張 龍,路亞妮,吳安迪,阮 亮,郝 彥

(1.中鐵一局集團(tuán)橋梁工程有限公司,重慶 401120;2.湖北工程學(xué)院 土木工程學(xué)院,湖北 孝感 432000)

我國地域廣闊,各個(gè)地區(qū)環(huán)境差異較大,不同地區(qū)的環(huán)境條件也有所不同,而眾多工程常用的砂巖在其使用過程中遭受不同程度的腐蝕破壞。巖石是主要的建筑材料來源,巖體則是巖土工程、基礎(chǔ)工程及地下工程的主要研究對象。巖體所處的水化學(xué)腐蝕環(huán)境是引起其物理力學(xué)性能劣化的主要因素之一,例如,在北方一些工業(yè)地區(qū),巖石材料或巖體工程在經(jīng)受溫度變化所導(dǎo)致的凍融循環(huán)作用的同時(shí),還可能經(jīng)受因酸雨等原因所導(dǎo)致的不同的水化學(xué)腐蝕作用,兩者共同作用使得巖石劣化更為嚴(yán)重?；诖?有必要對水化學(xué)腐蝕環(huán)境對凍融巖石力學(xué)特征的劣化規(guī)律開展試驗(yàn)研究,進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)踐。雖然巖石材料中的長石、碳酸鹽、石英、云母等成分與自然環(huán)境中H+、OH-作用所引起的性能降低的腐蝕破壞過程比較緩慢,但其長期腐蝕作用具有累積效應(yīng)進(jìn)而改變砂巖表面結(jié)構(gòu),溶解內(nèi)部礦物成分,造成其微觀結(jié)構(gòu)變化及力學(xué)特性劣化,引起不良的工程響應(yīng)。

近年來,眾多學(xué)者通過開展水化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)協(xié)同作用下巖石的物理力學(xué)性能的系列室內(nèi)試驗(yàn),分析了巖石的物理力學(xué)性能劣化機(jī)理和劣化規(guī)律。如韓鐵林[1]研究了同源砂巖試件分別在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和堿性NaOH溶液中浸水飽并經(jīng)歷多次凍融作用后的物理力學(xué)特征,分析了砂巖在不同水化學(xué)腐蝕環(huán)境中浸水飽和30 d后,凍融循環(huán)作用對其物理性能及三軸壓縮力學(xué)特征的劣化規(guī)律。田洪義[2]借助掃描電鏡和 XRD 衍射試驗(yàn)分析酸性溶液對砂巖宏觀形貌、缺陷形態(tài)、孔隙結(jié)構(gòu)、礦物組成成分以及孔隙率的改造作用,在不同浸泡時(shí)間節(jié)點(diǎn)對不同溶液中砂巖試件的質(zhì)量、尺寸及三軸抗壓強(qiáng)度等進(jìn)行分析,研究其規(guī)律。駱韜[3]簡要綜述了水化學(xué)作用對砂巖單軸、三軸、直剪試驗(yàn)力學(xué)參數(shù)的影響和對砂巖破裂及裂紋擴(kuò)展過程的影響。王艷磊[4]以灰砂巖為研究對象,基于不同pH值、不同濃度、不同成分的水化學(xué)溶液的侵蝕作用,開展室內(nèi)三軸壓縮力學(xué)試驗(yàn),對比分析水化學(xué)腐蝕環(huán)境對砂巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征、變形特征、強(qiáng)度損傷及力學(xué)參數(shù)劣化機(jī)制。印宇澄[5]探究凍融循環(huán)-多種化學(xué)溶液溶蝕等因素耦合作用下巖石力學(xué)特性的變化規(guī)律,以砂巖和花崗巖作為研究對象開展了一系列巖石力學(xué)試驗(yàn),借助智能顯微鏡觀察比較了不同外部條件影響下巖石的表面微觀結(jié)構(gòu),分析了巖石的溶液溶蝕機(jī)理和凍融損傷機(jī)理。張峰瑞[6]探討化學(xué)腐蝕-凍融綜合作用對巖石損傷蠕變特性的影響規(guī)律,選取大東山隧道石英巖和石英砂巖開展研究。將巖石試件在不同化學(xué)溶液中經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后,采用電鏡掃描對巖石表面細(xì)觀特征進(jìn)行分析。并開展巖石三軸蠕變試驗(yàn),分析化學(xué)腐蝕-凍融綜合作用對巖石瞬時(shí)應(yīng)變、蠕變應(yīng)變、蠕變速率和長期強(qiáng)度等參數(shù)的影響規(guī)律。王魯男[7]探明化學(xué)腐蝕與凍脹荷載耦合作用下粉砂巖強(qiáng)度的長期衰減規(guī)律,對水化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)條件下的粉砂巖進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn),分析水化學(xué)溶液pH值與凍融循環(huán)作用次數(shù)對單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度衰減的影響。俞縉[8]通過細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析及力學(xué)試驗(yàn)方法,分析分別經(jīng)酸性、中性和堿性水化學(xué)溶液浸泡和凍融循環(huán)處理后的砂巖的孔隙度和力學(xué)參數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律。路亞妮等[9]前期采用巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī),對預(yù)制單裂隙模型試樣進(jìn)行試驗(yàn),研究了凍融循環(huán)作用下的裂隙巖樣在三向壓應(yīng)力作用下的裂隙貫通機(jī)制。劉慧[10]對凍經(jīng)歷融循環(huán)環(huán)境劣化作用后的砂巖進(jìn)行測試,從細(xì)觀層次探討了凍融作用對砂巖劈裂損傷過程的影響。張慧梅[11]研究巖石的變形破壞過程及凍融循環(huán)和圍壓對其力學(xué)特性的影響,建立了凍融循環(huán)-三軸應(yīng)力作用下巖石的損傷力學(xué)特性模型。現(xiàn)有研究成果大多數(shù)是以單個(gè)變量作為研究,并且以單軸壓縮居多,這與實(shí)際環(huán)境對巖石的影響有較大區(qū)別,巖石建筑材料和巖體工程所處的區(qū)域性氣候和水文環(huán)境復(fù)雜多變,在其全壽命服役期間,可能同時(shí)處于水化學(xué)腐蝕環(huán)境、晝夜或季節(jié)性凍融循環(huán)環(huán)境中,研究凍融循環(huán)條件下水化學(xué)腐蝕環(huán)境對砂巖力學(xué)性能的劣化機(jī)理和水化學(xué)腐蝕環(huán)境下凍融循環(huán)條件對砂巖力學(xué)性能的劣化機(jī)理都是必要的,是研究水化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)協(xié)同作用對巖土工程劣化機(jī)理的基礎(chǔ)。

本文主要研究凍融循環(huán)條件下,水化學(xué)腐蝕環(huán)境對砂巖三軸壓縮物理力學(xué)特性參數(shù)的劣化規(guī)律,為更科學(xué)地進(jìn)行寒區(qū)巖石工程建設(shè)提供理論研究支撐。

1 試驗(yàn)介紹及方案設(shè)計(jì)

1.1 巖樣準(zhǔn)備

砂巖試件取自四川瀘州市,整體呈灰白色。同源砂巖試樣的天然密度約為2.418 cm3,縱波波速約為2506.5 m/s?；赬射線衍射試驗(yàn)分析,確定砂巖的主要礦物成分有長石、石英。依據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定,將試件統(tǒng)一加工成直徑50 mm、高度100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試件,每組試件4個(gè),包括參照組在內(nèi)共6組試件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)中所用的縱波波速測試采用SVR-500型巖石超聲波測試儀,凍融循環(huán)試驗(yàn)采用SFDR-11凍融恒溫恒濕循環(huán)試驗(yàn)箱,三軸壓縮試驗(yàn)采用RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng),RMT-301的量程為:垂直壓力1500 KN,水平圍壓50 MPa。主要試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

(a)RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 化學(xué)腐蝕試驗(yàn)

對標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行分組編號并測量其基本物理性質(zhì):直徑、高度、質(zhì)量和縱波波速,再將試件分別放入pH=3、5、7、9、11溶液中浸泡30 d。化學(xué)腐蝕試驗(yàn)完成后分別取出試件,并置于室外靜置風(fēng)干,再測量試件的直徑、高度、質(zhì)量和縱波波速。

1.3.2 三軸壓縮試驗(yàn)

利用RMT-301巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對處理后的砂巖試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)。先將圍壓加壓到設(shè)定值并穩(wěn)定一段時(shí)間,再以0.2 KN/s的軸向力速度沿主應(yīng)力方向施加荷載,直至試件在三軸壓縮狀態(tài)下被破壞。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析整理

2.1 巖樣破壞模式分析

2.1.1 宏觀試驗(yàn)結(jié)果

三軸壓縮試驗(yàn)條件下,砂巖試件主要表現(xiàn)為剪切滑移和柱狀劈裂兩種破壞模式。前者如圖2(a)所示,這種模式主要源于砂巖在三軸力學(xué)作用下,內(nèi)部礦物顆粒間發(fā)生剪切滑移累積作用,作用累積發(fā)展,最終表現(xiàn)為整個(gè)砂巖試件的剪切滑移破壞;后者如圖2(b)所示,這種模式主要源于試件的成型存在工藝缺陷,兩端不平整使得試件上下表面受力不均勻,在沿著軸線方向上產(chǎn)生剪力,隨著主應(yīng)力的增大,剪應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限,進(jìn)而表現(xiàn)為柱狀劈裂破壞[6],其中剪切滑移破壞的試件有22個(gè),柱狀劈裂試件有2個(gè)。

(a)剪切滑移破壞

2.1.2 宏觀試驗(yàn)結(jié)果分析

莫爾-庫侖抗剪強(qiáng)度理論分析試件的剪切滑移破壞:砂巖試件三軸壓縮后其內(nèi)部任何一個(gè)面上的切應(yīng)力大于等于材料的抗剪強(qiáng)度時(shí),該點(diǎn)便發(fā)生剪切破壞,當(dāng)無數(shù)點(diǎn)被破壞并形成一個(gè)面時(shí),即出現(xiàn)剪切破壞面,砂巖試件沿著剪切破壞面發(fā)生剪切滑移破壞。在莫爾應(yīng)力圓中:當(dāng)砂巖試件中某點(diǎn)的極限莫爾應(yīng)力圓超出砂巖的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線時(shí),該點(diǎn)發(fā)生剪切破壞,并且隨著圍壓增大而增大,莫爾應(yīng)力圓向右移動(dòng),極限莫爾應(yīng)力圓的半徑增大, 試件破壞所需的切應(yīng)力τf增大;當(dāng)砂巖試件經(jīng)過化學(xué)腐蝕后抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線的角度變大,極限莫爾應(yīng)力圓的直徑變大,所需使試件剪切破壞的力越大。表1為不同化學(xué)腐蝕條件下的砂巖力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)表,圖3為砂巖的應(yīng)力狀態(tài)和極限莫爾應(yīng)力圓。

表1 不同化學(xué)腐蝕條件下的砂巖力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)表(凍融循環(huán)作用次數(shù):30次)

(a)砂巖試件在圍壓下的應(yīng)力狀態(tài)

由GB/T 50266-2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》可知:

σ1=Fσ3+R

(1)

(2)

式中:F為σ1-σ3關(guān)系曲線的斜率;R為σ1-σ3關(guān)系曲線在σ3軸上的截距,等同于試件的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa);f、φ分別為砂巖試樣的摩擦系數(shù)和內(nèi)摩擦角。

對不同酸堿度狀況下的巖樣壓縮綜合參數(shù)進(jìn)行線性回歸,得到砂巖試樣的強(qiáng)度參數(shù)f和φ,如表1所示。

2.2 三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 試驗(yàn)結(jié)果

針對pH值為3、5、7、9和11的化學(xué)溶液浸泡后的巖樣,進(jìn)行圍壓分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa三軸壓縮試驗(yàn)。圖4 為凍融循環(huán)條件下,不同水化學(xué)溶液pH值腐蝕作用對砂巖三軸應(yīng)力-應(yīng)變特性的影響分析曲線,圖5為在不同圍壓下酸性溶液浸泡后和自然狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,圖6為在不同圍壓下堿性溶液浸泡后和自然狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。表2為不同圍壓下不同化學(xué)溶液浸泡和自然狀態(tài)下的峰值應(yīng)力。

表2 不同圍壓下不同化學(xué)溶液浸泡和自然狀態(tài)下的峰值應(yīng)力

(a) pH=5

(a) σ3=2 MPa

(a) σ3=2 MPa

由圖4可知:總體來說,在相同的水化學(xué)腐蝕和凍融循環(huán)共同作用環(huán)境下,隨著圍壓值的增大,巖樣的破壞應(yīng)力峰值、應(yīng)變峰值也逐漸增大,初始模量減小,巖樣的延性增加[6]。砂巖試件在豎向力的作用下,圍壓起著一個(gè)環(huán)箍效應(yīng),隨著圍壓的增大,環(huán)箍效應(yīng)越顯著。

由圖5可知相同圍壓加載條件下,在不同pH值的酸性水化學(xué)溶液腐蝕環(huán)境中,砂巖試件的三軸應(yīng)力應(yīng)變特性明顯變化,對應(yīng)可得自然狀態(tài)下的峰值偏高應(yīng)力最大,pH=7溶液腐蝕條件下的峰值偏應(yīng)力強(qiáng)度次之,pH=3的溶液腐蝕條件下的峰值偏應(yīng)力強(qiáng)度最小。在酸性水化學(xué)腐蝕條件下,隨著pH的減小,砂巖的峰值應(yīng)變也減小,砂巖延性更加顯著。

由圖6可知:總體來說,相同圍壓條件下,在不同pH值堿性水化學(xué)溶液腐蝕環(huán)境中,自然狀態(tài)下的砂巖的峰值偏應(yīng)力最大,pH=7中性水化學(xué)溶液浸泡處理后的砂巖峰值偏應(yīng)力次之,pH=11堿性水化學(xué)溶液處理后砂巖的峰值偏應(yīng)力最小,但4種狀態(tài)下砂巖強(qiáng)度相差不大,經(jīng)對比可以看出,隨著圍壓的增大,堿性溶液的浸泡對砂巖的影響越來越小。

對以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析發(fā)現(xiàn):水化學(xué)溶液腐蝕環(huán)境對砂巖力學(xué)性能有不同程度的劣化。以自然狀態(tài)下的砂巖試樣為參照,水化學(xué)溶液腐蝕環(huán)境對砂巖三軸力學(xué)強(qiáng)度均表現(xiàn)出一種負(fù)效應(yīng)。

2.2.2 化學(xué)腐蝕對砂巖力學(xué)性能劣化影響的機(jī)制分析

酸性溶液對砂巖力學(xué)性能劣化影響的機(jī)制分析:砂巖中的礦物如長石、碳酸鹽、石英、云母等與H+發(fā)生了下列化學(xué)反應(yīng)[1]:

KAlSi3O8(長石)+4H++4H2O→K++Al3++3H4SiO4

CaCO3(碳酸鹽)+2H+→Ca2++H2O+CO2↑

KAl3Si3O10(OH)2(云母)+10H+→K++3Al3++3H4SiO4

CaMg(CO3)2(白云石)+4H+→Ca2++Mg2++2H2O+2CO2↑

堿性溶液對砂巖力學(xué)性能劣化影響的機(jī)制分析:砂巖試件中的一些陽離子(如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)很容易跟化學(xué)溶液中的OH+離子發(fā)生反應(yīng),使得原來的礦物被分解而形成新的礦物,使砂巖原本密實(shí)的結(jié)構(gòu)變得松散[1],化學(xué)反應(yīng)式如下:

SiO2+2H2O→H4SiO4

砂巖中的一些礦物易溶于堿性溶液中,導(dǎo)致巖樣的孔隙度變大,內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加松散。隨著pH值的增大,溶液中的OH+離子濃度升高,更易與砂巖試件中的陽離子反應(yīng),使得孔隙率進(jìn)一步增大,對砂巖試件力學(xué)性能的劣化影響變大。

3 小結(jié)

不同的化學(xué)溶液對砂巖試件的腐蝕程度有所不同,但整體上,酸性和堿性的化學(xué)溶液對砂巖的力學(xué)性能都有劣化影響,酸性溶液對砂巖的劣化更為明顯。

在相同的圍壓應(yīng)力條件下,隨著pH值的減小,酸性水化學(xué)腐蝕環(huán)境對砂巖試件的力學(xué)性能的劣化逐漸增大,砂巖的塑性變形變小,砂巖亦有從脆性轉(zhuǎn)變?yōu)檠有缘内厔?。堿性溶液隨著pH值的增大,砂巖試件的力學(xué)性能的劣化影響越大。

總體來說,相同的凍融循環(huán)和水化學(xué)溶液腐蝕環(huán)境中,隨著圍壓的增大,砂巖的力學(xué)性能劣化速度逐漸變慢。同時(shí),砂巖的破壞峰值偏應(yīng)力、峰值偏應(yīng)變和初始彈性模量逐漸變大,砂巖延性逐漸顯著。