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。