內(nèi)烘干(105℃、24 h)，稱取試樣質(zhì)量。然后，將試樣放入溶液內(nèi)，浸泡時(shí)采取逐漸浸沒的方式，以排出內(nèi)部空氣。在溶液中浸泡到規(guī)定時(shí)間后取出試樣，用蒸餾水清洗浸泡2 h，以去除試樣表面殘留溶液，然后烘干稱取試樣質(zhì)量。最后，進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中還檢測(cè)了水化學(xué)溶液的部分離子濃度變化，如Ca2+、H+或OH-。由于室內(nèi)溫差變化不大，試驗(yàn)沒有考慮溫度影響。

1.3 試驗(yàn)儀器設(shè)備

應(yīng)力水平為0的化學(xué)侵蝕試驗(yàn)在玻璃槽中進(jìn)行。試驗(yàn)中化學(xué)溶液一次性施加，每個(gè)槽中盛放約2 000 ml溶液，槽內(nèi)放置3～6塊平行試樣，槽頂用塑料膜封閉，防止水分蒸發(fā)。

應(yīng)力水平為0.2和0.5的試驗(yàn)采用自行研制的化學(xué)-應(yīng)力耦合加載設(shè)備完成，該裝置由高壓固結(jié)儀改制而成，包括砝碼、加載架、壓力傳導(dǎo)裝置及玻璃容器。試驗(yàn)時(shí)，試樣浸泡在盛有溶液的玻璃容器中，豎向荷載采用砝碼通過杠桿加載裝置施加在試樣頂部。為防止加載偏心，在加載板兩側(cè)設(shè)有導(dǎo)向輪，容器底座設(shè)有導(dǎo)正夾。在試樣上、下兩端墊有0.4 mm厚硅膠膜，使其受力均勻。為形成封閉環(huán)境，在溶液上表面覆蓋5 mm厚硅油。

1.4 單軸壓縮試驗(yàn)

由于巖樣尺寸較小，單軸抗壓荷載一般在15 kN以內(nèi)，單軸壓縮試驗(yàn)采用100 kN型電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。試樣放在兩剛性壓板之間，為了減小“端部效應(yīng)”，在巖樣與壓板之間設(shè)置了0.4 mm厚硅膠墊片。啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)后采取位移控制的方式加載，加載速率選擇為0.05 mm/min，直至巖樣完全破壞。試驗(yàn)中采用攝像機(jī)記錄裂縫擴(kuò)展和破壞全過程。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試樣質(zhì)量及溶液離子濃度變化

浸泡前試樣質(zhì)量為37.0 g左右，經(jīng)浸泡后的試樣質(zhì)量均出現(xiàn)減少，減少幅度在0.01 g～0.07 g之間，質(zhì)量損失率0.03%～0.20%。以CaCl2濃度1.0 mol/L、應(yīng)力水平0為例，不同pH值條件下質(zhì)量變化與浸泡時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。由圖2可知，試樣質(zhì)量在浸泡初期(前30 d)均有一定減少；隨著時(shí)間增長(zhǎng)，在pH=7和pH=12條件下質(zhì)量出現(xiàn)少量回升，在pH=2條件下質(zhì)量則基本保持不變，總體上看，在pH=2條件下質(zhì)量損失最大。上述質(zhì)量變化與循環(huán)條件下巖石質(zhì)量損失持續(xù)增大的情況[8]不同。表明在封閉化學(xué)溶液環(huán)境下，試樣的質(zhì)量損失較小，礦物在化學(xué)反應(yīng)后生成的新物質(zhì)重新沉積在試樣表面，化學(xué)溶解與化學(xué)沉積作用基本相當(dāng)。

圖2質(zhì)量變化值與時(shí)間的關(guān)系

試驗(yàn)過程中離子濃度和pH值變化如圖3所示。由于試驗(yàn)操作原因，僅獲得了30 d內(nèi)的離子濃度的測(cè)量值。由圖3可知，酸性溶液pH值隨時(shí)間有增大趨勢(shì)，堿性溶液pH值有減小趨勢(shì)，中性溶液pH值基本不變；總之，隨時(shí)間增加，H+或OH-濃度逐漸降低，溶液有向中性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。另外，在酸性和堿性溶液中，Ca2+濃度隨時(shí)間均逐漸減小。

2.2 裂縫擴(kuò)展及破壞過程

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大部分試樣在破壞前裂縫擴(kuò)展過程較為明顯，且伴隨裂縫擴(kuò)展，應(yīng)力相應(yīng)產(chǎn)生波動(dòng)；也有少數(shù)試樣破壞非常突然，沒有明顯的裂縫擴(kuò)展過程。對(duì)浸泡后的試樣，裂縫擴(kuò)展破壞典型過程如圖4中a-b-c-d-e-f所示，即，先從預(yù)制裂縫兩尖端萌生兩條翼裂紋，起裂方向與加載方向之間的夾角很小，并快速向試樣兩端擴(kuò)展，進(jìn)而產(chǎn)生次生裂紋，最后多條裂紋完全貫通而破壞。浸泡前的裂縫擴(kuò)展及破壞過程與浸泡后的相似，均與文獻(xiàn)[4，18]中巖樣的破壞模式一致。

圖3 pH值、鈣離子濃度與時(shí)間的變化關(guān)系

2.3 單軸壓縮試驗(yàn)曲線

以CaCl2濃度1.0 mol/L、pH值2、應(yīng)力水平0、浸泡時(shí)間30 d的一組試驗(yàn)為例，試樣侵蝕前、后單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5(a)、圖5(b)所示。受端部墊片壓縮的影響，加載初期的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為下凹彎曲線，隨著荷載加大而逐漸變?yōu)橹本€。隨著應(yīng)變進(jìn)一步增大，大部分試驗(yàn)的應(yīng)力出現(xiàn)鋸齒狀增長(zhǎng)，直至達(dá)到破壞而急劇降低。直線段斜率可代表試樣的彈性模量，應(yīng)力應(yīng)變曲線的鋸齒狀波動(dòng)反映了試樣內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展。據(jù)觀察，絕大多數(shù)試樣都是從預(yù)制裂縫尖端起裂，故可將曲線初始波動(dòng)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值確定為起裂應(yīng)力，破壞前的最大應(yīng)力值確定為峰值強(qiáng)度。

圖5浸泡前、后單軸壓縮試驗(yàn)曲線

由圖5(a)、圖5(b)對(duì)比可知：浸泡后試驗(yàn)曲線的鋸齒狀波動(dòng)有增多趨勢(shì)，一部分試驗(yàn)曲線在峰后并不是斷崖式下降，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)可以保持一定的殘余強(qiáng)度。這表明浸泡后的巖樣在受壓過程中形成了更多細(xì)裂紋，破壞模式有由脆性向延性轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，與文獻(xiàn)[17]的試驗(yàn)結(jié)論一致。根據(jù)試驗(yàn)曲線還可得出，浸泡前平均彈性模量9.62 MPa，平均峰值強(qiáng)度為99.7 MPa；浸泡后平均彈性模量8.28 MPa，平均峰值強(qiáng)度為78.1 MPa。浸泡后試樣的彈性模量和峰值強(qiáng)度分別降低了14%、22%。

比較各組平行試樣結(jié)果可知，起裂應(yīng)力的離散性最大，峰值強(qiáng)度次之，彈性模量的離散性最小。分析其原因是：起裂應(yīng)力和峰值強(qiáng)度反映了巖石的受力破壞特征，受巖樣均勻性、加工精度(包括預(yù)制裂隙)、加載條件等影響較大；而彈性模量則反映了巖石彈性階段的受力變形特征，因此受制樣和加載條件影響相對(duì)較小[16]。建議將彈性模量作為評(píng)價(jià)化學(xué)侵蝕作用的重要指標(biāo)。

2.4 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

正交試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果匯總見表3，進(jìn)一步整理得到各因素對(duì)試樣力學(xué)性質(zhì)的影響見圖6～圖8。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由圖6可知，隨著因素水平的增加，起裂應(yīng)力的波動(dòng)性較大。其中，在不同pH值條件下，起裂應(yīng)力由小至大依次為：因素水平1(pH=2)<因素水平3(pH=12)<因素水平2(pH=7)，表明在酸性和堿性環(huán)境下起裂應(yīng)力均有不同程度的減小。但是，溶液濃度、浸泡時(shí)間和應(yīng)力水平的變化，對(duì)起裂應(yīng)力的影響規(guī)律不明顯。

圖6起裂應(yīng)力與各因素間的變化關(guān)系

由圖7可知，當(dāng)pH值為2時(shí)(因素水平1)峰值強(qiáng)度最小，pH值為7(因素水平2)的峰值強(qiáng)度與pH值12(因素水平3)的接近。隨著CaCl2濃度、浸泡時(shí)間和應(yīng)力水平的增加(從因素水平1到因素水平3)，峰值強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)。

由圖8可知，當(dāng)pH值為2(因素水平1)的彈性模量最小，pH值為12(因素水平3)的次之，pH值為7(因素水平3)的最大；隨著CaCl2濃度、浸泡時(shí)間和應(yīng)力水平的增加(從因素水平1到因素水平3)，彈性模量變化呈遞減趨勢(shì)。

總之，CaCl2濃度、pH值、應(yīng)力水平及風(fēng)化時(shí)間對(duì)巖樣的力學(xué)性質(zhì)均存在影響。pH值的影響規(guī)律是：起裂應(yīng)力、峰值強(qiáng)度和彈性模量在酸性溶液中最小，堿性溶液次之，中性溶液最大，表明酸性溶液對(duì)試樣的侵蝕作用最大。溶液濃度、應(yīng)力水平及浸泡時(shí)間的影響規(guī)律為：隨著因素水平增加，峰值強(qiáng)度和彈性模量均呈單調(diào)減小，但起裂應(yīng)力變化波動(dòng)性較大。峰值強(qiáng)度和彈性模量的變化規(guī)律與文獻(xiàn)[5,8,12-17]試驗(yàn)結(jié)果基本相符。

圖7 峰值強(qiáng)度與各因素間的變化關(guān)系

圖8彈性模量與各因素間的變化關(guān)系

2.5 討 論

試樣峰值強(qiáng)度和彈性模量受上述因素的影響規(guī)律，可以用水巖化學(xué)作用機(jī)制進(jìn)行解釋：

(1) 采用的花崗巖試樣中，礦物成分以石英(31.93%)和鈉+鉀長(zhǎng)石(54.82%)為主。根據(jù)馮夏庭等[15]研究結(jié)果，石英礦物易在強(qiáng)堿性環(huán)境下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，長(zhǎng)石礦物則易在強(qiáng)酸性環(huán)境下發(fā)生反應(yīng)。溶液無論為酸性或堿性，都會(huì)增加溶液對(duì)巖石的腐蝕效應(yīng)。由于試樣中長(zhǎng)石含量比石英含量高，因此酸性環(huán)境比堿性的影響更大。這與2.1節(jié)中不同pH值條件下質(zhì)量損失結(jié)果也是一致的。

(2) 溶液中Ca2+離子具有特殊的雙電層特征，易與長(zhǎng)石、高嶺石等礦物發(fā)生吸附作用，Ca2+濃度越大，吸附作用越強(qiáng)。馮夏庭等[15]認(rèn)為吸附作用可以使得表面孔隙結(jié)構(gòu)更致密，因此提高試樣強(qiáng)度。但是，實(shí)測(cè)結(jié)果表明試樣抗壓強(qiáng)度隨Ca2+離子濃度增加有降低趨勢(shì)?？梢?，Ca2+離子吸附作用對(duì)裂隙巖樣產(chǎn)生的力學(xué)效應(yīng)還需要進(jìn)一步研究。

(3) 豎向壓力對(duì)試樣既有壓密作用，也會(huì)使一部分微裂縫張開。當(dāng)豎向壓力增加到一定水平后，微裂縫張開將占主導(dǎo)地位，使得溶液與試樣的接觸面積增大，從而增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)。根據(jù)Yasuhara H等[19]、申林方等[20]提出的壓力溶解理論，在豎向壓力作用下試樣不同部位的應(yīng)力狀態(tài)不同，特別對(duì)于預(yù)制單裂縫的情況下化學(xué)溶解作用也必然存在差別。因此，荷載作用下試樣表面各部位化學(xué)侵蝕分布規(guī)律還需要進(jìn)一步研究。

(4) 浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，巖石礦物成分被反應(yīng)的量越多，巖石化學(xué)侵蝕作用越強(qiáng)。由于本試驗(yàn)在封閉溶液條件下進(jìn)行，2.1節(jié)中實(shí)測(cè)Ca2+、H+或OH-等離子濃度是隨時(shí)間逐漸降低的。因此，侵蝕作用的時(shí)間效應(yīng)不如循環(huán)溶液條件下[5，14]的明顯。

對(duì)于起裂應(yīng)力，其影響機(jī)制更為復(fù)雜。其變化除了與巖石基質(zhì)化學(xué)侵蝕作用有關(guān)外，還受裂縫尖端的化學(xué)侵蝕與沉積作用的影響[21]，也受2.3節(jié)中提及的制樣及加載條件影響，導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)性較大。今后還需要提高制樣精度以及對(duì)裂縫尖端的微觀侵蝕作用作進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

通過對(duì)板狀裂隙試樣進(jìn)行封閉溶液條件下的化學(xué)侵蝕試驗(yàn)，研究了溶液濃度、pH值、應(yīng)力水平以及浸泡時(shí)間等因素對(duì)裂隙花崗巖試樣力學(xué)性質(zhì)的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 在封閉化學(xué)溶液條件下，試樣的質(zhì)量損失較小，但峰值強(qiáng)度和彈性模量均有明顯降低，壓縮變形有從脆性向延性轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

(2) pH值對(duì)力學(xué)性質(zhì)影響較大，起裂應(yīng)力、峰值強(qiáng)度和彈性模量在酸性溶液中最小，堿性溶液次之，中性溶液最大。

(3) 隨著濃度、應(yīng)力水平及浸泡時(shí)間增加，起裂應(yīng)力變化波動(dòng)性較大, 峰值強(qiáng)度和彈性模量均呈單調(diào)減小。