不同流速及酸化作用下砂巖的力學(xué)損傷研究*

劉棟，萬文, ，盛佳

(1.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭市 411201； 2.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭市 411201； 3.長沙礦山研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

在人類開展的大型采礦工程過程中，巖石破壞失穩(wěn)問題給采礦工程的安全性、穩(wěn)定性帶來了極大的挑戰(zhàn)。國內(nèi)外的學(xué)者們針對巖石破壞失穩(wěn)問題展開了大量的研究與試驗(yàn)，如朱運(yùn)明[1]發(fā)現(xiàn)巖石經(jīng)受長時間的水-巖相互作用后可能出現(xiàn)沿裂隙節(jié)理面的軟化、泥化作用，導(dǎo)致巖石的強(qiáng)度與其他力學(xué)參數(shù)發(fā)生裂化、削弱。譚卓英等[2]在酸性環(huán)境下展開了巖石強(qiáng)度的數(shù)值模擬研究，探究了巖石抗壓強(qiáng)度在酸性水化學(xué)溶液中的敏感程度，得出巖石強(qiáng)度損傷受控于巖石自身礦物組分、整體結(jié)構(gòu)以及溶液的H+離子與酸根離子的濃度。陳四利等[3-4]通過三軸壓縮試驗(yàn)，分析了各種水化學(xué)侵蝕作用對巖體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生的影響。潘有維等[5]基于對數(shù)正態(tài)分布相關(guān)方法，結(jié)合巖石損傷理論構(gòu)建統(tǒng)計(jì)損傷本構(gòu)模型，將巖石破壞過程詳細(xì)地展現(xiàn)出來。TANG等[6]利用三軸壓縮試驗(yàn)研究了巖石強(qiáng)度及圍壓與加載速率之間的關(guān)系。在實(shí)際的巖體工程中，影響巖石安全性和穩(wěn)定性的因素不僅包括巖體自身礦物組分、微細(xì)觀結(jié)構(gòu)，還有來自自然環(huán)境，如溫度、氣體、水文地質(zhì)等眾多因素[7]。其中，水是關(guān)鍵的影響要素，在水的影響下，巖體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、礦物成分等均會產(chǎn)生物理化學(xué)作用，從而發(fā)生劣化損傷[8-9]。然而上述的室內(nèi)試驗(yàn)大都在靜水飽和狀態(tài)下展開，未考慮自然環(huán)境中不同水化學(xué)流體對巖體力學(xué)特性的影響。

基于上述分析，對山西省昔陽縣北莊石英砂巖礦區(qū)進(jìn)行采樣，研究了流動酸性溶液侵蝕作用下砂巖的力學(xué)損傷時效特征，將砂巖試件置于不同pH、不同流速的酸性溶液中浸泡，并以7 d為間隔點(diǎn)對巖樣的質(zhì)量、浸泡溶液的pH進(jìn)行跟蹤測定，同時對浸泡于pH=3酸性溶液中的巖樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)?；谠囼?yàn)數(shù)據(jù)分析了巖樣在流動酸性溶液浸泡期間溶液pH的變化特征、巖樣的質(zhì)量損傷時效特征、砂巖的力學(xué)損傷時效特征等。最后探討了流動酸化作用下砂巖的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制以及力學(xué)參數(shù)損傷規(guī)律。本文的試驗(yàn)結(jié)果對于采礦工程建設(shè)以及后期防護(hù)具有一定的理論意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 樣品準(zhǔn)備

試驗(yàn)的研究對象選自山西省昔陽縣北莊石英 砂巖礦區(qū)，對樣品進(jìn)行打磨、拋光加工處理后制備成50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件[10]。由該段水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告可知，該區(qū)富含地下水，水溶液pH值為6.35，且長期平均流速處于200 mm·s-1左右。

考慮砂巖長期處于地下流動酸性環(huán)境，試驗(yàn)配制了3種不同pH值的水化學(xué)溶液，并模擬3種溶液流速，以研究不同流速酸性環(huán)境下砂巖力學(xué)性能的損傷時效機(jī)理。試驗(yàn)所用溶液環(huán)境見表1。

表1 砂巖試樣處理環(huán)境

1.2 試樣方案

選取制備較為完整、良好的巖樣展開各種物理力學(xué)試驗(yàn)，包括試驗(yàn)前后及試驗(yàn)過程中：測定巖樣質(zhì)量，進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)，三軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等，以期獲得砂巖在流動酸性溶液處理前后的力學(xué)性能變化規(guī)律。

首先，在酸性溶液浸泡前，利用電子天平測定自然干燥狀態(tài)下巖樣的質(zhì)量；在試驗(yàn)期間每隔7 d對試件進(jìn)行一次質(zhì)量測定，每次將巖樣取出沖洗擦干，并置于室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境1 h后再測定質(zhì)量；巖樣在不同流速、不同pH值的水化學(xué)溶液中浸泡處理49 d后，取出用蒸餾水沖洗以除凈附著于巖樣表面的顆粒，隨后烘干并進(jìn)行12 h的通風(fēng)干燥處理后再次測定巖樣的質(zhì)量。

其次，采用MTS-815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)對經(jīng)pH值為3的溶液酸化作用后的巖樣展開常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)[11]，試驗(yàn)設(shè)置3種圍壓環(huán)境，5 MPa、10 MPa以及15 MPa。試驗(yàn)過程中，先以0.1 kN/s的軸向荷載對巖樣施壓至1 MPa的預(yù)加載值，再以0.2 MPa/s的速率施加側(cè)向圍壓至預(yù)定值，隨后將軸向荷載提速至0.2 kN/s進(jìn)行加載直至巖樣破壞。試驗(yàn)結(jié)束后，整理試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，獲取應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并基于此分析三軸壓縮下砂巖的強(qiáng)度和變形特性，得出砂巖的參數(shù)損傷特征。

2 不同流速及酸化作用下砂巖的損傷時效特征

2.1 酸性溶液pH值的變化特征

酸性溶液的pH值在巖石的腐蝕效應(yīng)中起著關(guān)鍵作用，在浸泡期間酸性溶液pH值的變化特征可以直接表現(xiàn)出巖樣與溶液的化學(xué)反應(yīng)速率與程 度[12]。在試驗(yàn)過程中以12 h為一個時間節(jié)點(diǎn)對酸性溶液pH值進(jìn)行測定，與此同時，適量滴加HCl，保持酸性溶液的pH值穩(wěn)定在3和5的恒定值。圖1顯示了巖樣在不同流速酸性溶液浸泡期間，每7天各酸性溶液pH值的時效變化特征。

如圖1所示，巖樣置于pH值為3和5酸性溶液中的初始階段，巖樣與溶液產(chǎn)生劇烈的化學(xué)反應(yīng)，特別是在動水環(huán)境中（v=400 mm·s-1），H+離子與砂巖表面新的活性礦物不斷反應(yīng)，被腐蝕的礦物隨循環(huán)水流遷移且溶于溶液中，酸性溶液的pH值變化顯著，由3，5分別增至6.75，6.41，說明了兩種酸性溶液含有的H+離子幾乎已全部參與反應(yīng)。隨著浸泡時間的推移，兩溶液的pH值以降幅逐漸變小的趨勢隨之減小，但浸泡液pH為3時酸性溶液的pH值下降幅度明顯大于浸泡液pH為5時的降幅。

圖1 不同酸性溶液pH值時效變化曲線

巖樣浸泡第28天，浸泡液pH為3時酸性溶液的pH值趨于穩(wěn)定，此時pH稍大于3，表明了巖樣與溶液的反應(yīng)速率在第28天開始減緩，但化學(xué)反應(yīng)仍然進(jìn)行，因?yàn)閹r石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的致密性，使得巖石與溶液之間的反應(yīng)較慢，從而短期內(nèi)難以改變酸性溶液的pH值；而浸泡液pH為5時酸性溶液pH值在浸泡第31天才開始逐漸穩(wěn)定，且其pH略高于5，說明了巖樣和溶液的反應(yīng)從第31天開始變慢，后續(xù)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)短期內(nèi)對酸性溶液的pH值亦無明顯影響；巖樣浸泡在pH值為7的蒸餾水中，其pH值無明顯波動，說明巖樣與蒸餾水之間的化學(xué)反應(yīng)較為微弱，因此本文不討論其時效變化曲線。通過分析不同酸性溶液pH值的時效變化曲線可知，酸性溶液的pH值越小，腐蝕速率越快，相同時間內(nèi)對巖樣的腐蝕程度越大，這也符合化學(xué)動力學(xué)原理[13]中反應(yīng)物濃度的增加可以加速反應(yīng)這一原理。

2.2 砂巖的質(zhì)量損傷時效特征

對經(jīng)過49 d酸性溶液浸泡處理后的砂巖試樣進(jìn)行質(zhì)量測定，與浸泡前巖樣的質(zhì)量進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，浸泡處理后的巖樣其質(zhì)量均出現(xiàn)不同程度的下降，但蒸餾水處理后的巖樣質(zhì)量無顯著變化。

為了表征砂巖質(zhì)量的損傷程度與酸性溶液浸泡時間的關(guān)系，定義質(zhì)量損傷因子Dt進(jìn)行計(jì)算，并得出不同酸性溶液處理后砂巖質(zhì)量損傷時效特征曲線，如圖2所示。

式中，m0為初始巖樣質(zhì)量；mt為浸泡t時刻的巖樣質(zhì)量。

由圖2可知，巖樣質(zhì)量損傷因子隨著浸泡時間的增加而增加，且浸泡初始階段質(zhì)量損傷增幅較大，隨后逐漸趨于減緩；比較各酸性溶液作用下砂巖的質(zhì)量損傷量可知，酸性溶液pH值越低，砂巖質(zhì)量累計(jì)損傷量越大；在浸泡液pH為3時酸性溶液中，浸泡環(huán)境由靜水轉(zhuǎn)變?yōu)閯铀疇顟B(tài)時，巖樣質(zhì)量損失因子明顯增大，由v=0 mm·s-1的2.19%增至v=200 mm·s-1的2.85%，增加了30.14%，而由低速改變?yōu)楦咚贂r，巖樣質(zhì)量損傷率略微提高，質(zhì)量損失因子從2.85%增加至3.10%，增加了8.77%。

圖2 浸泡過程中砂巖質(zhì)量損傷時效變化曲線

2.3 砂巖的力學(xué)損傷時效特征

2.3.1 砂巖強(qiáng)度和變形特征

在pH值為3的浸泡溶液中，選取試驗(yàn)效果良好，試驗(yàn)曲線比較完整的巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為代表，分析三軸壓縮下砂巖在不同浸泡時間、不同流速溶液環(huán)境下的力學(xué)損傷特征。以圍壓σ3=5 MPa為例，三軸壓縮下砂巖試件浸泡不同時間的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

根據(jù)圖3可以看出：巖樣浸泡不同時間后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線均出現(xiàn)明顯的階段性特征[14-15]，且隨著浸泡時間的推移，巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出不同特征。

圖3 不同浸泡時間的三軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線（σ3=5 MPa）

（1）OA：初始裂隙壓密階段，曲線上凹程度隨時間增加而增大，說明浸泡時間越長，砂巖產(chǎn)生的微裂隙越多；

（2）AB：彈性變形至微彈性裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段，曲線斜率隨時間增加而變小，說明巖樣彈性模量隨浸泡時間的推移而減小；

（3）BC：非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段，砂巖的峰值應(yīng)力隨著浸泡時間的增加而大幅下降；

（4）CD：破裂后階段，隨著浸泡時間的延長，砂巖試件在峰值應(yīng)力后的變形越來越明顯，表明了巖樣經(jīng)酸性溶液作用后有從脆性演化為延性的傾向，這種傾向隨浸泡時間的增加將更為顯著。

圖4展示了不同溶液流速下49 d后巖樣的三軸壓縮偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

由圖4可知，浸泡溶液的流速相同時，圍壓增加，巖樣的偏應(yīng)力強(qiáng)度顯著上升，以v=400 mm·s-1溶液流速為例，從185.08 MPa（σ3=5 MPa）升高至224.27 MPa（σ3=15 MPa），增幅達(dá)21.17%。圍壓條件相同時，巖樣偏應(yīng)力強(qiáng)度隨流速加快而下滑，且流速越大，引起的偏應(yīng)力強(qiáng)度損失率越高。與自然干燥環(huán)境相比，巖樣置于溶液中偏應(yīng)力強(qiáng)度稍有下降，從靜水狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯铀疇顟B(tài)后，巖樣偏應(yīng)力強(qiáng)度明顯下降。圍壓σ3=5 MPa時，測得干燥巖樣偏應(yīng)力強(qiáng)度為238.98 MPa，溶液流速v=0，200，400 mm·s-1的浸泡環(huán)境下，巖樣偏應(yīng)力強(qiáng)度分別為223.19 MPa、205.85 MPa、185.08 MPa，降幅分別達(dá)6.61%、13.86%、22.55%。

圖4 不同圍壓、流速作用下的三軸偏應(yīng)力-應(yīng)變曲線

巖樣經(jīng)浸泡液pH為3時的水化學(xué)溶液浸泡處理49 d后，其三軸壓縮強(qiáng)度與各圍壓、流速的關(guān)系曲線見圖5。

不同溶液流速下，對巖樣三軸壓縮強(qiáng)度與圍壓之間的關(guān)系進(jìn)行線性擬合，如圖5（a）所示，各溶液流速下三軸壓縮強(qiáng)度與圍壓擬合曲線的線性回歸方程的參數(shù)見表2。

圖5（a）顯示，巖樣三軸壓縮強(qiáng)度與圍壓的關(guān)系呈正相關(guān)，一是置于相同環(huán)境下處理后，巖樣三軸壓縮強(qiáng)度隨圍壓增大呈上升趨勢，二是由表2可知，擬合方程的線性相關(guān)系數(shù)R2均接近1，兩者都較好地說明了其曲線關(guān)系呈線性相關(guān)。此外，擬合曲線斜率k由干燥環(huán)境到溶液環(huán)境稍有減小，且溶液環(huán)境中，k隨著流速增大而呈下降趨勢，說明了溶液環(huán)境下巖樣對圍壓的敏感度隨流速加速而減小，但整體上巖樣在自然干燥狀態(tài)下對圍壓的敏感性最大。

表2 三軸壓縮強(qiáng)度與圍壓的擬合曲線參數(shù)

圖5（b）展示了巖樣三軸壓縮強(qiáng)度與不同流速間的關(guān)系曲線。與干燥巖樣比較，經(jīng)不同溶液流速浸泡處理后，巖樣的三軸抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)下滑傾向，說明了溶液流速對巖樣強(qiáng)度劣化具有一定的促進(jìn)作用，且流速越大，損傷效應(yīng)越明顯。

圖5 巖樣三軸壓縮強(qiáng)度與不同圍壓、流速的關(guān)系曲線

2.3.2 砂巖的參數(shù)損傷特征

內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c是巖石的兩個關(guān)鍵物理力學(xué)指標(biāo)，因此有必要研究巖石在流動酸性溶液浸泡過程中φ與c值的損傷時效特征[16]。結(jié)合φ與c值的計(jì)算公式（見式（2）、（3）），試驗(yàn)獲取了砂巖試件在不同流速狀態(tài)下的φ與c值變化曲線，如圖6所示。

圖6 砂巖φ與c值隨溶液流速的變化曲線

式中，k、b分別為表2中擬合方程的斜率與截距。

觀察圖6可知，巖樣的內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c從自然干燥環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)槿芤涵h(huán)境時均出現(xiàn)小幅下降，降幅分別為1.53%、3.82%，說明了溶液環(huán)境會加劇砂巖的力學(xué)損傷。溶液環(huán)境下，內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c隨溶液流速加快而出現(xiàn)下降現(xiàn)象，且c值的降幅較大，而φ值的降幅較為平緩。與靜水狀態(tài)相比，巖樣經(jīng)動水狀態(tài)下高速浸泡處理后，其內(nèi)摩擦角φ由39.673°降至36.784°，黏聚力c由48.89 MPa降至41.37 MPa，分別下降了7.28%，15.39%，由此說明了砂巖試件內(nèi)摩擦角φ對動水環(huán)境的敏感度較低，而黏聚力c在動水環(huán)境下敏感度較高。

3 不同流速及酸化作用砂巖力學(xué)損傷機(jī)制討論

3.1 砂巖與酸性溶液化學(xué)反應(yīng)機(jī)制

利用X射線衍射儀測得砂巖的主要礦物組分為石英（SiO2）、高嶺石（Al2Si2O5（OH）4）、鈉長石（NaAlSi3O8）、方解石（CaCO3）以及黏土礦物。酸性環(huán)境下，砂巖含有的氧化礦物成分易與酸性溶液發(fā)生溶蝕、水解等化學(xué)作用。巖樣主要礦物組分與溶液中的H+離子進(jìn)行交換：

巖樣經(jīng)不同酸性溶液浸泡處理后，礦物組分占比與自然干燥環(huán)境相比均有一定的降低（見表3）。在pH值為3的溶液中，砂巖試件的方解石及高嶺石百分比大幅下降，且生成新的礦物成分；浸泡液pH為5的酸性溶液中，砂巖與溶液之間的反應(yīng)較為微弱，各礦物組分損傷量較??；由pH 為 7的溶液浸泡后，巖樣幾乎無反應(yīng)，僅有部分親水性礦物發(fā)生水解。

表3 不同環(huán)境下砂巖礦物組分百分比

鑒于此，浸泡溶液pH值越低，與巖樣之間的化學(xué)反應(yīng)越強(qiáng)烈，酸化作用對砂巖礦物組分的改造效應(yīng)越明顯，酸性溶液pH值變化幅度越大。另外，酸性溶液與砂巖之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減輕了砂巖內(nèi)部顆粒間的摩擦力，微裂隙發(fā)育，孔隙增多變大，從而導(dǎo)致巖石試件的力學(xué)特性劣化。

3.2 砂巖力學(xué)參數(shù)損傷機(jī)制

與極具代表性的沉積巖一樣，砂巖也含有一些早期缺陷，這使得水分子極易進(jìn)入[17]。當(dāng)溶液流速加快時，巖樣與溶液接觸面擴(kuò)大，滲入砂巖內(nèi)部的水分子量加劇，部分礦物趁機(jī)產(chǎn)生水巖作用，發(fā)生水解以及離子交換。此外，砂巖試件含有的鈣質(zhì)膠結(jié)物與長石礦物產(chǎn)生的水巖作用在充分吸收水分后快速發(fā)展，從而加速巖樣的劣化損傷。

砂巖的三軸抗壓強(qiáng)度損傷程度表征酸性溶液對其力學(xué)損傷的時效特征。砂巖的抗壓強(qiáng)度隨流速的加快而慢慢減小，減小速率逐漸緩慢，試驗(yàn)前期降幅最大，但圍壓為5 MPa，抗壓強(qiáng)度從低速轉(zhuǎn)變?yōu)楦咚贂r衰減量最大，達(dá)21.89 MPa（見圖5（b））。浸泡第35天，巖樣的抗壓強(qiáng)度逐漸平穩(wěn)，同酸性溶液pH值的變化特征、砂巖的質(zhì)量損傷特征相類似，反映了在浸泡初始階段，水巖作用顯著，對砂巖的損傷強(qiáng)烈，當(dāng)砂巖表層的可溶物溶解殆盡時，試件與溶液間的反應(yīng)趨于緩慢，酸化作用對砂巖的力學(xué)損傷也傾于減弱，這說明了砂巖與酸性溶液產(chǎn)生劇烈的物理、化學(xué)作用時，砂巖受到的力學(xué)損傷最為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

（1）從浸泡液pH為3，5的兩種酸性溶液的時效變化曲線可知，在砂巖浸泡前7 d內(nèi)，酸性溶液pH值顯著上升且逼近中性，浸泡液pH為3變化更加顯著，對砂巖的化學(xué)損傷較pH為5時更加劇烈。浸泡時間增加，兩溶液pH值逐漸降低，最后都趨于接近但略高于初始pH值，說明了巖石與溶液之間的反應(yīng)在前期較強(qiáng)烈，后逐漸平緩。

（2）由砂巖的質(zhì)量損傷時效特征表明，浸泡時間越長，砂巖的質(zhì)量累積損傷越大，試驗(yàn)前期質(zhì)量損傷增幅較大，后逐漸降低并趨于平穩(wěn)；在相同的浸泡時間內(nèi)，酸性溶液pH值越小，巖樣質(zhì)量損傷越嚴(yán)重。動水較靜水對巖樣質(zhì)量造成的損傷更大，且溶液流速增大，巖樣質(zhì)量損傷量隨之增大。

（3）對經(jīng)pH為3的酸性溶液浸泡后巖樣的三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析可得，酸化作用后的砂巖具有從脆性演化為延性的可能，且這種可能性隨浸泡時間的增加而提高；圍壓一定時，浸泡溶液流速增加，巖樣的抗壓強(qiáng)度有減小的趨勢，圍壓越大，巖樣在相同流速內(nèi)的三軸抗壓強(qiáng)度越大。

（4）與干燥巖樣相比，砂巖的內(nèi)摩擦角φ與黏聚力c隨著流速的增大均出現(xiàn)一定程度的下降，浸泡初期降幅較大，后期較??；黏聚力c對動水環(huán)境表現(xiàn)出的敏感度較高，其變化幅度在浸泡期間都比較大。