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        水化學作用下砂巖力學特性劣化試驗研究

        2021-09-13 02:32:12孫晨光李鵬程
        科學技術(shù)與工程 2021年23期
        關(guān)鍵詞:韌度水化學劣化

        謝 妮,孫晨光,李鵬程

        (中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院,武漢 430074)

        自20世紀50年代以來,隨著全球經(jīng)濟和工業(yè)化的迅速發(fā)展,環(huán)境污染問題越來越嚴重。在污染較為嚴重地區(qū),工程巖體在受到各種外荷載作用的同時,還會長期受到水化學腐蝕的作用,巖體細觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的巨大變化致使其力學特征和性質(zhì)產(chǎn)生劣化,最終導致工程巖體的穩(wěn)定性降低,服務(wù)年限縮短。最新研究表明,共造成74人死亡,8人受傷的重慶武隆雞尾山滑坡的成因與長期以來酸雨對滑帶頁巖的劣化作用密不可分[1]。此外位于川渝地區(qū)砂巖地層的石窟寺及石刻,在酸雨、地下水等水化學腐蝕長期作用下,出現(xiàn)了基巖裂隙、破損、滲水甚至局部失穩(wěn)等不同程度的與砂巖劣化相關(guān)的病害。因此,開展水化學作用下砂巖力學特性劣化的試驗研究,揭示石窟寺巖體的劣化機理及規(guī)律對于開展石質(zhì)文物保護具有重要的指導意義。

        近年來,中外學者在水化學溶液作用下巖石力學特性的研究方面取得了許多成果。霍潤科[2]通過試驗對砂漿及砂巖材料受酸腐蝕過程中物理、化學及力學特征進行了研究,同時建立了受酸腐蝕過程中材料的宏、細觀模型;Feng等[3]對水化學腐蝕作用下花崗巖的力學特性劣化特征進行了試驗研究,同時建立了巖石的損傷變量以及相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系;陳四利等[4-5]對不同水化學溶液腐蝕作用下的砂巖進行單軸壓縮試驗,分析了巖石的化學力學特性劣化特征,并且對裂紋擴展過程進行顯微觀測,分析水化學作用下巖石試樣的細觀破裂特征及損傷機理;Li等[6]通過實驗研究水-巖作用下巖石細觀結(jié)構(gòu)及力學特性的化學損傷破壞機理,并建立了相關(guān)的損傷本構(gòu)模型;湯連生等[7]、Nara等[8]、Karfakis等[9]、Reinhardt等[10],通過實驗探究不同水化學腐蝕作用對巖石斷裂力學特性的影響規(guī)律;王偉等[11]通過三軸壓縮試驗獲得了水化學環(huán)境對砂巖強度和變形特性的影響規(guī)律。韓鐵林等[12]通過對砂巖在不同化學溶液開展三點彎曲試驗研究,指出不同水化學溶液對砂巖的劣化程度,指出不同化學溶液下砂巖的裂紋擴展半徑與其力學損傷的關(guān)系。同時巖石礦物顆粒間存在孔隙、缺陷及微觀結(jié)構(gòu)面,巖石在不同的水化學環(huán)境的作用下,巖石礦物成分、結(jié)構(gòu)不斷變化。例如,伊利石等在水化學及風化作用影響下晶粒外圍松散變小、膠結(jié)物黏結(jié)變?nèi)蹩紫敦炌ǖ冉Y(jié)構(gòu)變化[13],進而導致巖體物理力學性質(zhì)逐漸劣化,其實質(zhì)是微細觀結(jié)構(gòu)變化引起的宏觀力學特性劣化的過程[13-18],俞縉等[19]研究了水化學及凍融循環(huán)共同作用下巖石的力學特性及微細觀結(jié)構(gòu)劣化特征。最近, Kramarov 等[20],結(jié)合(semi-circular bend,SCB)三點彎曲試驗測試和數(shù)字圖像相關(guān)性來測量全場位移和量化斷裂過程區(qū)。高速攝像機捕捉到的裂隙的擴展路徑和形態(tài),同時反映了水或酸不同水化學作用后巖微觀結(jié)構(gòu)的劣化規(guī)律。目前研究成果主要集中在H+、OH-濃度較高的水化學溶液與巖石發(fā)生化學腐蝕作用對巖石宏觀力學特征的影響等方面,但是多數(shù)工程巖體所處的地下水或其他水化學環(huán)境的pH介于5~8,針對水化學溶液初始濃度在此之間的水-巖化學反應(yīng)的研究尚不多,需要進一步探究。

        鑒于此,采用初始pH=5.0的Na2SO4溶液、pH=3.0的Na2SO4溶液和蒸餾水三種不同的水化學溶液,將砂巖在不同水化學環(huán)境中浸泡不同時間后開展三點彎曲試驗,研究砂巖力學特性的劣化情況,并且通過偏光顯微鏡和掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)進行試驗,觀察砂巖試樣表面及其內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)的損傷劣化情況,探究不同水化學環(huán)境下砂巖宏觀力學性質(zhì)及微細觀結(jié)構(gòu)的劣化機制,研究結(jié)果將對與水化學環(huán)境相關(guān)的巖體工程的安全性和穩(wěn)定性有一定的參考價值。

        1 材料和方法

        1.1 材料和儀器介紹

        砂巖試樣選自重慶市淶灘鎮(zhèn)二佛寺,加工成帶預制裂縫的標準半圓柱形試件。砂巖試件的尺寸及試驗加載方式,如圖1所示。試件為半徑R=50 mm、高B=50 mm的半圓柱體,預制裂縫長度a=25 mm,寬度為1~2 mm。通過聲波檢測儀對砂巖的樣品進行檢測并分組,將差別較大的試樣去除,將波速相近砂巖試樣的設(shè)置為一組。共分成4組,每組包含5個砂巖試樣,總計20個砂巖試樣。經(jīng)測量計算在自然狀態(tài)下,其平均密度為2.33 g/cm3。

        圖1 三點彎曲試驗示意圖

        經(jīng)礦物成分鑒定后其由砂粒(約90%)和膠結(jié)物(約10%)組成,為孔隙式膠結(jié)。其中砂粒成分復雜,主要是巖屑顆粒(約40%),其次是石英(約30%)和長石(約20%),還有少量云母、輝石、磁鐵礦鐵質(zhì)礦物,邊緣為次圓狀為主,部分是次棱角狀。粒徑在0.15~0.6 mm。大多數(shù)粒徑在0.3~0.5 mm,為中粒砂。膠結(jié)物分布于砂粒之間孔隙中,除泥質(zhì)成分外,還有鐵質(zhì)。膠結(jié)物含量較少,巖石結(jié)構(gòu)成熟度較好。

        1.2 試驗方法

        試樣按順序依次進行編號,在105 ℃的溫度條件下,烘干試樣,等待完全冷卻后,利用抽真空法,將其中三組試樣強制性于0.1 mol/L pH=3.0的Na2SO4溶液,0.1 mol/L初始pH=5.0的Na2SO4溶液和蒸餾水三種溶液中飽和。其中于pH=3.0的Na2SO4溶液中飽和的試樣連續(xù)浸泡30 d,持續(xù)檢測pH,使水化學溶液pH維持不變;其余兩組浸泡120 d,期間測量溶液pH的變化,試驗中溶液配制如表1所示,最后進行三點彎曲試驗。

        表1 化學溶液配制

        三點彎曲試驗在5 000 kN壓力機上進行,加載速率保持0.002 mm/s直至試件開裂破壞。加載過程中通過高倍攝像機高速拍攝裂縫的擴展情況,拍攝區(qū)域如圖1中虛線位置所示。

        2 試驗結(jié)果分析

        2.1 砂巖浸泡水化學溶液的pH變化規(guī)律

        在試驗過程中持續(xù)測量浸泡在初始pH=5.0的Na2SO4溶液(工況②)和蒸餾水(工況③)兩種工況下水化學環(huán)境的pH,記錄兩種工況下pH的變化規(guī)律,如圖2所示。

        圖2 兩種水化學溶液的pH隨時間變化曲線

        試驗中工況②和工況③下的水化學溶液,隨著水化學作用時間的推移,pH逐漸增大,并且水化學溶液呈現(xiàn)弱堿性。主要是由于隨著作用時間的延長,水化學作用程度加深,水化學溶液中H+反應(yīng)更徹底。

        試驗初期,兩種工況下溶液pH的變化速率較高,隨著時間的推移,pH的變化速率逐漸減小,并于實驗后期趨于穩(wěn)定。這主要是由于水-巖的化學作用在時間方面具有階段性,試驗前期水化學作用反應(yīng)強烈,隨著水化學作用時間的推移,水化學作用反應(yīng)速率逐漸變緩,最終在試驗后期趨于停止。

        兩種工況下的水化學作用,初始pH=5.0的Na2SO4溶液的pH在水化學腐蝕的前40 d變化比較顯著,隨后其變化幅度逐漸變小最終趨于穩(wěn)定,而蒸餾水溶液的pH在水化學腐蝕的前80 d變化顯著。結(jié)果表明,蒸餾水溶液浸泡下,水化學腐蝕作用強烈的時間更長。

        2.2 荷載-時間關(guān)系曲線

        對自然狀態(tài)及三種不同溶液浸泡后的四組砂巖試樣分別進行三點彎曲試驗,不同狀態(tài)下砂巖試樣的荷載-時間關(guān)系曲線如圖3所示。關(guān)系曲線的形態(tài)可分為彈性階段、壓密階段、破壞階段。通過對比可以得出如下結(jié)論。

        圖3 不同水化學條件下三點彎曲的荷載-時間關(guān)系曲線

        (1)不同水化學環(huán)境浸泡后,砂巖試樣的初始壓密階段存在差異。自然狀態(tài)和兩種酸溶液下的試樣隨著壓密區(qū)的加長,荷載-時間之間的非線性有所增加,曲線呈上凹型,但是蒸餾水浸泡下的試樣并不明顯。

        (2)隨著應(yīng)力的增大,荷載-時間關(guān)系曲線呈近似線性,從而進入彈性階段,彈性階段的斜率自然狀態(tài)>初始pH=5.0的Na2SO4溶液>pH=3.0的Na2SO4溶液。蒸餾水浸泡120 d的砂巖試樣出現(xiàn)明顯的劣化趨勢,彈性階段不明顯,呈現(xiàn)出明顯的塑性變形。相同的水化學作用時間,蒸餾水溶液對砂巖試樣的劣化程度比初始pH=5.0的Na2SO4溶液更深。

        (3)同時記錄不同狀態(tài)砂巖試樣的峰值荷載,結(jié)果見圖4。由圖4可知,經(jīng)過水化學腐蝕作用的砂巖試樣相較于自然狀態(tài)下砂巖試樣,峰值強度均有不同程度的減小,說明在不同的化學溶液中飽和浸泡后,砂巖試樣發(fā)生不同程度的劣化。對比pH=3.0的Na2SO4溶液和初始pH=5.0的Na2SO4溶液作用的砂巖試樣,當初始pH減小,并且H+維持在同一濃度時,砂巖試樣短時間內(nèi)峰值荷載減小,即短時間內(nèi)劣化明顯,說明H+對砂巖試樣有明顯的劣化作用。但是相同的浸泡時間,蒸餾水浸泡的巖樣峰值強度的劣化程度遠大于初始pH=5.0的Na2SO4溶液,說明初始pH=5.0的Na2SO4溶液在反應(yīng)后期對水-巖反應(yīng)有一定的抑制作用。且蒸餾水及初始pH=5.0的Na2SO4溶液浸泡下,部分曲線表現(xiàn)出明顯的延性特征,除了砂巖試樣本身的差異性原因外,也存在水的潤滑作用的影響,水的潤滑作用使巖石的顆粒之間出現(xiàn)了相對轉(zhuǎn)動和滑移,從而導致在相同的荷載作用下位移增大。

        圖4 不同水化學條件下砂巖的峰值荷載

        2.3 斷裂韌度分析

        巖石的斷裂韌度可以作為衡量巖石抵抗其自身裂紋發(fā)展能力的重要力學指標。由于本次試驗的試樣采用直切槽切口,因此斷裂韌度的計算公式可以采用國際巖石力學與工程學會[21-22]建議的計算公式[式(1)],同時給出了平面應(yīng)力狀態(tài)下無量綱應(yīng)力強度因子計算公式[式(2)]

        (1)

        (2)

        將三點彎曲試驗直接測得的加載在巖石試樣上的最大荷載Pmax以及試樣的尺寸參數(shù)R、B、a、S一同代入式(1)和式(2)中,計算出不同狀態(tài)砂巖試樣的I型斷裂韌度,計算結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:

        圖5 不同水化學條件下砂巖的斷裂韌度

        (1)不同狀態(tài)下I型斷裂韌度KIC均較為集中,這說明試驗結(jié)果的離散性較小,不同工況下的斷裂韌度可以由相應(yīng)工況下的平均斷裂韌度代表。

        (2)根據(jù)計算所得的斷裂韌度值,可以得出化學腐蝕后砂巖試樣的斷裂韌度相對于自然狀態(tài)試樣的斷裂韌度均有所降低,這主要是由于水化學作用使砂巖內(nèi)部礦物顆粒間的膠結(jié)作用減弱,砂巖抵御裂縫擴展的能力降低。相同的水化學作用時間下,蒸餾水浸泡的砂巖試樣斷裂韌度遠小于初始pH=5.0的Na2SO4溶液下的砂巖試樣,這也說明反應(yīng)后期初始pH=5.0的Na2SO4溶液對砂巖試樣的劣化有抑制作用。

        2.4 裂隙擴展形態(tài)分析

        為了探究不同水化學環(huán)境和浸泡時間對砂巖試樣斷裂裂隙的形態(tài)特征的影響,通過高倍攝像機高速拍攝裂縫的擴展情況,并且將從粗糙度和起伏度進行研究。在本實驗中,節(jié)理粗糙度系數(shù)(joint roughness coefficient,JRC)是由裂隙上隨機不規(guī)則微凹凸線組成,能夠從細觀結(jié)構(gòu)尺度上來表征裂隙的粗糙度,其計算公式見式(3)[23],同時平均起伏角iave按式(4)計算,起伏角標準偏差SDi按式(5)計算。

        JRC=1.14SDi-3.88

        (3)

        (4)

        (5)

        不同工況下砂巖試樣的斷裂裂隙的JRC計算結(jié)果如圖6所示。

        由圖6可知同自然狀態(tài)下的試樣相比,經(jīng)過水化學作用后的巖樣裂隙的粗糙度和起伏度明顯降低。這主要是由于水化學腐蝕作用下,巖石式樣的礦物成分及砂巖顆粒之間的膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生改變,顆粒間膠結(jié)性能變?nèi)?,進而導致顆粒、孔隙、裂隙形態(tài)大小等微細觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。裂紋擴展路徑主要沿顆粒邊界在膠結(jié)物中發(fā)生,同時,膠結(jié)物遇水軟化,砂巖試樣的脆性特征減弱,延性特征增強,水化學溶液對破壞面擾動影響降低,所以經(jīng)過水化學作用的砂巖試樣裂隙的粗糙度和起伏度明顯降低。同時也表明蒸餾水溶液相比初始pH=5.0的Na2SO4溶液對砂巖試樣的劣化程度更深,這與峰值荷載和KIC變化的結(jié)果是一致的。

        圖6 不同水化學條件下砂巖斷裂裂隙JRC

        3 砂巖的酸腐蝕劣化機理

        3.1 砂巖表面微觀分析

        對本文利用偏光顯微鏡對不同工況下的巖石薄片進行了礦物成分及其光學特性的鑒定,探究不同水化學環(huán)境作用下砂巖試樣的損傷劣化機制,結(jié)果如圖7所示。經(jīng)過不同水化學作用后,巖石中的孔洞量出現(xiàn)了不同程度的增加。自然狀態(tài)下,巖石試樣中只有較少的孔洞,即巖石的初始損傷很??;經(jīng)過pH=3.0的Na2SO4溶液飽和浸泡后,其表面的孔洞明顯增多、變大,這說明酸性溶液溶蝕作用對巖石試樣造成的損傷很明顯;經(jīng)過蒸餾水飽和浸泡120 d后,其表面的孔洞也明顯增多,但是初始pH=5.0的Na2SO4溶液飽和浸泡后的砂巖試樣孔洞量只有少量增加,即初始pH=5.0的Na2SO4溶液浸泡對巖石試樣造成的損傷較小,說明反應(yīng)后期初始pH=5.0的Na2SO4溶液對砂巖試樣的劣化作用有所抑制。這一試驗結(jié)果與不同溶液溶蝕對砂巖宏觀力學特性的影響規(guī)律符合。

        圖7 不同水化學條件下砂巖試樣表面顯微結(jié)構(gòu)

        3.2 砂巖內(nèi)部的掃描電鏡觀察和能譜分析

        為了進一步揭示不同化學溶液下砂巖試樣水化學作用的損傷劣化機理,采用掃描電鏡SEM對不同工況下砂巖試樣內(nèi)部的微細觀形態(tài)進行觀察分析,并且應(yīng)用能譜儀檢測不同工況下砂巖部分元素的含量表以及能譜圖,結(jié)果如表2~表5所示,如圖8所示。通過圖8可知,自然狀態(tài)下砂巖試樣內(nèi)部形貌相對比較粗糙,礦物顆粒粒徑相對較大,結(jié)構(gòu)致密,而不同化學腐蝕作用后砂巖試樣內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的劣化現(xiàn)象,礦物顆粒的粒徑有所減小,礦物顆粒的棱角變得圓滑,礦物表面的粗糙程度降低,結(jié)構(gòu)也變得疏松松散;然而不同水化學腐蝕作用下砂巖試樣微細觀結(jié)構(gòu)的發(fā)生不同的損傷劣化程度。

        圖8 不同水化學條件下砂巖試樣表面顯微結(jié)構(gòu)試樣內(nèi)部的掃描電鏡圖

        表2 自然狀態(tài)下砂巖試樣的元素含量表

        表3 0.1 mol/L Na2SO4 pH=5.0溶液(120 d)砂巖試樣的元素含量表

        表4 0.1 mol/L Na2SO4 pH=3.0溶液(30 d)砂巖試樣的元素含量表

        表5 蒸餾水溶液(120 d)砂巖試樣的元素含量表

        由圖9~圖12可知,pH=3.0的Na2SO4溶液飽和浸泡后,砂巖試樣內(nèi)部顆粒粒徑變小,顆粒間的膠結(jié)物基本被溶蝕,進而導致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得疏松,能譜分析結(jié)果顯示鎂,鐵元素幾乎沒有;蒸餾水溶液浸泡下試樣內(nèi)部礦物顆粒磨圓度極其疏松程度大于初始pH=5.0的Na2SO4溶液飽和浸泡下的試樣,能譜圖中橫坐標表示的是所激發(fā)元素的加速電壓,縱坐標是能譜儀所收集的反射粒子數(shù),圖9~圖12中顯示不同水化學作用下鎂,鐵元素均有所降低;初始pH=5.0的Na2SO4溶液下的元素相對于自然狀態(tài)下也有所降低,但降低程度較小,從微細觀角度說明了,當H+濃度足夠大,溶液促進砂巖試樣內(nèi)部微細觀結(jié)構(gòu)的損傷劣化程度,但是當H+濃度減小,溶液相對于蒸餾水溶液對砂巖的劣化作用有所緩解。

        圖9 自然狀態(tài)下砂巖試樣的能譜分析結(jié)果

        圖10 0.1 mol/L Na2SO4 pH=5.0溶液(120 d)砂巖試樣的能譜分析

        圖11 0.1 mol/L Na2SO4 pH=3.0溶液(30 d)砂巖試樣的能譜分析

        圖12 蒸餾水溶液(120 d)砂巖試樣的能譜分析

        4 結(jié)論

        (1)隨著水化學作用時間的加長,初始pH=5.0的Na2SO4溶液和蒸餾水兩種溶液對砂巖的腐蝕作用均趨于相對平衡,并且蒸餾水達到平衡的時間更長。水化學作用的速率具有明顯的時間階段性,試驗初期,pH變化速率快,隨著時間的推移,變化速率逐漸減慢,直到趨于穩(wěn)定。

        (2)不同水化學溶液浸泡作用下砂巖試樣的劣化程度各不相同。當溶液pH足夠小時,H+會加快砂巖試樣的水化學作用,進而增大劣化程度。在H+濃度低的情況下,蒸餾水對砂巖試樣的劣化作用大于初始pH=5.0的Na2SO4溶液,即初始pH=5.0的Na2SO4溶液相較于水溶液在試驗后期對砂巖試樣的劣化有抑制作用。

        (3)隨著水化學作用時間的增長,膠結(jié)物質(zhì)軟化并發(fā)生破壞,砂巖試樣破壞過程中的塑性特征逐漸顯著,脆性特征逐漸減弱,延性特征有所增加。同時顆粒間膠結(jié)性能變?nèi)酰瘜W溶液對破壞面擾動影響降低,導致試樣的裂隙粗糙度和起伏度逐漸降低。

        (4)水化學腐蝕作用不僅引起了砂巖試樣的礦物成分的改變,而且礦物顆粒、孔隙,裂隙的大小及形狀等微細觀結(jié)構(gòu)也發(fā)生了改變,最終導致巖石的物理力學特性發(fā)生改變,砂巖試樣隨著H+或水化學作用時間的增大,峰值荷載,斷裂韌度均減小。

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