化学腐蚀作用下砂岩三轴压缩力学特性试验研究

张 龙,路亚妮,吴安迪,阮 亮,郝 彦

(1.中铁一局集团桥梁工程有限公司,重庆 401120;2.湖北工程学院 土木工程学院,湖北 孝感 432000)

我国地域广阔,各个地区环境差异较大,不同地区的环境条件也有所不同,而众多工程常用的砂岩在其使用过程中遭受不同程度的腐蚀破坏。岩石是主要的建筑材料来源,岩体则是岩土工程、基础工程及地下工程的主要研究对象。岩体所处的水化学腐蚀环境是引起其物理力学性能劣化的主要因素之一,例如,在北方一些工业地区,岩石材料或岩体工程在经受温度变化所导致的冻融循环作用的同时,还可能经受因酸雨等原因所导致的不同的水化学腐蚀作用,两者共同作用使得岩石劣化更为严重。基于此,有必要对水化学腐蚀环境对冻融岩石力学特征的劣化规律开展试验研究,进而指导工程实践。虽然岩石材料中的长石、碳酸盐、石英、云母等成分与自然环境中H+、OH-作用所引起的性能降低的腐蚀破坏过程比较缓慢,但其长期腐蚀作用具有累积效应进而改变砂岩表面结构,溶解内部矿物成分,造成其微观结构变化及力学特性劣化,引起不良的工程响应。

近年来,众多学者通过开展水化学腐蚀和冻融循环协同作用下岩石的物理力学性能的系列室内试验,分析了岩石的物理力学性能劣化机理和劣化规律。如韩铁林[1]研究了同源砂岩试件分别在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和碱性NaOH溶液中浸水饱并经历多次冻融作用后的物理力学特征,分析了砂岩在不同水化学腐蚀环境中浸水饱和30 d后,冻融循环作用对其物理性能及三轴压缩力学特征的劣化规律。田洪义[2]借助扫描电镜和 XRD 衍射试验分析酸性溶液对砂岩宏观形貌、缺陷形态、孔隙结构、矿物组成成分以及孔隙率的改造作用,在不同浸泡时间节点对不同溶液中砂岩试件的质量、尺寸及三轴抗压强度等进行分析,研究其规律。骆韬[3]简要综述了水化学作用对砂岩单轴、三轴、直剪试验力学参数的影响和对砂岩破裂及裂纹扩展过程的影响。王艳磊[4]以灰砂岩为研究对象,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,开展室内三轴压缩力学试验,对比分析水化学腐蚀环境对砂岩的微细观结构特征、变形特征、强度损伤及力学参数劣化机制。印宇澄[5]探究冻融循环-多种化学溶液溶蚀等因素耦合作用下岩石力学特性的变化规律,以砂岩和花岗岩作为研究对象开展了一系列岩石力学试验,借助智能显微镜观察比较了不同外部条件影响下岩石的表面微观结构,分析了岩石的溶液溶蚀机理和冻融损伤机理。张峰瑞[6]探讨化学腐蚀-冻融综合作用对岩石损伤蠕变特性的影响规律,选取大东山隧道石英岩和石英砂岩开展研究。将岩石试件在不同化学溶液中经历不同冻融循环次数后,采用电镜扫描对岩石表面细观特征进行分析。并开展岩石三轴蠕变试验,分析化学腐蚀-冻融综合作用对岩石瞬时应变、蠕变应变、蠕变速率和长期强度等参数的影响规律。王鲁男[7]探明化学腐蚀与冻胀荷载耦合作用下粉砂岩强度的长期衰减规律,对水化学腐蚀和冻融循环条件下的粉砂岩进行室内物理力学试验,分析水化学溶液pH值与冻融循环作用次数对单轴抗压强度和抗拉强度衰减的影响。俞缙[8]通过细观结构分析及力学试验方法,分析分别经酸性、中性和碱性水化学溶液浸泡和冻融循环处理后的砂岩的孔隙度和力学参数等参数的变化规律。路亚妮等[9]前期采用岩石力学伺服试验机,对预制单裂隙模型试样进行试验,研究了冻融循环作用下的裂隙岩样在三向压应力作用下的裂隙贯通机制。刘慧[10]对冻经历融循环环境劣化作用后的砂岩进行测试,从细观层次探讨了冻融作用对砂岩劈裂损伤过程的影响。张慧梅[11]研究岩石的变形破坏过程及冻融循环和围压对其力学特性的影响,建立了冻融循环-三轴应力作用下岩石的损伤力学特性模型。现有研究成果大多数是以单个变量作为研究,并且以单轴压缩居多,这与实际环境对岩石的影响有较大区别,岩石建筑材料和岩体工程所处的区域性气候和水文环境复杂多变,在其全寿命服役期间,可能同时处于水化学腐蚀环境、昼夜或季节性冻融循环环境中,研究冻融循环条件下水化学腐蚀环境对砂岩力学性能的劣化机理和水化学腐蚀环境下冻融循环条件对砂岩力学性能的劣化机理都是必要的,是研究水化学腐蚀和冻融循环协同作用对岩土工程劣化机理的基础。

本文主要研究冻融循环条件下,水化学腐蚀环境对砂岩三轴压缩物理力学特性参数的劣化规律,为更科学地进行寒区岩石工程建设提供理论研究支撑。

1 试验介绍及方案设计

1.1 岩样准备

砂岩试件取自四川泸州市,整体呈灰白色。同源砂岩试样的天然密度约为2.418 cm3,纵波波速约为2506.5 m/s。基于X射线衍射试验分析,确定砂岩的主要矿物成分有长石、石英。依据《水利水电工程岩石试验规程》规定,将试件统一加工成直径50 mm、高度100 mm的标准圆柱试件,每组试件4个,包括参照组在内共6组试件。

1.2 试验设备

试验中所用的纵波波速测试采用SVR-500型岩石超声波测试仪,冻融循环试验采用SFDR-11冻融恒温恒湿循环试验箱,三轴压缩试验采用RMT-301岩石与混凝土力学试验系统,RMT-301的量程为:垂直压力1500 KN,水平围压50 MPa。主要试验设备如图1所示。

(a)RMT-301岩石与混凝土力学试验机

1.3 试验方法

1.3.1 化学腐蚀试验

对标准试件进行分组编号并测量其基本物理性质:直径、高度、质量和纵波波速,再将试件分别放入pH=3、5、7、9、11溶液中浸泡30 d。化学腐蚀试验完成后分别取出试件,并置于室外静置风干,再测量试件的直径、高度、质量和纵波波速。

1.3.2 三轴压缩试验

利用RMT-301岩石与混凝土力学试验机对处理后的砂岩试件进行三轴压缩试验。先将围压加压到设定值并稳定一段时间,再以0.2 KN/s的轴向力速度沿主应力方向施加荷载,直至试件在三轴压缩状态下被破坏。

2 试验数据分析整理

2.1 岩样破坏模式分析

2.1.1 宏观试验结果

三轴压缩试验条件下,砂岩试件主要表现为剪切滑移和柱状劈裂两种破坏模式。前者如图2(a)所示,这种模式主要源于砂岩在三轴力学作用下,内部矿物颗粒间发生剪切滑移累积作用,作用累积发展,最终表现为整个砂岩试件的剪切滑移破坏;后者如图2(b)所示,这种模式主要源于试件的成型存在工艺缺陷,两端不平整使得试件上下表面受力不均匀,在沿着轴线方向上产生剪力,随着主应力的增大,剪应力超过材料的强度极限,进而表现为柱状劈裂破坏[6],其中剪切滑移破坏的试件有22个,柱状劈裂试件有2个。

(a)剪切滑移破坏

2.1.2 宏观试验结果分析

莫尔-库仑抗剪强度理论分析试件的剪切滑移破坏:砂岩试件三轴压缩后其内部任何一个面上的切应力大于等于材料的抗剪强度时,该点便发生剪切破坏,当无数点被破坏并形成一个面时,即出现剪切破坏面,砂岩试件沿着剪切破坏面发生剪切滑移破坏。在莫尔应力圆中:当砂岩试件中某点的极限莫尔应力圆超出砂岩的抗剪强度包络线时,该点发生剪切破坏,并且随着围压增大而增大,莫尔应力圆向右移动,极限莫尔应力圆的半径增大, 试件破坏所需的切应力τf增大;当砂岩试件经过化学腐蚀后抗剪强度包络线的角度变大,极限莫尔应力圆的直径变大,所需使试件剪切破坏的力越大。表1为不同化学腐蚀条件下的砂岩力学强度参数表,图3为砂岩的应力状态和极限莫尔应力圆。

表1 不同化学腐蚀条件下的砂岩力学强度参数表(冻融循环作用次数:30次)

(a)砂岩试件在围压下的应力状态

由GB/T 50266-2013《工程岩体试验方法标准》可知:

σ1=Fσ3+R

(1)

(2)

式中:F为σ1-σ3关系曲线的斜率;R为σ1-σ3关系曲线在σ3轴上的截距,等同于试件的单轴抗压强度(MPa);f、φ分别为砂岩试样的摩擦系数和内摩擦角。

对不同酸碱度状况下的岩样压缩综合参数进行线性回归,得到砂岩试样的强度参数f和φ,如表1所示。

2.2 三轴压缩试验结果与分析

2.2.1 试验结果

针对pH值为3、5、7、9和11的化学溶液浸泡后的岩样,进行围压分别为1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa三轴压缩试验。图4 为冻融循环条件下,不同水化学溶液pH值腐蚀作用对砂岩三轴应力-应变特性的影响分析曲线,图5为在不同围压下酸性溶液浸泡后和自然状态下的应力-应变曲线,图6为在不同围压下碱性溶液浸泡后和自然状态下的应力-应变曲线。表2为不同围压下不同化学溶液浸泡和自然状态下的峰值应力。

表2 不同围压下不同化学溶液浸泡和自然状态下的峰值应力

(a) pH=5

(a) σ3=2 MPa

(a) σ3=2 MPa

由图4可知:总体来说,在相同的水化学腐蚀和冻融循环共同作用环境下,随着围压值的增大,岩样的破坏应力峰值、应变峰值也逐渐增大,初始模量减小,岩样的延性增加[6]。砂岩试件在竖向力的作用下,围压起着一个环箍效应,随着围压的增大,环箍效应越显著。

由图5可知相同围压加载条件下,在不同pH值的酸性水化学溶液腐蚀环境中,砂岩试件的三轴应力应变特性明显变化,对应可得自然状态下的峰值偏高应力最大,pH=7溶液腐蚀条件下的峰值偏应力强度次之,pH=3的溶液腐蚀条件下的峰值偏应力强度最小。在酸性水化学腐蚀条件下,随着pH的减小,砂岩的峰值应变也减小,砂岩延性更加显著。

由图6可知:总体来说,相同围压条件下,在不同pH值碱性水化学溶液腐蚀环境中,自然状态下的砂岩的峰值偏应力最大,pH=7中性水化学溶液浸泡处理后的砂岩峰值偏应力次之,pH=11碱性水化学溶液处理后砂岩的峰值偏应力最小,但4种状态下砂岩强度相差不大,经对比可以看出,随着围压的增大,碱性溶液的浸泡对砂岩的影响越来越小。

对以上实验结果分析发现:水化学溶液腐蚀环境对砂岩力学性能有不同程度的劣化。以自然状态下的砂岩试样为参照,水化学溶液腐蚀环境对砂岩三轴力学强度均表现出一种负效应。

2.2.2 化学腐蚀对砂岩力学性能劣化影响的机制分析

酸性溶液对砂岩力学性能劣化影响的机制分析:砂岩中的矿物如长石、碳酸盐、石英、云母等与H+发生了下列化学反应[1]:

KAlSi3O8(长石)+4H++4H2O→K++Al3++3H4SiO4

CaCO3(碳酸盐)+2H+→Ca2++H2O+CO2↑

KAl3Si3O10(OH)2(云母)+10H+→K++3Al3++3H4SiO4

CaMg(CO3)2(白云石)+4H+→Ca2++Mg2++2H2O+2CO2↑

碱性溶液对砂岩力学性能劣化影响的机制分析:砂岩试件中的一些阳离子(如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)很容易跟化学溶液中的OH+离子发生反应,使得原来的矿物被分解而形成新的矿物,使砂岩原本密实的结构变得松散[1],化学反应式如下:

SiO2+2H2O→H4SiO4

砂岩中的一些矿物易溶于碱性溶液中,导致岩样的孔隙度变大,内部结构更加松散。随着pH值的增大,溶液中的OH+离子浓度升高,更易与砂岩试件中的阳离子反应,使得孔隙率进一步增大,对砂岩试件力学性能的劣化影响变大。

3 小结

不同的化学溶液对砂岩试件的腐蚀程度有所不同,但整体上,酸性和碱性的化学溶液对砂岩的力学性能都有劣化影响,酸性溶液对砂岩的劣化更为明显。

在相同的围压应力条件下,随着pH值的减小,酸性水化学腐蚀环境对砂岩试件的力学性能的劣化逐渐增大,砂岩的塑性变形变小,砂岩亦有从脆性转变为延性的趋势。碱性溶液随着pH值的增大,砂岩试件的力学性能的劣化影响越大。

总体来说,相同的冻融循环和水化学溶液腐蚀环境中,随着围压的增大,砂岩的力学性能劣化速度逐渐变慢。同时,砂岩的破坏峰值偏应力、峰值偏应变和初始弹性模量逐渐变大,砂岩延性逐渐显著。