干濕循環(huán)下pH值對(duì)砂巖靜態(tài)單軸力學(xué)特性的影響

袁 璞,步 鶴,位寧寧

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，淮南 232001；2.安徽理工大學(xué)，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(xué)，深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，淮南 232001)

0 引 言

水巖作用是一種基本的地球化學(xué)作用，地下水或者溶液和巖石之間的化學(xué)或同位素的不平衡是它發(fā)生的前提，驅(qū)動(dòng)著近地表環(huán)境的演化，不僅引起巖石和水之間的化學(xué)元素重新分配，還會(huì)造成巖石微觀結(jié)構(gòu)的改變[1-2]，干濕循環(huán)作用是最常見(jiàn)的水巖作用之一，例如雨水的降落與蒸發(fā)、季節(jié)性水位的上升與下降、地下水位的變化等[3]。干濕循環(huán)作用對(duì)巖石劣化的效應(yīng)是物理、化學(xué)和力學(xué)多場(chǎng)耦合作用的綜合結(jié)果，已經(jīng)成為巖石力學(xué)的前沿問(wèn)題之一[4]。

目前，地下工程建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入飛速發(fā)展階段，地下工程符合人類可持續(xù)發(fā)展的原則，由于地下空間地質(zhì)條件和水環(huán)境較為復(fù)雜，水巖間的干濕循環(huán)作用使巖石的強(qiáng)度下降，會(huì)引起地下巖體工程結(jié)構(gòu)的破壞，引發(fā)工程事故和地下工程地質(zhì)災(zāi)害[5]。劉新榮等[6]通過(guò)酸堿環(huán)境干濕循環(huán)作用下砂巖抗剪強(qiáng)度劣化規(guī)律的研究，得出了不同pH值溶液干濕循環(huán)作用下砂巖抗剪強(qiáng)度隨循環(huán)次數(shù)的表達(dá)公式。韓鐵林等[7]研究發(fā)現(xiàn)，化學(xué)腐蝕時(shí)間不變的情況下，隨著溶液pH值的減小，砂巖的峰值強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的劣化越來(lái)越大，砂巖的孔隙率增大，縱波波速減小。王來(lái)貴等[8]對(duì)長(zhǎng)石砂巖進(jìn)行了縱波波速測(cè)定、XRD測(cè)試和單軸抗壓試驗(yàn)，探討了不同溶液條件下干濕循環(huán)后長(zhǎng)石砂巖的力學(xué)特性變化規(guī)律，利用數(shù)字散斑相關(guān)方法(DSCM)分析不同溶液條件下干濕循環(huán)后長(zhǎng)石砂巖的側(cè)面變形場(chǎng)演化規(guī)律。馬芹永等[9]對(duì)干濕循環(huán)下的粉砂巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，發(fā)現(xiàn)軸向蠕變應(yīng)變和穩(wěn)態(tài)蠕變速率隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸增大，階段劣化度隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加逐漸減小。羅瓊[10]對(duì)干濕循環(huán)下的泥巖進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)，得出了泥巖的弱化系數(shù)和循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。崔凱等[11]對(duì)板巖進(jìn)行了不同次數(shù)的飽水作用和干濕循環(huán)作用，測(cè)得相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)干濕循環(huán)作用對(duì)板巖的劣化程度強(qiáng)于飽水作用。

本文研究不同pH值溶液干濕循環(huán)作用下砂巖的損傷劣化規(guī)律，以朱集東煤礦細(xì)顆粒砂巖為研究對(duì)象，分析了溶液pH值和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖力學(xué)特性的影響規(guī)律，并進(jìn)行了XRD測(cè)試，探討了水巖作用機(jī)理，本文的研究成果可為地下巖體工程的穩(wěn)定性分析提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

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(xì)顆粒砂巖，埋深-965 m，呈灰白色，表觀完整性良好，無(wú)裂紋和孔洞。首先利用EDS和XRD對(duì)砂巖成分進(jìn)行分析，得到砂巖中所含的化學(xué)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(zhǎng)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(jù)規(guī)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(nèi)[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(zhì)性，進(jìn)行試驗(yàn)前先對(duì)打磨完畢的砂巖試樣進(jìn)行縱波波速測(cè)試，挑除離散性較大的試件，最終得到的標(biāo)準(zhǔn)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(huán)試驗(yàn)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(shí)，用玻璃棒將試塊分隔開(kāi)，保證全面吸水，稱為1次干濕循環(huán)。每組砂巖試件在第一次烘干時(shí)溫度設(shè)置為105 ℃，使砂巖試件達(dá)到干燥狀態(tài)，便于測(cè)量其吸水率；以后每次干濕循環(huán)烘干溫度設(shè)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?yàn)樽匀粻顟B(tài)下深部巖體和地下工程所處的地下水pH值并不是一個(gè)確定的值，所以浸泡溶液設(shè)有4種，溶液pH值分別為3、5、6.5(蒸餾水)和7。將試樣進(jìn)行0次(干燥狀態(tài))、1次、10次和20次干濕循環(huán)試驗(yàn)。

2 砂巖試件物理性質(zhì)結(jié)果分析

2.1 砂巖縱波波速變化規(guī)律分析

試驗(yàn)測(cè)得相同干濕循環(huán)次數(shù)(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(shù)據(jù)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(duì)應(yīng)關(guān)系[14]，巖石內(nèi)部裂隙程度可以用縱波波速來(lái)進(jìn)行判別[15]。探究不同pH值溶液干濕循環(huán)對(duì)砂巖縱波波速的影響，以溶液pH值p為橫坐標(biāo)，砂巖試件的縱波波速C為縱坐標(biāo)，制作散點(diǎn)圖，對(duì)4種pH值溶液20次干濕循環(huán)砂巖試件的縱波波速散點(diǎn)圖進(jìn)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(guān)系：

C=2 330.440p0.196，R2=0.925 (p≤7)

(1)

由表1和圖3可以看出，經(jīng)過(guò)不同pH值溶液20次干濕循環(huán)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(qiáng)越來(lái)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(lái)越大，分析其原因，砂巖在酸性的環(huán)境下進(jìn)行干濕循環(huán)，干濕循環(huán)本身對(duì)砂巖就存在劣化作用，酸性溶液中H+與砂巖內(nèi)部的方解石和鈉鉀長(zhǎng)石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增大了砂巖內(nèi)部的孔洞和裂隙，經(jīng)過(guò)反復(fù)的干濕循環(huán)作用，水分子在砂巖內(nèi)部不斷填充和揮發(fā)，進(jìn)一步擴(kuò)大了內(nèi)部孔隙，劣化越來(lái)越大，從而減弱了縱波的能量傳播，進(jìn)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(yàn)

吸水率是巖石的基本物理力學(xué)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(huán)條件下砂巖的吸水率，每次干濕循環(huán)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(cè)其每次吸水后的濕質(zhì)量mi。根據(jù)公式(2)對(duì)砂巖試件在不同pH值溶液中干濕循環(huán)記錄的數(shù)據(jù)計(jì)算出吸水的變化規(guī)律。

(2)

式中：Wi設(shè)置為吸水率，%；mi為第i次干濕循環(huán)時(shí)所測(cè)得試塊的濕質(zhì)量，g；m1為試塊第一次干燥時(shí)的質(zhì)量，g。

圖4為砂巖吸水率變化曲線，從圖4橫向單一來(lái)看，隨著溶液pH值的降低，即隨著酸性的增強(qiáng)，砂巖試件的吸水率逐漸增加，且增幅逐漸加快。縱向比較來(lái)看，砂巖試件在相同pH值溶液的條件下，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖試件的吸水率也有顯著增長(zhǎng)；隨著pH值的降低，兩個(gè)擬合曲線的間距越來(lái)越大，即酸性作用和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖試件吸水率都呈正相關(guān)，相互促進(jìn)，使得酸性越強(qiáng)循環(huán)次數(shù)越多的砂巖試件吸水率越高。以溶液pH值p為橫坐標(biāo)，砂巖吸水率Wi為縱坐標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)制作散點(diǎn)圖，按照一元二次函數(shù)進(jìn)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(guān)系，其中式(3)和式(4)分別是砂巖試件20次和10次干濕循環(huán)時(shí)的擬合函數(shù)。

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(xué)性質(zhì)結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5為砂巖試件在相同干濕循環(huán)次數(shù)不同pH值溶液浸泡條件下的單軸抗壓試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖5能夠發(fā)現(xiàn)在不同pH值溶液浸泡下經(jīng)過(guò)1次、10次和20次干濕循環(huán)作用的砂巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以劃分為微裂隙壓密、彈性變形、屈服和破壞4個(gè)階段。在相同干濕循環(huán)次數(shù)時(shí)，砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線中微裂隙壓密階段的長(zhǎng)度隨著溶液pH值的降低而逐漸增大，彈性階段的長(zhǎng)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(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone specimens

在10次干濕循環(huán)時(shí)，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(huán)時(shí)，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(huán)次數(shù)時(shí)，酸性溶液對(duì)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(qiáng)度

從圖6不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強(qiáng)度變化曲線中可以發(fā)現(xiàn)，砂巖試件在相同干濕循環(huán)次數(shù)不同pH值溶液的條件下，砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度相比于溶液pH值為7條件下的強(qiáng)度都有所減弱。為比較不同干濕循環(huán)次數(shù)不同pH值溶液作用下砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的變化，根據(jù)測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以pH值p為橫坐標(biāo)，單軸抗壓強(qiáng)度σc為縱坐標(biāo)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合回歸分析。研究得到經(jīng)歷20次、10次和1次干濕循環(huán)砂巖單軸抗壓強(qiáng)度σc與pH值p之間的擬合函數(shù)分別為：

圖6 不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)和擬合曲線較為吻合，干濕循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，隨著溶液pH值的降低，砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度越來(lái)越低，表明溶液pH值越小劣化越大；溶液pH值相同時(shí)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，表明干濕循環(huán)次數(shù)越多劣化越大。

為了分析溶液pH值對(duì)砂巖強(qiáng)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(tài)下的單軸抗壓強(qiáng)度；σc(pi)為pH值為i時(shí)砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度。

從圖7不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強(qiáng)度及總劣化度趨勢(shì)圖中可以看出，在10次干濕循環(huán)中，相比較于干燥砂巖試件(單軸抗壓強(qiáng)度為123.99 MPa)，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)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(huán)中，相比較于干燥砂巖試件，經(jīng)過(guò)干濕循環(huán)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(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)次數(shù)一定時(shí)，溶液酸性越強(qiáng)，試件總劣化度越高。

圖7 不同pH值溶液砂巖單軸抗壓強(qiáng)度及總劣化度趨勢(shì)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(yīng)力與pH值和干濕循環(huán)次數(shù)三維擬合關(guān)系圖中可以發(fā)現(xiàn)，溶液pH值和干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)砂巖峰值應(yīng)力存在相互關(guān)聯(lián)的影響。以溶液pH值p為橫坐標(biāo)，干濕循環(huán)次數(shù)n為縱坐標(biāo)，砂巖峰值應(yīng)力σc為立坐標(biāo)，按照非線性曲面擬合，擬合函數(shù)如下：

圖8 砂巖峰值應(yīng)力與pH值和干濕循環(huán) 次數(shù)三維擬合關(guān)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(tài)結(jié)果分析

圖9為砂巖試件在20次干濕循環(huán)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(shí)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(duì)角線方向向試件頂端擴(kuò)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(duì)角線方向向試件頂端擴(kuò)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(lái)越大，貫穿一圈，且表面脫落嚴(yán)重；在pH值為3的溶液中，砂巖試件碎成很多塊，破碎最嚴(yán)重。溶液的pH值越小，砂巖試件破壞時(shí)破碎程度越明顯。

圖9 不同pH值溶液對(duì)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(huán)作用對(duì)砂巖損傷劣化機(jī)制分析

砂巖的礦物組成部分在酸性溶液環(huán)境中會(huì)與溶液中的氫離子、硫酸根離子和水分子發(fā)生一定的化學(xué)反應(yīng)，在宏觀上表現(xiàn)為砂巖強(qiáng)度的下降，在微觀上表現(xiàn)為內(nèi)部的礦物組成部分發(fā)生變化。圖10為不同pH值下砂巖XRD譜,可以看出，砂巖試件經(jīng)歷20次干濕循環(huán)后，內(nèi)部礦物組成發(fā)生了變化，隨著溶液酸性的增強(qiáng)，試件內(nèi)部方解石和鈉鉀長(zhǎng)石的衍射峰強(qiáng)度降低，高嶺石衍射強(qiáng)度增強(qiáng)，石英的衍射強(qiáng)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(nèi)部的礦物成分主要有石英、方解石、鈉鉀長(zhǎng)石和高嶺石等。石英的性質(zhì)比較穩(wěn)定，在酸性溶液中幾乎不反應(yīng)；方解石主要由碳酸鈣組成，可以和酸性溶液中的氫離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；鈉鉀長(zhǎng)石主要成分是鋁硅酸鹽，可以與水分子和氫離子發(fā)生水解作用生成高嶺石，與硫酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也生成高嶺石。上述的主要化學(xué)反應(yīng)[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(zhǎng)石)+4H++4H2O=Na++Al3++3H4SiO4

(12)

(13)

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

(14)

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

(15)

鉀長(zhǎng)石和鈉長(zhǎng)石的反應(yīng)機(jī)理相同，就不再一一列出了，由式(13)和式(14)可以看出，鈉鉀長(zhǎng)石水解呈堿性；由式(14)和式(15)可以看出，鈉鉀長(zhǎng)石水解反應(yīng)或者與硫酸鹽反應(yīng)，產(chǎn)生高嶺石。根據(jù)砂巖試件的試驗(yàn)結(jié)果可以得知，砂巖試件在酸性溶液中進(jìn)行干濕循環(huán)，試件的損傷劣化是逐漸增加的過(guò)程。在本次試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)砂巖試件強(qiáng)度起到影響的主要包括物理作用和化學(xué)作用。

當(dāng)砂巖試件在酸性溶液中浸泡進(jìn)行干濕循環(huán)時(shí)，水分子從試件表面沿著裂隙慢慢滲入內(nèi)部，膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生溶解，使得試件內(nèi)部顆粒之間的粘結(jié)力和摩擦力減弱，水分子在開(kāi)口孔隙中不斷的填充和蒸發(fā)，反復(fù)的干濕循環(huán)作用下造成原生裂隙不斷擴(kuò)大和新裂隙的產(chǎn)生。與此同時(shí)，氫離子和試件內(nèi)部方解石和鈉鉀長(zhǎng)石發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而砂巖被侵蝕，導(dǎo)致試件內(nèi)部的孔洞和裂隙增加，進(jìn)一步削弱了顆粒之間的粘結(jié)力，隨著溶液pH值的減小，砂巖的損傷劣化越來(lái)越劇烈。在微觀上表現(xiàn)為試件內(nèi)部礦物成分的改變，在宏觀上表現(xiàn)為試件強(qiáng)度的降低。

5 結(jié) 論

(1)干濕循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，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(yīng)力-應(yīng)變曲線微裂隙壓密階段逐漸延長(zhǎng)，彈性階段逐漸縮短，峰值應(yīng)力逐漸減小。

(2)溶液pH值相同時(shí)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)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(qiáng)度逐漸減小。

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