水—巖化學腐蝕損傷作用下紅砂巖蠕變特性試驗研究

孫治國 魯海濤2

（1.甘肅省地礦局第二地質礦產勘查院，甘肅 蘭州 730020；2.甘肅土木工程科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730020）

0 引 言

受賦存環境、人為因素的影響，地下水的化學介質種類、濃度、以及pH值隨時空發生變化，而自然界中的許多巖體存在諸如解理、微裂隙、粒間孔隙、晶格缺陷等內部缺陷，這就容易造成巖體與周圍地下水之間發生各種物理、力學和化學的水巖相互作用，從而使巖體內部微觀結構發生變化，引起力學性質的逐漸劣化，對工程和建筑帶來不利影響。因而，開展水—巖化學腐蝕損傷作用下巖石的力學行為研究具有十分重要的工程實際意義［1-2］。

砂巖是自然界中較為常見的巖石之一，一般情況下，砂巖的強度較高，但其多孔結構極易讓水滲入從而發生水巖化學損傷，使其力學性質劣化。因此，對砂巖開展水—巖化學損傷力學行為的研究意義重大。韓鐵林等［3-6］對砂巖開展了不同化學溶液下的斷裂韌度試驗、三軸壓縮試驗以及凍融損傷試驗，對比分析了砂巖在Na2SO4、NaHCO3、NaOH以及蒸餾水中浸泡不同時間后的力學行為，發現在酸性溶液中，砂巖的水—巖化學作用最明顯；馮曉偉等［7］基于廣義開爾文模型，構建了考慮水化學損傷的砂巖流變損傷本構模型，但是該模型沒有考慮砂巖在長時間水—巖化學作用后的加速蠕變變形特性。紅砂巖作為砂巖中的一種，是當前最常用的建筑和裝飾材料之一，其力學性能也一直受到專家學者的關注。張培森［8］，宋勇軍［9］，杜彬［10］，龔囪［11］，於鑫佳［12］等分別對紅砂巖的滲流特性、低溫流變特性、動態力學特性、蠕變聲發射特性等進行了研究，促進了對紅砂巖力學性質的了解。

巖體的流變性質關系著巖體工程的長期安全與穩定，是巖石的重要力學特性之一，雖然關于紅砂巖流變性質已有一些研究，但關于紅砂巖在水—巖化學損傷作用下的流變試驗，特別是針對不同濃度和pH值溶液腐蝕作用下的流變特性還比較鮮見。因此，本研究設計了不同濃度和pH值Na2SO4溶液化學腐蝕作用下的單軸壓縮和分級加載蠕變試驗。

1 試驗概況

1.1 試驗試件

試驗試件取自甘肅，平均密度為2.25 g/cm3。將取回的大塊紅砂巖采取鉆孔取芯、打磨的方式，加工制成直徑為50 mm、高度為100 mm的標準圓柱形試件，見圖1。試驗前，先通過外觀判定，將視覺差異較大的試件剔除，然后對紅砂巖試件進行孔隙率測試和縱波波速測試，取其中孔隙率和縱波波速較為接近的試件進行試驗研究，對選好的試件進行XRD圖譜分析，得到本次試驗的紅砂巖主要礦物成分包括石英（75%～80%）、長石（8%～12%）、方解石（5%～8%）、菱鐵礦（1%～3%）以及少量的黏土礦物。

1.2 試驗設備

本次試驗所使用的主要試驗儀器和設備包括：RS-ST01C超聲波檢測儀、X射線衍射儀、干燥箱、TFD-2000型巖石力學伺服控制流變試驗系統（最大軸向加載應力為2 000 kN、最大圍壓為100 MPa、壓力室溫度控制誤差為±0.5℃）。

1.3 化學溶液配制

地下水是一種復雜的化學溶液，其成分是隨時空變化而變化的，主要含有鈉離子、鉀離子、鈣離子、鎂離子、硫酸根離子、氯離子、碳酸氫根離子等，同時受賦存環境的影響，地下水pH值變化幅度也較廣，一般而言，地下水pH值介于5～8，但在某些極端情況下，地下水會處于強酸或者強堿狀態，從而對巖體和建筑產生腐蝕作用。試驗過程中，不可能對這些影響因素做到一一研究，故本研究選用最常見的Na2SO4作為地下水的化學腐蝕介質，并通過改變溶液離子濃度和溶液pH值的方式進行對比研究，具體情況為：配制0.01 mol/L和0.1 mol/L兩種濃度的Na2SO4溶液，pH值為3、5、7、9、11。

1.4 試驗方法

主要的試驗過程簡述如下：①將選好的試件放到烘干箱中進行烘干處理（溫度50℃，時間48 h）；②將烘干處理過后的巖樣浸泡在不同濃度和pH值的Na2SO4溶液中，每一種溶液中浸泡試件6個，浸泡時間60 d，浸泡過程為半開放式，并定期對溶液進行攪動；③將浸泡過后的試件取出，再進行烘干處理，測定其孔隙率和縱波波速；④進行單軸壓縮試驗，得到短期力學強度；⑤進行單軸分級加載蠕變試驗，加載應力依次為30 MPa→40 MPa→50 MPa→60 MPa→65 MPa→70 MPa→75 MPa，每一級加載時間為7 d，直至巖樣發生失穩破壞，蠕變試驗過程中保持壓力室溫度為22±0.5℃。

2 水—巖化學腐蝕損傷分析

2.1 孔隙率

試驗得到的浸泡前后紅砂巖試件的孔隙率情況見表1。從表中可以看到：在經過60 d的Na2SO4溶液浸泡后，紅砂巖試件的孔隙率均有不同程度的增加，表明水化學溶液對紅砂巖產生了較為明顯的腐蝕作用；在0.01 mol/L溶液下，pH值在3、5、7、9、11下的孔隙變化率分別為6.99%、3.98%、2.45%、3.63%和5.39%，在0.1 mol/L溶液下，pH值在3、5、7、9、11下的孔隙變化率分別為8.82%、5.03%、3.62%、4.71%和6.92%，相同pH值下，溶液濃度越高，孔隙變化率越大，表明水化學腐蝕性越強，相同濃度下，孔隙變化率由大到小依次為pH3>pH11>pH5>pH9>pH7（酸性溶液＞堿性溶液＞弱酸性溶液＞弱堿性溶液＞中性溶液），表明紅砂巖對酸性溶液更加敏感，對堿性溶液次之，對中性溶液的敏感性最小。紅砂巖在酸性Na2SO4溶液浸泡過程中，方解石、長石等容易與氫離子發生化學反應，生成易溶于水的物質，而在堿性環境下，方解石等成分不易溶解，僅石英與水發生少量的水解反應，在中性條件下時，主要以石英和長石等成分的溶解作用為主，硫酸根離子對試件內部的侵蝕作用較弱，因而其孔隙變化率最低。

2.2 聲波速率

試驗得到的浸泡前后紅砂巖試件的縱波波速情況見表2。從表中可以看到：在經過60 d的Na2SO4溶液浸泡后，紅砂巖試件的聲波速度均有不同程度的降低，當紅砂巖處于不同水—巖化學腐蝕作用下時，Na2SO4溶液作為一種強電解質，由于鹽效應，其含有的硫酸根離子會使試件內部的孔隙水壓力增大，從而導致試件內部結構的破壞，使得侵蝕作用向試件內部擴展，這種侵蝕作用會隨著硫酸根離子濃度的增大而逐漸增強，直至試件內部結構被完全破壞。由于聲波速度與試件的密度和結構完整性有關，因此，聲波速度的降幅變化情況從大到小也為：pH3>pH11>pH5>pH9>pH7。

2.3 水—巖化學損傷

表征巖體損傷變量的方法有很多，如密度、孔隙率、超聲波波速等，本研究利用超聲波波速對水化學腐蝕前后的紅砂巖損傷進行定量表達：

式中，D0為水—巖化學損傷值；V0為初始縱波波速，m/s；Vw為水—巖化學腐蝕后縱波波速，m/s。

計算得到的不同水—巖化學腐蝕作用下的紅砂巖損傷情況見圖2。從圖中可以看到：隨著pH值的增加，水—巖化學損傷值呈先減小后增大的變化特征，即隨著酸堿性的弱化，化學損傷量逐漸減小；相同pH值時，化學溶液的濃度越高，紅砂巖的水—巖化學腐蝕損傷量越大；在水—巖化學作用下，紅砂巖內部的礦物成分、顆粒大小及膠結情況、內部孔隙、裂隙形態等均發生明顯變化，特別是CaCO3（方解石）、KAlSiO8（長石）等礦物成分通過化學反應和水解作用溶解于水后，在試件內部形成較多的孔隙和裂隙，導致紅砂巖的密度減小、孔隙率增大，完整性降低，從而影響聲波在試件中的傳導性，因而浸泡后的聲波速度顯著降低，進而表現為化學損傷量的增加。

3 單軸壓縮試驗

試驗得到不同水—巖化學腐蝕作用后紅砂巖的單軸壓縮應力—應變曲線特征見圖3。從圖中可以看到：紅砂巖的應力—應變曲線可分為4個階段：壓密階段、彈性變形階段、屈服塑性變形階段和破壞及殘余變形階段。自然狀態下，紅砂巖的壓密階段并不明顯，而經過水—巖化學腐蝕作用后，紅砂巖的壓密階段比較明顯，這主要是因為水—巖化學腐蝕作用后，紅砂巖試件內部產生了大量新的微孔隙和微裂隙，導致試件孔隙率增大，因此在初始應力作用下，原始微孔隙、微裂隙以及化學作用產生的微孔隙和微裂隙首先閉合，當這些孔隙、裂隙閉合完成后，試件內部結構和應力逐漸趨于一個平衡狀態，試件進入彈性應變階段，應力隨應變的增加基本呈線性增長，這一階段直線斜率為試件的平均彈性模量。從圖中可知，彈性模量大小排序為：自然狀態>pH3>pH11>pH5>pH9>pH7；當試件內部結構不能維持應力平衡時，試件逐漸進入屈服變形階段（剪脹損傷），且酸堿性越強，試件越早進入屈服變形，塑性變形特征也越明顯；當試件內部因應力損傷達到一定量（損傷閾值）后，試件發生失穩破壞，但失穩破壞方式不盡相同。在自然狀態下，試件表現為脆性破壞特征，在中性和弱酸堿性腐蝕作用后，試件表現為脆—延性特征，在強酸和強堿性腐蝕作用后，試件的延性破壞特征十分明顯，這主要是因為在浸泡過程中，砂巖原有顆粒之間的膠結聯結力和分子化學鍵被破壞，使得在應力加載過程中能夠積聚的能量較小，因而在斷裂瞬間釋放的能量較小，故而表現為脆性向延性轉化的破壞特征。

不同水—巖腐蝕作用后的紅砂巖峰值應力情況見圖4。在自然狀態下，紅砂巖的峰值應力為95 MPa，但經過60 d的水—巖化學腐蝕作用過后，紅砂巖的力學性質遭到不同程度的損傷劣化，在0.01 mol/L溶液中，pH值在3、5、7、9、11下的峰值應力分別為70.5 MPa、76.4 MPa、85 MPa、78.7 MPa以及72.3 MPa，分別較自然狀態紅砂巖降低25.8%、19.6%、10.5%、17.2%和23.9%，在0.1 mol/L溶液中，pH值在3、5、7、9、11下的峰值應力分別為63 MPa、72 MPa、81.1 MPa、75 MPa以及68 MPa，分別較自然狀態紅砂巖降低33.7%、24.2%、14.7%、21.1%和28.4%。

4 蠕變試驗結果

4.1 蠕變時間—應變曲線

分級加載下不同水—巖化學腐蝕作用后的紅砂巖蠕變時間—應變曲線特征見圖5。從圖中可以看到：不同巖樣在蠕變失穩破壞之前均表現出衰減蠕變和穩定蠕變兩個階段，而在破壞應力水平下，除了上述兩個階段，還表現出較為明顯的加速蠕變特征，且酸堿性越強，加速蠕變特征越明顯。在自然狀態下，紅砂巖歷經7次應力加載才發生蠕變失穩破壞，對應的蠕變破壞應力為75 MPa；而在0.01 mol/L溶液浸泡下，pH值在3、5、7、9、11下的蠕變破壞應變分別為65 MPa、65 MPa、70 MPa、65 MPa和65 MPa，除了中性溶液是在第六級發生蠕變失穩破壞外，其余均在第五級應力發生失穩破壞；在0.1 mol/L溶液浸泡下，pH值在 3、5、7、9、11下的蠕變破壞應變分別為 60 MPa、60 MPa、65 MPa、65 MPa和60 MPa，除了中性溶液和弱堿性溶液（pH=9）是在第五級發生蠕變失穩破壞外，其余均在第四級應力發生失穩破壞；可見，化學溶液濃度越高、酸堿性越強，對紅砂巖的腐蝕損傷作用越明顯，試件蠕變變形特征越明顯，加速了試件進入失穩破壞階段。

4.2 穩態蠕變率

試驗得到的不同應力水平下穩態蠕變率變化特征見圖6。從圖中可以看到：在低應力水平下，紅砂巖的穩態蠕變率較低，隨著應力水平的提高，紅砂巖逐漸由硬化作用向損傷作用發展，穩態蠕變速率逐漸增大，當蠕變損傷量達到一定大小后，穩態蠕變率迅速增加，試件很快便發生失穩破壞；隨著應力水平的提高，穩態蠕變率呈冪函數型增長，相同應力水平下，酸堿性越強，試件的水—巖化學腐蝕損傷越大，顆粒之間的膠結聯結力越弱，蠕變變形越明顯，因而穩態蠕變速率也越高。

4.3 長期強度

關于長期強度的求取方法有很多，如等時應力—應變曲線法、穩態蠕變率法、體積膨脹率法等，但最常用的是等時應力—應變曲線法。等時應力—應變曲線法是利用不同應力水平下相同時間點對應的應變—應力關系曲線簇的拐點來預測巖石的長期強度，從而可以獲得不同水—巖化學腐蝕作用下紅砂巖的長期強度，見圖7。從圖中可以看到：在0.01 mol/L濃度下，pH 值在 3、5、7、9、11下的長期強度分別為 47 MPa、50 MPa、55 MPa、52 MPa和49 MPa，分別為短期強度的66.7%、65.4%、64.7%、66% 和 67.8%；在0.1 mol/L濃度下，pH值在3、5、7、9、11下的長期強度分別為44 MPa、48 MPa、51 MPa、50 MPa和46 MPa，分別為短期強度的 69.8%、66.7%、63%、66.7%和67.6%，紅砂巖在化學腐蝕作用下的長期強度僅為短期強度的60%～70%。

4.4 考慮水—巖化學損傷的蠕變本構模型

由于水—巖化學腐蝕作用對紅砂巖內部微觀結構產生較為明顯的劣化損傷，使得紅砂巖具有黏彈塑性特征，為了更好地反映紅砂巖的加速蠕變變化特征，采用文獻［14］提出的分數階蠕變模型來描述紅砂巖在水—巖化學腐蝕作用后的流變特征。該模型建立的分數階蠕變模型包括胡克體εe、黏彈性體εve和黏塑性體εvp，并認為總應變ε=εe+εve+εvp，那么紅砂巖的蠕變模型可表示為

式中，σ為應力水平，MPa；σs為長期強度，MPa；E0為彈性模量，GPa；η0、η1為粘滯性系數；ta為蠕變加速時間點；t為蠕變時間，d；Γ(β+1)、Γ(γ+1)為Gamma函數；β、γ為求導階數；εa為蠕變加速時間點對應的蠕變應變量。

大量的研究表明，當加載應力小于長期強度時，巖石只會發生硬化作用，粘滯性系數是隨蠕變時間的增加而增大的，而當加載應力超過長期強度后，就會發生硬化與損傷雙重作用。隨著蠕變試驗的進行，損傷作用會逐漸超過硬化作用，從而導致試件內部的損傷累積，當這一損傷累積量達到蠕變損傷閾值后，試件就會發生失穩破壞。因此，粘滯性系數應該是隨蠕變試驗進行而逐漸變化的，根據前人研究成果，在加速蠕變前后的粘滯性系數滿足如下關系：

根據上文分析：穩態蠕變率與應力水平呈冪函數關系，即有：

通過式（4）可以計算得到每一個pH值對應的應力敏感性常數n，然后可以繪制得到應力敏感性常數n與pH的關系，見圖8。從圖8中可以看到：應力敏感性常數n與pH之間呈良好的線性關系，即有：

式中，a，b為計算常數；λ為pH值。

將式（5）代入式（3），可得：

再將式（6）代入式（2），即可得到水—巖化學腐蝕作用下紅砂巖分數階蠕變本構模型，該模型可對不同pH值Na2SO4溶液化學腐蝕作用下紅砂巖的蠕變變形進行預測，即：

針對本項目提出的考慮化學損傷的分數階本構模型，隨機選取0.01 mol/L、pH=3以及0.1 mol/L、pH=11兩組試驗的最后一級數據，采用最小二乘法對其進行擬合分析并與試驗數據對比，結果見圖9。從圖中可以看到：蠕變試驗數據與理論模型的擬合數據吻合度較高，其相關系數R2均大于0.90，能夠較好地模擬不同水—巖腐蝕損傷作用下紅砂巖的非線性蠕變力學特征，表明本研究所建立的考慮水—巖化學損傷的蠕變本構模型合理，可用于不同濃度和pH值化學腐蝕作用下巖石的蠕變變形預測。

5 結 論

巖體處于復雜的地下水環境中時，其力學性能受到水—巖化學腐蝕作用會逐漸減弱，對于工程和建筑安全帶來不利影響，由于試驗條件有限，本項目僅對不同濃度和pH值Na2SO4溶液化學腐蝕作用下紅砂巖蠕變力學損傷行為進行了試驗研究，以此為例來對比分析了化學介質濃度和酸堿度對紅砂巖力學行為的影響，得出如下結論：

（1）紅砂巖中方解石、長石等物質在酸堿性溶液中易發生化學反應，生成溶于水的物質，從而造成試件內部孔隙率增大、完整性降低、聲波速率減小；酸堿性越強、濃度越高，紅砂巖的水—巖化學腐蝕損傷量越大，具體表現為：酸性溶液＞堿性溶液＞弱酸性溶液＞弱堿性溶液＞中性溶液。

（2）經水—巖化學腐蝕作用后，單軸峰值應力較自然狀態下的紅砂巖最大可降低30%以上，紅砂巖的變形破壞特征也逐漸從脆性向延性轉變，酸堿性越強，濃度越高，試件的塑性變形破壞和加速蠕變變形特性越明顯。

（3）穩態蠕變率與加載應力呈冪函數型變化特征，紅砂巖在化學腐蝕作用下的長期強度僅為短期強度的60%～70%。

（4）根據試驗結果，在分數階蠕變本構模型基礎上，建立考慮水—巖化學損傷的蠕變本構模型，通過模擬分析，驗證了該模型的合理性和可行性，可用于不同濃度和pH值化學腐蝕作用下巖石的蠕變變形預測。

（5）為更貼近地下水賦存的真實狀態，對于復雜混合溶液環境下水—巖化學腐蝕損傷力學行為研究將在今后逐步開展。