水热综合作用下钙芒硝盐岩强度等参数的衰减规律研究*

周其健 郭永春 屈智辉 郑立宁 许福周 谢 强

(①西南交通大学，成都 610031，中国)

(②中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，成都 610093，中国)

(③中国水利水电第七工程局有限公司，成都 610213，中国)

0 引 言

西南红层地区广泛分布大量的钙芒硝盐岩(魏东岩，2001；张腊梅等，2014；谢小国等，2019)，它是由地表岩石长期遭受风化剥蚀，大量钙、钠、钾等物质在坳陷地区沉积下来形成的(周勇，2015)。钙芒硝盐岩为一种盐湖相可溶性岩石，岩性较均一，强度较大，但与水作用后会产生溶蚀孔洞，力学强度降低。

盐岩作为一种典型的特殊岩土，如西北地区的盐岩，西南地区富含石膏、芒硝等可溶成分的盐岩等，对工程建设产生了重要的影响。潘杰(2000)基于水电站工程大坝基础所遇盐岩工程问题，认为盐岩坝基在地下水的溶蚀作用下易发生溶蚀现象，应对盐岩进行封闭处理，截断或降低地下水对其产生的溶蚀。薛飞宇等(2010)对桥梁基础设计中的盐岩工程特性进行了研究，提出了盐岩对混凝土的侵蚀破坏类型及侵蚀机理。说明了盐岩和水之间的相互作用，尤其是盐岩的可溶性和腐蚀性对水电坝基、桥梁地基的重要影响。陈雨等(2010)通过现场监测、理论计算、数值模拟等方法对盐岩储库区的地面沉降进行了预测。刘民生等(2015)对盐岩矿区生产留下的如地下(表)水疏干、采空区塌陷、地下(表)水污染以及矿渣压覆土地等地质环境问题，提出了矿山地质环境保护与治理恢复的建议。说明盐岩洞室或盐岩矿采空区可能引起地表沉降变形以及环境岩土工程问题，应在类似工程中予以重视。

关于盐岩力学性能的研究，王伟超等(2016)利用RMT-150B岩石力学多功能系统，对不同形态的含表观裂纹盐岩的力学特性进行实验研究，分析了表观裂纹对盐岩的强度和变形性能影响以及盐岩表观裂纹扩展及其贯通模式。赵建军等(2019)对冻融作用下含裂隙岩石力学特性及损伤演化规律进行了研究，结果表明岩石的抗压强度、弹性模量随着裂缝长度增大呈现持续降低趋势。张晓平等(2018)对岩石压缩裂纹扩展过程进行了实验研究，认为在中、低围压以及单轴压缩荷载条件下，脆性岩石首先产生张拉裂纹，并优先沿加载方向发育。谢小帅等(2019)对水岩耦合下的软岩微观结构特征与软化机制展开研究，随着水岩作用的进行，岩石单轴抗压强度下降明显，力学性质劣化严重。吴云等(2020)认为岩石破坏是内部缺陷在外部环境作用下长期累计的过程。上述文献说明岩石力学性能与其微观结构之间的相互影响问题已经得到广泛的重视和研究，这是深化理解盐岩力学性能变化规律的基础，为钙芒硝盐岩力学性能的研究提供了参考和借鉴。

关于水对钙芒硝盐岩工程性质影响的研究，徐素国等(2004)研究了钙芒硝盐岩的化学溶解特性及其工程性质，认为在溶解渗透的交互作用下，钙芒硝盐岩由不渗透介质变为以硫酸钙为固体骨架的可变多孔介质，从而决定着其溶解渗透力学特性的改变。梁卫国等(2006)进行了钙芒硝溶解渗透相互作用规律以及溶解前后力学特性的研究，认为钙芒硝盐岩溶解时的溶质达到饱和浓度之前，硫酸钠矿物的溶解随时间的增长会持续不断进行，在钙芒硝盐岩体内溶解渗透形成的孔隙通道逐步畅通，并且钙芒硝盐岩的渗透及力学特性受溶解的影响极大。高红波等(2012)通过对钙芒硝盐岩磨片的细观观测研究，给出了钙芒硝盐岩的溶解机制，并认为钙芒硝盐岩溶解过程中易溶的硫酸钠被溶剂带走，难溶的硫酸钙留在钙芒硝盐岩结构中，使溶解后的钙芒硝盐岩形成多孔性质的介质，溶解的比表面积提高，溶解更易进行，渗透性能提高。刘中华等(2013)对在孔隙压出水口敞口状态下的钙芒硝盐岩进行了溶解渗透实验研究，发现在溶解渗透实验过程中，钙芒硝固体骨架由致密不渗透的结构变成了可渗透的多孔介质，其固体骨架一直保持完整，且钙芒硝盐岩结构的致密程度和矿物成分不断地发生变化，致使其力学性质和有效应力也在不断地发生变化。上述文献说明盐岩与水之间的水岩相互作用研究是值得进一步探索的问题，盐岩中的可溶性成分、结构等因素对盐岩的溶解渗透、力学强度等工程性质有重要的影响。

随着工程复杂性的增加，多因素耦合问题得到了重视。关于水和温度对钙芒硝盐岩综合影响的研究，钱强等(2018)利用CT技术研究了在温度和环境水作用下钙芒硝盐岩孔隙发育规律，认为溶浸温度条件分别为35℃、65℃和95℃时，溶浸温度为65℃，钙芒硝盐岩实验前后孔隙率增长值最大，溶浸温度为95℃，钙芒硝盐岩孔隙率增长率最大，钙芒硝盐岩孔裂隙变化最明显。杨玉良等(2020)研究了在温度和水质作用下钙芒硝盐岩的蠕变规律，认为对钙芒硝盐岩蠕变变形起主要作用的是渗透压和温度，渗透压越小且温度越高，钙芒硝蠕变应变越大。以上研究成果主要侧重于水和温度对钙芒硝盐岩微观机制研究，在富含盐岩地层中的地源热泵、地下洞室等工程中亟需开展水和温度等因素对盐岩力学性能的综合影响。

在成都南郊深基坑工程中，普遍分布有白垩系灌口组的红层，主要以砂泥岩为主，在30～50m深度范围内存在富含钙芒硝盐岩夹层和富钙芒硝的泥岩、粉砂岩层。同时由于工程基坑降水、抽取地下水和地源热泵系统等各类工程措施的应用，使得钙芒硝盐岩在荷载、温度、水等因素作用下的强度衰减规律成为制约工程安全的关键问题。虽然关于钙芒硝盐岩溶解渗透的研究成果较多，但有关温度和水综合作用下钙芒硝盐岩力学强度衰减的研究较为少见。因此，从工程实践角度出发，研究水热综合作用下钙芒硝盐岩强度衰减规律具有十分重要意义。

论文基于成都南郊深基坑工程背景，通过测试不同温度蒸馏水中浸泡前后钙芒硝盐岩成分、结构、强度等参数的变化，重点研究了水热综合作用下钙芒硝盐岩强度衰减规律。

1 实验方案

钙芒硝盐岩取自成都南郊深基坑地下40～50m处白垩系灌口组岩层。根据《工程岩体实验方法标准》(GB/T50266-2013)加工成φ5cm×10cm钙芒硝盐岩圆柱体(图1)。

钙芒硝盐岩实际的变形破坏是在温度、水等因素综合作用下的结果。实验运用正交实验设计方法，主要研究了钙芒硝盐岩在浸泡时间、浸泡温度2个因素共同作用下的单轴抗压强度衰减规律。根据实验条件及实际情况，设置浸泡时间的5个水平分别为：0d、7d、16d、31d、40d；浸泡温度的5个水平分别为：30℃、40℃、50℃、60℃、70℃；浸泡水质为蒸馏水。

具体实验步骤如下：(1)将从工地取回的钙芒硝盐岩样品，选取外观一致、完整的岩芯制作标准钙芒硝盐岩试样；实验前测量每个钙芒硝盐岩试样的高度与直径，同时测量钙芒硝盐岩纵波波速；(2)根据实验需要，将钙芒硝盐岩随机分组，由于取样困难和钙芒硝盐岩试样数量限制，参考岩石实验规范，无浸泡组的单轴抗压强度实验保证每组3个钙芒硝盐岩试样，作为实验初始强度参考依据，浸泡组保证每组2个钙芒硝盐岩试样；(3)将各组钙芒硝盐岩试样放置在对应的装置中加热，浸泡组采用恒温水浴箱浸泡加热(图2a)，无浸泡组采用加热带环绕加热(图2b)；(4)达到实验要求的浸泡加热时间后，测量钙芒硝盐岩的纵波波速，进行单轴压缩变形实验，得到钙芒硝盐岩的单轴抗压强度和弹性模量，实验结果各组取平均值。其中，波速实验采用的是RSM-SY6声波仪，仪器精度为1μs，而单轴压缩变形实验采用的是上海华龙WEW型多功能液压万能实验机，实验加载速率为0.5mm·min-1。

2 强度等参数的变化规律

从钙芒硝盐岩破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速4个参数的变化规律进行分析和探讨。钙芒硝盐岩强度衰减实验破坏模式如表1所示。

表1 钙芒硝盐岩破坏模式简表Table 1 Failure modes of glauberite salt rock

2.1 破坏模式的变化规律

根据单轴压缩变形实验后钙芒硝盐岩的变形破坏特征，实验总结了钙芒硝盐岩在温度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸馏水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d加载后的钙芒硝盐岩破坏模式。

仔细观察破坏后的钙芒硝盐岩，在温度和水综合作用下，浸泡7d后，钙芒硝盐岩破坏已经从脆性破坏逐渐转化为塑性破坏，说明在浸泡过程中钙芒硝盐岩结构劣化严重。无浸泡时，钙芒硝盐岩结构致密完整，破坏形式为脆性破坏，变形较小，在加载过程中产生轴向劈裂，实验时钙芒硝盐岩发出较大声响，并伴有碎屑弹射现象，加载破坏时间在3min左右。浸泡7d后，钙芒硝盐岩中的钙芒硝、石膏等可溶性成分不断地溶解、溶蚀、膨胀、软化，破坏了钙芒硝盐岩结构，使钙芒硝盐岩变形破坏形式发生突变，由脆性破坏变为塑性破坏，产生剪切裂隙和鼓胀裂隙，实验时钙芒硝盐岩声响减弱，加载破坏时间增大至4min以上。在破裂面上可见矿物颗粒之间错动时产生的划痕和挤压产生的矿物粉末。

2.2 单轴抗压强度的变化规律

钙芒硝盐岩在温度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸馏水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d后的单轴抗压强度测试结果如表2所示。

表2 钙芒硝盐岩在蒸馏水中浸泡后的单轴抗压强度(MPa)Table 2 Uniaxial compressive strength of salt rock soaked in distilled water(MPa)

从图3a中可以看出，总体上，钙芒硝盐岩强度随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7d，钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50%～72%。浸泡16d，钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的21%～47%。浸泡30～40d，钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。

钙芒硝盐岩强度随浸泡温度的变化如图3b所示。总体上随着温度(30～70℃)的增加，钙芒硝盐岩强度变化不大。无浸泡组的钙芒硝盐岩强度随温度的增加，大致在37.14～42.19MPa范围内变动。浸泡0～16d时，钙芒硝盐岩强度在40℃左右出现了起伏，30～40℃，强度随温度增加而减小，40～70℃，强度随温度增加而增大。浸泡16～40d，钙芒硝盐岩强度衰减至较小值，总体在10MPa以内变动，温度对钙芒硝盐岩强度的影响较小。综合来看，在同浸泡时间下，大体上各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%，相对初始钙芒硝盐岩强度变化较小，因此在实验温度范围内(30～70℃)，温度对钙芒硝盐岩强度影响不显著。

总体而言，钙芒硝盐岩在温度作用下的强度变化不大。在各个实验温度下，钙芒硝盐岩强度随浸泡时间增加损失剧烈，强度显著减小，水稳定性较差。单轴抗压强度是钙芒硝盐岩矿物强度和结构强度的共同反映，单轴抗压强度随浸泡时间的剧烈变化充分说明了在长期的浸泡过程中钙芒硝盐岩矿物强度和结构强度产生严重劣化，钙芒硝盐岩矿物成分及结构发生改变。

2.3 弹性模量的变化规律

钙芒硝盐岩在温度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸馏水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d后的弹性模量测试结果如表3所示。

表3 钙芒硝盐岩在蒸馏水中浸泡后的弹性模量(GPa)Table 3 Elastic modulus of salt rock soaked in distilled water(GPa)

如图4a，弹性模量随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡0～16d时，弹性模量下降明显，弹性模量减小的幅度较大，浸泡16d时弹性模量最小为0.71GPa，最大衰减百分比达90.29%。浸泡30～40d时，钙芒硝盐岩弹性模量变得比较小，大体在0.51～0.76GPa之间变动，降至初始弹性模量的10%以下，最大衰减百分比达92.94%。

钙芒硝盐岩弹性模量随浸泡温度的变化如图4b所示。随着浸泡温度的增加，弹性模量总体变化不大。无浸泡钙芒硝盐岩的弹性模量在实验温度(30～70℃)范围内变化不大，总体在6.92～7.47GPa范围内波动。浸泡7d时，钙芒硝盐岩的弹性模量在40℃左右出现了起伏，30～40℃，弹性模量随温度增加而减小，40～70℃，弹性模量随温度增加而增大。浸泡16～40d时，弹性模量随温度变化不大。综合来看，在同浸泡时间下，大体上各浸泡温度间弹性模量差值小于初始弹性模量的10%，温度对钙芒硝盐岩弹性模量影响不显著。

2.4 纵波波速的变化规律

钙芒硝盐岩在温度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸馏水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d前后的纵波波速值及纵波波速降低百分比如表4所示。

表4 钙芒硝盐岩浸泡前后的纵波波速值(m·s-1)Table 4 P-wave velocity before and after rock immersion(m·s-1)

从表4和图5综合来看，钙芒硝盐岩的纵波波速会受到浸泡温度的影响。浸泡0～16d时，钙芒硝盐岩的纵波波速降低百分比随浸泡温度(30～70℃)的增加大致有着先增大后减小的变化，同浸泡时间下纵波波速降低百分比差值最大可达20%～30%。浸泡16～40d时，钙芒硝盐岩的纵波波速受浸泡温度影响较小，同浸泡时间下纵波波速降低百分比差值基本在10%以内。

钙芒硝盐岩在蒸馏水浸泡下，纵波波速随浸泡时间的增长而呈现出一定的特点。浸泡0～16d时，纵波波速变化比较剧烈，主要是这时钙芒硝盐岩孔隙率急剧增大造成的。浸泡16～40d时，纵波波速变化趋于稳定，是由于钙芒硝盐岩结构在这时趋于稳定，孔隙率变化幅度较小造成。波速是钙芒硝盐岩结构的宏观反映，浸泡后纵波波速普遍降低，充分说明由于长时间的浸泡，钙芒硝盐岩结构有明显的损伤劣化。

3 分析与讨论

水热作用下的钙芒硝盐岩强度等参数的衰减过程是复杂的，影响因素也比较多，包括内部因素和外部因素。内部因素为钙芒硝盐岩的矿物成分及结构构造的变化，外部因素为浸泡时间和浸泡温度，从这4点因素进行讨论，可得出钙芒硝盐岩强度等参数的衰减规律。

3.1 矿物成分对钙芒硝盐岩强度的影响

矿物成分是钙芒硝盐岩强度的物质基础。钙芒硝是由Na2SO4和CaSO4组成的复盐，钙芒硝遇水反应，分解为CaSO4和Na2SO4，最终变为Na2SO4溶液和石膏类晶体，若是Na2SO4溶液达到饱和，还可以析出芒硝晶体。

由于钙芒硝矿物的可溶性、结晶膨胀性等性质，在长期的浸泡过程中，钙芒硝等可溶成分持续不断地溶解。在浸泡16d以前，钙芒硝盐岩的主要矿物钙芒硝与水发生物理化学作用，部分钙芒硝晶体被交代成为石膏类晶体，钙芒硝盐岩强度急剧降低；在浸泡16d以后，钙芒硝盐岩的孔隙增大，结构致密性降低，这时钙芒硝盐岩的主要矿物不再是致密的钙芒硝矿物，而是充满孔隙的石膏类晶体矿物。钙芒硝盐岩中剩余的少量钙芒硝晶体也逐渐被交代成石膏类晶体，溶蚀交代区域大为减小，溶蚀交代的规模已经不大，所以钙芒硝盐岩的强度降低的幅度较小。钙芒硝盐岩主要矿物的变化决定了钙芒硝盐岩强度的变化。

3.2 微观结构对钙芒硝盐岩强度的影响

钙芒硝盐岩结构反映的是矿物成分溶解、溶蚀、结晶膨胀等微观物理化学作用对矿物颗粒之间连接关系、连接强度、孔隙等性能的综合影响。

钙芒硝盐岩为结晶结构，结构较致密(图6a)。钙芒硝被浸入水中后，钙芒硝盐岩表面的硫酸钠成分与水接触溶解，导致该处的结构发生变化，钙芒硝盐岩表面开始生成一些细小裂纹，浸泡溶液随裂纹扩大钙芒硝盐岩溶解交代的区域，在晶体连接处形成多个溶蚀孔洞，钙芒硝盐岩的孔隙率大为增大。钙芒硝盐岩中钙芒硝矿物交代而形成石膏类晶体(图6b)(石膏性能不稳定，受温度和浸泡影响会在石膏、半水石膏、硬石膏之间转化)，取代之前钙芒硝晶体的位置，但由于矿物中硫酸钠成分的流失，会在新生成的矿物晶体内形成多个晶内孔隙，继续增加钙芒硝盐岩的孔隙体积。

钙芒硝盐岩矿物之间的胶结物流失及矿物内部由于钙芒硝的溶解溶蚀形成大片孔隙，钙芒硝盐岩结构疏松，钙芒硝盐岩强度在溶解阶段下降十分明显。随着浸泡时间的增加，石膏类晶体矿物含量增加(图6b)。钙芒硝盐岩未溶蚀交代的区域缩小，溶解、溶蚀作用逐渐减弱，钙芒硝盐岩强度下降幅度减小，逐渐趋于稳定。

3.3 浸泡时间对钙芒硝盐岩强度等参数的影响

钙芒硝盐岩强度等参数的变化具有明显的时间效应。随着浸泡时间的增加，钙芒硝盐岩强度等参数逐渐衰减，具体表现(如表1所示)在钙芒硝盐岩破坏模式逐渐从脆性破坏转向塑性破坏，单轴抗压强度(图3a)、弹性模量(图4a)、纵波波速(图5a)都随着浸泡时间的增加，表现出明显的降低。浸泡时间反映的是钙芒硝等可溶成分在水溶液中持续的溶解、溶蚀、结晶膨胀等微观物理化学作用的积累，导致钙芒硝盐岩结构连接减弱、孔隙增加、强度降低。单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速是钙芒硝盐岩结构性能及矿物强度等的综合反映，浸泡时间的增加导致钙芒硝盐岩强度、弹性模量、纵波波速的降低，充分说明在浸泡过程中，钙芒硝矿物在水中的溶解、溶蚀、结晶膨胀等作用，使钙芒硝盐岩结构损伤和劣化，耐久性降低。钙芒硝盐岩长期浸泡的过程是钙芒硝盐岩中可溶成分持续溶解流失的过程，是微细观水岩相互作用导致钙芒硝盐岩结构性能的衰减。

3.4 浸泡温度对钙芒硝盐岩强度等参数的影响

浸泡温度的主要作用是影响钙芒硝等矿物成分的溶解。钙芒硝、硬石膏、石膏等矿物成分的溶解度受温度影响较大。如图7所示，随着温度的升高，钙芒硝(Na2SO4·CaSO4)和硬石膏(CaSO4)的溶解度逐渐增加，到40℃左右溶解度达到峰值，然后随着温度的增加溶解度逐渐降低。在实验温度(30～70℃)范围内，钙芒硝、硬石膏、石膏等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程。

钙芒硝盐岩单轴抗压强度和弹性模量随温度的变化曲线(图3b和图4b)，大致都在40℃附近，钙芒硝盐岩强度和弹性模量都有先降低然后再逐渐升高的变化。这说明温度对可溶成分的溶解作用产生了一定的影响，促进了钙芒硝盐岩结构的变化。但是相较浸泡时间对钙芒硝盐岩强度等参数的影响，浸泡温度(30～70℃)对钙芒硝盐岩强度等参数的影响就小得多。在同浸泡时间下，各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%，所以相对整体的钙芒硝盐岩强度而言，在相同浸泡时间条件下，钙芒硝盐岩强度随温度变化不显著。

4 结 论

以西南白垩系灌口组钙芒硝盐岩为研究对象，通过室内实验的方法，采用多种方法测试钙芒硝盐岩在浸泡前后的单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式等参数，研究了水热综合作用下钙芒硝盐岩强度等参数的衰减规律，得到以下结论：

(1)在水和温度共同作用下，钙芒硝盐岩可溶性成分流失，钙芒硝晶体转化为石膏类晶体，钙芒硝盐岩矿物强度降低，晶体结构变疏松、连接变弱，使得钙芒硝盐岩结构强度降低，反映在力学上就是钙芒硝盐岩强度等参数的剧烈衰减。钙芒硝盐岩单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、破坏模式4个参数表现出一致的变化，相互印证了实验结果的合理性与可靠性。

(2)在不同的浸泡温度下，钙芒硝盐岩的单轴抗压强度、弹性模量都随浸泡时间的增加衰减剧烈。浸泡7d，钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的50%～72%。浸泡16d，钙芒硝盐岩强度衰减为初始强度的21%～47%。浸泡30～40d，钙芒硝盐岩强度衰减至初始强度的10%以下。

(3)在实验温度(30～70℃)范围内，钙芒硝、硬石膏、石膏等矿物的溶解过程大致经历了溶解度先增大后减小的过程，钙芒硝盐岩强度存在先减小后增大的变化，但同浸泡时间下各浸泡温度间强度差值小于初始强度的10%，钙芒硝盐岩强度随浸泡温度(30～70℃)变化不显著。