石膏巖溶蝕與強度特性試驗研究

高明明， 祝艷波， 苗帥升， 田王慧， 龔政豪， 巨之通

(長安大學地質工程與測繪學院，西安 710054)

近年來，隨著中國經濟的發展，基礎建設不斷加快，所遇到的巖土工程問題越來越多，而石膏巖的溶蝕性及軟化性導致的隧道工程問題時有發生[1-2]。石膏巖是蒸發巖的一種，主要成分為CaSO4·2H2O或CaSO4，石膏質巖具有遇水軟化、吸水膨脹等特殊的物理化學性質，會誘發一系列巖土工程問題。因此，需要對石膏巖這些特殊性質進行研究，根據其在不同溶液下的變化，探討其溶蝕性及強度特性，為工程建設提供參考依據。

目前，中外學者針對不同溶液下巖石的溶蝕特性及軟化性質進行了研究，成果頗豐。范維等[3]通過溶蝕試驗來研究白云巖，認為其質量的降低主要是水與碳酸鹽作用過程中Ca2+、Mg2+等離子的丟失所造成的。安波等[4]開展了白云巖與草酸的靜態溶蝕實驗，發現草酸的濃度對溶蝕量影響顯著，當其濃度較高時，由于反應生成的白色沉淀物附著于巖石表面，阻止內部溶蝕反應的繼續發生，Mg2+等離子溶出量不會增加。蘇小虎等[5]通過偏光顯微鏡觀察對比溶蝕前后的礦物組合和孔隙變化，研究凝灰質砂巖溶蝕作用機理。張紹云等[6]從化學成分的角度出發，對某典型的石膏晶洞內的水分、土壤進行了研究。林艷等[7]研究了醋酸銨溶液的濃度對磷石膏溶蝕量的影響，發現溶蝕量與醋酸銨溶液的濃度并不是線性關系，而是先增加后減小的。黃英華[8]開展了自然狀態下和飽水條件下硬石膏的單軸壓縮實驗，發現水對硬石膏的強度影響較大，飽水條件下的強度遠低于自然狀態下。梁衛國等[9]將石膏置于不同濃度的鹽(NaCl)溶液中浸泡，發現飽和鹽溶液對于石膏的溶蝕強度小于半飽和鹽溶液。Kurger等[10]、Rinaudo[11]、Badens等[12]、Pan等[13]從離子微觀角度分析離子對于石膏結構與形貌的影響。張鳳娥等[14]研究發現鹽溶液濃度為7%時，石膏在鹽溶液中的溶解度約為水中的2倍，但當鹽溶液濃度升高時，石膏的溶解度又發生減小。吳銀亮[15]對石膏巖進行單軸抗壓強度試驗，發現含水率對其強度影響很大，其強度、彈性模量、變形模量與含水率呈負相關，而泊松比與含水率則呈現正相關。李亞等[16]對不同干-濕循環次數的石膏進行單軸壓縮試驗，得出干-濕循環次數與石膏巖的單軸抗壓強度和彈性模量呈負相關。高紅波等[17]從溫度和濃度出發，對溶蝕后的石膏巖進行單軸抗壓試驗，研究發現溫度越高，鹽分越大，溶蝕時間越大其強度越低；黃明等[18]研究了pH對泥頁巖的溶蝕影響，認為堿性溶液會抑制其溶解，而酸性溶液會促進其溶解。

以上研究均是研究單一溶液環境對石膏巖試樣的影響，但對于石膏巖在不同的酸堿鹽溶液中的溶蝕特性及軟化性質的對比研究則相對較少。基于石膏在不同的溶液中的靜態溶蝕實驗，結合微觀電鏡掃描及單軸壓縮試驗、聲發射試驗來研究石膏的溶蝕特性及強度性質，從而更為有利地指導工程施工。

1 試樣制備

試驗所取巖樣為湖北某隧道出露的圍巖，其石膏含量為89%，含膏成分較高，呈灰白色，粒狀晶質，加氯化氫不起泡，抵抗其他物體在其表面刻劃的能力即硬度為2～3 MPa，3組互相垂直的解理。主要的組成成分為石膏，還混有白云石等。

試驗中試樣均為底面積相同、密度相同、高度相同的加工樣，石膏巖試樣如圖1所示。為避免所取巖樣的離散性對試驗結果帶來影響，在位置接近、出露情況一致處鉆取巖心，按照國際巖石力學學會建議的實驗室規范要求，加工成φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣。經過初步篩選，將自然位置臨近的試件分為同一組，然后稱重，并用油彩筆對分組試件進行編號。

圖1 石膏巖試樣Fig.1 Samples of gypsum rock

環境掃描電鏡試樣制備：分別在各溶蝕后的試樣相同位置切割加工成厚度近似相同的試樣，盡量保持其原有形狀。

2 試驗方法及過程

將制備好的試樣分別在蒸餾水、鹽溶液(氯化鈉溶液)、酸溶液(冰醋酸溶液)、堿溶液(氫氧化鈉溶液)中進行靜態溶蝕試驗，并在電子顯微鏡下觀察不同溶液下石膏巖的結構變化，之后進行強度與變形特性試驗，共4組試驗。

2.1 靜態溶蝕試驗

分別將制備好的4個標準石膏巖試樣置于純水(蒸餾水)、氯化鈉溶液(濃度為0.5 mol/L)、冰醋酸溶液(濃度為0.058 mol/L、pH=3)、NaOH溶液(濃度為0.01 mol/L、pH=12)中，在連續的29 d內每天12：00測量試樣質量。

2.2 單軸壓縮與聲發射試驗

把加工好的試樣分為4組并標記編號，用真空泵對巖樣進行抽飽和，先干抽8 h，然后在此負壓下浸水12 h，然后在大氣壓下浸泡12 h后準備試驗。在進行加載試驗的同時同步開展聲發射監測試驗。本次聲發射測試中設定的主要參數包括分析系統主放為40 dB、門檻值為45 dB、傳感器諧振頻率為20～400 kHz、采樣頻率為106次/s。

2.3 石膏巖微觀電鏡試驗

為更好地研究試樣在不同溶液中的微觀結構、形貌特征，從微觀上分析試樣的溶蝕軟化特點，采用電子顯微鏡掃描經不同溶液浸泡后的試樣，觀察對比其微觀形態、孔隙特征。將經4種溶液浸泡過的試樣敲碎，選取具有新鮮斷面的小塊試樣，利用液氮冷凍裝置進行脫水處理后用電子顯微鏡觀察新鮮斷面。

3 試驗結果

3.1 靜態溶蝕試驗結果

各溶液中石膏巖試樣的質量隨時間變化明顯，經過29 d溶蝕后，石膏巖試樣在純水中浸泡后溶蝕總量為3.12 g，在氯化鈉溶液中溶蝕總量為6.4 g，與盧耀如等[19]所發現的石膏巖試樣在鹽溶液中溶解度是純水中的2倍較為相似。冰醋酸溶液中溶蝕總量為2.91 g，氫氧化鈉溶液中溶蝕總量為2.73 g。圖2所示為石膏巖試樣質量占初始質量百分比隨時間變化，可以發現：紅色曲線變化幅度最大，由100%降到最低的94.77%；純水、氫氧化鈉溶液、冰醋酸溶液中的試樣變化曲線較為相近，相差不大。總體上以氯化鈉溶液對石膏巖溶蝕最為嚴重，其次為純水、冰醋酸溶液、氫氧化鈉溶液。

為了觀察溶蝕后試樣微觀結構特征，對溶蝕后的石膏巖試樣進行電鏡掃描(scanning electron microscope, SEM)，結果如圖3所示。從圖3可以看出，在氯化鈉溶液中浸泡后的圖3(a)試樣遭到溶蝕破壞最為嚴重，而圖3(b)及圖3(c)為純水、冰醋酸溶液中浸泡后的試樣，兩者較圖3(a)溶蝕較輕，但三者微觀晶體均遭到溶蝕破壞，解理面不再明顯，晶間孔隙度增加，晶格間的物質被溶蝕、崩解掉；而圖3(d)浸泡在氫氧化鈉溶液中的試樣，可見明顯的解理，晶面平整、光滑，具有完整性的特點，也從微觀方面驗證了圖2中各個試樣的溶蝕百分比。

圖2 石膏巖試樣質量百分比與時間的關系Fig.2 Relations between percentage and time of gypsum rock sample

圖3 石膏巖溶蝕后SEM照片Fig.3 SEM photograph of gypsum rock after dissolution

3.2 聲發射試驗結果

裂紋的發展演化通常伴隨著材料內某一位置處能量積聚與釋放、彈性波的傳播。聲發射技術就是捕捉這些聲發射信號并加以記錄、分析。用于分析內部損傷的聲發射信號參數主要包括振鈴計數、撞擊數、事件計數、能量計數、幅度、持續時間等。聲發射內容均采用振鈴計數為例進行分析。

經各溶液溶蝕以后，在進行單軸壓縮試驗同時進行聲發射試驗，可以發現累計振鈴計數與溶蝕量大致呈正比，即溶蝕量越大，試樣內部裂隙越多，聲發射次數就多。從單獨振鈴計數可以總結出，冰醋酸和氫氧化鈉溶液溶蝕后的試樣聲發射主要發生在試驗的后半程，而水與氯化鈉聲發射活動主要發生在試驗初始階段。

圖4所示為石膏巖試樣浸泡在冰醋酸中表現出的壓力性質及聲發射信息，可見前期振鈴計數大，聲發射信號相對強烈，之后振鈴計數少而弱，在300～350 s試樣破壞后振鈴計數陡增，且存在滯后現象，而其累計的振鈴數前期增加較快，之后緩慢，在試樣破壞后則突然增加，這是由于前期的積累應變能在后期突然釋放，內部微裂紋貫通呈宏觀裂紋展布，從而使聲發射信息突變密集、強烈。

圖4 冰醋酸中試樣壓力、聲波參數與時間的關系Fig.4 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in aceticacid

圖5 氫氧化鈉溶液中試樣壓力、聲波參數與時間的關系Fig.5 Relationsamong sample pressure, acoustic parameters and time in sodium hydroxide solution

圖5所示為石膏試樣浸泡在氫氧化鈉溶液中表現出的壓力性質及聲發射信息，可見前期振鈴計數大，信號相對強烈，之后振鈴計數少而弱，期間存在幾個峰值，在350 s后試樣壓力曲線有下降趨勢，振鈴計數出現高峰，而其累計的振鈴數前期增加較快，之后緩慢，在350 s后則突然陡增，這同圖4存在相同現象，這可能是由于試樣在350 s時發生破壞，但是由于試驗量程有限，故未能測到其破壞時的現象。

圖6 純水中試樣壓力、聲波參數與時間關系Fig.6 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in pure water

圖6所示為石膏巖試樣浸泡在純水所表現出的壓力性質及聲發射信息，可見前期振鈴計數大，聲發射信號較為強烈，之后振鈴計數少而弱，在270 s試樣破壞后振鈴計數陡增，且存在滯后現象，而其累計的振鈴數前期增加較快，之后緩慢，在試樣破壞后則突然增加，這是由于前期的積累應變能在后期突然釋放，內部微裂紋貫通呈宏觀裂紋展布，從而使聲發射信息突變密集、強烈。

圖7所示為石膏巖試樣浸泡在氯化鈉溶液中所表現出的壓力性質及聲發射信息，可見前期振鈴計數大，聲發射信號較為強烈，之后振鈴計數相對較少而有所減弱，在200 s時試樣破壞后振鈴計數有所增加但不明顯，同樣存在滯后現象，而其累計的振鈴數前期增加較快，之后平緩，甚至出現水平曲線，這是由于局部受到孔隙水作用，含水率改變了試樣的破壞過程，甚至短時間內減弱了波的傳播，舊裂紋緩慢擴展[20]，在試樣破壞后的150 s后才突然增加。

圖7 氯化鈉溶液中試樣壓力、聲波參數與時間關系Fig.7 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in sodium chloride

3.3 單軸壓縮試驗結果

為對比不同溶液環境下試樣的抗壓強度，現將不同溶液溶蝕后的試樣抗壓強度、彈性模量、泊松比列于表1中。從表中可以看出，氫氧化鈉溶液中浸泡的試樣強度最大，氯化鈉溶液中最小，冰醋酸與純水中試樣處于中間。這與溶蝕質量變化一致。溶蝕質量越多，試樣破壞越嚴重，強度降低的越多。

表1 不同溶液環境下試樣的抗壓強度與變形指標Table 1 Compressive strength and deformation index of specimens under different solution conditions

泊松比大說明試樣受力之后，橫向變形量較縱向變形量要大。泊松比的變化也從一定程度上體現了試樣在溶液中浸泡之后的塑形與脆性的變化。浸泡后試樣的泊松比總體上表現為溶蝕量越大，泊松比越大，試樣塑性越明顯，但氫氧化鈉溶液中浸泡后的試樣不符合這一規律，這是因為在氫氧化鈉溶液中浸泡后生成氫氧化鈣覆蓋在試樣的表面，有所差異。

同時作出單軸壓縮試驗軸向應變-應力關系曲線(圖8)。從中可以看出:在冰酸溶液環境下石膏巖試樣塑性變弱，脆性變強，強度較純水環境下高；在氯化鈉溶液環境下，石膏巖試樣塑性增大，脆性降低，抗剪強度最小，彈性模量最小，破壞在標準純水中的石膏巖試樣破壞之前；在氫氧化鈉溶液中，塑性最強，抗剪強度最高。

圖8 石膏巖試樣應力-應變關系曲線Fig.8 Stress-strain curve of gypsum rock sample

4 討論

通過對表1、圖2及圖8的分析發現，以純水中的石膏巖試樣為參照物，堿溶液環境下的石膏巖試樣溶蝕量較少，在強度試驗量程內試樣沒有破壞，其塑性變強，強度變大，這是由于石膏巖在堿溶液中反應生成Ca(OH)2，反應方程式如下：

在前期，溶液中Ca2+與OH-反應生成Ca(OH)2絡合物，但由于前期Ca2+含量相對較少，反應生成的氫氧化鈣較少，OH-與Na+促進反應的進行，之后隨著反應的進行，生成的氫氧化鈣固體開始增加，包絡在石膏巖試樣表面形成硬質表層，阻止NaOH溶液繼續溶蝕石膏巖，所以在圖3(d)中，試樣表面為絡合物，使試樣強度增加，約9.358 MPa，強度變大，石膏巖在試驗量程范圍內僅有少許的破壞趨勢，沒有發生完整破壞。

在酸溶液中，據吳銀亮[15]、祝艷波等[1]研究發現，石膏巖溶蝕后溶液呈弱酸性，溶液中含有游離的氫根離子，而冰醋酸中游離氫根離子較多，其會抑制石膏的水解，減小其溶蝕量，所以在冰醋酸溶液環境下的石膏巖的溶蝕受到游離的氫根離子的抑制，溶蝕程度低于純水，強度大約為8.656 MPa，較純水中試樣強度有所增大，使試樣脆性更明顯。

在鹽溶液中的石膏巖試樣，曲線較為特殊，強度變得很低，僅為3.311 MPa左右，這是由于溶液中的Na+會降低石膏體硬化體強度[21-22]，使得其表層軟化，溶蝕量增加，強度降低，塑性變強，脆性變弱。

5 結論

(1)不同性質的溶液對石膏巖的影響不同。與純水相比，NaCl溶液增加石膏巖的溶蝕量，冰醋酸減少石膏巖的溶蝕量，氫氧化鈉溶液減少石膏巖的溶蝕量。

(2)與純水中浸泡的試樣相比：浸泡在氫氧化鈉溶液中石膏巖試樣強度變大，塑性變強；經冰醋酸溶液溶蝕后，試樣強度少許增加，塑性變弱，脆性變強；經過氯化鈉溶液溶蝕，試樣強度降低到純水溶蝕后試樣強度的40%，塑性變強，脆性減弱。

(3)不同溶液環境對石膏巖的溶蝕程度不同，溶蝕量越大，內部裂隙越多，聲發射活動主要發生在試驗初始階段，累計發生次數總體增加。

(4)不同溶液環境對石膏巖的溶蝕及軟化作用不同，為了防止工程問題的發生，在工程建設過程中，應注意工程所處的溶液性質，及時做好排水工作，或改變溶液的性質，減少或抑制其溶蝕及軟化，同時應及時做好工程防護措施。