酸碱度对砂岩力学性质的影响及微观结构研究

2019-03-20，，，，，

长江科学院院报 2019年3期

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(1.山西大学土木工程系，太原 030013；2.河北建筑工程学院土木工程学院，河北张家口 075000； 3.河北建筑工程学院建筑与艺术学院，河北张家口 075000；4.中铁二院科学技术研究院，成都 610000； 5.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008)

1 研究背景

随着隧道及地下工程建造技术的革新与发展，地下深大工程越来越多，工程环境复杂多样性对工程建造以及运营等方面的影响问题日益突出。其中，酸碱度交替作用或长期侵蚀作用对建设工程深部岩石力学性能及其微观结构的影响成为一个热点研究问题。

近年来，国内外学者从不同角度进行了研究，并取得了不少成果，其中具有代表性的有：韩铁林等[1-2]研究了水溶液pH值、浓度及组分与砂岩腐蚀程度之间的关系与腐蚀机理；邓华锋等[3-4]研究了水对岩石孔隙率变化、内部孔隙饱水度与纵波波速的影响关系；张梁[5]、傅晏[6]对干湿循环作用下酸性环境岩石的宏细观损伤进行了研究，并分析了库的水位变化对边坡稳定性的影响;王子娟等[7]对酸性水溶液干湿交替作用下砂岩的力学性质及其劣化规律进行了研究；戎虎仁[8]以砂岩为研究对象，对渗透特性和微观结构进行了较为系统的研究，并建立了定量关系。

本文基于不同酸碱度水溶液作用后砂岩力学、压汞试验现象及试验结果，进一步分析了力学性质与微观结构，建立了微观与宏观之间的定量关系，为探讨酸碱度对岩石的腐蚀机理和浸水环境工程结构的安全性和稳定性提供了新的思路。

2 材料选取及试验设计

2.1 试验样品选取

研究酸碱度对岩石力学性质和微观结构的影响需选用均一性较好的岩石，本文将山东临沂砂岩作为研究对象，该类岩石显微镜下鉴定为黏土岩；常温下孔隙结构呈正态分布(歪度SKP=0.008 7)。主要成分：①黏土质含量约为50%～55%；②硅质含量约为35%～40%；③陆源粉砂含量约为10%，主要成分为石英，粒径一般为0.005～0.05 mm，与黏土质、硅质混杂分布，具泥质粉砂状结构、块状构造，能够满足试验要求。图1为岩石显微镜下成分鉴定。

图1 岩石显微镜下成分鉴定Fig.1 Identification of rock components under microscope

图2 MTS816伺服系统Fig.2 MTS816 servo system

2.2 力学试验设计

单轴抗压强度试验选Φ50 mm×100 mm圆柱体标准试样，试件两端面不平行度最大不超过0.02 mm，端面应与圆柱体试样轴线垂直，且最大偏差不超过0.20°，高度精确到1 mm。在试验过程中，每种工况选取不少于3个试样。

主要试验设备为MTS816伺服系统，加载速率为0.002 mm/s，见图2。

2.3 微观结构试验设计

微观结构试验试样选定Φ5 mm×30 mm圆柱体标准岩样，在试样制作时需对其进行编号，且确保试样两端面的不平行度最大不超过0.02 mm；端面应与圆柱体试样轴线垂直，且最大偏差不超过0.20°，高度精确到1 mm，每种工况选取不少于6个试样，取数据均值作为试验结果。

图3 9510全自动压汞仪Fig.3 9510 Automatic mercury porosimeter

微观结构试验主要分为3个步骤：①对岩样进行排空气处理，使其处于真空状态；②借助烘干箱进行烘干24 h；③采用美国麦克仪器公司(MICROMERITICS)生产的Auto Pore IV 9510全自动压汞仪(如图3所示)进行压汞试验，该仪器的最大工作压力为414 MPa，测试孔径范围为0.003～1 000 m。

2.4 侵蚀试验设计

试验前需通过调节稀盐酸和固体氢氧化钠配置不同pH值溶液。泥质粉砂岩反应时间通过电导率测试得出，图4即为所配置不同pH值溶液的电导率变化规律。通过实测可得出不同pH值溶液与粉砂岩的反应结束时间基本一致，大约为40 d，认为此时侵蚀反应截止，试样性质较为稳定，所以力学和微观结构试验试样取不同pH值水溶液浸泡40 d后的岩体进行制作，试验研究共计7种工况，即分别被pH值为2，4，6，9，10，11，12的溶液侵蚀浸泡的岩样。

图4 溶液电导率随时间变化曲线Fig.4 Curves of solution conductivity versus time

3 酸碱度对砂岩力学性质的影响

3.1 峰值强度变化规律

分析不同酸碱度水溶液腐蚀后砂岩单轴压缩强度试验数据，可得出抗压强度随pH值的变化规律曲线，如图5所示。分析图5可得：

图5 不同pH值溶液腐蚀后岩石强度规律Fig.5 Strength variations of rock corroded by solution of different pH values

(1)干燥、未侵蚀状态试样(原样)的平均抗压强度为89.63 MPa；pH=7试样(水标样)的抗压强度为79.89 MPa，砂岩遇水后其强度降幅为10.87%。

(2)随着酸性增强，试样的抗压强度呈降低趋势，但降幅较小。其中，pH=6时，抗压强度为76.94 MPa，相对于原样降幅为14.16%，对于水标样降幅为3.69%；pH=4时，抗压强度为73.32 MPa，相对于原样降幅为18.20%，相对于水标样降幅为8.22%；pH=2时，峰值强度为70.91 MPa，相对于原样降幅为20.88%，相对于水标样降幅为11.24%。

(3)随着碱性增强，试样的抗压强度呈先急剧下降后缓慢降低变化规律；pH=9时，峰值强度为65.02 MPa，相对于原样降幅为27.45%，相对于水标样降幅为18.16%；pH=10时，峰值强度为64.41 MPa，相对于原样降幅为28.14%，相对于水标样降幅为19.37%；pH=11时，峰值强度为64.15 MPa，相对于原样降幅为28.42%，相对于水标样降幅为19.71%；pH=12时，峰值强度为63.00 MPa，相对于原样降幅为29.71%，相对于水标样降幅为21.14%。

图6 弹性模量随溶液pH值的变化Fig.6 Change of elastic modulus with pH value of solution

3.2 弹性模量变化规律

图6为侵蚀后砂岩弹性模量随pH值变化关系曲线，分析可得：砂岩弹性模量随酸碱性的增强而降低，而强酸性或强碱性对砂岩弹性模量影响较小。其中，酸性溶液(pH值为2，4，6)侵蚀后试样的平均弹性模量由中性溶液的8.98 GPa降低至7.29 GPa左右；当试样处于酸性条件下，pH值大小对其弹性模量影响相对较小。碱性溶液侵蚀后试样的平均弹性模量由中性溶液试样的8.98 GPa降低至6.36 GPa左右；当试样处于碱性条件下，pH值大小对其弹性模量影响相对较小。