周 斌，張東明，許 江，程 亮，李嘉欣

(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 400030；2.重慶大學(xué) ICT 研究中心，重慶 400030)

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展，人類生產(chǎn)生活對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的損害，大氣中酸性氣體劇增，我國(guó)部分地區(qū)酸雨頻降，無(wú)論是房屋建筑還是自然地質(zhì)產(chǎn)物，均難免會(huì)受到酸雨的侵蝕。在服役期間，巖土工程邊坡、大壩壩基等工程中的巖石材料均會(huì)受到外力作用，同時(shí)，在酸雨環(huán)境中將被其污染物質(zhì)所滲透腐蝕。由于酸對(duì)巖石材料的腐蝕破壞是一個(gè)緩慢的化學(xué)過(guò)程，且該過(guò)程具有累加效應(yīng)，酸性水滲透到巖石材料內(nèi)部，會(huì)使巖石的礦物成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性發(fā)生改變，因此，研究酸性環(huán)境對(duì)巖石的腐蝕劣化效應(yīng)具有重要的工程意義。Miao Shengjun等[1]研究了花崗巖在酸性水域中的破壞機(jī)制及影響，論證得出酸性環(huán)境下花崗巖的力學(xué)參數(shù)均呈現(xiàn)不同程度的下降，次生孔隙增加；劉新榮等[2]研究了酸性干濕循環(huán)對(duì)泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度特性的劣化影響，并利用離散元軟件PFC 對(duì)經(jīng)干濕循環(huán)作用后的泥質(zhì)砂巖顆粒接觸狀態(tài)進(jìn)行模擬；楊俊杰等[3]認(rèn)為在受乙酸溶液溶蝕過(guò)程中，長(zhǎng)石砂巖的礦物轉(zhuǎn)化、元素的再組合分配以及新礦物的生成是次生孔隙度增加的主要原因；Li Ning 等[4]研究了砂巖在酸性環(huán)境中腐蝕時(shí)間和強(qiáng)度特性的關(guān)系；張梁[5]研究了酸性環(huán)境干濕交替作用下泥質(zhì)砂巖的宏細(xì)觀損傷特性；Li Xiaqing 等[6]提出一種利用海水和酸性溶液混合來(lái)減輕砂巖油氣儲(chǔ)集層損害的方法。上述研究表明，巖石中易溶解礦物與酸的緩慢氧化反應(yīng)，導(dǎo)致其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是引起巖石力學(xué)性質(zhì)劣化的主要原因。

圖像作為一種信息資源能夠通過(guò)不同的灰度和顏色很好地反映材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，從而用來(lái)研究材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和缺陷。劉芳等[7]基于試驗(yàn)視頻圖像對(duì)花崗巖在單軸壓縮過(guò)程中的細(xì)觀組分運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究；朱澤奇等[8]基于數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)非均質(zhì)巖石材料破壞過(guò)程進(jìn)行了模擬；Xu Wenjie 等[9]、Yue Zhongqi 等[10]基于有限元方法，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)研究了巖土體材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性；徐金明等[11]提出石灰?guī)r局部變形圖像特征分析方法，將全局變形問(wèn)題和局部變形問(wèn)題統(tǒng)一起來(lái)；J.J.Charles等[12]使用數(shù)字圖像處理技術(shù)提出一種巖石分類方法。圖像處理技術(shù)在巖石常規(guī)力學(xué)測(cè)試中的應(yīng)用越趨廣泛，相比一般的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量手段，其具有測(cè)點(diǎn)密度高，數(shù)據(jù)處理靈活性強(qiáng)，非接觸等若干優(yōu)點(diǎn)。然而，其在酸性環(huán)境對(duì)巖石的腐蝕劣化效應(yīng)研究方面卻鮮見報(bào)道。

誠(chéng)然，眾多學(xué)者就酸性環(huán)境對(duì)巖石材料的劣化影響及機(jī)理做了大量研究，但很少有人將研究巖石材料破壞機(jī)理的數(shù)字圖像處理技術(shù)運(yùn)用于酸性環(huán)境對(duì)砂巖腐蝕的研究中；同時(shí)，前人運(yùn)用的數(shù)字圖像處理技術(shù)大多針對(duì)巖石材料表面的特征分析，內(nèi)部礦物組成及結(jié)構(gòu)變化的研究較少。為此，筆者利用數(shù)字圖像處理技術(shù)，結(jié)合近年發(fā)展起來(lái)的CT 無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，觀察砂巖的宏細(xì)觀變化，分析其在室內(nèi)模擬酸雨加速腐蝕環(huán)境下的劣化規(guī)律。

1 試件制備、設(shè)備選擇及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 砂巖試件的制備

實(shí)驗(yàn)所取砂巖試樣來(lái)自重慶市江津區(qū)。經(jīng)巖石薄片鑒定，試樣中長(zhǎng)石碎屑質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于25%，為長(zhǎng)石砂巖。

按照ISRM 建議的實(shí)驗(yàn)室?guī)r石試件加工要求[13]，將所取巖樣加工成50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形巖石試件，試件2 個(gè)端面的平整度誤差小于0.02 mm。為降低砂巖試件固有差別所帶來(lái)的試驗(yàn)結(jié)果離散性，對(duì)所制備試件進(jìn)行密度測(cè)試及波速測(cè)試，剔除密度及波速異常的試件。圖1 為最終選取的部分實(shí)驗(yàn)試件。

圖1 砂巖試件Fig.1 Sandstone specimens

1.2 試驗(yàn)設(shè)備的選擇

試件單軸壓縮采用島津AGI-250 伺服材料試驗(yàn)機(jī)，加載方式采用位移控制，加載速度0.01 mm/min。CT 無(wú)損掃描選取最大放射劑量，每個(gè)試件掃描時(shí)間均為90 s。試件波速測(cè)量選用PCI-2 多通道聲發(fā)射系統(tǒng)。

1.3 試驗(yàn)方法

將制備的砂巖試件烘干處理24 h，取出后稱得其質(zhì)量，然后再次置于烘箱中烘干處理，稱得其質(zhì)量，如此反復(fù)，若前后兩次同一試件質(zhì)量差小于0.1 g，則認(rèn)為待測(cè)試件處于絕對(duì)干燥狀態(tài)。對(duì)絕對(duì)干燥狀態(tài)的砂巖試件進(jìn)行密度測(cè)試并粗略篩選，剔除密度異常的砂巖試件。利用PCI-2 多通道聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)密度測(cè)試、篩選的砂巖試件做近一步篩選。

配制一定量pH 值為3 的H2SO4溶液，硫酸溶液濃度為：0.5 × 10-3mol/L，并將所選砂巖試件分為A、B、C、D、E 組，每組6 個(gè)試件。A組砂巖試件為對(duì)比組，不做酸性水域處理；B、C、D、E 組試件分別置于酸域中浸泡24、48、120、240 h。

利用CT 試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)砂巖試件進(jìn)行掃描，得到試件在酸性水域浸泡前后的CT 圖像；最后將試件置于島津AGI-250 伺服材料試驗(yàn)機(jī)上開展單軸壓縮試驗(yàn)。

2 試件酸域處理前后CT 圖像及分析

2.1 砂巖試件微觀CT 掃描結(jié)果

2.1.1 Hounsfield 值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差分析

通過(guò)CT 試驗(yàn)系統(tǒng)得到各組砂巖試件在酸性水域中浸泡前后的CT 圖像，選取其中具有代表性的圖像進(jìn)行分析。圖2 為B3 試件未浸泡及經(jīng)H2SO4溶液浸泡24 h 后，軸向20 mm 處相應(yīng)橫截面CT 切片圖像。

圖2 B3 試件軸向20 mm 處CT 切片圖像Fig.2 CT slice images of B3 specimen at axial 20 mm

CT 圖像灰度值反映了砂巖試件結(jié)構(gòu)對(duì)X 射線的衰減系數(shù)。密度大的區(qū)域?qū) 射線的衰減大，圖像灰度值也就越大；相反地，密度小的區(qū)域灰度值也越小。將水的CT 圖像密度定量值描述定義為0，空氣為-1 000，致密骨骼組織為+1 000，按照這個(gè)標(biāo)度換算的CT 圖像灰度值即為Hounsfield 值[14-15]。

圖3 為B3 試件經(jīng)H2SO4溶液浸泡24 h 之前和浸泡之后的軸向20 mm 處切片Hounsfield 值-像素點(diǎn)數(shù)的統(tǒng)計(jì)分布圖。由圖可知，該試件在經(jīng)歷酸性水域處理后，區(qū)域1 即Hounsfield 值為1 500～2 200的區(qū)域，相應(yīng)的像素?cái)?shù)量有增有減。區(qū)域 2 即Hounsfield 值為2 200～2 550 的區(qū)域，其像素?cái)?shù)量呈減小狀態(tài)。由此可知，該Hounsfield 值對(duì)應(yīng)的密度范圍內(nèi)，砂巖成分發(fā)生了變化，密度降低。區(qū)域3即Hounsfield 值為2 570～3 056 的區(qū)域，其像素?cái)?shù)量呈增大狀態(tài)，由此可知，該Hounsfield 值對(duì)應(yīng)的密度范圍內(nèi)，砂巖成分也發(fā)生了變化，密度升高。

圖3 B3 試件Hounsfield 值-像素點(diǎn)數(shù)分布Fig.3 Hounsfield value-pixel number distribution of B3 specimen

CT 圖像中Hounsfield 值均值和方差是CT 圖像定量分析的2 個(gè)重要標(biāo)記，均值反映了掃描區(qū)域內(nèi)砂巖試件密度分布的總體大小，方差反映了試件內(nèi)部密度分布的離散程度。均值越大，則說(shuō)明試件的密度越大；均值越小，則試件密度越小。方差越大，說(shuō)明試件中同時(shí)存在高密度礦物和低密度礦物，且孔隙區(qū)域分布廣，從而導(dǎo)致離散程度較大；方差越小，則說(shuō)明試件內(nèi)部礦物成分分布較均勻[16-17]。

圖4 為各組試件經(jīng)H2SO4溶液浸泡前后不同橫截面圖片Hounsfield 值均值和方差統(tǒng)計(jì)情況。由圖4可知，各組試件在經(jīng)歷酸性水域處理之后，不同軸向截面切片Hounsfield 值均值和標(biāo)準(zhǔn)差均呈現(xiàn)不同程度的下降。其中，B 組試件在經(jīng)歷24 h 酸化處理后，軸向40、80 mm 處的CT 切片圖像Hounsfield值均值分別下降31.187 2、30.958 0。在酸化處理120 h后，D 組試件軸向80 mm 處的CT 切片Hounsfield值均值降低達(dá)57.4341，下降幅度達(dá)2.544%。由此可見，經(jīng)酸性水域處理后，長(zhǎng)石砂巖的Hounsfield均值下降，即密度降低，反映了砂巖內(nèi)部礦物成分及結(jié)構(gòu)在經(jīng)過(guò)酸化變質(zhì)作用后發(fā)生了變化。就Hounsfield 值標(biāo)準(zhǔn)差而言，其值也相應(yīng)地降低，但下降幅度沒有Hounsfield 值均值大。Hounsfield 值方差降低，這說(shuō)明長(zhǎng)石砂巖試件內(nèi)部礦物成分及結(jié)構(gòu)在酸化變質(zhì)的過(guò)程中，趨向于均一化的方向發(fā)展，密度分布離散程度降低。

2.1.2 CT 切片圖直觀對(duì)比分析

圖4 Hounsfield 值均值和方差統(tǒng)計(jì)Fig.4 Mean and standard deviation value of Hounsfield

由 CT 試驗(yàn)系統(tǒng)所得砂巖試件的切片圖像為216 個(gè)等級(jí)的灰度圖，人類視覺系統(tǒng)只能區(qū)分大約20 種不同等級(jí)的灰度，現(xiàn)存的計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備也只能識(shí)別28 個(gè)等級(jí)的灰度物理分辨率。對(duì)于彩色物理分辨率，人類肉眼可以識(shí)別上千種，計(jì)算機(jī)顯示設(shè)備可以識(shí)別224個(gè)RGB(真彩色)等級(jí)。為了能夠直觀感知經(jīng)酸化處理后砂巖試件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化，將所得原始灰度圖像還原為RGB 彩色圖像，其轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

式中：f（x,y）為切片像素的位置函數(shù)；TR、TG、TB為線性變化關(guān)系。

不同的灰度值映射成不同的紅、綠、藍(lán)3 基色R、G、B 的組合。經(jīng)變換后的B3 試件彩色CT 切片如圖5 所示。

由圖5 直觀分析可知，砂巖試件在未經(jīng)酸性水域處理前，藍(lán)色映射區(qū)域相對(duì)較多，而經(jīng)過(guò)酸性水域處理后，其藍(lán)色映射區(qū)域明顯減少，造成這一現(xiàn)象的原因是該砂巖中的復(fù)雜硅酸鹽(aMxOy·bSiO2·cH2O)，如鈉長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石、黑云母等礦物遇酸后發(fā)生了溶蝕及變質(zhì)作用，導(dǎo)致初始狀態(tài)的物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。

2.2 砂巖試件孔隙特征細(xì)觀分析

對(duì)于試件內(nèi)部，原始狀態(tài)下存在微小孔洞，就所取巖樣而言，D 組試件尤為明顯。試件在經(jīng)過(guò)酸性溶液腐蝕后，內(nèi)部孔洞的變化可通過(guò)CT 圖像觀察所得，圖6a 為D3 試件未經(jīng)酸性水域浸泡前軸向20 mm 處CT 切片灰度圖像，孔洞區(qū)域分布較多。圖6b 為該試件經(jīng)酸性水域浸泡120 h 后同一位置CT 切片灰度圖像。根據(jù)提取的微觀孔洞面積變化可知酸性水域?qū)ι皫r試樣的影響規(guī)律。

圖5 B3 試件彩色CT 切片F(xiàn)ig.5 Color CT slices of B3 specimen

圖6 D3 試件軸向20 mm 處CT 切片圖像Fig.6 The CT image of D3 specimen at location of 20 mm

對(duì)上述D3 試件軸向20 mm 處的CT 灰度圖像進(jìn)行濾波、分割、二值化等一系列處理后，提取特定區(qū)域研究酸性腐蝕前后的形狀變化。區(qū)域的輪廓邊界已知時(shí)，通過(guò)其外接矩形刻畫其基本形狀。外接矩形用主軸法獲得，通過(guò)矩形的計(jì)算求得主軸，二階中心矩最小時(shí)與最小慣量軸同方向，此方向?yàn)橹鬏S方向[18-21]，滿足區(qū)域輪廓上所有點(diǎn)到此主軸所在直線的距離平方和最小。以圖像某角點(diǎn)為原點(diǎn)，沿圖像長(zhǎng)度(X 方向)和寬度(Y 方向)建立垂直坐標(biāo)系。對(duì)于已知二值圖像上某像素位置B[i,j]，根據(jù)圖像上點(diǎn)到直線的距離X 最小二乘方擬合為：

式中：r是圖像上點(diǎn)[i,j]到主軸直線的距離；m，n分別為圖像長(zhǎng)度和寬度的像素個(gè)數(shù)。將式(1)轉(zhuǎn)化為極坐標(biāo)表示，則有：

式中：λ為原點(diǎn)到直線的距離；θ為x軸與主軸直線法線之間的夾角。極小化確定參數(shù)λ得：

根據(jù)Hu Mingkuei[22]提出的幾何矩可知，式(3)可簡(jiǎn)寫成：

對(duì)于圖6 所示孔洞區(qū)域，將區(qū)域圖像的局部坐標(biāo)x軸旋轉(zhuǎn)θ角度后得到的軸即為圖像孔洞區(qū)域的主軸，將其方向記為x′方向，與x′方向垂直的方向記為y′方向。沿x′方向逐行掃描圖像，找出x′方向孔洞區(qū)域邊界點(diǎn)的最小和最大坐標(biāo)值p1(xmin,y)和p2(xmax,y)，沿y′方向逐列掃描圖像，找出y′方向孔洞區(qū)域邊界點(diǎn)的最小和最大坐標(biāo)值p3(x,ymin)和p4(x,ymax)，按式(7)計(jì)算孔洞區(qū)域的最小外接矩形的長(zhǎng)、寬和面積。

式中：l為孔洞區(qū)域的外接矩形像素總長(zhǎng)；b為相應(yīng)的外接矩形像素總寬；Amer為外接矩形像素面積。

圖7 顯示圖6 指定孔洞區(qū)域的最小外接矩形。各區(qū)域外接矩形的像素長(zhǎng)、寬及面積見表1。

圖7 酸性水域處理前后特定區(qū)域孔洞外接矩形Fig.7 Holes in specific area before and after acid water treatment

由表1 可知，經(jīng)酸性水域處理后，各孔洞區(qū)域像素面積均增大。對(duì)于區(qū)域1，在未經(jīng)酸性溶液浸泡時(shí)，其孔洞區(qū)域Amer為1 919.60 個(gè)像素，經(jīng)酸性水域處理后，Amer變?yōu)? 207.86 個(gè)像素，變化率達(dá)15.02%。對(duì)于區(qū)域8，在未經(jīng)酸性溶液浸泡前，其孔洞區(qū)域Amer為1 743.09 像素，經(jīng)酸性水域處理后，Amer變?yōu)? 249.77 像素，變化率高達(dá)29.07%。對(duì)于該截面圖像的其他孔洞區(qū)域，外接矩形面積均增大，反映了原始孔洞體積增大，但其增大的幅度比區(qū)域1 和區(qū)域8 低，且向截面中心呈遞減趨勢(shì)，本文認(rèn)為，這是由于砂巖置于酸性水域中，其外部更易接觸酸液，反應(yīng)程度更大，而內(nèi)部區(qū)域并未與酸液完全接觸?？锥疵娣e的變化是由于鈣質(zhì)膠結(jié)和鐵質(zhì)膠結(jié)作用因酸性環(huán)境而減弱。此外，孔隙結(jié)構(gòu)的坍塌可能是造成密度均一化的原因之一。

表1 孔洞外接矩形特征參數(shù)Table 1 Outlier rectangular feature parameter of holes

3 巖樣單軸壓縮試驗(yàn)劣化分析

定義砂巖試件在H2SO4溶液中浸泡后其力學(xué)參數(shù)降低程度為劣化度，其計(jì)算公式如下：

式中：η為相應(yīng)力學(xué)參數(shù)劣化度；Qt為砂巖試件在經(jīng)過(guò)H2SO4溶液浸泡后的力學(xué)參數(shù)值；Q0為砂巖試件絕對(duì)干燥、未經(jīng)酸性溶液腐蝕前的力學(xué)參數(shù)值，本文相應(yīng)力學(xué)參數(shù)值分別為單軸抗壓強(qiáng)度σ、彈性模量E及峰值應(yīng)變?chǔ)拧?/p>

所得相應(yīng)的劣化度變化情況見表2。

表2 相關(guān)力學(xué)參數(shù)劣化度Table 2 Relative mechanical parameter degradation degree

3.1 抗壓強(qiáng)度

圖8 為經(jīng)歷不同時(shí)間酸性水域浸泡后砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度(即峰值應(yīng)力σ)隨酸化處理時(shí)間t的變化曲線圖。由圖可知，長(zhǎng)石砂巖經(jīng)酸化處理后單軸抗壓強(qiáng)度明顯降低。其中，長(zhǎng)石砂巖從原始干燥狀態(tài)(未經(jīng)酸化處理)經(jīng)過(guò)24 h 酸化處理后，其單軸抗壓強(qiáng)度劣化度達(dá)11.986%。當(dāng)酸化處理時(shí)間為120 h 時(shí)，其單軸抗壓強(qiáng)度變化最大，劣化度達(dá)34.092%，比經(jīng)歷24 h 酸化處理后的劣化度增加了22.106%。在經(jīng)歷120、240 h 酸化處理后，砂巖單軸抗壓強(qiáng)度劣化度基本保持恒定，其值穩(wěn)定在30%～35%。后階段出現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)，主要是因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)酸性水域在經(jīng)歷前48 h 與砂巖反應(yīng)后，pH 值已經(jīng)從3.0 升至6.9，即酸性水域中H+濃度已經(jīng)很小，溶液基本呈中性狀態(tài)，從而抑制了砂巖試件中各物質(zhì)溶解反應(yīng)。由此可見，在前期H+濃度足夠大的情況下，特別是在前48 h的酸性水域中，長(zhǎng)石砂巖試件強(qiáng)度可急劇降低，其降低值可達(dá)30%以上。需要說(shuō)明的是抗壓強(qiáng)度在最后一組實(shí)驗(yàn)中有所升高，下文所述彈性模量也出現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，這可能是由于試件的離散性造成的。

圖8 抗壓強(qiáng)度-酸化時(shí)間曲線Fig.8 Compressive strength-acidification time curve

3.2 彈性模量

圖9 為經(jīng)歷不同時(shí)間酸性水域浸泡后砂巖試件的彈性模量E隨酸化處理時(shí)間t的變化曲線。由圖可知，原始干燥狀態(tài)砂巖的彈性模量E為16.306 GPa，經(jīng)歷24 h 酸性腐蝕后，其值下降到15.004 GPa，劣化度為7.985%。當(dāng)試件經(jīng)歷48 h 酸化處理后，其彈性模量近一步降低，達(dá)到13.161 GPa，劣化度達(dá)19.287%。隨后經(jīng)近一步酸化，長(zhǎng)石砂巖的彈性模量繼續(xù)降低，但劣化度增大速度遠(yuǎn)不及前48 h，出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因考慮是因?yàn)樗嵝运蛑械腍+在經(jīng)48 h后已被消耗殆盡，阻礙了礦物的進(jìn)一步溶解反應(yīng)。

圖9 彈性模量-酸化時(shí)間曲線Fig.9 Elastic modulus-acidification time curve

3.3 峰值應(yīng)變

圖10 為經(jīng)歷不同時(shí)間酸性水域浸泡后砂巖試件的峰值應(yīng)變?chǔ)烹S酸化處理時(shí)間t的變化曲線。由圖可知，原始干燥狀態(tài)砂巖的峰值應(yīng)變?chǔ)艦?7.95‰，經(jīng)歷24、48 h 酸性水域處理后，峰值應(yīng)變分別降至17.50‰、15.69‰，隨后峰值應(yīng)變出現(xiàn)小幅度回升，然后又進(jìn)一步降低，峰值應(yīng)變下降最大可達(dá)12.591%。峰值應(yīng)變?cè)诮?jīng) 120 h 酸性處理后較48 h 時(shí)出現(xiàn)回升的原因，考慮是因?yàn)樗x砂巖試件存在差異性導(dǎo)致?？傮w而言，長(zhǎng)石砂巖的峰值應(yīng)變，隨著酸性處理時(shí)間的增加，其值也在降低。

圖10 峰值應(yīng)變-酸化時(shí)間曲線Fig.10 Peak strain-acidification time curve

4 砂巖劣化機(jī)理

對(duì)于本文所研究的砂巖試件，經(jīng)巖石薄片鑒定其內(nèi)部成分主要為鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)、鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)、石英(SiO2)，其次含有少量方解石(CaCO3)及黑云母等其他雜基礦物。由CT 圖像處理技術(shù)所得結(jié)果可知，砂巖試件的相關(guān)力學(xué)參數(shù)變化主要是因?yàn)樵嚰懈鞣N礦物成分在酸性水域中均發(fā)生了不同程度的變質(zhì)反應(yīng)，一方面礦物成分溶蝕形成次生孔隙，另一方面形成了其他自生礦物[23]。具體反應(yīng)過(guò)程如下：

在初始酸化過(guò)程中，砂巖試件表面產(chǎn)生較多氣泡。試件中存在大量長(zhǎng)石，是主要的反應(yīng)物質(zhì)，本文認(rèn)為鈉長(zhǎng)石(NaAlSi3O8)、鉀長(zhǎng)石(KAlSi3O8)在溶蝕的同時(shí)，可生成其他自生礦物，具體過(guò)程分3 步進(jìn)行：

反應(yīng)初始狀態(tài)，溶液中的H+量充足時(shí)：

隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H+量逐漸減少，長(zhǎng)石與酸的反應(yīng)方式發(fā)生變化，反應(yīng)產(chǎn)物中出現(xiàn)伊利石及高嶺石，具體過(guò)程如下：

當(dāng)反應(yīng)近一步進(jìn)行，H+量消耗殆盡，之后主要以水解反應(yīng)為主：

由此可見，砂巖與H2SO4溶液的反應(yīng)是溶蝕與變質(zhì)作用的疊加過(guò)程，既存在礦物溶解，又同時(shí)生成新的礦物，如伊利石、高嶺石等。

酸性溶液對(duì)于長(zhǎng)石砂巖的物理化學(xué)細(xì)觀損傷比較劇烈。其過(guò)程不僅涉及各種礦物成分的溶解和生成，還會(huì)使原始孔隙坍塌，從而產(chǎn)生新的孔隙分布結(jié)構(gòu)。酸性溶液作用下巖石試件深層的細(xì)觀損傷機(jī)理，還需更多(包括但不限于掃描電鏡、核磁共振等)微細(xì)觀孔隙結(jié)構(gòu)及分布檢測(cè)手段的應(yīng)用來(lái)進(jìn)一步揭示，這將成為后續(xù)工作的重點(diǎn)。

5 結(jié)論

a.砂巖經(jīng)酸性水域浸泡后，其內(nèi)部原始孔洞體積增大，且可以通過(guò)CT 圖像外接矩形Amer反映。中低密度礦物發(fā)生溶蝕過(guò)程中生成了更高密度的礦物成分，如伊利石、高嶺石等。此外，經(jīng)酸性水域浸泡后，砂巖原始密度總體降低，且密度分布趨向均一化，這可以通過(guò)CT 圖像Hounsfiled 均值和標(biāo)準(zhǔn)差反映。將CT 圖像處理技術(shù)用以分析各種巖性巖體經(jīng)外力作用后性質(zhì)變化的內(nèi)部原因是一種行之有效的手段。

b.砂巖經(jīng)酸性水域浸泡后，其單軸抗壓強(qiáng)度變化最大量達(dá)21.962 MPa，劣化度為34.092%；對(duì)于彈性模量而言，最大下降量為3.590 GPa，劣化度達(dá)22.016%；而峰值應(yīng)變最大下降量達(dá)2.46‰，劣化度為13.705%，相較而言，抗壓強(qiáng)度的劣化度最高，而反映形變性質(zhì)的彈性模量及峰值應(yīng)變劣化度相對(duì)較低。

c.在酸性水域中，砂巖內(nèi)礦物溶蝕的同時(shí)，生成了其他自生礦物。長(zhǎng)石成分在酸域中的反應(yīng)可分3 步進(jìn)行，當(dāng)H+濃度充足時(shí)，主要為溶解反應(yīng)；H+濃度降低到一定程度后，正長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石溶解的同時(shí)可生成其他自生礦物；當(dāng)H+消耗殆盡后，反應(yīng)主要以水解的方式進(jìn)行。

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