酸堿環(huán)境干濕循環(huán)下砂巖動態(tài)力學(xué)性能試驗(yàn)

方江華， 倪蘇黔， 王鳳瑤， 姜平偉

(1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院， 淮南 232001； 2.北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司， 北京 100101)

隨著中國煤炭資源開采技術(shù)的不斷發(fā)展，煤炭深部開采進(jìn)入新時(shí)期，深部煤系主要以孔隙式鈣質(zhì)膠結(jié)和泥質(zhì)膠結(jié)的砂巖和泥巖為主，而地下水在溶解深部地下礦物的過程中往往會呈現(xiàn)堿性或酸性，砂巖和泥巖軟化現(xiàn)象較明顯，這種現(xiàn)象使圍巖的自承能力降低，巷道圍巖膨脹、頂板掉落以及底臌變形頻發(fā)，嚴(yán)重威脅巷道支護(hù)安全[1-3]。

井下巷道或山嶺隧道使用過程中，由于高溫蒸發(fā)、通風(fēng)等原因，對圍巖含水率造成了干濕反復(fù)交替的狀態(tài)，所以堿性或酸性地下水的應(yīng)力-化學(xué)-干濕循環(huán)耦合作用下，巖石的力學(xué)性能進(jìn)一步劣化，研究其力學(xué)參數(shù)的變化及內(nèi)部損傷規(guī)律更具科學(xué)與工程意義[4-6]。羅垚等[7]提出“變排量、分階段多壓裂液組”重復(fù)壓裂方法，將變排量壓裂與分階段壓裂兩種方式進(jìn)行組合重復(fù)試驗(yàn)，產(chǎn)生了與單一壓裂方式下3倍裂縫條數(shù)不同的復(fù)雜裂縫，具有工程應(yīng)用參考價(jià)值。王帥等[8]借助室內(nèi)三軸試驗(yàn)探究了干濕循環(huán)下水泥改良紅砂巖土的彈性模量、破壞面形式、峰值強(qiáng)度、應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化規(guī)律，表明水泥是紅砂巖土由塑性轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘闹匾绊懸蛩兀瑢Ψ逯祻?qiáng)度和彈性模量進(jìn)行多元非線性的擬合效果理想。楊有貞等[9]利用干濕循環(huán)試驗(yàn)研究砂巖的力學(xué)特征發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)后砂巖強(qiáng)度明顯弱化，并結(jié)合掃描電鏡(scanning electron microscope,SEM)觀察巖體微觀特性得到，巖石微觀結(jié)構(gòu)隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其微觀結(jié)構(gòu)松散程度加深，顆粒排布越不均勻，這與宏觀試驗(yàn)強(qiáng)度變化結(jié)果相吻合。韓鐵林等[10]將砂巖分別浸泡在酸性、中性及堿性溶液中，進(jìn)行侵蝕后凍融試驗(yàn)，研究表明：隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖損傷劣化程度逐漸增加，并且酸性溶液損傷最大、中性次之、堿性最小；袁文[11]將酸堿環(huán)境干濕循環(huán)后的砂巖進(jìn)行單軸、三軸壓縮等力學(xué)性能試驗(yàn)得到，砂巖的整體力學(xué)強(qiáng)度及物理參數(shù)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其損傷幅度呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，并且在酸性環(huán)境下劣化程度最大、堿性次之、中性最小；劉新榮等[12]對多次干濕循環(huán)作用下的泥質(zhì)砂巖進(jìn)行單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，研究表明該作用下使得泥質(zhì)砂巖的峰值應(yīng)力、內(nèi)摩擦角以及彈性模量均出現(xiàn)了不同程度的劣化；傅晏等[13]對砂巖進(jìn)行酸性環(huán)境下的干濕循環(huán)力學(xué)性能試驗(yàn)，基于強(qiáng)度準(zhǔn)則對砂巖劣化參數(shù)進(jìn)行分析得到，各強(qiáng)度準(zhǔn)則參數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。鄧華鋒等[14]對巖體節(jié)理面進(jìn)行了重復(fù)剪切試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試件的剪切屈服點(diǎn)的切向位移增大、抗剪強(qiáng)度降低，劣化的主要原因與軟化和溶解作用有關(guān)；徐志華等[15]對紅砂巖進(jìn)行干濕循環(huán)處理，并提出了以黏聚力為指標(biāo)的損傷變量，分別對砂巖的單軸、三軸力學(xué)參數(shù)的劣化規(guī)律進(jìn)行了研究，通過與試驗(yàn)值和波速損傷變量的對比，驗(yàn)證了黏聚力指標(biāo)的合理性。對于深部圍巖回采巷道、鐵路隧道等動壓巷道、隧道，圍巖巖體承受沖擊荷載的能力直接威脅結(jié)構(gòu)安全。

由此，現(xiàn)以深部圍巖回采以及動壓巷道受酸堿循環(huán)作用下的砂巖為背景，對酸堿環(huán)境干濕循環(huán)作用下砂巖試件的物理、力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分別進(jìn)行了不同酸堿環(huán)境下和不同干循環(huán)次數(shù)耦合作用下砂巖試件的物理、力學(xué)試驗(yàn)，并借助紅外熱成像技術(shù)進(jìn)一步評定砂巖的損傷具體表現(xiàn)。同時(shí)結(jié)合孔隙率變化情況、試件動態(tài)抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)力和彈性模量總劣化度，闡述砂巖試件物理、力學(xué)特性變化規(guī)律，為隧道掘進(jìn)、巷道開挖、地鐵和水下工程等施工作業(yè)提供參考和借鑒。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

自安徽省淮南礦區(qū)朱集煤礦東側(cè)一條埋深-965 m的動壓回采巷道采取試驗(yàn)樣品，該巷道受地下水長期的循環(huán)浸潤作用。巖樣主要表觀為灰白色，結(jié)核少，伴有少量深褐色斑點(diǎn)。通過X射線衍射測得砂巖的主要成分為高嶺石(41.7%)、石英(35.8%)、云母(19.6%)、其他(2.9%)，如圖1所示。

圖1 X-射線衍射定性分析圖譜

為了能夠更好地體現(xiàn)在酸堿環(huán)境干濕循環(huán)作用下不同pH環(huán)境砂巖動態(tài)力學(xué)性能的損傷劣化過程，選取pH跨度大的3、7、11溶液進(jìn)行分組、分期侵蝕，按照標(biāo)準(zhǔn)對巖體進(jìn)行取樣鉆孔、切割斷面、打磨、清洗、烘干后，制成高度25 mm、直徑50 mm的圓柱體試件，通過超聲波檢測分析儀測定砂巖試件的縱波波速，對波速差異較大的試件進(jìn)行剔除并補(bǔ)缺，將巖樣分成A、B、C三組，A組為pH=3的溶液進(jìn)行干濕循環(huán)，B組為蒸餾水(pH=7)進(jìn)行干濕循環(huán)，C組為pH=11的溶液進(jìn)行干濕循環(huán)，如圖2所示。

圖2 干濕循環(huán)溶液濃度

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法

采用干濕循環(huán)試驗(yàn)、孔隙率試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、熱成像試驗(yàn)，試驗(yàn)方法如下。

1.2.1 干濕循環(huán)試驗(yàn)

在pH=3、7、11溶液中，將3組試件分別浸泡，每組按干濕循環(huán)次數(shù)劃分為4個階段，第1階段(浸泡5 d，循環(huán)0次)、第2階段(0～5次循環(huán))、第3階段(5～10次循環(huán))及第4階段(10～15次循環(huán))；在不同pH溶液中將各組試件侵蝕12 h，再放入烘干箱12 h，即視為一次干濕循環(huán)。首次循環(huán)烘干箱設(shè)定溫度105 ℃，以后每次保持60 ℃。

1.2.2 孔隙率試驗(yàn)

用排水法將試塊烘干，12 h后測得質(zhì)量m0，然后放入真空保水儀3 h，待試件內(nèi)空氣完全排出，再保水9 h，確保充分飽和，稱得其質(zhì)量mw，計(jì)算試件內(nèi)水的體積V0、孔隙率p，計(jì)算公式為

(1)

(2)

式中：ρw是水的密度，ρw=1 g/cm3；r為試件底面半徑，cm；h為試件高度，cm。

1.2.3 沖擊試驗(yàn)

采用φ50 mm鋼質(zhì)分離式Hopkinson壓桿(split Hopkinson pressure bar，SHPB)試驗(yàn)系統(tǒng)，縱波波速為5 190 m/s，密度為7.8 g/cm3，彈性模量為210 GPa，長度分別為0.6、2.4、1.2 m。試驗(yàn)時(shí)試件兩端均勻涂抹凡士林潤滑，待氣壓達(dá)到0.4 MPa，打開開關(guān)，一次沖擊試驗(yàn)完成。結(jié)合文獻(xiàn)[16-17]研究，采用簡化三波法對低抗阻巖石材料的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2.4 熱成像試驗(yàn)

采用美國FLIR公司便攜式FLIR ONE熱像儀，沖擊試驗(yàn)開始前，將紅外熱成像儀架到?jīng)_擊試件旁，對掃描角度、焦距進(jìn)行設(shè)置，巖體在發(fā)生沖擊破壞的瞬間，快速取出巖樣，進(jìn)行熱成像試驗(yàn)，為保證精度，試件移取過程中佩戴隔熱手套。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溶液pH變化

利用ATC(automatic temperature compensation)數(shù)值pH對各組試件浸泡5 d、干濕循環(huán)15次后的溶液pH進(jìn)行測量，利用溶液pH變化，從側(cè)面反映砂巖受溶液侵蝕的程度，如圖3所示。

圖3 溶液pH的變化

從圖3中可以看出，隨著試塊干濕循環(huán)次數(shù)和侵蝕時(shí)間的增加，溶液pH在酸性環(huán)境下均逐步上升，并且在干濕循環(huán)第5次之后開始快速上升，循環(huán)11次之后溶液開始趨于中性，這主要是由于前期試件在酸性環(huán)境中，溶液中的H+與試塊逐漸發(fā)生反應(yīng)，離子濃度降低，循環(huán)5次之后，試件內(nèi)部裂隙開始發(fā)育、反應(yīng)加劇，循環(huán)11次之后，試件內(nèi)可被反應(yīng)的物質(zhì)幾乎殆盡，若需進(jìn)一步反應(yīng)，需提高溶液濃度或展露更多反應(yīng)界面；溶液pH中性環(huán)境下呈弱堿性，這主要是由于試件在pH=7的溶液中，內(nèi)部物質(zhì)溶解，試件逐漸轉(zhuǎn)化為弱堿性；隨侵蝕時(shí)間的增加，pH=11的堿性溶液中砂巖礦物中的有效離子會進(jìn)入到溶液中，所以在浸泡前期，溶液pH上升，隨著后期干濕循環(huán)次數(shù)的增加，離子或沉淀從巖石骨架中剝離出來，強(qiáng)堿環(huán)境OH-與巖石骨架反應(yīng)，逐漸降低溶液pH。

2.2 砂巖孔隙率變化

根據(jù)式(1)、式(2)得到不同pH溶液濃度下，砂巖孔隙率p的劣化過程，如表1所示。

表1 不同狀態(tài)下砂巖孔隙率變化情況

如圖4所示，試驗(yàn)中砂巖的孔隙率隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行逐漸增加，其均經(jīng)歷了三個階段：浸泡5 d時(shí)，試件的孔隙率處于初始穩(wěn)定階段，試件孔隙率增長量較小，pH=3、7、11時(shí)，孔隙率增長幅度依次為0.60%、0.15%、0.29%；干濕循環(huán)0～10次為迅速增長階段，孔隙率增長幅度依次為10.06%、2.83%、4.16%；10～15次為緩慢增長階段，孔隙率增長幅度依次為12.01%、6.25%、5.31%。對比三個階段的變化可看出，由于試件初期裂隙發(fā)育不完全，試件的腐蝕主要發(fā)生在試件表面，內(nèi)部孔隙率基本未發(fā)生明顯變化，為基本孔隙率；干濕循環(huán)開始后，由于浸泡的溶解和烘干的高溫導(dǎo)致試件內(nèi)的可溶性顆粒大量流失，在烘干過程中剩余顆粒發(fā)生膨脹，重新調(diào)整位置，加之酸堿性溶液腐蝕，更加加劇了裂紋的發(fā)育，使得試件內(nèi)部顆粒在酸堿性溶液進(jìn)入后被腐蝕，從而試件孔隙率增加；待干濕循環(huán)后期，試件內(nèi)部可溶性物質(zhì)溶解殆盡，干濕循環(huán)次數(shù)不足以激發(fā)新的裂紋產(chǎn)生，導(dǎo)致孔隙率增長速度放緩。

圖4 各階段孔隙率變化

2.3 一維沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

根據(jù)在不同pH的溶液中經(jīng)歷0、5、10、15次干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，繪制砂巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖5所示。

圖5 砂巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線

描繪砂巖試件在pH=3的硫酸溶液、pH=7的水溶液和pH=11的堿溶液中經(jīng)歷5 d浸泡和干濕循環(huán)5、10、15次的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示，可看出隨著試件干濕循環(huán)的進(jìn)行，其峰值應(yīng)力逐漸降低，彈性階段的斜率(即彈性模量)也在不斷減小，同時(shí)，隨著試件干濕循環(huán)次數(shù)和酸性濃度的增加，其峰值應(yīng)變也在不斷增加，表現(xiàn)出軟化的現(xiàn)象，根據(jù)圖示曲線，動態(tài)抗壓強(qiáng)度值，并對峰值應(yīng)力前的直線進(jìn)行擬合，計(jì)算試件的動彈性模量值，試件力學(xué)參數(shù)值分別如表2所示。

表2 不同狀態(tài)下砂巖動態(tài)抗壓強(qiáng)度值

2.3.2 動態(tài)力學(xué)參數(shù)分析

前幾年，我跟一個朋友的妹妹F合租房子。F是個能言善辯，又略帶負(fù)能量的女孩。她常說的一句話是：“我只是一個姑娘家，為啥要過得像男人那樣艱辛？讓我嫁個有錢人吧，我就不用過得這么狼狽了。”

根據(jù)鄧華鋒等[18]對巖石試件力學(xué)參數(shù)降低程度的定義方式，定義砂巖在酸堿性干濕循環(huán)條件下的沖擊力學(xué)參數(shù)總劣化程度Pi為

(3)

式(3)中：T0表示巖石自然狀態(tài)下的力學(xué)參數(shù)值，包括彈性模量(GPa)、峰值應(yīng)力(MPa)；Ti表示第i次干濕循環(huán)后的力學(xué)參數(shù)值。

如圖6所示，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試件峰值應(yīng)力的總劣化度逐漸增大。pH=3、11時(shí)，試件峰值應(yīng)力的總劣化度隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大；pH=7時(shí)，干濕循環(huán)5次，試件峰值應(yīng)力的總劣化度略顯增幅，干濕循環(huán)10次，試件峰值應(yīng)力的總劣化度增幅不明顯，干濕循環(huán)15次，試件峰值應(yīng)力的總劣化度明顯增加。但對于彈性模量，pH=3時(shí)，試件峰值應(yīng)力的總劣化度不斷增長；pH=7、11時(shí)，在試件彈性模量不同程度增長的同時(shí)均在循環(huán)次數(shù)達(dá)到10次左右時(shí)出現(xiàn)起伏，其原因是試件內(nèi)的層理導(dǎo)致的試驗(yàn)誤差，但整體上砂巖試件的總劣化度均呈現(xiàn)正值，表明在酸堿干濕循環(huán)作用下試件受到的損傷在不斷累積疊加。

圖6 砂巖試件沖擊荷載下的力學(xué)參數(shù)劣化曲線

2.3.3 沖擊后砂巖破碎情況

砂巖試件沖擊后巖體表面和內(nèi)部發(fā)生了不同程度的破損和碎裂，各組試件沖擊后的形態(tài)如圖7所示，每組3個巖樣分別為pH=7、11、3的巖體破碎情況。

圖7 砂巖沖擊試驗(yàn)后破碎情況

由圖7可知，隨著pH的降低，干濕循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，砂巖試件的破碎程度也越來越嚴(yán)重，碎塊顆粒變得細(xì)小。隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，酸堿性濃度相同時(shí)，巖石的碎裂塊數(shù)增加，碎塊體積減小。由此可知，砂巖試件在酸堿性溶液和干濕循環(huán)作用下均會導(dǎo)致砂巖的粘結(jié)程度和動態(tài)抗壓強(qiáng)度降低。

將各個砂巖試件的碎塊依次通過標(biāo)準(zhǔn)篩中，其孔徑分別為40.0、31.5、26.5、19.0、10.0、5.0、4.75、2.5 mm，將試件分為8個等級，并將每級標(biāo)準(zhǔn)篩上試塊放在精度為0.001 g的電子天平上進(jìn)行稱量記錄，記錄后進(jìn)行塊度分析，經(jīng)歷不同濃度酸堿溶液和不同干濕循環(huán)次數(shù)的砂巖的破碎塊度分布規(guī)律如圖8所示。

圖8 不同pH時(shí)干濕循環(huán)次數(shù)與砂巖破碎塊度分布曲線

如圖8所示，試件在不同pH條件下的塊度分布曲線的斜率均隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增多而增大，表明試件碎塊中的小粒徑碎塊數(shù)量增多，大粒徑的碎塊數(shù)量相應(yīng)減少，且與自然狀態(tài)下砂巖試件塊度分布曲線相比較，曲線斜率隨著pH的降低增長的速率逐漸增大，當(dāng)pH=3時(shí)，巖石的破碎情況最為嚴(yán)重，干濕循環(huán)15次時(shí)，碎塊粒徑主要集中在2.5～31.5 mm范圍內(nèi)。

2.4 紅外熱成像試驗(yàn)

巖石受到?jīng)_擊入射桿所攜帶的沖擊能發(fā)生破壞的過程，實(shí)際上也是一種能量的吸收與透射過程，而試件在吸收沖擊能發(fā)生破壞時(shí)，又是動能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能的過程，所以試件在發(fā)生破壞的瞬間，試件熱能的分布情況也進(jìn)一步表征了砂巖受酸堿循環(huán)作用下的損傷情況。選取自然狀態(tài)下以及不同侵蝕溶液干濕循環(huán)15次后沖擊破壞試件的熱成像照片，如圖9所示。

圖9 熱成像照片

從圖9中可以看出，自然狀態(tài)下，試件破碎后整體的熱量分布均勻、其次為中性溶液、堿性、酸性溶液；并且還可以看到，沖擊破壞試件的熱量集中區(qū)域主要為較小破碎塊，結(jié)合前文所述，在受酸、堿溶液干濕循環(huán)后的試件，其內(nèi)部微裂隙發(fā)展，損傷嚴(yán)重，沖擊能量作用于試件時(shí)，最先在其損傷嚴(yán)重區(qū)域發(fā)生沖擊破壞，吸收沖擊能量，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為熱能；而自然狀態(tài)下，試件整體性好，共同吸收沖擊能量，熱能表現(xiàn)為整體均勻。由此佐證了砂巖在受酸堿循環(huán)作用下試件內(nèi)部發(fā)生的損傷，其主應(yīng)力面與破裂面的夾角逐漸增大，并根據(jù)熱成像技術(shù)可進(jìn)一步評定砂巖損傷表現(xiàn)。

3 結(jié)論

(1)酸性溶液和中性溶液的pH隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行均呈上升趨勢：酸性溶液的pH隨著溶液濃度的增加，其變化幅度增大，其中，中性溶液的pH變化幅度較小。同時(shí)，浸泡后各組試件溶液的pH變化存在相同特征，即在干濕循環(huán)10～15次階段，酸性溶液的pH增量均有降低。

(2)試件的孔隙率變化隨著酸堿干濕循環(huán)的進(jìn)行呈曲線變化，酸性溶液和干濕循環(huán)的耦合作用使試件孔隙的發(fā)育得到加速；經(jīng)歷15次循環(huán)之后，試件內(nèi)的可溶性物質(zhì)在干濕循環(huán)作用下溶解殆盡，干濕循環(huán)次數(shù)的增加則不足以促使新的裂紋產(chǎn)生，導(dǎo)致試件孔隙率的增長速度放緩。

(3)砂巖的峰值應(yīng)力與彈性模量隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加不斷減少，表現(xiàn)為軟化現(xiàn)象；兩項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)各階段的變化速率均在干濕循環(huán)10次時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)折，在干濕循環(huán)10～15次階段，其變化速率整體上呈上升趨勢。

(4)隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖一維沖擊破壞程度增加，主應(yīng)力面與破裂面的夾角逐漸增大，試件破壞形式由脆性破壞向塑性破壞轉(zhuǎn)變，紅外熱成像技術(shù)佐證了砂巖在受酸堿循環(huán)作用下試件內(nèi)部發(fā)生的損傷，并根據(jù)熱成像技術(shù)可進(jìn)一步評定砂巖損傷表現(xiàn)。