酸性溶液對花崗巖力學特性及微觀結構的影響

田洪義， 王 華, 2， 司景釗

(1. 中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 廣東省隧道結構智能監控與維護企業重點實驗室， 廣東 廣州 511458； 3. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，高速鐵路的建設如火如荼，長大深埋隧道數量逐年增加[1]。在隧道開挖過程中，復雜的地質環境問題往往會給施工帶來較大風險，其中，地下水因素是長大深埋隧道開挖所面臨的重大難題[2-3]。水對巖石礦物的選擇性優先溶解，使得造巖礦物的結構不規則瓦解形成黏土礦物，且其中一部分元素隨地下水的運移而遷出，使得礦物與水的反應始終處于遠離平衡態的穩定反應中，原生礦物不斷被溶解遷出，最終導致巖石組成礦物發生改變，巖石內部產生溶蝕孔洞，裂隙開度增加，巖石的物理力學特性發生改變[4-5]。另外，在隧道工程施工過程中難免會對當地水資源造成一定程度的污染，致使施工區地下水的pH值逐漸轉變為弱酸性，酸性溶液對巖體不僅會產生更加強烈的潛蝕及融蝕作用，而且對巖體宏觀物理結構產生更為嚴重的化學腐蝕，導致巖體的整體性劣化、微細觀結構被破壞，進而改變了其宏觀力學性質。可見，分析酸性溶液環境下巖石物理力學特性有著較為顯著的實際工程意義。

目前，對于水化學環境下巖石力學特性的研究已有顯著成果。Haneef等[6]利用電鏡掃描(SEM)和X射線衍射試驗分析了酸性溶液對不同巖石的腐蝕情況。Chen等[7]研究了閃長巖經不同水化學溶液處理49 d過程中，在不同時間節點試件的質量、尺寸及單軸抗壓強度的變化，從中得出隨著溶液pH值的減小，試件的質量、尺寸和單軸抗壓強度降幅增大，但隨著時間的推移損傷速度呈現先增后減的趨勢，并最終趨于穩定；微觀上，pH值越小，試件內部顆粒間隙越大，部分孔隙相連、貫通形成“溶洞”，促進微裂隙發育。湯連生等[8]通過對比花崗巖試件在不同溶液作用后的單軸抗壓試驗結果得出，經水化學溶液處理過的花崗石試件，其單軸抗壓強度會有不同程度的降低，但到一定時間后衰減速率變緩，說明水化學溶液對花崗巖試件的劣化作用存在一定的時效性。申林方等[9]發現花崗巖在恒定三軸應力與酸性溶液滲透壓共同作用下，其側向蠕變速率勻速增加;另外，在掃描電鏡的觀測下發現，試件表面由于長石、石英溶蝕出現孔洞，說明酸性溶液對花崗巖試件有軟化效果，且對試件表面及礦物組成有較強的改造作用。苗勝軍等[10-11]通過對酸化處理過的花崗巖試件進行單軸、三軸壓縮試驗發現，花崗巖試件的強度隨溶液pH值的減小而減小；在相同酸性溶液作用下，液體的流速越快，試件的劣化程度越高。王宏偉等[12]通過對酸性溶液作用后的花崗巖試件進行三軸壓縮試驗發現，試件力學性質劣化程度隨pH值的減小而增大，且水溶液中Ca2+、Na+等離子物質的量濃度隨pH值的降低而增大，進而得出溶液的初始pH值是影響巖石損傷的重要因素。馬濤等[13]通過對酸性溶液侵蝕下的灰巖與方解石進行溶解動力學試驗及力學試驗發現，巖石溶解階段分為酸巖反應與水解反應2階段，且隨著浸泡時間延長，溶液中離子物質的量濃度以冪函數形式增長，單軸抗壓強度以冪函數形式下降。俞縉等[14]通過將砂巖經水化學溶液處理后發現，砂巖強度和變形參數均有不同程度的劣化，酸性溶液作用下現象更為明顯，內部孔隙尺寸在酸性溶液中增幅最大。周倩等[15]通過對浸泡于不同酸性溶液中的花崗巖試件進行單軸壓縮試驗、掃描電鏡試驗以及X射線衍射試驗發現，在酸性溶液作用下花崗巖試件的晶體顆粒遭溶蝕，形狀發生變化且晶體間連接力弱化，致使試件物理力學性質劣化。

綜上所述，目前的研究主要從不同化學溶液影響巖石宏觀力學特征的角度出發，忽視了地下水對隧道圍巖的長時間侵蝕軟化。與此同時，關于從微細觀角度對水巖腐蝕機制的研究較少。本文通過在高黎貢山隧道的現場調查和文獻調研[16]，發現富水區圍巖長期處于三向應力條件下，同時流動的弱酸性地下水不斷劣化圍巖力學性質。為了給高黎貢山隧道施工中圍巖的加固方案提供指導，本文以隧址區花崗巖為研究對象，設計長期浸泡試驗，并針對隧道圍巖長期所受圍壓進行三軸壓縮試驗設計；同時利用電鏡掃描試驗、核磁共振試驗及XRD衍射試驗等從微細觀角度揭示了化學動力反應過程中巖體力學性能劣化的機制。

1 試驗方法

1.1 試件準備

本次試驗的花崗巖取自高黎貢山隧道，通過鉆孔取芯的方式對現場采集到的原巖進行取樣，再通過切割和打磨等工序，最終制成50 mm×100 mm(直徑×高度)的標準試件[17]。采用AiniMR-60核磁共振分析儀對試件進行孔隙率測試，得到試件平均孔隙率為3.57%。由X射線衍射試驗可知，該批試件主要成分為石英、斜長石、方解石及云母等(考慮到斜長石的成分在鈉長石、鉀長石之間成連續系列，因此，文中鈉長石與鉀長石統稱為斜長石)。XRD衍射圖如圖1所示。

圖1 XRD衍射圖

1.2 溶液配置

為了解酸性溶液對花崗巖試件造成的損傷，遵循適當提高反應物物質的量濃度、縮短反應時間來加速試驗進程的原則[18]，結合實驗室分析得出的隧址區地下水中主要陰、陽離子分別為SO42-、Cl-以及Na+、H+的結果[19]，配置3種不同pH值的Na2SO4化學溶液，如表1所示。溶液配置的具體步驟： 取一定量濃鹽酸，加蒸餾水攪拌稀釋至0.01 mol·L-1，再加入蒸餾水并加入適量Na2SO4充分攪拌，稀釋至表1中所需溶液物質的量濃度。

表1 化學溶液配置

1.3 試驗方案

首先，將花崗巖試件放置于烘干箱內烘干12 h，結束后將試件置于干燥環境自然冷卻至室溫備用；然后，將試件分組浸泡于不同pH值的水化學溶液中飽和72 d，取出擦拭干凈后采用MTS-815巖石力學試驗系統(如圖2所示)進行常規三軸壓縮試驗、X射線衍射試驗及核磁共振試驗[20-22]。

圖2 MTS-815巖石力學試驗系統

常規三軸壓縮試驗試件受力方式為σ1>σ2=σ3，其中，圍壓σ2、σ3與試件軸線垂直。本次試驗中設有3種圍壓，分別為10 MPa、20 MPa和30 MPa。試驗過程中，軸向荷載以0.1 kN/s的速率對試件施壓至預加載值1 MPa，接著側向圍壓以0.2 MPa/s的速率對試件施壓至預定值，之后再以0.2 kN/s的速率進行軸向加載直至試件破壞。試驗結束后通過數據處理得出應力-應變曲線，并依此對試件進行單軸、三軸壓縮試驗下的強度及變形特征分析，得出試件基本力學參數變化以及試件的變形破壞特征。

2 花崗巖試件力學特性分析

2.1 應力-應變曲線分析

圖3示出試驗中具有代表性的偏應力-應變曲線。

圖3 典型偏應力-應變曲線

結合趙延林等[23]和黃彥華等[24]的相關研究可知，偏應力-應變變化曲線主要分為5個階段： 1)原生孔隙裂隙閉合階段，該階段受圍壓影響較為顯著； 2)彈性變形階段； 3)裂紋萌生與裂紋穩定發展階段，該階段中巖石內部出現新生裂紋并隨著軸壓的增加而穩定發展； 4)裂紋非穩定擴展階段，該階段巖石內部出現貫通裂紋，且進入該階段應力閾值為試件的擴容起始應力，體積擴容現象產生，隨著軸壓的進一步增加，達到峰值偏應力后試件破壞，宏觀裂紋出現； 5)峰后階段，該階段應力下降明顯，呈脆性破壞特征，由于圍壓存在約束作用，所以試件仍有一定的殘余強度。部分試件在偏應力-應變曲線跌落后應力仍出現小幅上升趨勢，這是因為試驗所用MTS-815巖石力學試驗系統的峰后保持系統可靠。在峰后，軸壓降低但圍壓保持不變，在圍壓持續作用下，試件破裂面摩擦咬合，當破裂面抗剪強度高于試件承載的軸向應力時，隨著應變的增加應力呈現小幅增加，直至達到試件的破裂面抗剪強度。偏應力-應變曲線中裂紋非穩定擴展階段則主要分為2個階段，即體積壓縮階段和體積擴容階段。體積壓縮階段試件體積隨應力增加而減小，而當應力達到擴容起始應力點時試件進入擴容階段，曲線向左偏轉。

在圍壓較大的條件下，在試件宏觀裂紋出現后，包裹巖石試件的熱塑管易發生破裂，導致液壓油滲入試件。滲入的液壓油除了產生潤滑作用外，還會導致破裂面的法向強度減小，進而造成殘余強度減小[24]。為此文中不分析殘余強度的變化規律。

圖4為試件在不同環境下處理72 d后的三軸壓縮偏應力-應變曲線。從圖中可以看出： 試件的三軸偏應力峰值強度隨圍壓的增加而顯著增大，但在同等圍壓作用下，酸性溶液使得試件三軸偏應力峰值強度減小。以圍壓σ3=20 MPa為例，經pH=7的溶液浸泡后試件的偏應力峰值強度較干燥狀態試件降幅最小，減小了8.99%；經pH=5的酸性溶液浸泡后試件的偏應力峰值強度降至147.963 MPa，減小了26.02%；而經pH=3的酸性溶液浸泡后試件偏應力峰值強度劣化程度最大，降幅達39.94%。經相同酸性溶液作用后的試件(以經pH=5的酸性溶液作用后的試件為例)，隨著圍壓σ3由10 MPa增至30 MPa，偏應力峰值強度由133.472 MPa增至160.977 MPa，增幅達20.61%。

(a) 圍壓10 MPa

(b) 圍壓20 MPa

(c) 圍壓30 MPa

2.2 強度特征

自然干燥狀態和酸化后試件的三軸抗壓強度與圍壓的關系如圖5所示。

圖5 試件三軸抗壓強度與圍壓的關系

由圖5可知，較自然干燥狀態而言，酸化后的試件三軸抗壓強度均有不同程度的降低，這說明酸性溶液作用對試件有較大的初始損傷。

從圖5中三軸抗壓強度與圍壓的關系可知，當處理環境相同時，隨著圍壓的增大，試樣的三軸抗壓強度增大。三軸抗壓強度σ1與圍壓σ3的關系可用線性方程擬合，如式(1)所示。

(1)

由式(1)可知，線性相關系數R2均近似等于1。這說明試件三軸抗壓強度與圍壓呈現良好的正線性相關關系。由擬合關系式的斜率可知，不同環境處理過的試件三軸抗壓強度對圍壓的敏感度不同。總體上來看，自然干燥狀態下試件三軸抗壓強度對圍壓的敏感度最高，而酸性溶液環境中試件的三軸壓縮強度敏感度隨溶液pH值的減小而減小。

黏聚力c與內摩擦角φ是探究巖石強度的重要參數。由式(1)中的線性擬合關系式可知，三軸抗壓強度與圍壓呈現良好的線性關系，因此其破壞符合摩爾-庫侖強度準則。結合式(2)和式(3)[11]，可求得不同條件下巖石試件的黏聚力c和內摩擦角φ，結果見圖6。

(2)

(3)

式(2)—(3)中：φ為巖石內摩擦角；k為式(1)中擬合方程的斜率；c為巖石黏聚力；b為圖5中縱坐標應力截距。

圖6 不同處理方式下試件的黏聚力及內摩擦角

由圖6可知： 1)不同水化學溶液浸泡后的花崗巖試件黏聚力均出現不同程度的下降，其中，經pH=3的酸性溶液浸泡后，花崗巖試件黏聚力下降幅度最大，由47.588 MPa減至30.794 MPa，減小了35.29%，說明酸性溶液對花崗巖試件的黏聚力有顯著的影響。2)相比于黏聚力，酸性溶液對試件的內摩擦角作用效果不是很明顯，經3種溶液浸泡后，試件的內摩擦角較自然干燥狀態下分別降低了18.01%、18.09%、19.87%。

由此可知，花崗巖試件的黏聚力對酸性溶液的敏感度要遠高于內摩擦角對酸性溶液的敏感程度。這也可以認為，巖石的黏聚力主要受巖石裂隙結構的影響，而內摩擦角的變化主要取決于巖石的含水量，對巖石試件裂隙結構的敏感度較低。

由偏應力-應變曲線可得試件裂紋損傷閾值σcd，損傷閾值在試件體積應變上表現為體積壓縮最大值。圖7為不同處理方式下花崗巖試件的損傷閾值與圍壓之間的關系曲線。從圖中可知，隨著圍壓的增大，經不同方式處理過的試件損傷閾值均呈現線性增大趨勢；而在相同圍壓作用下，溶液的pH值越小，其損傷閾值越小。

2.3 變形特征

彈性模量E和泊松比μ是表征巖石力學變形特性的重要參數，常用式(4)和式(5)進行計算[11]。

E=(σB-σA)/(εhB-εhA)。

(4)

μ=(εdB-εdA)/(εhB-εhA)。

(5)

式(4)—(5)中：σA、σB分別代表應力-應變曲線近似直線部分起點A與終點B的應力值，MPa；εhA、εdA及εhB、εdB分別代表A點與B點對應的軸向應變與徑向應變。

圖7 試件損傷閾值與圍壓的關系曲線

彈性模量能夠較為準確地反映花崗巖在水化學溶液作用后的軸向變形特征。泊松比易受到試驗條件和方式的影響，所以試驗過程中要確保試驗條件的一致性。

圖8為不同處理條件下花崗巖試件的彈性模量和泊松比與圍壓的關系。從圖8(a)中可知： 花崗巖試件的彈性模量隨圍壓的增大以線性形式增大；在恒定圍壓作用下，溶液的pH值越小，試件的彈性模量越小。以20 MPa圍壓作用為例，pH=7、pH=5、pH=3溶液作用下試件的彈性模量分別為16.86 GPa、15.42 GPa和12.59 GPa，較自然干燥狀態下分別減小了11.705%、19.23%和34.06%；而在相同酸性溶液作用下，彈性模量隨著圍壓的增大而增大，例如： 經pH=5的酸性溶液浸泡后，試件彈性模量由13.84 GPa(σ3=10 MPa)增至16.08 GPa(σ3=30 MPa)，增幅為16.16%。

從圖8(b)中可以看出： 1)泊松比對水化學環境也較為敏感，相較于自然干燥狀態下的試件，在圍壓恒定的條件下，不同酸性溶液作用下的花崗巖試件泊松比均有不同程度的增大，且溶液pH值越小，泊松比增幅越大，以20 MPa圍壓作用為例，pH=7、pH=5、pH=3溶液作用下試件泊松比分別增至0.231、0.249和0.272，相較于自然干燥狀態分別增長了10.01%、18.57%和29.52%； 2)在相同處理條件下，泊松比隨著圍壓的增大而增大。

(a) 彈性模量

3 酸性溶液作用下花崗巖試件損傷機制

3.1 花崗巖試件孔隙半徑及孔隙率變化

通過核磁共振檢測技術對巖石孔隙率進行測定，利用水的原子核在外加靜磁場下被極化產生的弛豫時間T2與飽和巖樣孔隙體積的對應關系進行分析。弛豫時間越短孔隙率越小，反之孔隙率越大。通過式(6)和式(7)[25-26]可將T2轉化為孔隙半徑，由此可得試件孔隙半徑的分布圖。水化學溶液作用前后試件的孔徑分布及孔隙率變化如圖9所示。

(6)

令1/ρFs=C，則式(6)轉換為

T2=Cr。

(7)

式(6)—(7)中：r為孔隙半徑，μm；T2為弛豫時間，ms；Fs為幾何形狀因子；ρ為表面弛豫強度，μm·ms-1；C為轉換系數，為方便計算，本文取10[26]。

為了能夠直觀地說明孔隙變化情況，定義孔徑小于0.2 μm的為小孔隙；孔徑為0.2 ～4.5 μm的為中等孔隙；孔徑大于4.5 μm的為大孔隙。從圖9可以看出： 1)自然干燥狀態下試件的T2譜波峰對應的孔隙半徑在0.08 μm左右，這說明自然干燥狀態下試件孔隙以小孔隙為主，部分為中孔隙，極少為大孔隙； 2)在pH=7的溶液中浸泡72 d后，花崗巖試件T2譜波峰略微向右平移，有少許大孔隙產生； 3)在pH=5的酸性溶液中浸泡72 d后，花崗巖試件T2譜波峰對應的孔隙半徑在0.2 μm左右，說明在pH=5的酸性溶液作用下，試件內部孔徑擴展、貫通，使得中孔隙及大孔隙數量增加，致使試件在2 μm左右有第2峰值產生的趨勢，大孔隙占比較自然干燥狀態試件有較大幅度的上升； 4)經pH=3酸性溶液作用后，試件T2譜波峰對應的孔隙半徑在0.35 μm左右，同時0.61 μm左右又有第2波峰產生，進而形成以中孔隙為主、大孔隙為輔的分布情況。

(a) 孔徑分布

(b) 孔隙率

結合圖9來看，pH=7的溶液對試件的孔隙數量、孔隙大小影響較小，其孔隙率相對于自然干燥狀態下的試件變化幅度相對較小，為6.03%；而酸性較強的水化學溶液對試件孔隙數量、孔隙大小的影響較大，其中，pH=3的酸性溶液作用下試件孔隙率較自然干燥狀態增加了41.81%。這說明酸性水化學溶液的水解、溶蝕作用對花崗巖試件孔隙增加、孔徑擴展的影響隨溶液pH值的減小而增大。

3.2 花崗巖試件與酸性溶液化學反應機制

在酸性水化學溶液作用下，花崗巖組成礦物與溶液發生礦物離子與溶液離子交換的化學反應。由圖1可知，花崗巖的主要成分為石英、方解石、斜長石和云母等。其中，斜長石和方解石更易于與酸性溶液反應。

為探究酸性溶液對花崗巖試件微觀組成成分的影響以及物理屬性的變化，利用XRD試驗對不同方式處理后的花崗巖試件的礦物組成成分進行測定，各礦物成分質量分數見表2。

表2 不同方式處理后的花崗巖試件主要礦物成分質量分數

圖10為不同水化學溶液作用花崗巖試件72 d后的XRD衍射圖。結合表2和圖10可知，在pH=5和pH=3的酸性溶液作用下，花崗巖試件中的斜長石質量分數明顯減小，方解石完全被侵蝕，并且在反應過程中伴有新礦物——微斜長石的產生；石英和云母與酸性溶液反應較弱，消耗較少，質量分數有一定程度的增加。酸性水溶液使試件的微觀礦物組成產生了明顯改變，但在pH=7的溶液環境下，其礦物組成成分質量分數只有些許變化。

相關化學反應方程式如下：

KAlSi3O8+4H+→Al3++3SiO2+2H2O+K+。

(8)

NaAlSi3O8+4H+→Al3++3SiO2+2H2O+Na+。

(9)

CaCO3+2H+→Ca2++H2O+CO2↑。

(10)

3.3 花崗巖試件微觀變化

圖11為花崗巖試件在水化學溶液中浸泡72 d前后，通過電鏡掃描儀放大1 000倍的微觀電鏡圖。由圖可知： 1)自然干燥狀態下，試件內部結構無明顯裂隙與孔洞，礦物間膠結緊密，表面附著些許碎屑； 2)在pH=7的水化學溶液作用下的試件，部分親水化合物溶于水，同時部分礦物與水化學溶液發生反應，礦物之間間隙有些許增大，表面碎屑量略微增加； 3)經pH=5的水化學溶液酸化侵蝕后的試件，礦物之間間隙增大，孔隙尺寸增大，部分孔隙相連，致使內部微裂隙發育，此外，表面散布較多尺寸不一的巖石碎屑； 4)經pH=3的酸性溶液浸泡后的試件，孔隙數量增加，中、大孔隙占比增加，孔隙間距進一步增大，孔徑擴張，原礦物間的膠結結構破壞嚴重，顆粒間黏結松散，微裂隙發育良好，表面有大量顆粒狀碎石屑。這對3.1節中的孔隙率變化規律有了較好的驗證。

(a) pH=3

(b) pH=5

(c) pH=7

(d) 自然干燥

(a) 自然干燥

(b) pH=7

(c) pH=5

(d) pH=3

結合酸性溶液對花崗巖試件組成成分、孔徑、孔隙率和微細觀的影響，可以得出： 酸性水化學溶液作用下，花崗巖試件內部礦物顆粒與溶液中離子發生化學反應，導致試件內部顆粒骨架力學性質損傷；此外，部分反應物隨著溶液從試件中析出，導致試件內部孔隙增多、增大，微裂隙發育，巖石內部顆粒的結構、大小、形狀及其微細觀結構發生改變，使得巖石試件的力學特性發生改變。從物理角度來看，酸性溶液對試件的溶解作用致使試件內部顆粒連接力減弱，顆粒及微裂隙間摩擦力減小，孔隙水壓力降低了試件內部顆粒間的壓應力，進而微孔隙產生劈裂效應，導致試件產生強度損傷劣化效應。

4 結論與討論

1)受到酸性溶液浸泡后，花崗巖試件的三軸抗壓強度、損傷閾值強度以及彈性模量均呈現不同程度的減小，且均隨溶液pH值的降低而減小，但泊松比隨pH值的降低而增大；此外，圍壓對花崗巖的偏應力峰值強度以及變形參數也有著較大的影響，具體表現為隨著圍壓的增加而增大。

2)酸性水化學溶液和圍壓對花崗巖試件的內摩擦角和黏聚力有不同程度的影響。相對于黏聚力而言，內摩擦角對水化學溶液pH值的敏感度較低。

3)由掃描電鏡、XRD衍射譜分析結果顯示，在不同酸性溶液作用下，花崗巖試件的微觀結構、缺陷形態和礦物成分質量分數等均會發生改變；酸性溶液的pH值是影響侵蝕程度的重要因素。

4)酸性溶液作用下，花崗巖試件孔徑分布隨著溶液pH值減小，逐漸從“以小孔隙為主、中孔隙為輔”轉變為“以中孔隙為主、大孔隙為輔”，進而導致試件孔隙率上升。

本研究在一定程度上分析了高黎貢山隧道地下水對花崗巖的損傷機制，但實際工程中地下水條件更為復雜，因此還需進一步細化研究。此外，高黎貢山隧道所跨地段中有長期受到水-熱共同作用地段，而本文并沒有涉及地熱條件對水-力耦合作用的影響，所以需進一步對水-熱-力共同作用下隧道圍巖力學的損傷機制進行研究。同時，依據隧道圍巖在水-熱-力共同作用下的損傷機制選擇相應的防護措施，來避免工程災害所帶來的負面效應。