受酸腐蝕花崗巖反復加卸載后力學性能研究

郭立軍

（中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

0 引言

近些年來，由于工業化的迅速發展，引起環境污染等問題，酸雨等時有發生。在地下工程施工過程中，也常常面臨著酸性環境。因此，許多學者針對酸性環境對巖石的化學、物理及力學影響開展了較多研究。王子娟等［1］針對酸堿性環境下的巖石采用三軸壓縮試驗進行了相關的研究。劉永勝等［2］通過對大理巖和砂巖進行酸腐蝕試驗，發現大理巖的表面變化特征和質量變化率都比砂巖明顯，化學反應主要集中在前期階段。Hutchinson 等［3］利用HCl溶液、HNO3溶液、H2SO4溶液和堿性鹽溶液來模擬酸雨工況對巖石的腐蝕影響，發現在酸性溶液中H+離子的濃度對巖石的表面溶解和侵蝕起到了關鍵作用，在堿性鹽溶液下，基本上不發生化學腐蝕作用。對于水化學巖石的物理及力學特性多以酸堿對比為主［4］，但是酸環境更加貼合工程建設環境［2］。而對于酸環境下巖體受力情況，大多數研究只考慮了單次受荷載的情況［5-6］，在地下工程施工中，巖體會經常受到反復加卸荷的作用［7］，因此開展受酸腐蝕巖石反復加卸載的研究是十分有必要的。

荷載改變巖體結構特征引起其結構性能劣化常用損傷來表述。對此相關學者也做了相應的研究。霍潤科等［8-9］開展了砂巖在酸性條件下的物理化學及力學性能的試驗研究，分析了砂巖在受酸腐蝕后的損傷特性，建立了相應的分析模型和反應動力學模型。陳四利等［10］對不同巖石進行化學腐蝕后力學特性系統性的試驗研究及分析，利用顯微鏡、CT 掃描等技術手段研究得出了化學腐蝕下巖石的動態破裂特征和演化規律，建立了損傷演化變量及化學損傷的本構模型。丁梧秀等［11-12］對完整巖石和裂隙巖石分別進行了不同水化學溶液的腐蝕試驗，分析了不同流速情況下巖石的損傷效應。

本研究利用巖石三軸測試系統對受酸腐蝕的花崗巖進行了反復加卸載試驗。對其破壞形式進行研究，針對pH 值、腐蝕時間、加載次數和花崗巖的應力—應變關系進行了分析。

1 試驗

1.1 試樣制備

本試驗采用的試樣取自我國酸雨較發育地區，花崗巖產自河南省駐馬店市，質地均勻，堅硬密實。試樣的切割打磨均委托湖南瀏陽市某巖石加工廠完成，依據國際巖石力學學會（ISRM）推薦標準，將試樣切割打磨成高100 mm、直徑50 mm 的標準圓柱體試樣。

1.2 試驗設備和方案

本研究對花崗巖進行酸腐蝕試驗：分別配置pH=2 和pH=4 的H2SO4溶液以及pH=7 的蒸餾水溶液，化學腐蝕10 d、20 d 和30 d 后對花崗巖進行反復加卸載試驗，加載系統采用長春展拓ZTRE-210型微機控制巖石三軸測試系統，負荷控制加載速率為500 N/s。加載的負荷—時間關系如圖1 所示。花崗巖第一次加載目標負荷為20 kN，然后卸載至1 kN，隨后每次加載目標負荷比前一個遞增20 kN，每次卸載負荷均為20 kN，反復加卸載直至試樣破壞。

圖1 花崗巖反復加卸載負荷—時間關系

反復加卸載過程中不同狀態下花崗巖破壞形態如圖2 所示。反復加卸載條件下花崗巖均保持了較高的巖石完整性，只有少數巖石下端有較多碎屑剝落，并且數量遠小于單軸壓縮產生的碎屑。這是因為在加卸載過程中花崗巖內部裂隙通過壓密后，再經過卸載階段，各裂隙間經歷擴容后又再次被壓密，碎屑得以填充裂隙，導致試樣在破壞時仍保持了較高的完整性。自然狀態下的花崗巖以剪切破壞為主。經過pH=7 的水溶液浸泡后，花崗巖試樣表現為劈裂破壞。被酸性溶液侵蝕后的花崗巖試樣，破壞形態與水溶液浸泡后一致。但不同的是剪切裂紋變得更大。這是因為經過水化學溶液腐蝕后，花崗巖內部原生孔隙得以擴展，次生微裂紋數量增多，在加載和卸載的過程中，這些裂紋和孔隙經過壓密，內嵌結構發生變化，再次加載時導致次生裂紋擴展速度更快，因此破壞形態較單軸壓縮發生改變。

圖2 反復加卸載作用下花崗巖破壞形態

2 反復加卸載條件下受酸腐蝕巖石變形與強度特征分析

2.1 應力—應變曲線分析

反復加卸載作用下花崗巖應力應變曲線如圖3所示。其較單軸壓縮曲線變化較大，說明反復加卸載這種加載方案對試樣裂紋的發育起到了促進作用。從圖3 可以看出經過水化學溶液腐蝕后，花崗巖應力—應變曲線較自然狀態巖樣變得更加平緩，巖石由脆性轉變為塑性。被弱酸腐蝕10 d的巖樣，其劣化程度較其他巖樣并不突出。說明在酸腐蝕初始階段，巖樣發生了化學反應，由于這種反應抑制了內部孔隙的發展，隨著浸泡時間的變長，溶液中反應停止，由水溶液占主導作用，因此內部孔隙再次擴展。綜上可知，花崗巖經過反復加卸載和水化學溶液腐蝕耦合作用下，巖樣內部裂紋劣化更加明顯。

圖3 花崗巖應力—應變關系曲線

2.2 變形特征分析

花崗巖反復加卸載階段每個加載次數的軸向應變如圖4所示。從圖4中可以看出經過水化學溶液浸泡后的花崗巖最大軸向應變均比自然狀態要大，而且隨著加載次數的增長，軸向應變呈直線上升，并且在第6次加載至第7次加載時，軸向應變增長速率達到最大。水化學溶液浸泡腐蝕花崗巖各腐蝕階段峰值應變劣化規律如圖5 所示。自然狀態下花崗巖峰值應力為12.21×10-4，三種水化學溶液浸泡10 d 后，峰值應變分別上升至25.73×10-4（pH=7）、18.94×10-4（pH=4）和26.66×10-4（pH=2），上升幅度分別為110.73%、55.12%和118.35%。說明在腐蝕前期水化學溶液對花崗巖的變形影響非常大。隨著浸泡時間的延長，經強酸和蒸餾水溶液處理巖樣峰值輕度基本保持不變，而被弱酸處理的巖樣應變劣化速率仍保持不變，繼續增長。說明花崗巖與不同水化學溶液發生反應主要集中在浸泡前期。

圖4 花崗巖軸向應變與加卸載次數關系

圖5 花崗巖峰值應變劣化規律

2.3 強度特征分析

花崗巖峰值應力劣化規律如圖6 所示。從圖6（a）中可以看出花崗巖在蒸餾水環境下強度劣化最為明顯，浸泡時間越長強度越低。在弱酸環境下，花崗巖峰值應力在前20 d內呈直線下降，最高降幅達到10.68%，當腐蝕時間繼續延長時，花崗巖強度有小幅上升。這是因為硫酸在花崗巖里面反應后的生成物成了膠結鍵，提高了承載力。而在強酸性環境下，反應后還有多余的硫酸根離子和氫離子，導致后續反應持續進行，反應生成物繼續分解，所以承載力降低。從圖6（b）中可以發現，在蒸餾水和弱酸條件下，花崗巖強度劣化特征最為明顯。綜上所述，不同的加載方式對花崗巖內部裂紋的擴展產生影響，導致了花崗巖強度的降低。在不同水化學溶液的浸泡腐蝕下，花崗巖強度整體呈現劣化趨勢，其中對巖樣強度影響最為明顯的是腐蝕30 d且pH=7 的蒸餾水環境，說明在酸性環境下，試樣發生的化學反應對其強度劣化有一定的影響，但其影響遠小于蒸餾水溶液。

圖6 花崗巖峰值應力劣化規律

3 結論

①在水化學溶液腐蝕和反復加卸載耦合作用下，花崗巖試樣隨著腐蝕作用的變強，花崗巖破壞形態由剪切破壞向劈裂破壞轉變，且破壞形態保持較高的完整性。在水化學溶液腐蝕和反復加卸載耦合作用下，花崗巖試樣由脆性向塑性轉化較為明顯。

②反復加卸載作用下，花崗巖的軸向應變的軸向應力隨加載次數的增加逐漸增大。在經過水化學溶液腐蝕耦合作用下，花崗巖隨著水溶液pH 值的減小，其峰值抗壓強度并沒有減小，反而小幅上升。在弱酸環境下，當腐蝕時間繼續延長時，花崗巖強度也小幅上升。