水-岩化学作用下灰砂岩的力学特性与参数损伤效应

王艳磊，唐建新，江 君，代张音,4,舒国钧

(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400044;2.重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400044;3.重庆地质矿产研究院 重庆 400042;4.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025 )

水-岩化学作用下灰砂岩的力学特性与参数损伤效应

王艳磊1,2，唐建新1,2，江 君3，代张音1,2,4,舒国钧1,2

(1.重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室,重庆 400044;2.重庆大学 资源及环境科学学院,重庆 400044;3.重庆地质矿产研究院 重庆 400042;4.贵州大学 矿业学院，贵州 贵阳 550025 )

将灰砂岩作为试验和研究对象，基于不同pH值、不同浓度、不同成分的水化学溶液的侵蚀作用，进行一系列的浸泡试验和三轴压缩实验，对比分析了不同水化学环境下灰砂岩的微细观结构特征、变形特性、强度损伤及其力学参数劣化机制。结果表明：水化学溶液的酸碱性越强、浓度越大，其对灰砂岩试件的腐蚀作用越强；化学腐蚀作用使灰砂岩试件有从脆性向延性转化的趋势，同时导致其力学参数劣化，相同条件下，黏聚力c的劣化程度大于内摩擦角φ，且在酸性溶液中的劣化程度大于碱性溶液；溶液中Ca2+，Mg2+浓度、试件的孔隙变化率η均与试件力学参数的劣化程度呈正相关关系，而试件相对质量差Δm与之相反，呈负相关关系；新定义的孔隙率损伤参量能够准确的表达试件力学参数随水岩化学作用的损伤演化过程。

水岩化学作用；灰砂岩；力学参数损伤；细观损伤参量；腐蚀机理

地表或深部地质环境中的岩体与其周围的水不断地进行着各种各样的物理、力学、化学的水岩相互作用(WRI)[1]。水岩化学作用主要是通过化学溶蚀改变岩石裂隙表面特征，使岩体力学性质劣化并改变裂隙的渗流特性[2]。天然地质作用形成的岩石，存在着诸多内部缺陷，如矿物解理、微裂隙、粒间孔隙、晶格缺陷等[3]。在遭受水岩化学作用过程中，其内部缺陷进一步发展，微观结构将发生变化，由此引起岩石力学性质的逐步劣化，对岩土工程的长期稳定性产生严重威胁。因此，对水-岩化学作用下岩石的力学效应进行分析研究具有重要的工程理论及实践意义。

近年来，关于水-岩化学作用对岩石物理力学性质影响的研究以及岩石受各种环境侵蚀下的破裂机理的研究受到了许多国内外研究者的重视。如丁梧秀，冯夏庭[4]对化学腐蚀下裂隙岩体的损伤效应和断裂准则进行了初步探讨；杨慧等[5]研究了水化学溶液对岩石中裂纹的腐蚀作用，建立了水-岩化学作用下等效裂纹扩展的细观力学模型并计算了应力强度因子；N.Li等[6]从化学溶液对岩石胶结物腐蚀后体积变化的角度出发，研究胶结物的减少所引起的化学损伤，并建立相应的化学腐蚀损伤模型；也有学者[7-10]开始关注水化学环境对一些特殊岩石的影响作用。现阶段的研究成果主要集中在水-岩化学作用对岩石宏观力学特征的影响等方面，而从微细观层次逐渐展开到宏观力学效应方面，并对其化学腐蚀机制进行系统研究的尚且不多，需要更进一步的探索。

本文以水岩化学腐蚀作用下灰砂岩细观结构的变化为起点，开展了溶液pH值、浓度及化学成分对灰砂岩试样物理力学性质影响的试验研究，依次监测了化学腐蚀过程中浸泡溶液的pH值及其溶出Ca2+，Mg2+离子浓度和岩样孔隙率及相对质量差的变化规律，并初步分析探讨了水岩化学腐蚀机制。研究结果对与水岩化学作用有关的岩体工程的安全性和稳定性有一定的参考和指导作用。

1 试验材料与方法

1.1 试件制备

试验所需的灰砂岩试样取自四川船景煤矿+642水平的运输大巷，为了保证试件的统一性和实验数据的可比性，所需岩块均在巷道同一位置选取，每一组的试件尽量从同一岩块上钻取。

经薄片和矿物成分鉴定，所取岩样为钙质长石砂岩，呈深灰色，主要由石英、钾长石、黑云母以及岩屑组成，其表面光学显微结构图像如图1所示。该岩样为细中粒砂质结构，胶结物成分主要以碳酸盐为主，胶结类型为孔隙式；矿物成分为钾长石49%，石英31%，黑云母10%，金属矿物3%，白云母3%，岩屑4%。

图1 灰砂岩试样表面显微结构图像

根据GB/T 50266—99“工程岩体试验方法标准”以及国际岩石力学学会(ISRM)推荐的试验方法[11]，将岩石试样加工成直径为50 mm，高径比为2.0的圆柱体。试件的两端面不平行度小于0.005 mm，端面磨平度小于0.02 mm，轴线垂度不超过0.001弧度，同时保证试样侧面光滑垂直，不平度小于0.3 mm。

1.2 化学溶液的配制

真实环境中，水岩之间的相互作用是一个长期而又缓慢的过程，由于时间限制，本次试验采用了加大溶液离子浓度和增加溶液pH值的方式，以便能在较短的时间内反映出水化学溶液对灰砂岩试样的腐蚀效应。试验所配置的化学溶液见表1。

表1 试验化学溶液的配置

Table 1 Configuration of test solution

成分浓度/(mol·L-1)pHNa2SO40.011,4,7,9,11Na2SO40.107NaHCO30.017蒸馏水—7

1.3 实验过程

根据实验需要共加工了45个标准试件，将制作完成的试件进行抽真空并作烘干处理(温度50 ℃条件下烘干48 h)，称量其原始质量。按照表1的要求配置溶液，每种化学溶液中放入5个标准试件进行浸泡。浸泡试验采用半开放式浸泡[8]，即与外界联通，同时定期对溶液进行搅动，以期模拟岩石的真实赋存环境。在浸泡过程中，对溶液pH值及Ca2+,Mg2+浓度、试件质量及其孔隙率的变化进行测量，测量时间间隔根据溶液pH值变化速率而确定。当溶液pH值的变化在一段时间内趋于稳定，即认为水岩相互作用达到了稳定状态。常规三轴压缩试验采用流量控制式加载，先施加一定的围压(取5，10，15和20 MPa)，然后施加轴向偏压至试件破坏，试验方案见表2。

表2 常规三轴压缩试验方案

Table 2 Test scheme for conventional three axis compression

试件浸泡环境pH值溶液浓度/(mol·L-1)围压/MPaNa2SO4溶液10.015101520Na2SO4溶液40.015101520Na2SO4溶液70.015101520Na2SO4溶液90.015101520Na2SO4溶液110.015101520Na2SO4溶液70.15101520NaHCO3溶液70.015101520蒸馏水7—5101520干燥——5101520

化学溶液对试件的腐蚀作用是其化学成分和水共同作用的结果，但是要将两者分开进行单独分析，对实验的要求很高，难度很大。在此采用对比分析的方法，即先将不同pH值条件下的0.01 mol/L Na2SO4溶液的实验结果进行对比研究，再对比分析中性条件下各种化学溶液(包括蒸馏水)的实验结果，这样即可以得到水对试件的软化腐蚀作用，也可以体现出各种化学溶液对试件腐蚀作用的强弱及其作用相较于蒸馏水的结果，从而间接反映出溶液化学成分在腐蚀过程中的作用及其强弱。

2 侵蚀浸泡试验结果及分析

2.1 化学溶液pH值变化

水溶液的pH值采用雷磁酸度计PHS-3C测量，以试件完全浸入溶液时刻为起点开始计时，依次对各种水化学溶液的pH值进行测定，测量时间间隔根据溶液pH值变化速率来确定，从而得到各种水化学溶液pH值随着时间的变化规律。各溶液浸泡过程中pH值随时间的变化情况如图2所示。

图2 不同环境下水化学溶液的pH值随时间的变化曲线

从图2可以得到：

(1)无论初始溶液的酸碱性如何，随着时间的推移，各种溶液的pH值均逐渐趋于中性，说明在水岩化学作用过程中溶液的酸碱度具有自平衡性。但是在中性条件下，溶液的pH值随作用时间的增加而有所增大，趋于弱碱性。这主要是由于溶液中的H+离子在化学腐蚀作用中逐渐消耗减少，同时所选灰砂岩岩样的主要成分为硫硅酸盐，其水解后会呈现出弱碱性。

(2)在水岩化学作用前期(0～15 d)，各种溶液的pH值变化十分明显，之后其变化幅度逐渐减小，并最终趋于稳定。这说明水岩化学反应具有较强的时间依赖性，即水岩化学作用会随着腐蚀时间的增长而逐渐减弱，最终趋于停止。

(3)酸性溶液pH值的增大幅度大于碱性溶液pH值的减小幅度，说明灰砂岩对酸性溶液更为敏感。

(4)在相同时间段内，初始pH值相同的各种溶液的pH值变化大小依次为：0.1 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L NaHCO3>蒸馏水，表明在其他条件相同的情况下，溶液的浓度越大，其pH值变化幅度越大，即对灰砂岩试件的腐蚀作用越强，且Na2SO4溶液的腐蚀作用比NaHCO3溶液强，同时两者对灰砂岩试件的腐蚀作用均大于蒸馏水。

2.2 化学溶液Ca2+、Mg2+离子浓度变化

采用EDTA标定法测量水溶液中溶出的Ca2+，Mg2+离子浓度，得到各种环境下溶液中Ca2+，Mg2+离子浓度随时间的变化规律。由实验结果可知两种离子浓度的变化规律基本相同，因而在此只对Ca2+离子浓度的变化进行分析说明，如图3所示。

图3 不同环境下水化学溶液中Ca2+离子浓度随时间的变化曲线

由图3可知：(1)在不同的时间段内，各种溶液溶出Ca2+离子浓度的变化规律基本相同，均具有明显的叠加性和阶段性。随着腐蚀时间的增加，溶液中Ca2+离子浓度不断累积增多，最终趋于一定值；同时，根据溶液中Ca2+离子浓度的递增速率可以将腐蚀过程分为3个阶段：快速反应阶段(试验初期0～15 d)，这一阶段中Ca2+离子溶出速率很快，其浓度快速增大；缓慢反应阶段(试验中期15～50 d)，Ca2+离子溶出速率随时间的增加而逐渐减小，其浓度也逐渐趋于稳定；稳定阶段(50 d之后)，Ca2+离子溶出速率很小，基本趋于0，浓度保持稳定。

(2)在其他条件相同的情况下，溶液的酸、碱性越强，其溶出的Ca2+离子浓度越大。同时间段内，酸性溶液中溶出的Ca2+离子浓度较碱性溶液更大，说明灰砂岩对酸性溶液更为敏感。

(3)在相同时间段内，pH值相同的各种溶液的溶出Ca2+离子浓度大小依次为：0.1 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L NaHCO3>蒸馏水，这说明在其他条件相同的情况下，溶液中溶出Ca2+离子浓度随溶液自身浓度的增大而增加；同时Na2SO4溶液对灰砂岩的腐蚀作用强于NaHCO3溶液，且两者对灰砂岩试件的腐蚀作用均大于蒸馏水。

2.3 浸泡前后岩样孔隙率变化

岩石是一种多孔介质，其内部存在着裂纹与孔隙，一般情况下，地下砂岩的孔隙率大多为12%～34%[13]。此次实验所测试件孔隙率为其总孔隙率(包括开口与闭合两部分孔隙)，计算公式为

式中，n为试件的总孔隙率；ρg为试件的干视密度；ρ为试件的真密度。

同时在文献[12]的研究基础上，本文定义了一个可以反映灰砂岩试件孔隙率变化程度的物理量——孔隙变化率η，计算公式为

式中，n0和nt分别为试件腐蚀前后的总孔隙率。

对不同水化学溶液条件下灰砂岩试件腐蚀前后的孔隙率及孔隙变化率进行统计，见表3。

图4为在0.01 mol/L Na2SO4溶液中浸泡15 d与60 d的灰砂岩试件的孔隙变化率随溶液pH值的变化曲线。试验结果表明：

(1)灰砂岩试件的孔隙变化率随着化学腐蚀时间的延长而增大。

(2)在其他条件相同的情况下，化学溶液的酸碱性越强，灰砂岩试件的孔隙变化率越大，两者呈正相关关系。此外，试件在酸性溶液中的孔隙变化率较碱性溶液中的更大，说明灰砂岩对酸性溶液更为敏感。

(3)在相同pH条件下，灰砂岩试件在相同腐蚀时间内的孔隙变化率大小依次为：0.1 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L Na2SO4>0.01 mol/L NaHCO3>蒸馏水，这说明化学溶液浓度越大，灰砂岩试件的孔隙变化率就越大；Na2SO4溶液对灰砂岩试件孔隙变化率的影响程度大于NaHCO3溶液，同时两种溶液对灰砂岩试件孔隙变化率的影响程度均大于蒸馏水。

表3 不同条件下灰砂岩试件腐蚀前后的总孔隙率及孔隙变化率统计

Table 3 Statistics of total porosity and pore change rate of gray sandstone specimens before and after corrosion under different conditions

水化学环境浸泡时间/dpH值溶液浓度/(mol·L-1)初始孔隙率n0/%腐蚀后孔隙率nt/%孔隙变化率η/%Na2SO4溶液1510.019.129.766.99Na2SO4溶液6010.019.179.988.82Na2SO4溶液1540.019.239.603.98Na2SO4溶液6040.019.199.655.03Na2SO4溶液1570.019.209.432.45Na2SO4溶液6070.019.189.513.62Na2SO4溶液1590.019.099.423.63Na2SO4溶液6090.019.259.694.71Na2SO4溶液15110.019.229.725.39Na2SO4溶液60110.019.189.826.92Na2SO4溶液6070.109.159.675.63NaHCO3溶液6070.019.249.543.23蒸馏水607—9.169.362.14

图4 在0.01 mol/L Na2SO4溶液中灰砂岩试件浸泡15 d与60 d的孔隙变化率随溶液pH值的变化曲线

2.4 浸泡前后岩样质量变化

在不同水化学溶液环境下，通过对比部分试件浸泡前原始烘干质量和溶液腐蚀作用过程中的饱和试样质量，来间接反映水岩化学作用的变化过程。

具体方法如下：将制作完成的试件进行抽真空并作烘干处理(温度50 ℃条件下烘干48 h)，称量其原始质量m0。实验过程中从溶液中取出岩样，由于灰砂岩质地坚硬，表面光滑无碎屑、粉末状物质附着，可以用纸巾拭去试件表面的水分(无明显水渍残留即可)，用电子秤称其质量mi。所测岩样质量mi为对应时刻饱和岩样质量(包括岩石和孔隙水的质量)。两者之间的相关关系如下计算公式所示：

式中，ms为试件内部孔隙水的质量；mr为试件溶出物质质量；Δm为试件相对质量差。

图5即为不同pH值条件下，在0.01 mol/L Na2SO4溶液作用下，所测量的试件相对质量差Δm(岩样某浸泡时刻饱和质量与其原始烘干质量之差)随浸泡时间的变化规律。

图5 不同pH值的0.01 mol/L Na2SO4溶液作用下，试件相对质量差Δm随浸泡时间的变化曲线

实验结果表明：

(1)在各种水化学溶液环境下，试件相对质量差Δm随浸泡时间的变化趋势基本相同，均在试验初期(0～3 d)快速增大，之后逐渐减小，且减小速率逐渐变小，最终趋于稳定，保持不变。

(2)在试验初期，水溶液由孔隙浸入试件内部，同时水岩化学作用强烈，但浸入溶液质量明显大于溶蚀物质质量，所以相对质量差Δm快速增大；随着浸泡时间的增长，试件达到饱和状态，但水岩化学作用依旧强烈，试件内部孔隙体积随腐蚀作用的进行而逐渐增大，随之浸入试件孔隙内的溶液增多，但溶蚀物质质量大于浸入溶液的新增质量，因此相对质量差Δm开始减小；之后水岩化学作用逐渐减弱，并趋于稳定，试件溶蚀物质质量和孔隙内溶液质量变化幅度渐渐减小，最终保持稳定，相对质量差Δm保持不变。

(3)溶液的酸、碱性越强，腐蚀过程中试件相对质量差Δm的变化幅度越大，且最终值越小。相同时间段内，试件相对质量差Δm在酸性溶液中的变化幅度大于碱性溶液。

(4)通过对试件相对质量差Δm的分析研究，可以间接反映出水岩化学作用的过程及强弱，即相对质量差Δm越小，水岩化学作用越强，反之亦然。

3 三轴压缩试验

3.1 实验结果与分析

常规三轴压缩试验在重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室内进行，设备采用美国MTS公司生产的岩石应力试验机MTS815。不同水化学环境下灰砂岩试件三轴压缩试验的σ1-σ3关系如图6所示，可以看出两者呈现良好的线性关系，所以其黏聚力c和内摩擦角φ采用摩尔-库伦准则计算得出[14]，计算公式为

式中，m为拟合直线的斜率；b为拟合直线的截距。

图6 不同水化学环境下灰砂岩试件三轴压缩试验的σ1-σ3关系

三轴压缩试验结果数据详见表4，图7为不同pH、围压为10 MPa条件下，0.01 mol/L Na2SO4溶液浸泡60 d后灰砂岩试件的应力-应变曲线，图8为pH=7、围压为15 MPa条件下，不同溶液浸泡60 d后灰砂岩试件的应力-应变曲线，在其他围压条件下的应力-应变曲线的变化趋势与之类似，限于篇幅不再列举。由表4及图7,8可知：

表4 不同水化学环境下灰砂岩试件三轴压缩试验的结果统计

Table 4 Table of results of three-axis compression test of gray sandstone specimens under different water chemistry conditions

试件状态水化学环境pH值溶液浓度/(mol·L-1)围压/MPa5101520黏聚力c/MPa内摩擦角φ/(°)干燥———115.42134.24149.52175.3221.4840.16饱水Na2SO4溶液10.0186.3497.17111.20129.6613.9638.27饱水Na2SO4溶液40.0197.26107.63120.97141.1216.5239.02饱水Na2SO4溶液70.01105.45119.34136.37159.7619.1339.75饱水Na2SO4溶液90.0199.66113.03123.83142.4317.6439.43饱水Na2SO4溶液110.0192.43101.18118.62135.7415.6738.86饱水Na2SO4溶液70.10100.58106.82125.33156.7316.7739.13饱水NaHCO3溶液70.01107.52116.24130.71162.4819.5439.79饱水蒸馏水7—109.61123.39143.45164.2319.7839.82

图7 不同pH值，围压为10 MPa条件下，在0.01 mol/L Na2SO4溶液浸泡60 d后灰砂岩试件的应力-应变曲线

图8 pH=7、围压为15 MPa条件下，在不同水溶液中浸泡60 d后灰砂岩试件的应力-应变曲线

(1)与干燥状态试件相比，受水化学溶液腐蚀后灰砂岩试件的破坏比较缓慢，有从脆性转变为延性的趋势，且随着围压的增大，这种趋势变得越来越明显。

(2)在相同围压条件下，被水化学溶液浸泡后灰砂岩试件的力学参数均小于干燥状态下的，说明溶液的化学腐蚀作用降低了灰砂岩试件的力学参数，且相同条件下，其黏聚力c的降低程度大于内摩擦角φ。

(3)在其他条件相同的情况下，随着溶液酸、碱性的增强，灰砂岩试件的峰值强度、黏聚力c和内摩擦角φ的降低程度也随之增大，并且其黏聚力c的降低程度大于内摩擦角φ，在酸性溶液中的降低程度大于碱性溶液。

(4)在溶液pH值相同的情况下，灰砂岩试件力学参数的劣化程度依次为：0.1 mol/L Na2SO4> 0.01 mol/L Na2SO4> 0.01 mol/L NaHCO3>蒸馏水，说明在其他条件相同的情况下，化学溶液的浓度越大，灰砂岩试件力学参数的降低程度就越大； Na2SO4溶液对灰砂岩试件力学参数的劣化影响程度大于NaHCO3溶液，同时两者对灰砂岩试件力学参数的劣化影响程度均大于蒸馏水。

3.2 化学损伤参数定义

研究水化学溶液对岩样损伤作用的前提是选择合适的损伤变量，关于损伤变量的定义有很多，常见的主要是从微细观和宏观两个角度来选择合适的度量损伤的状态变量[15-16]。微细观方面可选择试件的孔隙长度、体积、多少等，宏观角度可选用试件的屈服应力、应变、密度和弹性系数等。由2.3节内容已知，灰砂岩试件经过溶液腐蚀过后的孔隙率有所增大，孔隙结构也发生了变化。因此，选用孔隙率的损伤变量来定义溶液化学腐蚀对灰砂岩试件的腐蚀损伤程度，则所选化学损伤参数S计算如下[12]：

3.3 化学损伤对灰砂岩力学参数的影响

结合2.3节所测数据，按式(5)计算得到灰砂岩试件在不同水化学溶液浸泡腐蚀后相应的损伤参数S，分析损伤参数S与灰砂岩试件物理力学参数之间的相互关系，如图9所示。

图9 灰砂岩试件各力学参数与损伤参数S的关系

同时进一步对图9进行回归分析，可得到：

由图9及相关回归方程(6)可以看出，灰砂岩试件的黏聚力、内摩擦角和抗压强度均随着损伤变量S的增大而呈现出减小的趋势，其中黏聚力c与损伤参量S呈指数减小关系，内摩擦角φ与损伤参量S呈线性减小关系，抗压强度σ1与损伤参量S符合幂函数关系。这进一步说明了水化学溶液对灰砂岩试件的腐蚀作用会随腐蚀时间的加长而逐渐累积增强，其损伤累积效应会导致灰砂岩试件宏观物理力学性质的劣化和相关力学参数的降低。

4 水岩化学腐蚀作用的机制分析

浸泡试验和三轴压缩试验结果表明，水化学溶液对灰砂岩的腐蚀作用非常明显。通过对腐蚀前后试件质量和水化学溶液进行测定，得到试件质量、孔隙率、溶液pH值和部分溶出离子浓度的变化情况(2.1节)，并以此为据深入分析水岩化学腐蚀作用的反应机制及其规律，分析结果如下：

(1)在酸性条件下，溶液的pH值升高，且其中溶出的Ca2+，Mg2+离子浓度增大，这主要是由于灰砂岩成分中的白云石和方解石等矿物在酸性条件下易与H+离子发生化学反应:

此外，灰砂岩矿物成分中还有少量的云母和长石也会与H+离子发生化学反应:

(2)在碱性条件下，溶液的pH值降低，溶液中溶出的Ca2+、Mg2+离子浓度增大，但较酸性条件下离子浓度增加幅度小，这主要是由于白云石和方解石在碱性环境下不易溶解，只存在少量的水解反应。同时，灰砂岩中的石英和云母在碱性条件下容易发生发应：

总之，灰砂岩试件在微细观结构上的改变与其在宏观方面力学参数的变化有着密切的关系。在微细观方面主要表现为试件矿物成分及其结构的变化，在宏观方面则表现为试件力学参数的劣化。试件宏观力学参数的劣化是其微细观结构变化的外在表现，同时试件的微细观结构的变化又为其宏观力学参数劣化的内因。

5 结 论

(1)不同的化学溶液对灰砂岩试件的腐蚀程度各不相同。其余条件相同的情况下，化学溶液的酸、碱性越强、浓度越大，其对灰砂岩试件的腐蚀作用越强，试件力学参数的劣化程度就越大；溶液化学成分对灰砂岩试件腐蚀程度的影响有所不同，相同条件下，Na2SO4溶液> NaHCO3溶液>蒸馏水。

(2)水化学溶液对灰砂岩的腐蚀作用具有较强的时间依赖性和明显的阶段性，整个作用过程可分为3个阶段：试验初期(0～15 d)的快速反应阶段，试验中期(15～50 d)的缓慢反应阶段和试验后期(50 d之后)的稳定阶段；酸、碱性溶液在化学腐蚀过程中具有趋中性，而中性溶液逐渐趋于弱碱性。

(3)化学腐蚀过后，溶液中Ca2+，Mg2+浓度、试件的孔隙变化率η均与灰砂岩试样力学参数的劣化程度呈正相关关系，而试件相对质量差Δm相反，呈负相关关系。

(4)水化学溶液的腐蚀作用会改变灰砂岩试件的变形特性，使其有从脆性转变为延性的趋势。同时，化学腐蚀作用会降低灰砂岩试件的力学参数，相同条件下，其黏聚力c的降低程度大于内摩擦角φ；在酸性溶液中的降低程度大于碱性溶液，说明灰砂岩对酸性溶液更为敏感。

(5)基于化学腐蚀过程中试件孔隙率变化情况与其力学参数劣化程度的相关关系，定义化学损伤参量S，得到灰砂岩试件的黏聚力c与损伤参量S呈指数减小关系，内摩擦角φ与损伤参量S呈线性减小关系，抗压强度σ1与损伤参量S符合幂函数减小关系。

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Mechanical properties and parameter damage effect of malmstone under chemical corrosion of water-rock interaction

WANG Yan-lei1,2,TANG Jian-xin1,2,JIANG Jun3,DAI Zhang-yin1,2,4,SHU Guo-jun1,2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalMineDisasterDynamicsandControl,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;2.CollegeofResourcesandEnvironmentalScience,ChongqingUniversity,Chongqing400044,China;3.ChongqingInstituteofGeologyandMineralResources,Chongqing400042,China;4.MiningCollege,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Taking the malmstone as the experiment and research object,based on the erosion effect of aqueous solution with different pH values,concentrations and components,a series of immerse on tests and triaxal compression experiments are conducted to compare and analyze the micro structure characteristics,deformation features,intensity damage and deterioration mechanics of its mechanical parameters of the malmstone under different water chemistry circumstances.The test results indicate that the increasing acidity and basicity and the higher concentration lead to more strong corrosion behavior towards the malmstone.Besides,the chemical corrosion turns the malmstone from fragility into ductility and leads to the deterioration of mechanical parameters.Under the same condition,the deterioration degree of cohesion is higher than that of internal friction angle,and the deterioration degree in acid solution is higher than that in alkaline solution.In addition,the concentration of Ca2+and Mg2+in the solution,as well as the pore rate,shows a positive correlation with the deterioration degree of the mechanical parameters,while the relative mass difference of specimens Δmshows a negative correlation with it.Moreover,the new defined porosity damage parameter is capable to accurately reflect the damage evolution process of mechanical parameters of specimens under the chemical water-rock interaction.

chemical action of water-rock;gray sandstone;mechanical parameter damage;meso-damage parameter;corrosion mechanism

10.13225/j.cnki.jccs.2016.0664

2016-05-20

2016-06-26责任编辑:常 琛

煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室自主课题重点资助项目(2011DA105287-ZD201504)

王艳磊(1988—)，男，山西高平人，博士研究生。E-mail:860024333@qq.com

TD315

A

0253-9993(2017)01-0227-09

王艳磊，唐建新，江君,等.水-岩化学作用下灰砂岩的力学特性与参数损伤效应[J].煤炭学报,2017,42(1):227-235.

Wang Yanlei,Tang Jianxin,Jiang Jun,et al.Mechanical properties and parameter damage effect of malmstone under chemical corrosion of water-rock interaction[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):227-235.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.0664