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        受酸腐蝕花崗巖反復(fù)加卸載后力學(xué)性能研究

        2023-11-01 05:19:42郭立軍
        河南科技 2023年19期

        郭立軍

        (中鐵四局集團第一工程有限公司,安徽 合肥 230041)

        0 引言

        近些年來,由于工業(yè)化的迅速發(fā)展,引起環(huán)境污染等問題,酸雨等時有發(fā)生。在地下工程施工過程中,也常常面臨著酸性環(huán)境。因此,許多學(xué)者針對酸性環(huán)境對巖石的化學(xué)、物理及力學(xué)影響開展了較多研究。王子娟等[1]針對酸堿性環(huán)境下的巖石采用三軸壓縮試驗進行了相關(guān)的研究。劉永勝等[2]通過對大理巖和砂巖進行酸腐蝕試驗,發(fā)現(xiàn)大理巖的表面變化特征和質(zhì)量變化率都比砂巖明顯,化學(xué)反應(yīng)主要集中在前期階段。Hutchinson 等[3]利用HCl溶液、HNO3溶液、H2SO4溶液和堿性鹽溶液來模擬酸雨工況對巖石的腐蝕影響,發(fā)現(xiàn)在酸性溶液中H+離子的濃度對巖石的表面溶解和侵蝕起到了關(guān)鍵作用,在堿性鹽溶液下,基本上不發(fā)生化學(xué)腐蝕作用。對于水化學(xué)巖石的物理及力學(xué)特性多以酸堿對比為主[4],但是酸環(huán)境更加貼合工程建設(shè)環(huán)境[2]。而對于酸環(huán)境下巖體受力情況,大多數(shù)研究只考慮了單次受荷載的情況[5-6],在地下工程施工中,巖體會經(jīng)常受到反復(fù)加卸荷的作用[7],因此開展受酸腐蝕巖石反復(fù)加卸載的研究是十分有必要的。

        荷載改變巖體結(jié)構(gòu)特征引起其結(jié)構(gòu)性能劣化常用損傷來表述。對此相關(guān)學(xué)者也做了相應(yīng)的研究。霍潤科等[8-9]開展了砂巖在酸性條件下的物理化學(xué)及力學(xué)性能的試驗研究,分析了砂巖在受酸腐蝕后的損傷特性,建立了相應(yīng)的分析模型和反應(yīng)動力學(xué)模型。陳四利等[10]對不同巖石進行化學(xué)腐蝕后力學(xué)特性系統(tǒng)性的試驗研究及分析,利用顯微鏡、CT 掃描等技術(shù)手段研究得出了化學(xué)腐蝕下巖石的動態(tài)破裂特征和演化規(guī)律,建立了損傷演化變量及化學(xué)損傷的本構(gòu)模型。丁梧秀等[11-12]對完整巖石和裂隙巖石分別進行了不同水化學(xué)溶液的腐蝕試驗,分析了不同流速情況下巖石的損傷效應(yīng)。

        本研究利用巖石三軸測試系統(tǒng)對受酸腐蝕的花崗巖進行了反復(fù)加卸載試驗。對其破壞形式進行研究,針對pH 值、腐蝕時間、加載次數(shù)和花崗巖的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進行了分析。

        1 試驗

        1.1 試樣制備

        本試驗采用的試樣取自我國酸雨較發(fā)育地區(qū),花崗巖產(chǎn)自河南省駐馬店市,質(zhì)地均勻,堅硬密實。試樣的切割打磨均委托湖南瀏陽市某巖石加工廠完成,依據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(ISRM)推薦標(biāo)準(zhǔn),將試樣切割打磨成高100 mm、直徑50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。

        1.2 試驗設(shè)備和方案

        本研究對花崗巖進行酸腐蝕試驗:分別配置pH=2 和pH=4 的H2SO4溶液以及pH=7 的蒸餾水溶液,化學(xué)腐蝕10 d、20 d 和30 d 后對花崗巖進行反復(fù)加卸載試驗,加載系統(tǒng)采用長春展拓ZTRE-210型微機控制巖石三軸測試系統(tǒng),負荷控制加載速率為500 N/s。加載的負荷—時間關(guān)系如圖1 所示?;◢弾r第一次加載目標(biāo)負荷為20 kN,然后卸載至1 kN,隨后每次加載目標(biāo)負荷比前一個遞增20 kN,每次卸載負荷均為20 kN,反復(fù)加卸載直至試樣破壞。

        圖1 花崗巖反復(fù)加卸載負荷—時間關(guān)系

        反復(fù)加卸載過程中不同狀態(tài)下花崗巖破壞形態(tài)如圖2 所示。反復(fù)加卸載條件下花崗巖均保持了較高的巖石完整性,只有少數(shù)巖石下端有較多碎屑剝落,并且數(shù)量遠小于單軸壓縮產(chǎn)生的碎屑。這是因為在加卸載過程中花崗巖內(nèi)部裂隙通過壓密后,再經(jīng)過卸載階段,各裂隙間經(jīng)歷擴容后又再次被壓密,碎屑得以填充裂隙,導(dǎo)致試樣在破壞時仍保持了較高的完整性。自然狀態(tài)下的花崗巖以剪切破壞為主。經(jīng)過pH=7 的水溶液浸泡后,花崗巖試樣表現(xiàn)為劈裂破壞。被酸性溶液侵蝕后的花崗巖試樣,破壞形態(tài)與水溶液浸泡后一致。但不同的是剪切裂紋變得更大。這是因為經(jīng)過水化學(xué)溶液腐蝕后,花崗巖內(nèi)部原生孔隙得以擴展,次生微裂紋數(shù)量增多,在加載和卸載的過程中,這些裂紋和孔隙經(jīng)過壓密,內(nèi)嵌結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,再次加載時導(dǎo)致次生裂紋擴展速度更快,因此破壞形態(tài)較單軸壓縮發(fā)生改變。

        圖2 反復(fù)加卸載作用下花崗巖破壞形態(tài)

        2 反復(fù)加卸載條件下受酸腐蝕巖石變形與強度特征分析

        2.1 應(yīng)力—應(yīng)變曲線分析

        反復(fù)加卸載作用下花崗巖應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3所示。其較單軸壓縮曲線變化較大,說明反復(fù)加卸載這種加載方案對試樣裂紋的發(fā)育起到了促進作用。從圖3 可以看出經(jīng)過水化學(xué)溶液腐蝕后,花崗巖應(yīng)力—應(yīng)變曲線較自然狀態(tài)巖樣變得更加平緩,巖石由脆性轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄浴1蝗跛岣g10 d的巖樣,其劣化程度較其他巖樣并不突出。說明在酸腐蝕初始階段,巖樣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),由于這種反應(yīng)抑制了內(nèi)部孔隙的發(fā)展,隨著浸泡時間的變長,溶液中反應(yīng)停止,由水溶液占主導(dǎo)作用,因此內(nèi)部孔隙再次擴展。綜上可知,花崗巖經(jīng)過反復(fù)加卸載和水化學(xué)溶液腐蝕耦合作用下,巖樣內(nèi)部裂紋劣化更加明顯。

        圖3 花崗巖應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

        2.2 變形特征分析

        花崗巖反復(fù)加卸載階段每個加載次數(shù)的軸向應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。從圖4中可以看出經(jīng)過水化學(xué)溶液浸泡后的花崗巖最大軸向應(yīng)變均比自然狀態(tài)要大,而且隨著加載次數(shù)的增長,軸向應(yīng)變呈直線上升,并且在第6次加載至第7次加載時,軸向應(yīng)變增長速率達到最大。水化學(xué)溶液浸泡腐蝕花崗巖各腐蝕階段峰值應(yīng)變劣化規(guī)律如圖5 所示。自然狀態(tài)下花崗巖峰值應(yīng)力為12.21×10-4,三種水化學(xué)溶液浸泡10 d 后,峰值應(yīng)變分別上升至25.73×10-4(pH=7)、18.94×10-4(pH=4)和26.66×10-4(pH=2),上升幅度分別為110.73%、55.12%和118.35%。說明在腐蝕前期水化學(xué)溶液對花崗巖的變形影響非常大。隨著浸泡時間的延長,經(jīng)強酸和蒸餾水溶液處理巖樣峰值輕度基本保持不變,而被弱酸處理的巖樣應(yīng)變劣化速率仍保持不變,繼續(xù)增長。說明花崗巖與不同水化學(xué)溶液發(fā)生反應(yīng)主要集中在浸泡前期。

        圖4 花崗巖軸向應(yīng)變與加卸載次數(shù)關(guān)系

        圖5 花崗巖峰值應(yīng)變劣化規(guī)律

        2.3 強度特征分析

        花崗巖峰值應(yīng)力劣化規(guī)律如圖6 所示。從圖6(a)中可以看出花崗巖在蒸餾水環(huán)境下強度劣化最為明顯,浸泡時間越長強度越低。在弱酸環(huán)境下,花崗巖峰值應(yīng)力在前20 d內(nèi)呈直線下降,最高降幅達到10.68%,當(dāng)腐蝕時間繼續(xù)延長時,花崗巖強度有小幅上升。這是因為硫酸在花崗巖里面反應(yīng)后的生成物成了膠結(jié)鍵,提高了承載力。而在強酸性環(huán)境下,反應(yīng)后還有多余的硫酸根離子和氫離子,導(dǎo)致后續(xù)反應(yīng)持續(xù)進行,反應(yīng)生成物繼續(xù)分解,所以承載力降低。從圖6(b)中可以發(fā)現(xiàn),在蒸餾水和弱酸條件下,花崗巖強度劣化特征最為明顯。綜上所述,不同的加載方式對花崗巖內(nèi)部裂紋的擴展產(chǎn)生影響,導(dǎo)致了花崗巖強度的降低。在不同水化學(xué)溶液的浸泡腐蝕下,花崗巖強度整體呈現(xiàn)劣化趨勢,其中對巖樣強度影響最為明顯的是腐蝕30 d且pH=7 的蒸餾水環(huán)境,說明在酸性環(huán)境下,試樣發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)對其強度劣化有一定的影響,但其影響遠小于蒸餾水溶液。

        圖6 花崗巖峰值應(yīng)力劣化規(guī)律

        3 結(jié)論

        ①在水化學(xué)溶液腐蝕和反復(fù)加卸載耦合作用下,花崗巖試樣隨著腐蝕作用的變強,花崗巖破壞形態(tài)由剪切破壞向劈裂破壞轉(zhuǎn)變,且破壞形態(tài)保持較高的完整性。在水化學(xué)溶液腐蝕和反復(fù)加卸載耦合作用下,花崗巖試樣由脆性向塑性轉(zhuǎn)化較為明顯。

        ②反復(fù)加卸載作用下,花崗巖的軸向應(yīng)變的軸向應(yīng)力隨加載次數(shù)的增加逐漸增大。在經(jīng)過水化學(xué)溶液腐蝕耦合作用下,花崗巖隨著水溶液pH 值的減小,其峰值抗壓強度并沒有減小,反而小幅上升。在弱酸環(huán)境下,當(dāng)腐蝕時間繼續(xù)延長時,花崗巖強度也小幅上升。

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