硫酸鹽侵蝕下砂巖縱波波速及孔隙結構表征試驗研究

李民 LI Min

（山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，濟南 250000）

0 引言

水巖侵蝕作用是地球上存在的一種基本的物理化學現象，巖石在溶液的長期侵蝕下，不但造成巖石內部化學元素的改變，還會對巖石內部的微觀結構造成影響。外在環境的差異往往會對巖石性能造成很大的影響，研究發現水巖間的干濕循環侵蝕會降低巖石本身強度[1]，從而引起巖體結構的破壞；朱朝輝等[2]對不同含水率的砂巖試件進行巴西劈裂試驗，發現試件在不同含水率下的強度劣化規律；袁璞等[3]通過試驗發現隨著砂巖所處溶液pH 值的降低，試件縱波波速、單軸抗壓強度隨之減小，砂巖試件劣化程度增加；王來貴等[4]對不同溶液環境下長石砂巖性能進行研究，發現Na2SO4溶液環境下石砂巖縱波波速、抗壓強度、彈性模量等物理力學參數都將減??；王魯男、俞縉等[5-6]對不同溶液浸泡下的粉砂巖進行物理性能測試，發現侵蝕下粉砂巖強度的衰減規律，并建立了強度衰減預測模型。溶液侵蝕會對巖石內部結構及性能造成很大影響，從而降低其安全耐久性，我國海域遼闊，海岸線眾多，海水中含有大量硫酸鹽，沿海一帶的巖石不斷經受著硫酸根離子的侵蝕，研究表明硫酸鹽溶液對眾多巖石材料性能有著巨大影響，韓鐵林等[7]對砂巖在不同水化學溶液腐蝕下的力學性能進行研究，試驗表明硫酸鹽溶液濃度越大，砂巖試件劣化程度越大；張萌[8]在硫酸鹽腐蝕對混凝土微觀結構特征影響的研究中發現硫酸鹽腐蝕作用使得材料內部小孔隙、中孔隙逐漸擴張成相互連通裂隙，增強試件損傷程度。鹽溶液侵蝕下巖石自身結構及性能均會發生變化，侵蝕巖體宏觀力學性能的變化是由微觀結構變化所引起的，而確定鹽侵蝕巖體力學性能變化規律對沿海工程建設項目安全建設至關重要，因此探究硫酸鹽侵蝕巖體微觀結構變化規律對沿海工程項目制定安全高效施工方案具有指導意義。

本文以砂巖試件為研究對象，對砂巖在不同濃度（0%、5%、10%、15%）硫酸鈉溶液進行不同齡期（0d、30d、60d、90d、150d）的侵蝕試驗，研究侵蝕時間、硫酸根離子濃度對砂巖試件的縱波波速、孔隙結構及孔隙率微觀參數的影響規律，研究成果可為沿海鹽侵蝕地區工程項目實施方案的確定提供試驗依據。

1 試驗方案

1.1 試驗流程

試驗選用砂巖來自于安徽省淮南市丁集礦的細顆粒砂巖，埋深為678m，呈灰白色，試塊選用同一巖層，且垂直于節理面，巖塊表面完整無裂紋。根據相關規范將試件加工成Φ50×100mm 的標準試件，試件兩端不平整度在0.05mm 以內，將加工完成的砂巖試件利用非金屬超聲波檢測儀進行試件縱波波速的測量，剔除波速差異較大的試件，每組選取3 個標準試件，共選用51 個砂巖試件，標準試件如圖1 所示。

1.2 試驗流程

將砂巖試件放置于烘干箱內12h，取出試件置于干燥箱內冷卻至室溫，再將試件分別置于質量分數為0%、5%、10%與15%硫酸鈉溶液對砂巖試件進行為期30d、60d、90d、150d 侵蝕，侵蝕試驗結束后將試件再次烘干并冷卻至室溫，對侵蝕試件進行縱波波速的測量；核磁共振（NMR）試驗采用蘇州紐邁分析儀器股份有限公司生產的MesoMR23-060V-1 型核磁共振儀對試件T2譜分布、孔徑分布等特征參數進行測量。

2 試驗結果與分析

2.1 試件縱波波速的變化規律

利用超聲波技術對巖石類非金屬材料進行波速測量時，當試件內部材質結構保持一致時，其縱波波速應基本一致，而材料內部存在著裂縫、孔隙、斷層及材質不均勻時，超聲波會在試件內部缺陷處及分界處發生各種反射、折射、透射與繞射，從而使得所測得的聲學參數發生變化。侵蝕時間與試件縱波波速間的關系結果如圖2 所示，得到縱波波速與侵蝕時間之間關系如式（1）。

圖2 縱波波速與侵蝕時間的關系

由式（1）和圖2 可知，相同濃度硫酸鹽溶液下，砂巖試件縱波波速隨著侵蝕時間的增大而降低，硫酸鹽濃度為0%，侵蝕時間為30d、60d、90d、150d 時試件縱波波速降幅分別為5.0%、6.8%、8.1%、8.4%，降幅逐漸減小；相同侵蝕時間下，隨著硫酸鹽溶液濃度的增大，砂巖試件縱波波速整體呈下降趨勢。分析原因：砂巖試件長期浸泡于水中，水對砂巖起到軟化與溶解的作用，部分材料溶于水中，當水分蒸發時部分溶質隨水分外流，試件內部孔隙增大[7]，彈性波在砂巖試件傳導過程中遇到裂紋孔隙會出現反射、折射、繞射，宏觀上表現為彈性波傳播路徑變長和波速的顯著降低，試件縱波波速隨之減小。相較于水硫酸鹽溶液中硫酸根離子能與砂巖反應，對砂巖侵蝕性更高，試件劣化程度更大，試件縱波波速隨硫酸鹽濃度的增大而減小，當硫酸鹽濃度達到一定時，硫酸鹽濃度的增加對試件縱波波速影響將不再明顯。

2.2 NMR 試驗結果與分析

核磁共振技術可在對試件損傷程度較小的情況下利用T2圖譜準確地反映出試件內部的孔隙結構分布，T2圖譜中橫坐標代表孔徑大小，波峰面積代表孔隙數目，馳豫時間T2越大，孔隙半徑越大，弛豫時間和孔隙尺寸可用式（2）表示。

式中：ρ 為材料弛豫強度；S 為孔隙表面積；V 為孔隙體積。

0%硫酸鈉溶液中不同侵蝕時間下砂巖試件T2圖譜如圖3 所示，不同濃度硫酸鈉溶液下侵蝕60d 時試件T2圖譜如圖4 所示。由圖3、圖4 可知侵蝕作用下砂巖試件內部孔隙結構發生明顯變化，不同侵蝕時間下砂巖試件的T2圖譜分布曲線均呈三峰型，隨著溶液侵蝕時間的增加，T2圖譜峰值增大且向右偏移，相較于普通砂巖試件，侵蝕30d、60d、90d、150d 主峰峰值分別升高17.6%、25.9%、31.8%、37.6%，表明隨著侵蝕時間的增加試件內部孔隙數量增加，孔徑變大，試件內部孔隙率增大，侵蝕時間越長，砂巖損傷程度越大。由圖4 可知隨著硫酸鈉溶液濃度增加，T2圖譜峰值增大，但增幅明顯降低，當溶液濃度超過5%后峰值增幅不再明顯，說明隨著硫酸鈉溶液濃度的增加試件孔隙直徑增大，孔隙率增加。為進一步研究試件內部不同孔徑孔隙在總孔隙中的占比，對不同干濕循環次數下砂巖試件不同孔徑孔隙占比進行計算。

圖3 0%硫酸鹽溶液不同侵蝕時間下試件T2 圖譜

圖4 侵蝕60d 不同硫酸鹽濃度下試件T2 圖譜

將侵蝕砂巖試件孔徑劃分成微孔（R≤0.01μm）、小孔（0.01μm＜R≤0.1μm）、中孔（0.1μm≤R≤1μm）、大孔（R＞1μm）4 個區間，孔徑劃分區間如圖5 所示。根據孔徑劃分方法可求出侵蝕砂巖各孔徑分布規律，如圖6 所示。

圖5 砂巖試件內部孔徑劃分

圖6 砂巖試件內部孔隙分布規律

由圖6 可知砂巖內部孔隙分布主要以微孔、小孔為主，隨著侵蝕時間的增加，試件內部微孔所占比例降低，小孔占比明顯增高，硫酸鈉溶液濃度為0%時侵蝕30d、60d、90d、150d 試件微孔占比降低22.1%、28.8%、30.8%、31.6%，小孔占比增加了41.9%、54.4%、56.2%、56.5%；不同硫酸鹽濃度侵蝕下砂巖試件呈現相同規律，試件內部微孔占比減少，小孔占比增加，中孔、大孔占比變化不大。這是由于侵蝕時間增長與硫酸鹽濃度的增大都會增大對砂巖試件的侵蝕，增大試件內部孔隙直徑，增加孔隙率，使微孔向小孔轉化，中孔大孔數目也會增加，但試件本身總孔隙率也會變大，因此中孔、大孔占總孔隙率比例變化不大。

3 結論

①相同硫酸鹽濃度下隨著侵蝕時間的增大，砂巖試件縱波波速隨之降低，兩者呈良好的對數關系；相同侵蝕時間下，隨著硫酸鹽溶液濃度的增大，砂巖試件縱波波速整體呈下降趨勢，試件劣化程度增加。②砂巖試件的T2圖譜分布曲線均呈三峰型，隨著溶液侵蝕時間的增加，T2圖譜峰值增大且向右偏移，隨著侵蝕時間的增加試件內部孔隙數量增加，孔徑變大，試件內部孔隙率增大，侵蝕時間越長，砂巖損傷程度越大。③砂巖內部孔隙分布主要以微孔、小孔為主，隨著侵蝕時間的增加，試件內部微孔所占比例降低，小孔占比明顯增高，試件內部微孔占比減少，小孔占比增加，侵蝕時間增長與硫酸鹽濃度的增大都會增大對砂巖試件的侵蝕，增大試件內部孔隙直徑，增加孔隙率，使微孔向小孔轉化。