，，，，，

(1.山西大學(xué) 土木工程系，太原 030013；2.河北建筑工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河北 張家口 075000； 3.河北建筑工程學(xué)院 建筑與藝術(shù)學(xué)院，河北 張家口 075000；4.中鐵二院科學(xué)技術(shù)研究院，成都 610000； 5.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008)

1 研究背景

隨著隧道及地下工程建造技術(shù)的革新與發(fā)展，地下深大工程越來越多，工程環(huán)境復(fù)雜多樣性對工程建造以及運(yùn)營等方面的影響問題日益突出。其中，酸堿度交替作用或長期侵蝕作用對建設(shè)工程深部巖石力學(xué)性能及其微觀結(jié)構(gòu)的影響成為一個(gè)熱點(diǎn)研究問題。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度進(jìn)行了研究，并取得了不少成果，其中具有代表性的有：韓鐵林等[1-2]研究了水溶液pH值、濃度及組分與砂巖腐蝕程度之間的關(guān)系與腐蝕機(jī)理；鄧華鋒等[3-4]研究了水對巖石孔隙率變化、內(nèi)部孔隙飽水度與縱波波速的影響關(guān)系；張梁[5]、傅晏[6]對干濕循環(huán)作用下酸性環(huán)境巖石的宏細(xì)觀損傷進(jìn)行了研究，并分析了庫的水位變化對邊坡穩(wěn)定性的影響;王子娟等[7]對酸性水溶液干濕交替作用下砂巖的力學(xué)性質(zhì)及其劣化規(guī)律進(jìn)行了研究；戎虎仁[8]以砂巖為研究對象，對滲透特性和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并建立了定量關(guān)系。

本文基于不同酸堿度水溶液作用后砂巖力學(xué)、壓汞試驗(yàn)現(xiàn)象及試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步分析了力學(xué)性質(zhì)與微觀結(jié)構(gòu)，建立了微觀與宏觀之間的定量關(guān)系，為探討酸堿度對巖石的腐蝕機(jī)理和浸水環(huán)境工程結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性提供了新的思路。

2 材料選取及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)樣品選取

研究酸堿度對巖石力學(xué)性質(zhì)和微觀結(jié)構(gòu)的影響需選用均一性較好的巖石，本文將山東臨沂砂巖作為研究對象，該類巖石顯微鏡下鑒定為黏土巖；常溫下孔隙結(jié)構(gòu)呈正態(tài)分布(歪度SKP=0.008 7)。主要成分：①黏土質(zhì)含量約為50%～55%；②硅質(zhì)含量約為35%～40%；③陸源粉砂含量約為10%，主要成分為石英，粒徑一般為0.005～0.05 mm，與黏土質(zhì)、硅質(zhì)混雜分布，具泥質(zhì)粉砂狀結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，能夠滿足試驗(yàn)要求。圖1為巖石顯微鏡下成分鑒定。

圖1 巖石顯微鏡下成分鑒定Fig.1 Identification of rock components under microscope

圖2 MTS816伺服系統(tǒng)Fig.2 MTS816 servo system

2.2 力學(xué)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)選Φ50 mm×100 mm圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣，試件兩端面不平行度最大不超過0.02 mm，端面應(yīng)與圓柱體試樣軸線垂直，且最大偏差不超過0.20°，高度精確到1 mm。在試驗(yàn)過程中，每種工況選取不少于3個(gè)試樣。

主要試驗(yàn)設(shè)備為MTS816伺服系統(tǒng)，加載速率為0.002 mm/s，見圖2。

2.3 微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)試樣選定Φ5 mm×30 mm圓柱體標(biāo)準(zhǔn)巖樣，在試樣制作時(shí)需對其進(jìn)行編號，且確保試樣兩端面的不平行度最大不超過0.02 mm；端面應(yīng)與圓柱體試樣軸線垂直，且最大偏差不超過0.20°，高度精確到1 mm，每種工況選取不少于6個(gè)試樣，取數(shù)據(jù)均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

圖3 9510全自動(dòng)壓汞儀Fig.3 9510 Automatic mercury porosimeter

微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)主要分為3個(gè)步驟：①對巖樣進(jìn)行排空氣處理，使其處于真空狀態(tài)；②借助烘干箱進(jìn)行烘干24 h；③采用美國麥克儀器公司(MICROMERITICS)生產(chǎn)的Auto Pore IV 9510全自動(dòng)壓汞儀(如圖3所示)進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，該儀器的最大工作壓力為414 MPa，測試孔徑范圍為0.003～1 000 m。

2.4 侵蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)前需通過調(diào)節(jié)稀鹽酸和固體氫氧化鈉配置不同pH值溶液。泥質(zhì)粉砂巖反應(yīng)時(shí)間通過電導(dǎo)率測試得出，圖4即為所配置不同pH值溶液的電導(dǎo)率變化規(guī)律。通過實(shí)測可得出不同pH值溶液與粉砂巖的反應(yīng)結(jié)束時(shí)間基本一致，大約為40 d，認(rèn)為此時(shí)侵蝕反應(yīng)截止，試樣性質(zhì)較為穩(wěn)定，所以力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)試驗(yàn)試樣取不同pH值水溶液浸泡40 d后的巖體進(jìn)行制作，試驗(yàn)研究共計(jì)7種工況，即分別被pH值為2，4，6，9，10，11，12的溶液侵蝕浸泡的巖樣。

圖4 溶液電導(dǎo)率隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curves of solution conductivity versus time

3 酸堿度對砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響

3.1 峰值強(qiáng)度變化規(guī)律

分析不同酸堿度水溶液腐蝕后砂巖單軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出抗壓強(qiáng)度隨pH值的變化規(guī)律曲線，如圖5所示。分析圖5可得：

圖5 不同pH值溶液腐蝕后巖石強(qiáng)度規(guī)律Fig.5 Strength variations of rock corroded by solution of different pH values

(1)干燥、未侵蝕狀態(tài)試樣(原樣)的平均抗壓強(qiáng)度為89.63 MPa；pH=7試樣(水標(biāo)樣)的抗壓強(qiáng)度為79.89 MPa，砂巖遇水后其強(qiáng)度降幅為10.87%。

(2)隨著酸性增強(qiáng)，試樣的抗壓強(qiáng)度呈降低趨勢，但降幅較小。其中，pH=6時(shí)，抗壓強(qiáng)度為76.94 MPa，相對于原樣降幅為14.16%，對于水標(biāo)樣降幅為3.69%；pH=4時(shí)，抗壓強(qiáng)度為73.32 MPa，相對于原樣降幅為18.20%，相對于水標(biāo)樣降幅為8.22%；pH=2時(shí)，峰值強(qiáng)度為70.91 MPa，相對于原樣降幅為20.88%，相對于水標(biāo)樣降幅為11.24%。

(3)隨著堿性增強(qiáng)，試樣的抗壓強(qiáng)度呈先急劇下降后緩慢降低變化規(guī)律；pH=9時(shí)，峰值強(qiáng)度為65.02 MPa，相對于原樣降幅為27.45%，相對于水標(biāo)樣降幅為18.16%；pH=10時(shí)，峰值強(qiáng)度為64.41 MPa，相對于原樣降幅為28.14%，相對于水標(biāo)樣降幅為19.37%；pH=11時(shí)，峰值強(qiáng)度為64.15 MPa，相對于原樣降幅為28.42%，相對于水標(biāo)樣降幅為19.71%；pH=12時(shí)，峰值強(qiáng)度為63.00 MPa，相對于原樣降幅為29.71%，相對于水標(biāo)樣降幅為21.14%。

圖6 彈性模量隨溶液pH值的變化Fig.6 Change of elastic modulus with pH value of solution

3.2 彈性模量變化規(guī)律

圖6為侵蝕后砂巖彈性模量隨pH值變化關(guān)系曲線，分析可得：砂巖彈性模量隨酸堿性的增強(qiáng)而降低，而強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性對砂巖彈性模量影響較小。其中，酸性溶液(pH值為2，4，6)侵蝕后試樣的平均彈性模量由中性溶液的8.98 GPa降低至7.29 GPa左右；當(dāng)試樣處于酸性條件下，pH值大小對其彈性模量影響相對較小。堿性溶液侵蝕后試樣的平均彈性模量由中性溶液試樣的8.98 GPa降低至6.36 GPa左右；當(dāng)試樣處于堿性條件下，pH值大小對其彈性模量影響相對較小。

4 微觀結(jié)構(gòu)變化特征

4.1 孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律

對不同酸堿度侵蝕后試樣進(jìn)行壓汞試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合試樣孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析侵蝕前后不同酸堿度試樣的孔隙變化規(guī)律，進(jìn)一步得出酸堿度對砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化影響規(guī)律，可將其分為3個(gè)階段(如圖7所示)。

圖7 不同孔隙直徑比例隨溶液pH值的變化Fig.7 Change of the ratio of different pore sizes with the pH value of solution

(1)中性溶液(pH值為7)，該階段砂巖內(nèi)部主要以水理性質(zhì)變化為主，即此時(shí)砂巖中高嶺石、蒙脫石等可溶于水的礦物發(fā)生結(jié)構(gòu)變化，表現(xiàn)出孔隙結(jié)構(gòu)變化相對于原巖變化不明顯的特性。

(2)酸性溶液(pH值為2，4，6)，巖樣不同直徑段孔隙所占比例變化趨勢不同，直徑>1 μm和0.1～1 μm區(qū)間孔隙逐漸增多，直徑<0.1 μm孔隙所占比例逐漸減小。

(3)堿性溶液(pH值為9，10，11，12)，巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與酸性溶液侵蝕后試樣的規(guī)律基本相同。

4.2 歪度變化規(guī)律

歪度SKP是喉道(裂紋)頻率分布曲線不對稱程度的反映，即量度孔隙、裂紋分布的非均質(zhì)性，數(shù)學(xué)計(jì)算公式為：

Di=log2di。

式中：i為累積分布曲線上對應(yīng)百分?jǐn)?shù)的數(shù)值；di為喉道直徑。

SKP的變化范圍在±1之間。SKP等于正值(正偏)表示喉道偏粗，頻率曲線的峰值偏向大喉道一邊；SKP等于負(fù)值(負(fù)偏)表示喉道偏細(xì)，頻率曲線的峰值偏向小喉道一邊；SKP=0為對稱的正態(tài)分布曲線。

常溫下，干燥狀態(tài)下砂巖的均質(zhì)性較好，而泥質(zhì)砂巖在中性水作用后均質(zhì)性會發(fā)生明顯變化，歪度變?yōu)?.48。由圖8可以看出：隨著溶液趨于強(qiáng)酸性或強(qiáng)堿性，巖樣的孔隙分布趨向于大孔隙。

圖8 歪度隨溶液pH值的變化Fig.8 Change of skewness with the pH value of solution

5 侵蝕后砂巖力學(xué)強(qiáng)度弱化量與微觀結(jié)構(gòu)相關(guān)性

在損傷力學(xué)領(lǐng)域，損傷度D的定義本質(zhì)上就是損傷變量的定義。本文根據(jù)抗壓強(qiáng)度定義損傷變量，即：D=Ei/E0(Ei表示腐蝕后試樣抗壓強(qiáng)度，E0表示原樣抗壓強(qiáng)度)。

為直觀地描述侵蝕后砂巖力學(xué)強(qiáng)度弱化量與微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)性，將pH=7時(shí)各參量的值作為基數(shù)對各參量做歸一化處理，結(jié)果如圖9所示。

圖9 侵蝕后試樣強(qiáng)度弱化量與微觀結(jié)構(gòu)的相關(guān)性Fig.9 Correlation between mechanical strength degradation and microstructure of corroded specimens

分析圖9可得出：

(1)試樣的孔隙度與侵蝕后砂巖強(qiáng)度損傷度D

相關(guān)性較差，而歪度表現(xiàn)出較好的相關(guān)性，表明侵蝕后試樣強(qiáng)度不是受巖石密實(shí)度和孔隙正態(tài)分布特征所控制。

(2)孔隙直徑<0.1 μm試樣所占比例與侵蝕后試樣強(qiáng)度損傷度D相關(guān)性較好，堿性侵蝕后試樣表現(xiàn)更為突出；孔隙直徑為0.1～1 μm和>1 μm所占比例與侵蝕后砂巖力學(xué)強(qiáng)度損傷度D相關(guān)性均較差。

6 結(jié) 論

本文在不同酸堿度侵蝕后的砂巖試樣單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和壓汞試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析了酸堿度對巖樣力學(xué)性質(zhì)影響和孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律，結(jié)果表明：

(1)酸堿溶液侵蝕后砂巖的強(qiáng)度均會出現(xiàn)不同程度的下降，隨著酸堿性增強(qiáng)，巖樣強(qiáng)度的降幅也有所增加。

(2)pH=7時(shí)，試樣彈性模量最大，隨著溶液酸堿性增強(qiáng)，彈性模量呈降低趨勢，而pH值的大小對試樣彈性模量影響相對較小。

(3)巖樣孔隙結(jié)構(gòu)變化規(guī)律與溶液pH值的相關(guān)性較大。中性水侵蝕后試樣孔隙變化因試樣內(nèi)部成分與水分發(fā)生物理反應(yīng)所導(dǎo)致；隨著溶液酸堿性增強(qiáng)，試樣直徑>1 μm和0.1～1 μm區(qū)間孔隙逐漸增多，而<0.1 μm孔隙所占比例逐漸減小。

(4)試樣歪度結(jié)果表明隨著溶液趨于強(qiáng)酸性和強(qiáng)堿性，巖樣的孔隙分布趨向于大孔隙。