酸性干濕循環作用下紅砂巖物理力學性能劣化規律

張甘平 劉振寧 王魯男 張洺溪

【摘? ?要】? ?研究干濕循環與酸溶液耦合作用對紅砂巖物理力學性質的影響，通過對紅砂巖試樣進行干濕循環試驗、單軸壓縮試驗、掃描電鏡及礦物成分測試，研究不同干濕循環次數和溶液不同pH值下試樣的物理力學性質參數、微觀結構及礦物成分的變化規律。結果表明：隨著干濕循環次數的增加、溶液酸性的增強，試樣的質量、縱波波速、彈性模量、單軸抗壓強度均呈現差異性衰減的規律，微觀結構更加紊亂，礦物成分含量發生改變，這是紅砂巖物理力學性能劣化的微觀機制。

【關鍵詞】? ?干濕循環作用；酸腐蝕作用；物理性質；力學性質；微觀機制

Study on the Deterioration in Physical and Mechanical Properties of Red Sandstone under Dry-wet Cycling in Acidic Environment

Zhang Ganping， Liu Zhenning， Wang lunan*， Zhang Mingxi

（Liaoning Petrochemical University， Fushun 113000， China）

【Abstract】? ? In order to study the coupling effects of dry-wet cycling and acid solution on the physical and mechanical properties of red sandstone， thedry-wet cycling tests， uniaxial compression tests， scanning electron microscopy and mineral composition tests were carried out to investigate the changes of physical and mechanical properties， microstructure and mineral composition of the specimens under differentdry-wet cycles and solution pH values. The results show that as thedry-wet cyclesand the acidity of the solution increase， the mass， longitudinal wave velocity， modulus of elasticity and uniaxial compressive strength of the specimens exhibit a differential decay pattern.Moreover， the microstructure becomes disordered and the mineral content changes.This is the microscopic mechanism for the deterioration in physical and mechanical properties of red sandstone.

【Key words】? ? ?dry-wet cycling; acid corrosion effect; physical properties; mechanical properties; microscopic mechanism

〔中圖分類號〕 TU45? ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2023）01- 0070 - 05

0? ? ?引言

隨著我國工程建設的飛速發展，大型水工建筑物日漸增多，在為人們帶來巨大經濟效益的同時，也對岸坡工程的穩定性提出了挑戰。例如三峽庫區，水位常年在145～175m間反復升降，這種干濕交替會對庫岸邊坡巖體的物理力學性能產生劣化效應［1］；同時，自然界中的水往往不是中性的，隨著酸雨、工業排污等問題的加劇，水質偏酸性。因此，庫岸邊坡巖體往往同時面臨著干濕循環交替與酸溶液腐蝕作用，產生耦合劣化效應，其物理力學性能出現更大幅度的降低，易于誘發地質災害。因此，研究干濕循環與酸溶液耦合作用下巖石物理力學性能的劣化規律和機制至關重要。

巖石的峰值強度、彈性模量、黏聚力及內摩擦角等都隨干濕循環次數增加而逐漸降低［2］。劉新榮等［3］認為砂巖經歷干濕循環作用后，其微小的孔隙度會發生變化，從而導致抗壓強度的大幅度降低。崔凱等［4］發現賀蘭口巖畫載體變質砂巖的質量、縱波波速、單軸抗壓強度、應力-應變特征總體呈現隨干濕循環次數的增加而逐漸差異性衰減的規律。上述研究巖石所處的干濕循環條件大多處于中性環境中，而實際情況是酸性或堿性的環境更為普遍。酸性干濕循環下，巖石的單軸抗壓強度、彈性模量、黏聚力、內摩擦角都隨循環次數的增加而降低，并且循環次數較小時劣化較為嚴重，而后呈緩和趨勢；pH值越低，劣化程度越嚴重［5-6］。申林方等［7］提出不同pH環境下玄武巖單軸抗壓強度均隨干濕循環次數的增加而降低，并且在酸性環境下劣化程度最大，中性次之，堿性最弱。傅晏等［8］發現砂巖隨干濕循環次數的增加、pH值的減小，劣化程度趨于嚴重，劣化效應由大至小依次為：單軸抗壓強度、黏聚力、內摩擦角。

現有研究大多集中在干濕循環單一條件下巖石物理力學參數的變化規律，對干濕循環和化學溶液耦合作用下巖石的劣化規律與機制研究鮮少涉及。本文以典型紅砂巖為研究對象，通過干濕循環試驗、單軸壓縮試驗、掃描電鏡及礦物成分測試，研究干濕循環與酸溶液耦合作用對紅砂巖的質量、縱波波速、彈性模量、單軸抗壓強度等物理力學性質參數的影響，并揭示紅砂巖劣化的微觀機制。

1? ? ?材料與方法

1.1? ?試樣制備

潘家沱滑坡位于重慶市云陽縣長江沿岸，其穩定性受庫水波動的影響。在長期干濕交替的環境中，滑坡巖體物理力學性能出現顯著劣化。滑坡基巖主要為侏羅系中統沙溪廟組（J2s）的紅砂巖，選其作為研究對象。采集后密封帶回室內，利用水鉆、切割機、磨石機等將巖石制備成高10cm、直徑5cm的圓柱試樣。試樣制備好后，挑選外觀無缺陷的再進行縱波波速篩選，從中挑出波速相近的試樣開展后續的試驗。

1.2? ?試驗方法

使用蒸餾水和2mol/L的鹽酸溶液配置3種不同pH值的溶液（pH值分別為7、5、3），將試樣浸入制備好的溶液中進行干濕循環試驗。參照規范中的方法［9］，先將所有加工好的試樣放在105℃的烘箱中干燥24h，冷卻1h后，采用自然浸水法，將試樣放入溶液中飽和24h，此為1次干濕循環。循環次數分別設定為0、10、20、30和40次，共5種。

在干濕循環過程中，通過相關物理性質測試得到紅砂巖試樣的基本物理性質參數；干濕循環后的試樣放入YAW-2000型單軸壓力試驗機中，以0.05MPa/s的速率進行加載，直至破壞。此外，對干濕循環后的試樣進行電鏡掃描（SEM）及X射線衍射試驗（XRD），以確定在不同干濕循環次數和pH值下試樣微觀結構和礦物成分的變化規律。

2? ? ?結果及分析

2.1? ?物理性質變化

2.1.1? ?質量變化

圖1給出了不同pH值溶液中紅砂巖試樣的質量隨干濕循環次數的變化情況。結果表明，隨著干濕循環次數的增加，試樣質量逐漸減小，并且下降的幅度與pH值有很大關系。在同一酸性環境下，干濕循環次數越多，試樣質量損失就越大，以pH=3為例，當干濕循環次數分別為10、20、30、40 時，質量損失率分別為1.72%、2.50%、3.08%、3.52%，說明干濕循環對試樣的損傷是逐漸累積的。除了干濕循環次數，溶液pH值對試樣質量也有顯著的影響。以n=20為例，當溶液pH=7、5、3時，試樣質量的損失率分別為1.69%、1.96%、2.50%，表明溶液的酸性越強，試樣質量下降的幅度越大。

2.1.2? ? 縱波波速變化

圖2給出了不同pH值溶液下紅砂巖試樣的縱波波速隨干濕循環次數的變化情況。結果表明，試樣縱波波速隨干濕循環次數的增加而逐漸下降，且下降的速度先快后慢，表現出與質量損失率相同的階段性。以pH=3為例，當干濕循環次數分別為10、20、30、40時，試樣縱波波速下降，且縱波波速損失率逐漸增加，分別為11.12%、16.48%、20.19%、21.31%。波速下降表明干濕循環可以促進巖石中孔隙或裂隙的發育。在相同的干濕循環次數下，溶液pH值越小，試樣縱波波速下降的幅度越大。以n=20為例，當溶液pH=7、5、3時，試樣縱波波速的損失率分別為12.72%、14.92%、16.48%。在整個干濕循環周期內，試樣在不同pH值溶液下縱波波速損失率的變化過程與質量損失率基本一致。

2.2? ?力學性質變化

通過應力-應變關系曲線可以得到紅砂巖試樣在不同條件下的彈性模量和單軸抗壓強度［10］，結果如表1所示。

由表1可知：（1）隨著干濕循環次數的增加，其彈性模量逐漸降低，單軸抗壓強度也在不斷減小。以pH=3為例，當干濕循環次數分別為10、20、30、40時，試樣的彈性模量和單軸抗壓強度下降，而彈性模量變化率以及單軸抗壓強度變化率逐漸增加，彈性模量分別降低了38.56%、47.46%、58.72%、66.28%；單軸抗壓強度分別降低了19.97%、27.28%、35.96%、41.43%。（2）干濕循環作用對紅砂巖造成的損傷是漸進的。以pH=7為例，經過10次干濕循環后，彈性模量和單軸抗壓強度下降幅度較大，分別達到 32.23%與13.66%。干濕交替循環20次后，彈性模量和單軸抗壓強度分別下降了 33.83%與18.81%，可見干濕循環作用對紅砂巖的彈性模量的影響要大于單軸抗壓強度。（3）在pH=3溶液中干濕循環作用后的紅砂巖試樣的彈性模量明顯低于pH=7的蒸餾水及pH=5溶液中的彈性模具，單軸抗壓強度也是如此。（4）溶液的酸性越強，紅砂巖的力學性質弱化幅度越大一些。干濕循環20次后，pH=7、pH=5與pH=3溶液浸泡的紅砂巖彈性模量下降幅度都較大，分別為33.83%、40.84%、47.46%；單軸抗壓強度也分別下降了18.81%、22.99%、27.28%。從各階段的劣化程度來看，隨著干濕循環作用次數的增加，酸性溶液對紅砂巖的力學性質劣化程度要大于中性溶液。

3? ? ?微觀機制分析

3.1? ?微觀結構變化

圖3為pH = 3溶液中不同干濕循環次數作用后的紅砂巖試樣SEM圖像。試樣未經歷干濕循環作用時，具有緊密的結構，少有裂隙，如圖3（a）所示；隨著干濕循環次數的增加，試樣顆粒趨于片狀化，表面孔隙數量明顯增加，結構趨于松散，微裂紋也逐漸發育，如圖3（b）所示；當干濕循環40次時，試樣的微細觀結構形態與初始狀態相比已發生了本質的變化，如圖3（c）所示，此時紅砂巖試樣顆粒基本全部為片狀，微觀結構變得松散、多孔，較大孔隙的數量增加，微裂隙發育的更長、更寬。

圖4為pH = 5和pH = 7溶液下不同干濕循環次數作用后的紅砂巖試樣SEM圖像。總體上，試樣的微觀結構從整潔而密集逐漸變化到紊亂無章。當干濕循環次數為0次時，試樣顆粒分布均勻，結構致密，如圖4（a）、（c）所示。在經歷干濕循環作用后，試樣表面的微觀結構不再密集和均勻，顆粒形狀逐漸發展為無序的絮狀形態，并且發生了大量沉淀現象，孔隙度不斷增加，如圖4（b）、（d）所示。圖3和圖4相比較可知，紅砂巖試樣在pH=5溶液下微觀結構的劣化程度要低于pH=3的溶液，而pH=7溶液下試樣的劣化程度最低。由此可知，溶液的酸性越強，對紅砂巖試樣的侵蝕作用越大，沉淀現象越明顯，試樣的微觀結構越紊亂。

3.2? ?礦物成分變化

圖5的柱狀圖顯示了紅砂巖試樣在經歷不同次數干濕循環作用后的礦物相對含量。從圖5中可以看出，石英是紅砂巖最豐富的組成部分。在pH值為7的溶液中干濕循環作用后，試樣中的長石和方解石均出現減少現象，且隨干濕循環次數的增加，長石的相對含量最終減少了5.2%，方解石減少了8.9%。長石主要成分是鋁硅酸鹽，可以與水分子發生水解作用形成偏鋁酸而溶出；而石英和黏土礦物均出現增加現象，但總體變化不明顯［4］。在pH值為5的酸性溶液中干濕循環作用后，試樣中長石和方解石的減少現象比蒸餾水中明顯，隨著干濕循環次數的增加，長石的相對含量最終減少了8.9%，方解石減少了23.2%；石英和黏土礦物的相對含量在逐步提高。在pH值為3的酸性溶液中干濕循環作用后，試樣中的長石和方解石相對含量快速減少，在最終經歷40次循環后，長石的相對含量減少了17.1%，方解石減少了29.1%；石英和黏土礦物相對含量的增加愈發明顯。

紅砂巖在干濕交替的反復作用下，水分子在原生微裂隙中不斷地溶蝕，造成裂隙不斷擴大，并形成新的裂縫和孔隙。當紅砂巖在酸性溶液中反復浸泡后，長石表面的陽離子與H+發生置換反應，導致長石中的K+、Ca2+等從其骨架中離析出來；方解石在酸性溶液中，也會與H+發生化學反應，使方解石的相對含量降低；而石英的性質相對來說比較穩定，在酸性溶液中幾乎不發生反應［11］。紅砂巖里的膠結物質發生溶解，降低了試樣內部顆粒之間的凝聚力和摩擦力，造成原生裂隙不斷擴大，并且形成新的裂縫和孔隙。隨著溶液pH值的減小，紅砂巖的損傷劣化程度越來越大。在微觀上表現為試樣內部礦物成分的改變，反映到宏觀上，則表現為紅砂巖試樣的物理力學性質參數等都不斷降低。

4? ? ?結論

（1）紅砂巖試樣質量、縱波波速、單軸抗壓強度、彈性模量均呈現隨干濕循環次數的增加、溶液酸性的增強而逐漸差異性衰減的規律。

（2）在微觀結構方面，隨著干濕循環次數的增加、溶液的酸性的增強，對紅砂巖試樣的侵蝕作用越大，沉淀現象越明顯，微觀結構越紊亂；在微觀物質方面，在干濕循環作用下，試樣內部方解石和長石的含量降低，并隨溶液pH值的減小，其方解石和長石的含量下降程度越來越大。

（3）在干濕循環作用下，水分子在原生裂隙中不斷溶蝕，造成裂隙不斷擴大，形成新的裂縫和孔隙；且隨著溶液pH值的減小，紅砂巖內部的礦物成分與酸性溶液中的氫離子發生化學反應，造成紅砂巖被進一步地侵蝕，這是紅砂巖物理力學性能劣化的微觀機制。

［參考文獻］

［1］? 傅晏， 王子娟， 劉新榮， 等. 干濕循環作用下砂巖細觀損傷演化及宏觀劣化研究［J］. 巖土工程學報，2017，39（9）： 1653-1661.

［2］? 曾勝，李振存，陳涵杰，等. 干濕循環下紅砂巖強度衰減規律及工程應用［J］. 長沙理工大學學報（自然科學版），2011，8（4）： 18-23.

［3］ 劉新榮，袁文，傅晏，等. 干濕循環作用下砂巖溶蝕的孔隙度演化規律［J］. 巖土工程學報， 2018， 40（3）： 527-532.

［4］ 崔凱，顧鑫，吳國鵬，等. 不同條件下賀蘭口巖畫載體變質砂巖干濕損傷特征與機制研究［J］. 巖石力學與工程學報，2021，40（6）： 1236-1247.

［5］ 劉新榮，李棟梁，王震，等. 酸性干濕循環對泥質砂巖強度特性劣化影響研究［J］. 巖石力學與工程學報，2016，35（8）： 1543-1554.

［6］ 王子娟，劉新榮，傅晏，等. 酸性環境干濕循環作用對泥質砂巖力學參數的劣化研究［J］. 巖土工程學報，2016，38（6）： 1152-1159.

［7］ 申林方，董武書，王志良，等. 干濕循環與化學溶蝕作用下玄武巖傳質-劣化過程的試驗研究［J］. 巖石力學與工程學報，2021，40（S1）： 2662-2672.

［8］ 傅晏，袁文，劉新榮，等. 酸性干濕循環作用下砂巖強度參數劣化規律［J］. 巖土力學， 2018， 39（9）： 3331-3339.

［9］中華人民共和國國家標準編寫組. GBT50266-2013工程巖體試驗方法標［S］. 北京： 中國計劃出版社，2013.

［10］ 張彩鳳. 巖石在不同圍壓條件下破壞過程的模擬研究［J］. 廊坊師范學院學報（自然科學版）， 2012， 12（2）： 64-66.

［11］ 韓鐵林，陳蘊生，師俊平，等. 水化學腐蝕對砂巖力學特性影響的試驗研究［J］. 巖石力學與工程學報， 2013， 32（S2）： 3064-3072.