碱性溶液腐蚀作用下黄砂岩力学特性试验研究

王永佳 戎虎仁 王大路 郭 强 穆柏林 赵 岩 詹 亮

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

碱性溶液腐蚀作用下黄砂岩力学特性试验研究

王永佳 戎虎仁 王大路 郭 强 穆柏林 赵 岩 詹 亮

(河北建筑工程学院 土木工程学院，河北 张家口 075000)

为研究pH值不同的碱性溶液对黄砂岩力学性能弱化规律，通过自制室内渗透溶蚀装备，获得黄砂岩化学腐蚀过程各溶液渗透量、pH值和电导率的变化规律；对溶蚀后的黄砂岩进行单轴压缩试验，探讨不同pH值的碱性溶液对黄砂岩腐蚀效应，获得化学溶液对黄砂岩强度和弹性模量的影响规律.结果表明：(1)随着溶液pH值的增大，其渗透量也越大，最后趋于稳定；(2)电导率变化规律表明黄砂岩溶蚀只在溶液接触表面进行，并未无限制反应；(3)化学腐蚀后岩样的单轴抗压强度随着碱溶液pH值的增大而减小，弹性模量随着碱溶液pH值的增大而增大.

岩溶腐蚀；黄砂岩；力学特性

0 引 言

岩石材料在工程中被广泛使用，当受到外界因素的影响，其物理力学特性会发生劣化，这严重影响了岩体工程的安全性和耐久性.

化学溶液对岩石的腐蚀作用是其重要影响因素之一，并且对这一因素的研究取得了一些成果.其中韩铁林[1]通过砂岩在化学腐蚀和冻融循环试验，得到砂岩损伤劣化程度的规律；丁梧秀通过化学腐蚀下灰岩力学效应的试验研究，得出在相同化学环境下，不同岩石的强度腐蚀效应、规律不同的结论[2].韩铁林[3]探讨了不同水化学溶液对砂岩试样的化学腐蚀作用，得到了不同水化学溶液对砂岩物理力学性质的变化规律；杨金保[4]得到在恒定三轴压应力及化学溶液渗透作用下的试验单裂隙花岗岩裂隙开度演化的规律；卢高明[5]通过单轴条件下不同上限应力和应力幅值的周期荷载疲劳试验得到黄砂岩疲劳破坏变形规律；卢都友[6]研究了不同条件下SL和PL岩石在砂浆和混凝土中的膨胀行为；姜永东[7]得出了岩石在干湿循环条件下的变形与力学特性变化规律；王伟[8]利用三轴压缩试验，探究了不同化学溶液对花岗岩强度和变形特性的影响规律；刘永胜[9]采用霍普金森压杆实验系统(SHPB)进行动态压缩试验得到了化学腐蚀作用下围岩的动态力学性能；陈四利[10]利用CT识别技术，给出了化学腐蚀下砂岩三轴压缩力学效应；杨慧[11]基于地球化学矿物-水反应的溶解动力学，从理论上探讨化学溶液腐蚀下等效裂纹扩展的定量化分析方法.

1 试验概况

1.1 试验材料试验装置

本试验选用黄砂岩，制成长方体尺寸宽度×高度×厚度为60 mm×120 mm×30 mm的长方体岩样.标准岩样如图1所示.

采用蒸馏水稀释NaOH固体颗粒的方式，分别配制pH值为10、11、12的碱性溶液，用于对岩样进行腐蚀.试验采用4种化学溶液，其中pH=7的化学溶液为蒸馏水，具体化学溶液浓度如表1所示.

图1 试验砂岩试样示意图 图2 反应容器示意图

表1 4种水化学溶液NaOH浓度及pH

化学溶液渗透过程中，采用自制溶液渗透装置如图2所示，pH值的测量采用州联测自动化技术有限公司色便携式pH计，电导率的测量采用型号为CD-303型电导率测试笔，测量精度为0.01.并采用纪铭电子天平在溶液配制时测量NaOH固体及渗透溶液的质量，测量精度为0.01 g.

试验采用WHY-2000微机控制压力试验机对经过腐蚀的砂岩岩样进行单轴压缩试验.

1.2 试验过程

为了研究碱腐蚀对黄砂岩抗压强度的影响，先测定碱性溶液的电导率及pH值，再将pH值为7、10、11和12四种化学溶液分别倒入反应容器，并在常温下静置.每天下午16∶00，测已渗透溶液的pH值及电导率，观察溶液的pH值及电导率的差异，并且在反应过程中，每隔1个小时测溶液的渗透量，记录并观察.当渗透溶液的pH值与电导率不发生变化时(说明该腐蚀反应已终止)，待反应岩样干燥后，通过单轴压缩试验测经过腐蚀后岩样的单轴抗压强度.

在砂岩岩样单轴压缩试验之前，在试样上下端面均匀地涂一层凡士林润滑剂以减小上下端部摩擦效应对试验结果的影响。试验采用位移加载方式,保持上加载板不动,下加载板以速率为0.06 mm/min进行加载。试验过程中对岩样轴向荷载、轴向位移进行监测,同时采用一个高清摄像机对试验过程中岩样破坏过程进行同步影像采集.

1.3 试验工况

试验结果及具体工况如表2所示：

表2 试验工况及力学参数

备注:工况1指pH=7溶液渗透下的岩样，工况2指pH=10溶液渗透下的岩样，工况3指pH=11溶液渗透下的岩样，工况4指pH=12溶液渗透下的岩样

2 未腐蚀黄砂岩试样强度和变形分析

为了分析pH对砂岩力学特征的影响，首先对BZ(未经腐蚀标准岩样)的3块岩样进行了单轴压缩试验，以讨论非均质性对砂岩力学性质的影响程度.图3给出了自然状态下砂岩岩样轴向应力-轴向应变曲线，由图3可知，BZ1、BZ2和BZ3这3块砂岩岩样单轴抗压强度分别为63.69 MPa、53.53 MPa和65.24，平均值约为60.82 MPa，离散型系数(即最大值与最小值之差与平均值的百分比)约为19.3%；BZ1、BZ2和BZ3这三块砂岩岩样的弹性模量分别为10.24 GPa、10.95 GPa和9.98 GPa，平均值约为10.39 GPa，离散型系数约为9.33%；BZ1、BZ2和BZ3的峰值应变分别为9.27×10-3、7.96×10-3和9.63×10-3，平均值约为8.95×10-3，离散型系数约为18.6%.综上所述，本文试验所用的黄砂岩具有较好的一致性，可以进行本试验其他试样力学特征的定量研究.

3 化学溶液渗透试验结果及分析

3.1 化学溶液渗透试验电导率的变化

渗透初始时间开始计时，分不同时段对化学溶液的电导率进行测定，得到各种化学溶液电导率随着时间变化规律，各溶液渗透过程中电导率随着时间的变化如图4所示，可以得到以下规律：

1)碱性溶液电导率随时间的增加而减小，中性溶液电导率随时间的增加而增加，最后都趋于稳定，但其变化规律有差异.中性溶液(pH=7)的电导率随渗透时间的增加先快速增加，当达到10 μs/m左右时趋于稳定，而碱性溶液(pH=10、11、12)pH渗透过程中略有下降，到5 d后，岩石与溶液的相互作用趋于稳定状态.

2)岩石与溶液的相互作用速率随时间的增加不断下降并最终趋于稳定.由于在其相互作用的初期阶段，蒸馏水(pH=7)渗透岩样的电导率变化显著，后期缓慢变化，而渗透的碱性溶液(pH=10、11、12)电导率缓慢下降，5 d后，溶液电导率变化趋于稳定.

3)碱性溶液环境对黄砂岩的腐蚀时间较长，而中性溶液相对较短.pH=7的中性溶液环境条件下，初期变化幅度较大，24 h后化学溶液的pH变化幅度较小；碱性溶液pH=10、11、12环境条件下，化学溶液的电导率变化幅度较小，时间持续较长.这种情况表明前种环境下碱性溶液中离子与黄砂岩中矿物质发生反应，导致电导率变化幅度小，并且持续时间较长.

图3 轴向应力应变曲线 图4 溶液电导率随时间的变化

3.2 化学溶液渗透试验pH值的变化规律

渗透初始时间开始计时，分不同时段对化学溶液的pH值进行测定，得到各种化学溶液pH值随着时间变化规律，如图5所示，其规律如下：

1)碱性溶液pH值随时间的增加而减小，中性溶液pH值随时间的增加而增大，最后都趋于稳定，但其变化规律有差异.pH=11的碱性溶液的pH值随渗透时间增加先缓慢下降，大约45 h后快速下降，95 h趋于稳定；pH=10的碱性溶液pH值随渗透时间增加快速下降，到70 h时，缓慢下降并趋于中性；pH=7的溶液pH值随渗透时间的增加先上升，24 h后，缓慢上升并趋于稳定；pH=12的碱性溶液pH值在渗透过程中随时间的增加而下降，95 h后趋于稳定.5 d后，其相互作用都趋于稳定.这主要是因为在渗透过程中，中性环境下，蒸馏水将砂岩中矿物质带出，导致其碱性增大，但达到一定程度，溶液pH值趋于稳定，但在碱性环境下，溶液中离子与砂岩中矿物质发生反应，使其碱性降低，当达到一定程度不再发生反应，使其pH值也趋于稳定.

图5 溶液pH随时间的变化

2)岩样与化学溶液相互作用速率随时间的增加不断下降并最终趋于稳定.这是由于水岩相互作用的初期阶段，溶液中离子与砂岩充分反应，随后，由于反应只在表面进行导致溶液pH值逐步变缓并趋于稳定.

3)pH=7的中性溶液随着岩样与化学溶液的相互作用的进行，其pH趋于碱性.

3.3 化学溶液渗透试验渗透量的变化规律

渗透初始时间开始计时，每小时对化学溶液渗透量(本文以渗透溶液的质量来度量)进行测定，得到各化学溶液的渗透量随着时间的变化规律，如图6和图7所示.其规律如下：

1)溶液的渗透量随时间时间的增加而增加，随后均匀增加.由图6可知在反应前15小时溶液渗透量快速增加，随后缓慢增加，当达到42 h时，均匀增加.并且可得pH值越大，溶液的渗透量增加的也越快.

2)化学溶液渗透率的变化规律表明黄砂岩溶蚀只在溶液接触表面进行，并未无限制反应.在前17 h内溶液渗透率随着pH值的增大而增大，这主要是由于碱性越大，溶液中离子浓度也越高，离子与砂岩中矿物质的反应也就越剧烈；在17 h-26 h期间，溶液渗透率快速减少，一定程度保持稳定；当到25 h时，其渗透率增大到一定值；26 h后，各溶液渗透率略微变化，并趋于稳定.

图6 溶液渗透量随时间的变化 图7 溶液渗透率变化

4 单轴压缩试验结果及分析

4.1 不同环境的影响

图8 轴向应力应变曲线

不同的环境对砂岩的化学腐蚀效应略有差异，在不同环境的腐蚀下砂岩的轴向应力-轴向应变曲线如图8所示.其中BZ为自然状态下的标准岩样.由表2和图8可知：

1)自然状态下标准岩样峰值强度为60.82 MPa，而受蒸馏水(pH=7)和碱性溶液(pH=10、11、12)侵蚀后的单轴抗压强度分别为57.87 MPa、55.47 MPa、49.90 MPa和40.28 MPa，降低了4.9%、8.8%、18.0%和33.8%.这表明水化学腐蚀后的砂岩单轴抗压强度比自然状态下的砂岩单轴抗压强度要低，且碱性环境腐蚀后的岩样峰值强度较中性环境要低.

2)标准岩样的弹性模量为10.24 GPa，受碱性溶液腐蚀后岩样的弹性模量分别为7.37 GPa、8.10 GPa、9.02 GPa和11.22 GPa，在蒸馏水(pH=7)和中强碱(pH=10、pH=11)腐蚀后砂岩的弹性模量降低，分别降低了2.87 GPa、2.14 GPa、1.22 GPa，而在强碱腐蚀(pH=12)后弹性模量增大，由此可得，在pH=12的碱性环境下弹性模量改变量较小.综上所述，自然状态下砂岩的弹性模量最高，经过化学溶液腐蚀作用后，砂岩的弹性模量改变量随着pH的增大而减小.

4.2 不同pH值碱性溶液对砂岩力学性能的腐蚀效应

为分析不同pH值的碱性溶液环境下黄砂岩强度和变形破坏特征的影响，对pH值为7、10、11、12的岩样进行渗透试验和单轴压缩试验，得出不同pH值碱性溶液对砂岩的腐蚀规律，如图所示.其规律如下：

1)黄砂岩试样经过不同pH值水化学溶液腐蚀后的轴向应力-轴向应变曲线也都有压密、弹性、屈服阶段和破坏阶段，如图9所示.

2)分析不同pH值化学溶液腐蚀后黄砂岩试样的峰值强度，可得随着pH值的增大，其峰值强度减小，即pH=7溶液腐蚀后岩样峰值强度最高，pH=12溶液腐蚀后岩样峰值强度最低，如图10所示.

图9 不同pH值对峰值强度的影响 图10 不同pH值对弹性模量的影响

图11 不同pH值对峰值应变的影响

3)受碱性溶液pH=7、pH=10、pH=11、和pH=12腐蚀后砂岩岩样的弹性模量分别为7.37 GPa、8.10 GPa、9.02 GPa和11.22 GPa，如图11所示.这表明在化学溶液腐蚀作用下随着pH值的增加，弹性模量总体呈增大的趋势,但是其该变量逐渐减小.

4)由图11可知，岩样在pH=7的蒸馏水腐蚀后峰值应变为14.36×10-3，在pH值为10、11、12的碱性溶液腐蚀作用后峰值应变分别12.28×10-3、10.42×10-3和6.79×10-3.综上可知化学溶液腐蚀后各岩样的峰值应变随着pH值的增大而减小，表明碱性溶液对砂岩的应变腐蚀作用较明显.

5 结 论

通过探讨不同pH值的碱性化学溶液对黄砂岩的腐蚀效应,得到以下的相关结论:

1)在不同化学溶液的渗透试验中，渗透量总体呈增加的趋势，这与pH值有关，即随着pH的增大，其渗透量也越大，反应了化学溶液的腐蚀效应随着溶液pH值的增大而加强.

2)黄砂岩溶蚀只在溶液接触表面进行，并未无限制反应.

3)从溶液渗透的过程来看，除pH=7化学溶液的pH值和电导率增加以外，其他各化学溶液的pH值和电导率都减少，但最终都趋于稳定.这说明黄砂岩腐蚀程度受碱性化学溶液中离子浓度的影响.

4)总体看了岩样与化学溶液相互作用后，砂岩的峰值强度和峰值应变降低，而弹性模量升高.且随着化学溶液pH值的增大，其单轴抗压强度和应变减小，弹性模量增大.

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The Experimental Study on Mechanical Properties of Yellow Sandstone under the Action of Alkali Corrosion

WANGYong-jia,RONGHu-ren,WANGDa-lu,GUOQiang,MUBai-lin,ZHAOYan,ZHANLiang

(Department of Civil Engineering,Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei 075000)

In order to study the law of mechanical properties of yellow sandstone weakened by different alkaline solution,through the self-made indoor infiltration and dissolution equipment,the infiltration of the chemical corrosion process of yellow sandstone,the change of the pH value and the conductivity of the chemical solution are acquired.The uniaxial compression test of the yellow sandstone after erosion was conducted by uniaxial compression test system.The effect of chemical solution on the mechanical properties of yellow sandstone was discussed and the influence of chemical solution on the strength and elastic modulus of yellow sandstone was obtained.The results showed that:(1)As the pH value of the chemical solution increased,the permeation amount of the chemical solution increased,and finally became stable.(2)The change of conductivity of the solution shows that the yellow sandstone dissolution is only carried out on the contact surface of the solution,and the reaction is not unrestricted.(3)The uniaxial compressive strength of rock samples decreases with the increase of chemical solution pH value,and the elastic modulus increases with the increase of pH value of chemical solution.

Karst corrosion;yellow sandstone;mechanical properties

2016-12-08

国家自然科学基金项目(50974115)；河北省教育厅青年基金项目(QN2016066)；河北建筑工程学院校级基金项目(XB201734)，河北建筑工程学院校级基金项目(XB201724)，张家口科技计划项目(1611601A)

王永佳(1988-)，女，在读研究生，主要从事岩石力学方面的研究.

10.3969/j.issn.1008-4185.2017.02.004

TU 45

A