硫酸盐侵蚀下砂岩纵波波速及孔隙结构表征试验研究

李民 LI Min

（山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，济南 250000）

0 引言

水岩侵蚀作用是地球上存在的一种基本的物理化学现象，岩石在溶液的长期侵蚀下，不但造成岩石内部化学元素的改变，还会对岩石内部的微观结构造成影响。外在环境的差异往往会对岩石性能造成很大的影响，研究发现水岩间的干湿循环侵蚀会降低岩石本身强度[1]，从而引起岩体结构的破坏；朱朝辉等[2]对不同含水率的砂岩试件进行巴西劈裂试验，发现试件在不同含水率下的强度劣化规律；袁璞等[3]通过试验发现随着砂岩所处溶液pH 值的降低，试件纵波波速、单轴抗压强度随之减小，砂岩试件劣化程度增加；王来贵等[4]对不同溶液环境下长石砂岩性能进行研究，发现Na2SO4溶液环境下石砂岩纵波波速、抗压强度、弹性模量等物理力学参数都将减小；王鲁男、俞缙等[5-6]对不同溶液浸泡下的粉砂岩进行物理性能测试，发现侵蚀下粉砂岩强度的衰减规律，并建立了强度衰减预测模型。溶液侵蚀会对岩石内部结构及性能造成很大影响，从而降低其安全耐久性，我国海域辽阔，海岸线众多，海水中含有大量硫酸盐，沿海一带的岩石不断经受着硫酸根离子的侵蚀，研究表明硫酸盐溶液对众多岩石材料性能有着巨大影响，韩铁林等[7]对砂岩在不同水化学溶液腐蚀下的力学性能进行研究，试验表明硫酸盐溶液浓度越大，砂岩试件劣化程度越大；张萌[8]在硫酸盐腐蚀对混凝土微观结构特征影响的研究中发现硫酸盐腐蚀作用使得材料内部小孔隙、中孔隙逐渐扩张成相互连通裂隙，增强试件损伤程度。盐溶液侵蚀下岩石自身结构及性能均会发生变化，侵蚀岩体宏观力学性能的变化是由微观结构变化所引起的，而确定盐侵蚀岩体力学性能变化规律对沿海工程建设项目安全建设至关重要，因此探究硫酸盐侵蚀岩体微观结构变化规律对沿海工程项目制定安全高效施工方案具有指导意义。

本文以砂岩试件为研究对象，对砂岩在不同浓度（0%、5%、10%、15%）硫酸钠溶液进行不同龄期（0d、30d、60d、90d、150d）的侵蚀试验，研究侵蚀时间、硫酸根离子浓度对砂岩试件的纵波波速、孔隙结构及孔隙率微观参数的影响规律，研究成果可为沿海盐侵蚀地区工程项目实施方案的确定提供试验依据。

1 试验方案

1.1 试验流程

试验选用砂岩来自于安徽省淮南市丁集矿的细颗粒砂岩，埋深为678m，呈灰白色，试块选用同一岩层，且垂直于节理面，岩块表面完整无裂纹。根据相关规范将试件加工成Φ50×100mm 的标准试件，试件两端不平整度在0.05mm 以内，将加工完成的砂岩试件利用非金属超声波检测仪进行试件纵波波速的测量，剔除波速差异较大的试件，每组选取3 个标准试件，共选用51 个砂岩试件，标准试件如图1 所示。

1.2 试验流程

将砂岩试件放置于烘干箱内12h，取出试件置于干燥箱内冷却至室温，再将试件分别置于质量分数为0%、5%、10%与15%硫酸钠溶液对砂岩试件进行为期30d、60d、90d、150d 侵蚀，侵蚀试验结束后将试件再次烘干并冷却至室温，对侵蚀试件进行纵波波速的测量；核磁共振（NMR）试验采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的MesoMR23-060V-1 型核磁共振仪对试件T2谱分布、孔径分布等特征参数进行测量。

2 试验结果与分析

2.1 试件纵波波速的变化规律

利用超声波技术对岩石类非金属材料进行波速测量时，当试件内部材质结构保持一致时，其纵波波速应基本一致，而材料内部存在着裂缝、孔隙、断层及材质不均匀时，超声波会在试件内部缺陷处及分界处发生各种反射、折射、透射与绕射，从而使得所测得的声学参数发生变化。侵蚀时间与试件纵波波速间的关系结果如图2 所示，得到纵波波速与侵蚀时间之间关系如式（1）。

图2 纵波波速与侵蚀时间的关系

由式（1）和图2 可知，相同浓度硫酸盐溶液下，砂岩试件纵波波速随着侵蚀时间的增大而降低，硫酸盐浓度为0%，侵蚀时间为30d、60d、90d、150d 时试件纵波波速降幅分别为5.0%、6.8%、8.1%、8.4%，降幅逐渐减小；相同侵蚀时间下，随着硫酸盐溶液浓度的增大，砂岩试件纵波波速整体呈下降趋势。分析原因：砂岩试件长期浸泡于水中，水对砂岩起到软化与溶解的作用，部分材料溶于水中，当水分蒸发时部分溶质随水分外流，试件内部孔隙增大[7]，弹性波在砂岩试件传导过程中遇到裂纹孔隙会出现反射、折射、绕射，宏观上表现为弹性波传播路径变长和波速的显著降低，试件纵波波速随之减小。相较于水硫酸盐溶液中硫酸根离子能与砂岩反应，对砂岩侵蚀性更高，试件劣化程度更大，试件纵波波速随硫酸盐浓度的增大而减小，当硫酸盐浓度达到一定时，硫酸盐浓度的增加对试件纵波波速影响将不再明显。

2.2 NMR 试验结果与分析

核磁共振技术可在对试件损伤程度较小的情况下利用T2图谱准确地反映出试件内部的孔隙结构分布，T2图谱中横坐标代表孔径大小，波峰面积代表孔隙数目，驰豫时间T2越大，孔隙半径越大，弛豫时间和孔隙尺寸可用式（2）表示。

式中：ρ 为材料弛豫强度；S 为孔隙表面积；V 为孔隙体积。

0%硫酸钠溶液中不同侵蚀时间下砂岩试件T2图谱如图3 所示，不同浓度硫酸钠溶液下侵蚀60d 时试件T2图谱如图4 所示。由图3、图4 可知侵蚀作用下砂岩试件内部孔隙结构发生明显变化，不同侵蚀时间下砂岩试件的T2图谱分布曲线均呈三峰型，随着溶液侵蚀时间的增加，T2图谱峰值增大且向右偏移，相较于普通砂岩试件，侵蚀30d、60d、90d、150d 主峰峰值分别升高17.6%、25.9%、31.8%、37.6%，表明随着侵蚀时间的增加试件内部孔隙数量增加，孔径变大，试件内部孔隙率增大，侵蚀时间越长，砂岩损伤程度越大。由图4 可知随着硫酸钠溶液浓度增加，T2图谱峰值增大，但增幅明显降低，当溶液浓度超过5%后峰值增幅不再明显，说明随着硫酸钠溶液浓度的增加试件孔隙直径增大，孔隙率增加。为进一步研究试件内部不同孔径孔隙在总孔隙中的占比，对不同干湿循环次数下砂岩试件不同孔径孔隙占比进行计算。

图3 0%硫酸盐溶液不同侵蚀时间下试件T2 图谱

图4 侵蚀60d 不同硫酸盐浓度下试件T2 图谱

将侵蚀砂岩试件孔径划分成微孔（R≤0.01μm）、小孔（0.01μm＜R≤0.1μm）、中孔（0.1μm≤R≤1μm）、大孔（R＞1μm）4 个区间，孔径划分区间如图5 所示。根据孔径划分方法可求出侵蚀砂岩各孔径分布规律，如图6 所示。

图5 砂岩试件内部孔径划分

图6 砂岩试件内部孔隙分布规律

由图6 可知砂岩内部孔隙分布主要以微孔、小孔为主，随着侵蚀时间的增加，试件内部微孔所占比例降低，小孔占比明显增高，硫酸钠溶液浓度为0%时侵蚀30d、60d、90d、150d 试件微孔占比降低22.1%、28.8%、30.8%、31.6%，小孔占比增加了41.9%、54.4%、56.2%、56.5%；不同硫酸盐浓度侵蚀下砂岩试件呈现相同规律，试件内部微孔占比减少，小孔占比增加，中孔、大孔占比变化不大。这是由于侵蚀时间增长与硫酸盐浓度的增大都会增大对砂岩试件的侵蚀，增大试件内部孔隙直径，增加孔隙率，使微孔向小孔转化，中孔大孔数目也会增加，但试件本身总孔隙率也会变大，因此中孔、大孔占总孔隙率比例变化不大。

3 结论

①相同硫酸盐浓度下随着侵蚀时间的增大，砂岩试件纵波波速随之降低，两者呈良好的对数关系；相同侵蚀时间下，随着硫酸盐溶液浓度的增大，砂岩试件纵波波速整体呈下降趋势，试件劣化程度增加。②砂岩试件的T2图谱分布曲线均呈三峰型，随着溶液侵蚀时间的增加，T2图谱峰值增大且向右偏移，随着侵蚀时间的增加试件内部孔隙数量增加，孔径变大，试件内部孔隙率增大，侵蚀时间越长，砂岩损伤程度越大。③砂岩内部孔隙分布主要以微孔、小孔为主，随着侵蚀时间的增加，试件内部微孔所占比例降低，小孔占比明显增高，试件内部微孔占比减少，小孔占比增加，侵蚀时间增长与硫酸盐浓度的增大都会增大对砂岩试件的侵蚀，增大试件内部孔隙直径，增加孔隙率，使微孔向小孔转化。