化學腐蝕下花崗巖三軸壓縮力學特性試驗

王偉，劉桃根，李雪浩，王如賓，徐衛亞

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化學腐蝕下花崗巖三軸壓縮力學特性試驗

王偉1, 2，劉桃根1, 2，李雪浩1, 2，王如賓1, 2，徐衛亞1, 2

(1. 河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京，210098；2. 河海大學巖土工程科學研究所，江蘇南京，210098)

利用巖石三軸測試系統對3種不同pH化學溶液浸泡后的花崗巖進行三軸壓縮試驗，探討不同pH化學溶液對花崗巖力學特性的腐蝕效應，獲得不同化學溶液對花崗巖強度和變形特性的影響規律。并通過測量3種溶液浸泡過程中各溶液的pH變化以及浸泡巖樣的質量變化分析化學溶液對巖石的腐蝕程度。研究結果表明：不同pH化學溶液對花崗巖力學性質的影響不同，pH為10溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強度最高，pH為13溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強度次之，pH為7溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強度最低，且花崗巖的凝聚力隨差浸泡溶液的pH增加而增加，而內摩擦角隨著pH增加而減少，并進一步分析化學溶液對花崗巖強度的腐蝕機理。室內試驗結果可為構建花崗巖化學腐蝕條件下本構模型提供重要的試驗資料。

花崗巖；化學腐蝕；三軸壓縮試驗；應力?應變曲線；腐蝕機理

巖石的物理力學性質除了與應力條件、自身結構成分有關，巖石賦存環境也是重要的影響因素。水溶液環境對巖石變形力學特性影響很大。對于水溶液環境存在時，巖石力學特性不僅需要考慮附加外荷載引起的孔隙水壓力及水溶液的軟化弱化作用，還需要考慮水化學溶液與巖石之間的水?巖化學反應導致的巖石結構及礦物成分的變化。水巖相互作用即水巖反應，一般是指水溶液與巖石(巖體)之間的相互作用，一方面改變著巖石的物理、化學及力學性質，另一方面也改變著地下水自身的特性。化學腐蝕下裂隙巖石的室內試驗表明，水巖相互作用對裂隙巖石裂紋搭接方式、破壞形式以及強度損傷變形特性產生影響[1?4]。對水巖相互作用下巖石單軸瞬時強度[5?8]，以及巖石內部微細觀結構、模量、蠕變特性[9?11]，腐蝕機理[12?14]等進行了試驗研究。一些學者通過研究水相及基質相中鈣離子濃度的變化，研究水化學溶液對水泥膠結類材料的力學強度及變形特性的影響效應，初步分析了水化學溶液對此類材料的腐蝕效應[15?17]。王士天等[18]開展了大型水域水巖相互作用及其環境效應的研究，歸納了水庫區水巖相互作用的類型及特征。考慮化學腐蝕作用下的巖石及類巖石材料力學特性數值模型和數學模型研究也取得了一定的進展[19?21]。化學腐蝕對巖石物理力學性質的影響，近年來越來越受到國內外研究者的重視，尤其是對高放射性核廢料、二氧化碳深埋地質處理以及石油地下存儲等大型巖土工程問題的研究，并取得了大量的研究成果[22?25]。從已有的研究成果可以看出，多數試驗研究針對的是巖石單軸壓縮條件下的強度變形特性，對于水化學溶液腐蝕條件下的巖石三軸壓縮試驗的研究成果并不多見。本文作者在前人研究的基礎上，結合常規三軸壓縮試驗，對不同pH化學溶液浸泡腐蝕后的硬脆性花崗巖進行試驗研究，研究化學腐蝕對花崗巖三軸壓縮條件下強度變形及相關參數的影響規律，探討水巖化學作用的宏觀力學效應及其機理，為建立水化學環境下硬脆性巖石破壞過程的本構關系以及相關工程實踐提供數據資料。

1 試驗材料、設備與方法

1.1 巖石試件及試驗設備

試驗巖樣取自某水電工程的壩基，為質地較好的花崗巖。花崗巖為肉紅色、灰白色中細粒二長花崗巖、中細粒鉀長花崗巖，具等粒半自形結構，塊狀構造，局部見晶洞和晶腺，主要礦物成分為鉀長石、斜長石、石英及少量云母和角閃石。根據SL 264?2001“水利水電工程巖石試驗規程”、GB/T 50266—99“工程巖體試驗方法標準”以及國際巖石力學學會(ISRM)推薦的標準，制備花崗巖標準圓柱形試樣，其直徑×高為5 mm×100 mm。

巖樣化學溶液浸泡過程中pH的測量采用上海雷磁pHs?25型pH計測量，測量精度為0.01，并且采用紀銘電子天平測量試樣質量的變化，測量精度為 0.1 g。

常規三軸壓縮試驗在河海大學巖土力學研究所流變試驗室進行。該設備是法國TOP INDUSTRIE公司研制的全自動三軸滲流流變伺服儀，由加載系統、計算機控制系統、三軸壓力室、數據采集裝置、滲透裝置等部分組成。巖石全自動三軸滲流流變伺服儀(Triaxial Cell V3)具有單軸壓縮、三軸壓縮、滲透試驗、流變試驗等功能。試驗設備具有應力控制、應變控制、流量控制3種加載方式。圍壓和軸向偏壓由2個液壓泵控制，其精度為0.1 MPa。軸向應變通過LVDT(linear variable differential transformer，即線性可變差動變壓器)測量，環向應變由貼有應變片的環向應變計測量。

1.2 化學溶液配制

溶液配制考慮了地下水溶液中含有的常見離子，以研究不同pH的Na2SO4溶液對花崗巖力學特性腐蝕效應為主要目的。由于試驗時間的限制，采用加大離子濃度和增加溶液pH的方式，以便能夠在較短的時間內反映水化學溶液對花崗巖的腐蝕效應。試驗采用3種化學溶液，表1所示為3種水化學溶液Na2SO4濃度及pH。

1) 純凈水溶液主要離子為Na+和SO42?，pH=7。

2) 堿性水溶液的主要離子為Na+和SO42?，pH=10溶液中通過加入微量Na2HCO3達到目標pH，pH=13溶液中通過加入適量的NaOH達到目標pH。

表1 3種水化學溶液Na2SO4濃度及pH

1.3 試驗方法

花崗巖浸泡試驗采用半開放式[8]浸泡，即與外界聯通，模擬巖石的實際賦存環境。按照表1的要求配置3種溶液，稱量天然狀態下各花崗巖的質量及幾何尺寸。每種化學溶液中放入4個標準試件，在浸泡腐蝕過程中測量溶液pH及各個巖樣質量的變化。根據溶液pH變化速率確定測量時間間隔。當溶液pH及相應巖樣質量的變化在一段時間內趨于穩定，即認為水巖相互作用達到了穩定狀態。三軸壓縮試驗采用流量控制式加載，先施加一定的圍壓(依據實際工程地應力，采用2，6和10 MPa)，然后施加軸向偏壓至試樣破壞。試驗方案見表2。

表2 常規三軸壓縮試驗方案

2 結果與分析

2.1 化學腐蝕浸泡試驗結果及分析

2.1.1 水化學溶液pH變化

浸泡初始時間開始計時，分不同時段對水化學溶液的pH進行測定，得到各種水化學溶液pH隨著時間變化規律，浸泡45 d左右，溶液的pH趨于穩定。各溶液浸泡過程中pH隨著時間的變化如圖1所示。

pH：1—7；2—10；3—13

1) 中強堿溶液(pH=10)pH隨浸泡時間增長有趨于中性的趨勢，而中性溶液(pH=7)pH隨浸泡時間的增長逐漸升高，強堿溶液(pH=13)pH浸泡過程中略有下降。45 d后，水巖相互作用趨于穩定狀態。

2) 水巖相互作用的初期階段，各水化學溶液pH變化顯著。隨后，溶液pH變化逐步變緩并趨于穩定。表明水巖相互作用速率隨時間的推移不斷下降并最終趨于穩定。

3) 中性pH=7和中強堿性pH=10環境條件下，化學溶液pH變化幅度較大；強堿性pH=13環境條件下，化學溶液的pH變化幅度較小。說明前者環境條件下水巖化學作用對化學溶液環境影響顯著，對于后者而言，水化學作用對化學溶液環境影響相對較弱。

4) pH=7的中性溶液隨著水巖相互作用的進行，溶液的pH偏于堿性。其主要原因是花崗巖所含鉀長石等硅酸鹽礦物的溶解所致。

2.1.2 浸泡過程巖樣質量變化

不同水化學溶液環境下，部分試樣浸泡前質量和水巖化學相互作用穩定后試樣質量見表3。圖2所示為水化學溶液作用下，測量各種水化學溶液中某試樣相對質量差Δ(巖樣某浸泡時刻飽和質量與初始質量之差)隨著浸泡時間的變化規律。取出巖樣，考慮到花崗巖質地堅硬，表面光滑無碎屑或粉末狀物質附著，可以用棉布拭去表面的水分，使表面無明顯小水滴，用電子秤稱其質量。所測量的巖樣質量為對應時刻飽和巖樣質量(包括巖石和孔隙水的質量)。通過與浸泡初始時刻巖樣質量對比，可以間接反映水巖化學作用變化過程。

pH：1—7；2—10；3—13

表3 花崗巖巖樣初始質量(mo)及化學腐蝕穩定后的質量(mf)

從圖2可以看出：巖樣相對質量差在浸泡初始階段變化幅度較大，浸泡時間大于36 h后，Δ基本趨于穩定。通過對比各種溶液浸泡巖樣質量變化可以看出，強堿、堿溶液巖樣質量差Δ變化規律及幅度類似，中性溶液巖樣質量差Δ變化規律與前者類似，但大小有些差異。說明巖樣質量差Δ變化與溶液pH有一定程度的相關性。

2.2 三軸壓縮試驗結果與分析

圖3~5所示為不同pH下Na2SO4溶液浸泡后花崗巖不同圍壓下應力?應變曲線。每種化學溶液中浸泡4個巖樣，用來做圍壓分別為2，6和10 MPa的三軸壓縮試驗。圍壓加載采用應力控制式加載，加載到預定值后穩定一段時間；再施加軸向偏應力荷載，采用流量控制式加載，流量為0.5 cm3/min。三軸壓縮試驗結果如表4所示。同種化學溶液腐蝕后的巖石不同圍壓條件下的應力應變曲線如圖5~7所示。圖6所示為2 MPa圍壓下不同水化學溶液浸泡后巖石的應力?應變曲線，其他圍壓下應力?應變曲線的變化規律與之類似，限于篇幅不再列舉。由表4及圖3~6可知：

1) 相同水化學溶液腐蝕浸泡作用后，隨圍壓的增大，破壞峰值強度、塑性變形、初始彈性模量總體呈增大的趨勢，巖樣有從脆性轉變為延性的趨勢。

2) 相同圍壓條件下，比較不同水化學溶液浸泡腐蝕后花崗巖試樣的三軸壓縮強度，對應可得pH=10溶液浸泡后巖樣強度最高，pH=13溶液浸泡后巖樣強度次之，pH=7的溶液浸泡后巖樣強度最低。并且在堿性溶液中隨著pH的增加，巖樣的塑性變形變大，巖石亦有從脆性轉變為延性的趨勢。

3) 三軸壓縮試驗結果表明，水化學溶液對試樣造成不同程度的腐蝕。以pH=7中性溶液為參照，堿性的水化學溶液對花崗巖強度表現出一種正效應[8]，中強堿的這種效應最強，強堿次之，中性最弱。

表4 三軸壓縮試驗結果

圍壓/MPa：1—2；2—6；3—10

圍壓/MPa：1—2；2—6；3—10

圍壓/MPa：1—2；2—6；3—10

pH：1—7；2—10；3—13

水巖相互作用對花崗巖造成的損傷微細觀上表現為其礦物成分及結構的變化，宏觀上表現為力學性質的劣化。從浸泡試驗和三軸壓縮試驗結果分析表明：水化學溶液對花崗巖三軸壓縮強度的影響是顯著的，造成不同程度的腐蝕效應基于以下幾方面的原因：

1) 巖石的主要礦物成分為鉀長石和微斜長石，二氧化硅的質量分數超過65%。礦物中一部分的離子能夠與溶液中的OH?離子結合，改變原有礦物的結構和組分。巖石中一部分的礦物能夠溶解于水化學溶液。當溶液中某種物質的濃度超過其溶解度時，又會發生沉淀反應，附著與巖石顆粒表面，形成膠結物質。

2) 巖石的化學成分不同，花崗巖主要成分為SiO2(≥65%)，Al2O3，CaO，K2O，Na2O，Fe2O3等，水化學溶液對不同化學成分作用的效果是不相同的。

3) 中性和弱堿性條件下，長石的溶解度最小；強堿性條件下，隨著pH的增加，溶解度增加[26?27]。根據長石溶蝕過程的2個主要步驟：氫離子與長石表面堿性陽離子發生交換反應；水解作用形成偏鋁酸而溶出；表面形成富硅的絡合物，并進一步解體進入水化學溶液。在其他條件相同情況下，pH越高，溶液中H+溶度越低，阻礙長石溶蝕過程第一步的進行。因此，pH=7中花崗巖比其他2種pH溶液更容易發生腐蝕，表現出強度最低。當pH大于9時，pH越高，長石、高嶺石溶解度越大，表現為pH=10溶液中長石溶解度小于pH=13的溶液。pH=13溶液中巖石所生成的次生孔隙率較大，因此pH=10溶液浸泡的巖樣強度高于pH=13浸泡巖樣的強度。在水巖相互作用中，溶蝕和溶解共同作用，影響著巖石的強度。

3 水化學腐蝕對花崗巖抗剪強度參數的影響

同種化學溶液浸泡腐蝕后三軸壓縮試驗的1?3關系如圖7所示。采用摩爾?庫倫強度準則，計算不同水化學浸泡腐蝕后花崗巖的強度參數和，計算公式見式(1)，計算結果如表5所示。從圖5可見：隨著溶液的pH增加而增加，則隨著pH增加而減小。

式中：為擬合直線的斜率；為擬合直線的截距。

表5 不同水化學溶液浸泡腐蝕后的巖石強度參數

pH：1—7；2—13；3—10

不同水化學環境對巖石的腐蝕效應是不相同的。腐蝕程度與化學溶液的pH、巖石本身的特性有關。從表5可以得出：不同pH的情況下，水巖相互作用的效果是不相同的，對巖石強度參數和的影響也存在一定的差異。pH=7的Na2SO4溶液浸泡后的巖石的凝聚力最小，pH=13的Na2SO4溶液浸泡后的巖石凝聚力最大，pH=10的Na2SO4溶液浸泡后巖石的凝聚力介于兩者之間。3種溶液浸泡后巖石的內摩擦角差異并不顯著。中性溶液中，長石的溶蝕速率較快，并且溶解度較低[26]，所以析出的新礦物較多，新的礦物填補了由于溶蝕形成的孔隙，所以次生孔隙較少，而堿性溶液中，隨著pH的增加，溶解度會增大，析出礦物變少，次生孔隙較多，使得內摩擦角降低[6]，但由于新生礦物對孔隙的填充，內摩擦角的變化并不明顯。此外，花崗巖的膠結物質主要是硅質膠結，化學性質相對穩定，長石溶解產生新的礦物包括高嶺石、二氧化硅膠體和富含硅的絡合物附著在膠結處，使得膠結物質增加，內凝聚力增強。

4 結論

1) 不同水巖相互作用下，巖石的變形特性表現出不同程度的差異。這種變化與pH及巖石自身特性有關。從巖石破壞模式上看，除圍壓影響著巖石的變形破壞模式外，破壞模式還受水化學溶液對巖石試件腐蝕效應影響。圍壓越大和化學腐蝕效應越強，巖石的塑性變形越大，巖石有從脆性向延性的轉變趨勢。

2) 化學腐蝕作用后巖石的凝聚力隨著溶液的pH增加而增加，而內摩擦角隨溶液的pH增加而減少。

3) 不同pH的堿性水化學溶液相對于中性溶液而言，其對花崗巖水化學作用是一種正效應。具體而言，經pH=10的溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強度最高，經pH=13的溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強度次之，經pH=7的溶液浸泡后的花崗巖三軸壓縮強度最低。

4) 本試驗研究僅考慮了堿性化學溶液對巖石短期力學特性的影響，而實際工程的巖石處在各種復雜的水化學環境之中。因此，開展酸性、堿性及其他水化學溶液環境下巖石短、長期應力?化學?滲流多場耦合研究是下一步研究的重點。

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Mechanical behaviour of granite in triaxial compression under chemical corrosion

WANG Wei1, 2, LIU Taogen1, 2, LI Xuehao1, 2, WANG Rubin1, 2, XU Weiya1, 2

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China;2. Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

A rock triaxial testing was used to conduct triaxial compression tests on the granites samples which were soaked in three chemical solutions with different pH. The effect of chemical solutions on the mechanical properties of granites was studied. The influence of chemical solutions on strength and deformation properties of granites was investigated. The corrosion degree was evaluated by measuring the variation of pH for three solutions and the variation of mass of soaked samples. The results show that the effects of three solutions on the mechanical properties of granite are different. The triaxial strength of granite is the highest in the case of pH=10, followed by that of pH=13 and it is lowest with pH=7. The cohesion of granite increases with the increase of pH of the solution, and the friction angle decreases with the increase of pH. Furthermore, the chemical erosion mechanism on the strength of granite was analyzed. Results obtained from laboratory tests could provide experimental data for the constitutive modeling of granite with chemical corrosion.

granite; chemical corrosion; triaxial compression test; stress?strain curve; corrosion mechanism

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.033

TU443

A

1672?7207(2015)10?3801?07

2015?01?01；

2015?03?19

國家重點基礎研究發展規劃(973計劃)項目(2011CB013504)；國家科技支撐計劃項目(2013BAB06B01)；國家自然科學基金資助項目(51209075)；中央高校基本科研業務費專項資金資助(B15020060)(Project (2011CB013504) supported by the National Basic Research Program of China (973 Program); Project (2013BAB06B01) supported by the National Key Technology R&D Program of China; Project (51209075) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (B15020060) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

王偉，博士，副教授，從事巖石力學與工程研究；E-mail：wwang@hhu.edu.cn

(編輯 陳愛華)