酸性溶液作用下砂巖損傷時效特性機制分析

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

在隧道建設、煤炭開采及道路橋梁建設等巖土工程中，往往需要考慮自然條件在工程中的影響，其中地下水是最活躍的因素之一[1]。如高黎貢山隧道在富水區建設過程中，由于地下水的活躍作用，面臨著突水和突泥等災害情況[2-4]。這是因為地下水在運移過程中一方面能夠使圍巖介質產生軟化、泥化、潤滑及沖刷運移等物理作用，另一方面又會不斷與巖石發生溶解、水解以及離子交換等化學作用，致使圍巖體礦物組成、微觀結構及物理屬性等發生變化，進而改變圍巖宏觀力學性質[5]。

近年來，國內外專家學者針對水化學溶液對不同巖石的微觀結構和力學特性的影響進行了一系列研究。如: Haneef等[6]利用電鏡掃描(SEM)和XRD衍射試驗分析了酸性溶液對不同巖石的腐蝕情況，得出酸性溶液對巖石具有腐蝕作用；Feucht等[7]通過相關力學試驗分析了砂巖在不同水化學溶液作用下其抗剪、摩擦等強度特性的變化規律；陳四利等[8]分析巖石試件在水化作用后的微觀變化特性，通過三軸壓縮試驗得出了水化學溶液作用下巖石動態破裂特性；丁梧秀等[9-10]分析在水化學溶液作用后灰巖參數變化及強度變化，并以孔隙率變化為基礎建立巖石化學損傷測量參數的方法；劉杰等[11]通過分析不同pH值酸性溶液對砂巖的影響，得出能使用強酸來加速腐蝕代替長期弱酸腐蝕的可行性；霍潤科等[12]通過模擬分析砂巖在酸性環境下力學特性的變化，發現巖石本身物理特性是導致化學腐蝕后巖石力學特性明顯變化的根本原因，并以此建立了與之相符酸性水化學溶液作用下砂巖的損傷本構模型；李寧等[13]分析了不同pH值的水化學溶液對砂巖力學性能的影響，發現CaCO3是影響砂巖力學性能劣化的主要原因，并依此構建了相應的化學損傷模型；苗勝軍等[14-15]分析不同pH值水化學溶液作用下花崗巖宏微觀變化，得出花崗巖在不同溶液中的損傷時效變化特征；戎虎仁等[16]分析不同pH值溶液作用下砂巖微觀結構，發現隨酸堿性的增加，砂巖的孔隙度及歪度逐漸增大，且pH值的初始大小是決定巖石力學特性強弱的主要因素；鄧華鋒等[17-18]發現水巖作用下砂巖的力學性能劣化效果明顯，從微觀特性分析得出彈性模量及單軸壓縮強度的劣化是由于砂巖內部較為致密孔隙結構在水巖作用下逐漸向不規則形態變化導致的，同時以三軸應力-應變曲線特點建立水巖作用下砂巖的損傷本構模型；俞縉等[19]在探究水化學和凍融循環共同作用下砂巖的微觀結構及力學性能中，發現水化學作用及水化學凍融循環作用下巖石的力學性能劣化程度均較為明顯，大孔徑孔隙占比變化顯著。

目前，有關水化學溶液浸泡試驗研究大多圍繞浸泡前后試樣的損傷特性進行研究，而忽略在浸泡過程中巖石的損傷變化規律。通過對高黎貢山隧道現場勘測可知，該區圍巖長期受弱酸性地下水侵蝕。本文依托高黎貢山隧道工程實際背景，以該區砂巖為研究對象，設計長期浸泡試驗，結合圍巖長期所受圍壓進行三軸壓縮試驗。此外，在浸泡過程中以7 d為時間節點取出試件，對其質量、尺寸及三軸抗壓強度等特性進行測定，同時結合電鏡掃描和XRD衍射手段，從化學動力學角度探究巖樣力學性能劣化機制。

1 試驗方法

1.1 試件準備

試驗所用砂巖試樣選用取自高黎貢山隧道D1K225+510～D1K226+840段圍巖，將現場采集原巖通過鉆孔取芯、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。該隧道圍巖為沉積巖，巖石的取樣沿沉積巖方向，取樣范圍為0.3 m3。為了保證試驗結果的可靠性和可比性，在試件加工完成后，剔除表面有明顯宏觀特征差異的試件。試件取樣地如圖1所示。砂巖XRD譜如圖2所示。

(a)工程背景 (b)采樣點

圖2 砂巖XRD譜

1.2 試驗準備

本次試驗從高黎貢山隧道提取地下水，通過試驗室測量該溶液中陽離子主要為H+和Na+，陰離子主要為SO42-[20]。鑒于地下水組成成分復雜及反應時間較長，本次試驗使用不同比例的HCl溶液和Na2SO4溶液配置摩爾濃度為0.01 mol/L的Na2SO4溶液，pH值為1、3、5、7。

1.3 試驗方案

為了從微觀方面了解水化學溶液對砂巖力學性質的影響，在試件浸泡49 d后，對浸泡后的試件進行電鏡掃描和XRD衍射試驗

本次電鏡掃描試驗采用SU3500電鏡掃描儀(見圖3)，試樣浸泡49 d后取出烘干進行。該儀器對試驗對象的尺寸有限制要求，試驗前需對試件采取切割處理。之后，將處理好的碎塊放在載物臺上并標定1個區域，試驗過程中將該區放大1 000倍觀察。

(a)工作艙整體 (b)裝載臺

電鏡掃描后，將所處理的碎塊研磨成粉，以此來進行XRD衍射試驗，儀器如圖4所示。除上述試驗外，在試件浸泡過程期間設置多個時間節點進行多項試驗與測試分析。

(a)儀器外觀 (b)內部構造

2 酸性溶液作用下砂巖形貌和孔隙率變化

2.1 浸泡后砂巖表觀形貌特征

在不同水化學溶液中浸泡49 d后的試件如圖5所示。可以看出：1)砂巖在浸泡前表面光滑精致，在pH=7的溶液中浸泡烘干后，試件表觀形貌基本未發生改變；2)在pH=5的溶液中浸泡烘干后,表面孔隙增多、增大，表面有些許白色粉末狀SiO2產生，部分區域有輕微腐蝕現象；3)在pH=3的溶液中浸泡烘干后，有大片粉末狀SiO2，表面腐蝕程度較高；4)在pH=1的溶液中浸泡烘干后，表面顆粒變得很粗糙，原生微裂隙擴展延伸、貫通，并且有些浸泡前致密、無明顯裂隙的試件，浸泡后出現大片剝落和溶蝕。對比不同酸性溶液作用下試件的表觀特征可以發現，砂巖的腐蝕程度受所處酸性溶液的pH值影響，pH值越低，腐蝕程度越明顯。

(a)pH=7 (b)pH=5 (c)pH=3 (d)pH=1

2.2 酸性溶液作用后砂巖微觀結構變化

砂巖的表觀形貌變化與其微觀結構的改變密切相關。為研究酸性溶液對砂巖微觀結構的影響，采用SU3500電鏡掃描儀，對酸性作用后的砂巖試件進行放大1 000倍觀測，對浸泡后試件表面礦物、孔隙結構以及缺陷形態進行對比分析。水化學溶液作用后砂巖電鏡掃描如圖6所示。由于篇幅限制，文中僅列舉了部分具有代表性的電鏡掃描圖。

(a)pH=7 (b)pH=5

試件放大1 000倍觀測，結果如下：1)試件在pH=7的溶液作用下，礦物顆粒光滑，棱角分明，顆粒間可見微孔洞；2)經pH=5的酸性溶液浸泡后，表面結構松散、顆粒與水化學溶液發生反應損傷較重，微孔洞逐漸擴大；3)經pH=3的酸性溶液處理后，表面顆粒損傷程度遠高于pH=5的溶液處理的試件，微孔洞發育程度高且孔洞逐漸相連，微裂隙發育，許多晶面上出現溶蝕小孔洞；4)經pH=1的水化學溶液處理過的試件，化學腐蝕加劇，表面結構松散程度嚴重，礦物間無膠結物，大顆粒晶體轉變為碎屑狀小顆粒，裂隙發育良好，部分孔洞發育良好并相連，形成直徑更大的孔洞。

2.3 酸性溶液作用后砂巖孔隙率變化

在酸性溶液作用下，砂巖次生裂隙增加，整體結構變得更為松散，這種水-巖化學損傷效應，微觀上表現為化學動力學過程，宏觀上則表現為孔隙率的變化。文中試驗采用比重瓶法測得不同溶液作用下砂巖試件的孔隙率，每種環境下抽取5個試件，利用式(1)進行孔隙率的計算，得出每組各個試件孔隙率以及平均值。孔隙率

n=(ρp-ρd)/ρp×100%[15]。

(1)

式中：ρd、ρp分別為巖石干燥狀態下的密度和顆粒密度。

水化學溶液作用下砂巖的孔隙率如圖7所示。可以看出：1)砂巖試件的孔隙率隨溶液pH值的降低而逐漸升高；2)經pH=1的酸性溶液作用后，砂巖的孔隙率較自然干燥狀態增幅了30.12%；3)經不同酸性溶液浸泡后，試件孔隙率離散程度不相同，這是由于巖石本身的不均質性及化學作用對巖石的選擇差異性導致的[14，21]。

圖7 水化學溶液作用下砂巖的孔隙率

3 水化學溶液作用后砂巖損傷時效特性

在試件浸泡初期，砂巖試件與酸性溶液反應較為劇烈，試件中活性礦物溶蝕產生大量氣泡；而隨著時間的推移，反應程度降低，最終趨于平衡。為探究化學-滲流耦合作用對砂巖試件物理指標的影響機制以及其損傷時效特征，浸泡過程中設置多個時間節點對試件的質量、尺寸以及力學性能進行測量。

3.1 不同水溶液作用下砂巖質量變化規律

質量作為巖石試樣的固有屬性，與巖石內礦物含量相關，也是最直觀反映巖樣變化的物理參數之一。為保證試件質量測定狀態的一致性，每次將試件取出后風干1 h后再進行測量，49 d后取出烘干測量。結果顯示，經不同酸性溶液作用后，試件質量均出現不同程度的衰減。砂巖在不同水化學溶液浸泡過程中質量損傷變化如圖8所示。

圖8 砂巖在不同水化學溶液浸泡過程中質量損傷變化圖

由圖8可知：1)不同pH值水化學溶液中各組試件的質量都有一定程度的損傷，平均分別下降了12.81%(pH=1)、10.69%(pH=3)、7.83%(pH=5)、3.06%(pH=7)；2)酸性溶液pH值越低，試件的質量損傷量越大。

3.2 不同水溶液作用下砂巖腐蝕深度變化規律

在對各組試件進行質量測試的同時也對試件的直徑進行測量。腐蝕深度

(2)

式中：d0為試件初始直徑；d(t)為t時刻試件的直徑；Δd(t)為t時刻試件直徑的損傷量。

砂巖試件的直徑和腐蝕深度隨時間變化曲線如圖9所示。可以看出：1)試件在浸泡過程中其尺寸也隨之變化，其腐蝕變化速率也隨時間延續而減緩；2)試件的直徑所減小幅度在前7 d達到最大，分別為0.71(pH=1)、0.683(pH=3)、0.65(pH=5)、0.28 mm(pH=7)；3)隨時間延續，試件直徑的損傷速率逐漸降低，且無限趨于0，說明試件在浸泡初期與化學溶液反應較強，但隨著時間推移，化學反應減弱，直徑損傷速率降低。

(a)pH=1

3.3 溶液作用時間對砂巖強度的影響規律

考慮文本篇幅，文中著重分析圍壓為20 MPa各溶液作用下試件的三軸抗壓強度及相關力學參數。

圍壓為20 MPa條件下各組中三軸峰值強度為中位數的偏應力-應變曲線如圖10所示。試件在不同溶液中浸泡49 d后烘干，其偏應力-應變曲線如圖10(a)所示。可以看出：1)隨著pH值的減小，砂巖的峰值偏應力及擴容起始偏應力均有不同程度的減小。2)pH=7的溶液作用下，試件的峰值偏應力為49.99 MPa，擴容起始偏應力為39.89 MPa。3)與pH=7處理過的試件相比，經pH=1的溶液酸化后的試件，其峰值偏應力降至39.50 MPa，減小了20.98%；擴容起始應力減至30.66 MPa，降幅達23.14%。

(a)不同溶液作用49 d的試件

定義Q(t)為三軸抗壓強度劣化度，以此來分析各時間節點不同溶液對試件三軸峰值應力強度劣化的時效特性，其表達式如式(3)所示。

(3)

式中：σ1(0)為浸泡前砂巖試件的三軸抗壓強度；σ1(t)為浸泡td后砂巖試件的三軸抗壓強度。

4種溶液浸泡下各時間節點試樣的三軸抗壓強度劣化度的變化特征如圖11所示。可以看出: 1)相同時間節點溶液pH值越低，試件的三軸抗壓強度劣化度越大；2)同一溶液作用下，峰值抗壓強度劣化度隨時間增加逐漸增大，但其劣化度的增幅逐漸減緩，達到一定程度趨于穩定，對pH=5、7的溶液環境中試件而言，這個時間分別為28 d和35 d；3)pH=1、3的溶液浸泡環境下的試件雖然在49 d內有所減緩，但仍存有一定程度的上升趨勢。

圖11 三軸抗壓強度劣化度隨時間的變化曲線

3.4 溶液浸泡過程中砂巖試件的參數損傷特征

近似現場弱酸地下水環境下(pH=5)，不同浸泡時間節點試件平均峰值抗壓強度與圍壓之間的線性擬合曲線如圖12所示。

圖12 三軸峰值應力強度與圍壓間的關系圖

由圖12可知，圍壓與峰值應力呈現良好的正線性關系，與摩爾-庫侖強度準則相符，并依此可求得試件在pH=5的溶液作用下不同時間節點黏聚力c、內摩擦角φ值，其變化曲線如圖13所示。可以看出：1)隨著浸泡時間的推移，試件的黏聚力和內摩擦角均有不同程度的減小，但變化規律各不相同，其中黏聚力表現為正指數下降，內摩擦角則表現為負指數形式下降。2)內摩擦角在前21 d累計減小量達3.2°，減小速率約為1.07°/7 d；后28 d累計下降1.07°，減小速率達0.27°/7 d。3)黏聚力的衰減幅度隨時間推移不斷增加，減小的速率達1.66 MPa/7 d。這是因為試樣中親水化合物含量較高，與酸性溶液接觸后發生一系列物理化學反應，進而引起巖石微結構改變，在酸性溶液環境中浸泡時間越長，巖石微結構松散程度加劇。此外，試樣在高濕環境中，水分子滲入巖石內部原生微裂隙中，在內部微顆粒間形成水膜，削弱顆粒間的膠結力，降低顆粒間的摩擦因數，使得巖石在壓縮破壞時所克服的黏聚力和內摩擦角減小。隨著浸泡時間的增加，試樣的含水率越高，導致巖石顆粒間的膠結力越弱，摩擦因數越小，試樣的黏聚力和內摩擦角越小。

圖13 試件黏聚力c、內摩擦角φ值隨浸泡時間的變化曲線

4 砂巖試件損傷機制討論

4.1 砂巖礦物成分變化

為研究不同酸性溶液對砂巖微觀礦物組成成分的影響以及引起的試件物理屬性變化，利用XRD衍射試驗來確定浸泡前后砂巖組成成分及變化，如圖14所示。

結合圖2和圖14可知：1)試件經酸性溶液浸泡前后，其組成成分均有不同程度的變化。2)在pH=7的溶液作用下，其組成成分含量較自然狀態試件相差無異。3)在酸性溶液中浸泡后，試件組成成分中的長石、方解石、高嶺石消耗量隨溶液pH值的減小而增大；經pH=1的酸性溶液處理后，此類成分幾乎完全反應，這說明酸性溶液對砂巖試件的微觀礦物組成產生了顯著的改變作用。

(a)pH=7

4.2 酸性溶液與砂巖化學反應機制

由圖2可知，本次試驗砂巖試件主要礦物成分為石英、方解石、鈉長石、高嶺石及黏土礦物等，這些礦物在酸性環境中易于發生溶解和溶蝕反應，其中方解石、鈉長石和高嶺石等易于反應，而石英與酸性溶液反應弱[12]。

方解石在酸性條件下溶解反應：

CaCO3+2H+→Ca2++H2O+CO2↑。

(4)

長石在酸性條件下溶解反應：

NaAlSi3O8+4H+→Al3++Na++3SiO2+2H2O。

(5)

CaAl2Si2O8+8H+→2Al3++Ca++2SiO2+4H2O。

(6)

高嶺石在酸性條件下溶解反應：

Al2Si2O5(OH)4+6H+→2Al3++2H2SiO3↓+3H2O。

(7)

由圖14可以看出：1)經酸性溶液浸泡，砂巖試件部分礦物顆粒與溶液之間發生多種化學反應，進而造成部分顆粒骨架力學性能損傷；2)部分反應生成物隨溶液的流動而析出，導致試件孔隙量增多、孔徑增大，改變了砂巖試件礦物顆粒的大小、形狀以及微細觀結構，進而致使砂巖強度產生劣化效應。

總而言之，酸性溶液與巖石之間存在化學不平衡現象，水-巖之間會產生不可逆損傷，巖石與地下水間的多種物理、化學反應的共同作用致使巖石礦物組成成分以及微細觀結構發生損傷破壞；巖石顆粒間距擴大，膠結結構劣化，巖石松散程度增加。所以，巖石礦物組成成分以及結構特征與酸性溶液之間的耦合作用共同決定水-巖作用對巖石的損傷機制，并且能夠改變巖石的微細觀結構。

5 結論與討論

1)砂巖的表觀結構損傷受控于溶液pH值及浸泡時間。宏觀上，巖樣置于pH值為1、3的溶液中浸泡49 d后，試件表面孔徑明顯增大，且尺寸損傷明顯，表面凹凸不平；浸泡于pH=7溶液中的試件外貌無明顯變化。微觀上，在pH=1的溶液作用下，隨著時間推移，試樣礦物組成、微細觀結構及孔隙率等缺陷形態均發生改變，其內部膠結物幾乎消耗殆盡，溶蝕孔洞數量增加、微裂隙發育良好。

2)試件浸泡于各溶液初期，和環境中溶液反應劇烈，試件的質量損失和腐蝕深度增加速率較快，但達到一定程度后逐漸減緩趨于平穩。黏聚力和內摩擦角隨著時間推移均呈現下降趨勢，但黏聚力更易受溶液pH值的影響。

3)砂巖在接近現場地下水pH值(pH=5)的溶液中浸泡49 d，在圍壓20 MPa作用下，各時間節點試件的三軸抗壓峰值強度初期劣化程度較高，損失率較大，但隨著浸泡時間的增加，強度損失率逐漸趨于平緩，最終趨近于0。

4)水-巖化學作用對巖石的影響過程較為復雜，巖石與溶液的化學反應強弱以及巖石的損傷機制與損傷程度都取決于溶液的成分及其相關性質、巖石礦物的組成成分、孔隙及顆粒等結構之間的相互作用。

文中所涉主要集中于圍巖靜態特性，而在隧道掘進過程中，圍巖長期受到采動應力影響，導致圍巖內部裂隙、孔洞等微裂隙會擴展、貫通，引發滲流階躍現象，進而造成突水事故。為此，研究動態擾動下巖體的滲流規律以及力學性能變化規律能夠對隧道建設過程中誘發突水事故前的識別、預警與防控機制建設提供良好的理論基礎。