干濕循環下pH值對砂巖靜態單軸力學特性的影響

袁 璞,步 鶴,位寧寧

(1.安徽理工大學土木建筑學院，淮南 232001；2.安徽理工大學，礦山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001； 3.安徽理工大學，深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，淮南 232001)

0 引 言

水巖作用是一種基本的地球化學作用，地下水或者溶液和巖石之間的化學或同位素的不平衡是它發生的前提，驅動著近地表環境的演化，不僅引起巖石和水之間的化學元素重新分配，還會造成巖石微觀結構的改變[1-2]，干濕循環作用是最常見的水巖作用之一，例如雨水的降落與蒸發、季節性水位的上升與下降、地下水位的變化等[3]。干濕循環作用對巖石劣化的效應是物理、化學和力學多場耦合作用的綜合結果，已經成為巖石力學的前沿問題之一[4]。

目前，地下工程建設已經進入飛速發展階段，地下工程符合人類可持續發展的原則，由于地下空間地質條件和水環境較為復雜，水巖間的干濕循環作用使巖石的強度下降，會引起地下巖體工程結構的破壞，引發工程事故和地下工程地質災害[5]。劉新榮等[6]通過酸堿環境干濕循環作用下砂巖抗剪強度劣化規律的研究，得出了不同pH值溶液干濕循環作用下砂巖抗剪強度隨循環次數的表達公式。韓鐵林等[7]研究發現，化學腐蝕時間不變的情況下，隨著溶液pH值的減小，砂巖的峰值強度、粘聚力和內摩擦角的劣化越來越大，砂巖的孔隙率增大，縱波波速減小。王來貴等[8]對長石砂巖進行了縱波波速測定、XRD測試和單軸抗壓試驗，探討了不同溶液條件下干濕循環后長石砂巖的力學特性變化規律，利用數字散斑相關方法(DSCM)分析不同溶液條件下干濕循環后長石砂巖的側面變形場演化規律。馬芹永等[9]對干濕循環下的粉砂巖進行了單軸壓縮蠕變試驗，發現軸向蠕變應變和穩態蠕變速率隨干濕循環次數的增加逐漸增大，階段劣化度隨著干濕循環次數的增加逐漸減小。羅瓊[10]對干濕循環下的泥巖進行了三軸壓縮試驗，得出了泥巖的弱化系數和循環次數呈正相關。崔凱等[11]對板巖進行了不同次數的飽水作用和干濕循環作用，測得相關物理力學性質，發現干濕循環作用對板巖的劣化程度強于飽水作用。

本文研究不同pH值溶液干濕循環作用下砂巖的損傷劣化規律，以朱集東煤礦細顆粒砂巖為研究對象，分析了溶液pH值和干濕循環次數對砂巖力學特性的影響規律，并進行了XRD測試，探討了水巖作用機理，本文的研究成果可為地下巖體工程的穩定性分析提供實驗依據。

1 實 驗

1.1 材料和試件制備

所用的砂巖為安徽省淮南市朱集煤礦的細顆粒砂巖，埋深-965 m，呈灰白色，表觀完整性良好，無裂紋和孔洞。首先利用EDS和XRD對砂巖成分進行分析，得到砂巖中所含的化學元素主要包括硅、氧、鋁、鉀、鈉和鈣等元素，砂巖成分主要有石英(quartz， Q)、方解石(calcite， C)、鈉鉀長石(Na-K feldspar, F)和高嶺石(kaolinite, K)，圖1為砂巖XRD譜。

圖1 砂巖XRD譜Fig.1 XRD pattern of sandstone

根據規范[12]將巖樣取芯、切割、打磨成直徑為50 mm，高徑比2.0的圓柱體，試件兩端面的不平行度在±0.05 mm范圍內[13]，兩端面與軸線的垂直誤差不大于0.25°。由于巖石的不均質性，進行試驗前先對打磨完畢的砂巖試樣進行縱波波速測試，挑除離散性較大的試件，最終得到的標準圓柱砂巖試件，如圖2所示。

圖2 砂巖試件Fig.2 Sandstone samples

1.2 干濕循環試驗方案

將砂巖試件放入烘箱干燥12 h，取出放置到干燥器中冷卻30 min至室溫，然后再將其放入溶液中自然浸泡12 h，砂巖試件在溶液中浸泡時，用玻璃棒將試塊分隔開，保證全面吸水，稱為1次干濕循環。每組砂巖試件在第一次烘干時溫度設置為105 ℃，使砂巖試件達到干燥狀態，便于測量其吸水率；以后每次干濕循環烘干溫度設置為60 ℃。

不同pH值的溶液用稀硫酸溶液和氫氧化鈉溶液配置而成，因為自然狀態下深部巖體和地下工程所處的地下水pH值并不是一個確定的值，所以浸泡溶液設有4種，溶液pH值分別為3、5、6.5(蒸餾水)和7。將試樣進行0次(干燥狀態)、1次、10次和20次干濕循環試驗。

2 砂巖試件物理性質結果分析

2.1 砂巖縱波波速變化規律分析

試驗測得相同干濕循環次數(20次)不同pH值(pH=3、5、6.5、7)溶液浸泡下砂巖的縱波波速，數據如表1所示。

表1 砂巖縱波波速Table 1 Longitudinal wave velocity of sandstone

巖石的孔隙度和損傷度與縱波波速有對應關系[14]，巖石內部裂隙程度可以用縱波波速來進行判別[15]。探究不同pH值溶液干濕循環對砂巖縱波波速的影響，以溶液pH值p為橫坐標，砂巖試件的縱波波速C為縱坐標，制作散點圖，對4種pH值溶液20次干濕循環砂巖試件的縱波波速散點圖進行擬合(如圖3所示)，得到砂巖縱波波速C和溶液pH值p符合以下關系：

C=2 330.440p0.196，R2=0.925 (p≤7)

(1)

由表1和圖3可以看出，經過不同pH值溶液20次干濕循環后，砂巖試件的縱波波速隨著溶液pH值的降低而減小，且砂巖試件縱波波速下降的速度隨著溶液酸性的增強越來越快，分別為3.99%、8.05%和16.15%。砂巖試件縱波波速的降幅越來越大，分析其原因，砂巖在酸性的環境下進行干濕循環，干濕循環本身對砂巖就存在劣化作用，酸性溶液中H+與砂巖內部的方解石和鈉鉀長石發生化學反應，增大了砂巖內部的孔洞和裂隙，經過反復的干濕循環作用，水分子在砂巖內部不斷填充和揮發，進一步擴大了內部孔隙，劣化越來越大，從而減弱了縱波的能量傳播，進而縱波波速減小。

圖3 不同pH值條件下砂巖縱波波速的變化曲線Fig.3 Curve of longitudinal wave velocity of sandstone under different pH values

2.2 吸水率試驗

吸水率是巖石的基本物理力學特性之一，巖石在常溫常壓下吸收水分的性能稱為巖石的吸水性。為了探究不同pH值溶液干濕循環條件下砂巖的吸水率，每次干濕循環浸泡完成后，將砂巖試件從溶液中拿出，然后用吸水濾紙將試塊表面的水吸干，用精度為0.01 g的電子天平測其每次吸水后的濕質量mi。根據公式(2)對砂巖試件在不同pH值溶液中干濕循環記錄的數據計算出吸水的變化規律。

(2)

式中：Wi設置為吸水率，%；mi為第i次干濕循環時所測得試塊的濕質量，g；m1為試塊第一次干燥時的質量，g。

圖4為砂巖吸水率變化曲線，從圖4橫向單一來看，隨著溶液pH值的降低，即隨著酸性的增強，砂巖試件的吸水率逐漸增加，且增幅逐漸加快。縱向比較來看，砂巖試件在相同pH值溶液的條件下，隨著干濕循環次數的增加，砂巖試件的吸水率也有顯著增長；隨著pH值的降低，兩個擬合曲線的間距越來越大，即酸性作用和干濕循環次數對砂巖試件吸水率都呈正相關，相互促進，使得酸性越強循環次數越多的砂巖試件吸水率越高。以溶液pH值p為橫坐標，砂巖吸水率Wi為縱坐標，對試驗數據制作散點圖，按照一元二次函數進行擬合，如圖4所示，得出砂巖吸水率Wi和溶液pH值p符合以下關系，其中式(3)和式(4)分別是砂巖試件20次和10次干濕循環時的擬合函數。

圖4 砂巖吸水率變化曲線Fig.4 Water absorption curves of sandstone

Wi=3.714-0.581p+0.036p2R2=0.996 (p≤7)

(3)

Wi=2.084-0.229p+0.011p2R2=0.985 (p≤7)

(4)

3 砂巖試件力學性質結果分析

3.1 應力-應變曲線

圖5為砂巖試件在相同干濕循環次數不同pH值溶液浸泡條件下的單軸抗壓試驗應力-應變曲線。從圖5能夠發現在不同pH值溶液浸泡下經過1次、10次和20次干濕循環作用的砂巖試件應力-應變曲線可以劃分為微裂隙壓密、彈性變形、屈服和破壞4個階段。在相同干濕循環次數時，砂巖應力-應變曲線中微裂隙壓密階段的長度隨著溶液pH值的降低而逐漸增大，彈性階段的長度隨著溶液pH值的降低而逐漸減小。

圖5 砂巖試件單軸抗壓應力-應變曲線Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone specimens

在10次干濕循環時，溶液pH值為3、5和6.5條件下的試件劣化程度是溶液pH值為7條件下的試件劣化程度的2.08倍、1.71倍和1.37倍；在20次干濕循環時，溶液pH值為3、5和6.5條件下的試件劣化程度是溶液pH值為7條件下的試件劣化程度的1.78倍、1.58倍和1.24倍。在相同干濕循環次數時，酸性溶液對砂巖的劣化程度相比與中性溶液的劣化程度要大一些，且pH值越小劣化程度越大。

3.2 單軸抗壓強度

從圖6不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強度變化曲線中可以發現，砂巖試件在相同干濕循環次數不同pH值溶液的條件下，砂巖試件的單軸抗壓強度隨著溶液pH值的減小而逐漸減小，砂巖試件在溶液pH值為3、5和6.5條件下的強度相比于溶液pH值為7條件下的強度都有所減弱。為比較不同干濕循環次數不同pH值溶液作用下砂巖單軸抗壓強度的變化，根據測得的試驗數據，以pH值p為橫坐標，單軸抗壓強度σc為縱坐標，對試驗數據進行非線性擬合回歸分析。研究得到經歷20次、10次和1次干濕循環砂巖單軸抗壓強度σc與pH值p之間的擬合函數分別為：

圖6 不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強度變化曲線Fig.6 Variation curves of uniaxial compressive strength of sandstone with different pH values

σc1=0.153ep/1.531+90.560R2=0.999 (p≤7)

(5)

σc2=0.708ep/2.215+93.011R2=0.982 (p≤7)

(6)

σc3=3.474ep/4.244+101.050R2=0.995 (p≤7)

(7)

砂巖試件在不同pH值溶液下單軸抗壓強度試驗數據和擬合曲線較為吻合，干濕循環次數相同時，隨著溶液pH值的降低，砂巖試件的單軸抗壓強度越來越低，表明溶液pH值越小劣化越大；溶液pH值相同時，隨著干濕循環次數的增加，砂巖試件的單軸抗壓強度逐漸減小，表明干濕循環次數越多劣化越大。

為了分析溶液pH值對砂巖強度的影響，定義總劣化度的概念，總劣化度Dn(pi)為：

(8)

式中：σc(max)為砂巖試件干燥狀態下的單軸抗壓強度；σc(pi)為pH值為i時砂巖試件的單軸抗壓強度。

從圖7不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強度及總劣化度趨勢圖中可以看出，在10次干濕循環中，相比較于干燥砂巖試件(單軸抗壓強度為123.99 MPa)，經過干濕循環的試塊在溶液pH值為3、5、6.5和7的條件下的劣化度分別為23.00%、18.92%、15.13%和11.04%；在20次干濕循環中，相比較于干燥砂巖試件，經過干濕循環的試塊在溶液pH值為3、5、6.5和7的條件下的劣化度分別為26.62%、23.61%、18.54%和14.99%。從試件總劣化度中可以清楚地發現，干濕循環次數一定時，溶液酸性越強，試件總劣化度越高。

圖7 不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強度及總劣化度趨勢圖Fig.7 Trend of uniaxial compressive strength and total deterioration of sandstone with different pH values

從圖8砂巖峰值應力與pH值和干濕循環次數三維擬合關系圖中可以發現，溶液pH值和干濕循環次數對砂巖峰值應力存在相互關聯的影響。以溶液pH值p為橫坐標，干濕循環次數n為縱坐標，砂巖峰值應力σc為立坐標，按照非線性曲面擬合，擬合函數如下：

圖8 砂巖峰值應力與pH值和干濕循環 次數三維擬合關系圖Fig.8 Three dimensional fitting relationship among peak stress, pH value, and dry-wet cycles of sandstone

σc=3.152p-0.835n+96.766R2=0.931 (p≤7)

(9)

3.3 試件破碎形態結果分析

圖9為砂巖試件在20次干濕循環不同pH值溶液浸泡下單軸抗壓破碎圖片，從圖中可以看出砂巖在破壞時以拉伸剪切組合破壞為主，在pH值為7的溶液中，砂巖試件的裂紋在裂隙尖端沿著兩條對角線方向向試件頂端擴展；在pH值為6.5的溶液中，砂巖試件的裂紋也是在裂隙尖端沿著兩條對角線方向向試件頂端擴展，且裂隙尖端處有缺口；在pH值為5的溶液中，砂巖試件的裂隙越來越大，貫穿一圈，且表面脫落嚴重；在pH值為3的溶液中，砂巖試件碎成很多塊，破碎最嚴重。溶液的pH值越小，砂巖試件破壞時破碎程度越明顯。

圖9 不同pH值溶液對砂巖破碎的影響Fig.9 Influence of solutions with different pH values on sandstone breaking

4 酸性干濕循環作用對砂巖損傷劣化機制分析

砂巖的礦物組成部分在酸性溶液環境中會與溶液中的氫離子、硫酸根離子和水分子發生一定的化學反應，在宏觀上表現為砂巖強度的下降，在微觀上表現為內部的礦物組成部分發生變化。圖10為不同pH值下砂巖XRD譜,可以看出，砂巖試件經歷20次干濕循環后，內部礦物組成發生了變化，隨著溶液酸性的增強，試件內部方解石和鈉鉀長石的衍射峰強度降低，高嶺石衍射強度增強，石英的衍射強度變化較小。

圖10 不同pH值下砂巖XRD譜Fig.10 XRD patterns of sandstone under different pH values

砂巖試件內部的礦物成分主要有石英、方解石、鈉鉀長石和高嶺石等。石英的性質比較穩定，在酸性溶液中幾乎不反應；方解石主要由碳酸鈣組成，可以和酸性溶液中的氫離子發生化學反應；鈉鉀長石主要成分是鋁硅酸鹽，可以與水分子和氫離子發生水解作用生成高嶺石，與硫酸根離子發生化學反應也生成高嶺石。上述的主要化學反應[7-8,16-17]如下所示：

SiO2(石英)+2H2O=H4SiO4

(10)

CaCO3(方解石)+2H+=Ca2++H2O+CO2↑

(11)

NaAlSi3O8(鈉長石)+4H++4H2O=Na++Al3++3H4SiO4

(12)

(13)

2NaAlSi3O8(鈉長石)+2H++H2O=2Na++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

(14)

2NaAlSi3O8(鈉長石)+9H2O+H2SO4=Al2O3·2SiO2·2H2O+Na2SO4+4H4SiO4

(15)

鉀長石和鈉長石的反應機理相同，就不再一一列出了，由式(13)和式(14)可以看出，鈉鉀長石水解呈堿性；由式(14)和式(15)可以看出，鈉鉀長石水解反應或者與硫酸鹽反應，產生高嶺石。根據砂巖試件的試驗結果可以得知，砂巖試件在酸性溶液中進行干濕循環，試件的損傷劣化是逐漸增加的過程。在本次試驗過程中對砂巖試件強度起到影響的主要包括物理作用和化學作用。

當砂巖試件在酸性溶液中浸泡進行干濕循環時，水分子從試件表面沿著裂隙慢慢滲入內部，膠結物質發生溶解，使得試件內部顆粒之間的粘結力和摩擦力減弱，水分子在開口孔隙中不斷的填充和蒸發，反復的干濕循環作用下造成原生裂隙不斷擴大和新裂隙的產生。與此同時，氫離子和試件內部方解石和鈉鉀長石發生反應，進而砂巖被侵蝕，導致試件內部的孔洞和裂隙增加，進一步削弱了顆粒之間的粘結力，隨著溶液pH值的減小，砂巖的損傷劣化越來越劇烈。在微觀上表現為試件內部礦物成分的改變，在宏觀上表現為試件強度的降低。

5 結 論

(1)干濕循環次數相同時，隨著溶液pH值的減小，砂巖試件的縱波波速逐漸減小，吸水率逐漸增加，單軸抗壓應力-應變曲線微裂隙壓密階段逐漸延長，彈性階段逐漸縮短，峰值應力逐漸減小。

(2)溶液pH值相同時，隨著干濕循環次數的增加，砂巖試件的吸水率逐漸增加，砂巖試件的單軸抗壓強度逐漸減小。

(3)不同pH值溶液條件下的干濕循環對砂巖試件的劣化程度不同，溶液pH=3時，砂巖試件的劣化最大，20次干濕循環后的劣化度為26.62%；溶液pH=7時，砂巖試件的劣化最小，20次干濕循環后的劣化度為14.99%；酸性溶液干濕循環作用下砂巖試件的劣化程度要比中性溶液更為嚴重。