化學腐蝕作用下砂巖三軸壓縮力學特性試驗研究

張 龍,路亞妮,吳安迪,阮 亮,郝 彥

(1.中鐵一局集團橋梁工程有限公司,重慶 401120;2.湖北工程學院 土木工程學院,湖北 孝感 432000)

我國地域廣闊,各個地區環境差異較大,不同地區的環境條件也有所不同,而眾多工程常用的砂巖在其使用過程中遭受不同程度的腐蝕破壞。巖石是主要的建筑材料來源,巖體則是巖土工程、基礎工程及地下工程的主要研究對象。巖體所處的水化學腐蝕環境是引起其物理力學性能劣化的主要因素之一,例如,在北方一些工業地區,巖石材料或巖體工程在經受溫度變化所導致的凍融循環作用的同時,還可能經受因酸雨等原因所導致的不同的水化學腐蝕作用,兩者共同作用使得巖石劣化更為嚴重。基于此,有必要對水化學腐蝕環境對凍融巖石力學特征的劣化規律開展試驗研究,進而指導工程實踐。雖然巖石材料中的長石、碳酸鹽、石英、云母等成分與自然環境中H+、OH-作用所引起的性能降低的腐蝕破壞過程比較緩慢,但其長期腐蝕作用具有累積效應進而改變砂巖表面結構,溶解內部礦物成分,造成其微觀結構變化及力學特性劣化,引起不良的工程響應。

近年來,眾多學者通過開展水化學腐蝕和凍融循環協同作用下巖石的物理力學性能的系列室內試驗,分析了巖石的物理力學性能劣化機理和劣化規律。如韓鐵林[1]研究了同源砂巖試件分別在酸性Na2SO4溶液、中性Na2SO4溶液和堿性NaOH溶液中浸水飽并經歷多次凍融作用后的物理力學特征,分析了砂巖在不同水化學腐蝕環境中浸水飽和30 d后,凍融循環作用對其物理性能及三軸壓縮力學特征的劣化規律。田洪義[2]借助掃描電鏡和 XRD 衍射試驗分析酸性溶液對砂巖宏觀形貌、缺陷形態、孔隙結構、礦物組成成分以及孔隙率的改造作用,在不同浸泡時間節點對不同溶液中砂巖試件的質量、尺寸及三軸抗壓強度等進行分析,研究其規律。駱韜[3]簡要綜述了水化學作用對砂巖單軸、三軸、直剪試驗力學參數的影響和對砂巖破裂及裂紋擴展過程的影響。王艷磊[4]以灰砂巖為研究對象,基于不同pH值、不同濃度、不同成分的水化學溶液的侵蝕作用,開展室內三軸壓縮力學試驗,對比分析水化學腐蝕環境對砂巖的微細觀結構特征、變形特征、強度損傷及力學參數劣化機制。印宇澄[5]探究凍融循環-多種化學溶液溶蝕等因素耦合作用下巖石力學特性的變化規律,以砂巖和花崗巖作為研究對象開展了一系列巖石力學試驗,借助智能顯微鏡觀察比較了不同外部條件影響下巖石的表面微觀結構,分析了巖石的溶液溶蝕機理和凍融損傷機理。張峰瑞[6]探討化學腐蝕-凍融綜合作用對巖石損傷蠕變特性的影響規律,選取大東山隧道石英巖和石英砂巖開展研究。將巖石試件在不同化學溶液中經歷不同凍融循環次數后,采用電鏡掃描對巖石表面細觀特征進行分析。并開展巖石三軸蠕變試驗,分析化學腐蝕-凍融綜合作用對巖石瞬時應變、蠕變應變、蠕變速率和長期強度等參數的影響規律。王魯男[7]探明化學腐蝕與凍脹荷載耦合作用下粉砂巖強度的長期衰減規律,對水化學腐蝕和凍融循環條件下的粉砂巖進行室內物理力學試驗,分析水化學溶液pH值與凍融循環作用次數對單軸抗壓強度和抗拉強度衰減的影響。俞縉[8]通過細觀結構分析及力學試驗方法,分析分別經酸性、中性和堿性水化學溶液浸泡和凍融循環處理后的砂巖的孔隙度和力學參數等參數的變化規律。路亞妮等[9]前期采用巖石力學伺服試驗機,對預制單裂隙模型試樣進行試驗,研究了凍融循環作用下的裂隙巖樣在三向壓應力作用下的裂隙貫通機制。劉慧[10]對凍經歷融循環環境劣化作用后的砂巖進行測試,從細觀層次探討了凍融作用對砂巖劈裂損傷過程的影響。張慧梅[11]研究巖石的變形破壞過程及凍融循環和圍壓對其力學特性的影響,建立了凍融循環-三軸應力作用下巖石的損傷力學特性模型。現有研究成果大多數是以單個變量作為研究,并且以單軸壓縮居多,這與實際環境對巖石的影響有較大區別,巖石建筑材料和巖體工程所處的區域性氣候和水文環境復雜多變,在其全壽命服役期間,可能同時處于水化學腐蝕環境、晝夜或季節性凍融循環環境中,研究凍融循環條件下水化學腐蝕環境對砂巖力學性能的劣化機理和水化學腐蝕環境下凍融循環條件對砂巖力學性能的劣化機理都是必要的,是研究水化學腐蝕和凍融循環協同作用對巖土工程劣化機理的基礎。

本文主要研究凍融循環條件下,水化學腐蝕環境對砂巖三軸壓縮物理力學特性參數的劣化規律,為更科學地進行寒區巖石工程建設提供理論研究支撐。

1 試驗介紹及方案設計

1.1 巖樣準備

砂巖試件取自四川瀘州市,整體呈灰白色。同源砂巖試樣的天然密度約為2.418 cm3,縱波波速約為2506.5 m/s。基于X射線衍射試驗分析,確定砂巖的主要礦物成分有長石、石英。依據《水利水電工程巖石試驗規程》規定,將試件統一加工成直徑50 mm、高度100 mm的標準圓柱試件,每組試件4個,包括參照組在內共6組試件。

1.2 試驗設備

試驗中所用的縱波波速測試采用SVR-500型巖石超聲波測試儀,凍融循環試驗采用SFDR-11凍融恒溫恒濕循環試驗箱,三軸壓縮試驗采用RMT-301巖石與混凝土力學試驗系統,RMT-301的量程為:垂直壓力1500 KN,水平圍壓50 MPa。主要試驗設備如圖1所示。

(a)RMT-301巖石與混凝土力學試驗機

1.3 試驗方法

1.3.1 化學腐蝕試驗

對標準試件進行分組編號并測量其基本物理性質:直徑、高度、質量和縱波波速,再將試件分別放入pH=3、5、7、9、11溶液中浸泡30 d。化學腐蝕試驗完成后分別取出試件,并置于室外靜置風干,再測量試件的直徑、高度、質量和縱波波速。

1.3.2 三軸壓縮試驗

利用RMT-301巖石與混凝土力學試驗機對處理后的砂巖試件進行三軸壓縮試驗。先將圍壓加壓到設定值并穩定一段時間,再以0.2 KN/s的軸向力速度沿主應力方向施加荷載,直至試件在三軸壓縮狀態下被破壞。

2 試驗數據分析整理

2.1 巖樣破壞模式分析

2.1.1 宏觀試驗結果

三軸壓縮試驗條件下,砂巖試件主要表現為剪切滑移和柱狀劈裂兩種破壞模式。前者如圖2(a)所示,這種模式主要源于砂巖在三軸力學作用下,內部礦物顆粒間發生剪切滑移累積作用,作用累積發展,最終表現為整個砂巖試件的剪切滑移破壞;后者如圖2(b)所示,這種模式主要源于試件的成型存在工藝缺陷,兩端不平整使得試件上下表面受力不均勻,在沿著軸線方向上產生剪力,隨著主應力的增大,剪應力超過材料的強度極限,進而表現為柱狀劈裂破壞[6],其中剪切滑移破壞的試件有22個,柱狀劈裂試件有2個。

(a)剪切滑移破壞

2.1.2 宏觀試驗結果分析

莫爾-庫侖抗剪強度理論分析試件的剪切滑移破壞:砂巖試件三軸壓縮后其內部任何一個面上的切應力大于等于材料的抗剪強度時,該點便發生剪切破壞,當無數點被破壞并形成一個面時,即出現剪切破壞面,砂巖試件沿著剪切破壞面發生剪切滑移破壞。在莫爾應力圓中:當砂巖試件中某點的極限莫爾應力圓超出砂巖的抗剪強度包絡線時,該點發生剪切破壞,并且隨著圍壓增大而增大,莫爾應力圓向右移動,極限莫爾應力圓的半徑增大, 試件破壞所需的切應力τf增大;當砂巖試件經過化學腐蝕后抗剪強度包絡線的角度變大,極限莫爾應力圓的直徑變大,所需使試件剪切破壞的力越大。表1為不同化學腐蝕條件下的砂巖力學強度參數表,圖3為砂巖的應力狀態和極限莫爾應力圓。

表1 不同化學腐蝕條件下的砂巖力學強度參數表(凍融循環作用次數:30次)

(a)砂巖試件在圍壓下的應力狀態

由GB/T 50266-2013《工程巖體試驗方法標準》可知:

σ1=Fσ3+R

(1)

(2)

式中:F為σ1-σ3關系曲線的斜率;R為σ1-σ3關系曲線在σ3軸上的截距,等同于試件的單軸抗壓強度(MPa);f、φ分別為砂巖試樣的摩擦系數和內摩擦角。

對不同酸堿度狀況下的巖樣壓縮綜合參數進行線性回歸,得到砂巖試樣的強度參數f和φ,如表1所示。

2.2 三軸壓縮試驗結果與分析

2.2.1 試驗結果

針對pH值為3、5、7、9和11的化學溶液浸泡后的巖樣,進行圍壓分別為1 MPa、2 MPa、3 MPa和4 MPa三軸壓縮試驗。圖4 為凍融循環條件下,不同水化學溶液pH值腐蝕作用對砂巖三軸應力-應變特性的影響分析曲線,圖5為在不同圍壓下酸性溶液浸泡后和自然狀態下的應力-應變曲線,圖6為在不同圍壓下堿性溶液浸泡后和自然狀態下的應力-應變曲線。表2為不同圍壓下不同化學溶液浸泡和自然狀態下的峰值應力。

表2 不同圍壓下不同化學溶液浸泡和自然狀態下的峰值應力

(a) pH=5

(a) σ3=2 MPa

(a) σ3=2 MPa

由圖4可知:總體來說,在相同的水化學腐蝕和凍融循環共同作用環境下,隨著圍壓值的增大,巖樣的破壞應力峰值、應變峰值也逐漸增大,初始模量減小,巖樣的延性增加[6]。砂巖試件在豎向力的作用下,圍壓起著一個環箍效應,隨著圍壓的增大,環箍效應越顯著。

由圖5可知相同圍壓加載條件下,在不同pH值的酸性水化學溶液腐蝕環境中,砂巖試件的三軸應力應變特性明顯變化,對應可得自然狀態下的峰值偏高應力最大,pH=7溶液腐蝕條件下的峰值偏應力強度次之,pH=3的溶液腐蝕條件下的峰值偏應力強度最小。在酸性水化學腐蝕條件下,隨著pH的減小,砂巖的峰值應變也減小,砂巖延性更加顯著。

由圖6可知:總體來說,相同圍壓條件下,在不同pH值堿性水化學溶液腐蝕環境中,自然狀態下的砂巖的峰值偏應力最大,pH=7中性水化學溶液浸泡處理后的砂巖峰值偏應力次之,pH=11堿性水化學溶液處理后砂巖的峰值偏應力最小,但4種狀態下砂巖強度相差不大,經對比可以看出,隨著圍壓的增大,堿性溶液的浸泡對砂巖的影響越來越小。

對以上實驗結果分析發現:水化學溶液腐蝕環境對砂巖力學性能有不同程度的劣化。以自然狀態下的砂巖試樣為參照,水化學溶液腐蝕環境對砂巖三軸力學強度均表現出一種負效應。

2.2.2 化學腐蝕對砂巖力學性能劣化影響的機制分析

酸性溶液對砂巖力學性能劣化影響的機制分析:砂巖中的礦物如長石、碳酸鹽、石英、云母等與H+發生了下列化學反應[1]:

KAlSi3O8(長石)+4H++4H2O→K++Al3++3H4SiO4

CaCO3(碳酸鹽)+2H+→Ca2++H2O+CO2↑

KAl3Si3O10(OH)2(云母)+10H+→K++3Al3++3H4SiO4

CaMg(CO3)2(白云石)+4H+→Ca2++Mg2++2H2O+2CO2↑

堿性溶液對砂巖力學性能劣化影響的機制分析:砂巖試件中的一些陽離子(如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等)很容易跟化學溶液中的OH+離子發生反應,使得原來的礦物被分解而形成新的礦物,使砂巖原本密實的結構變得松散[1],化學反應式如下:

SiO2+2H2O→H4SiO4

砂巖中的一些礦物易溶于堿性溶液中,導致巖樣的孔隙度變大,內部結構更加松散。隨著pH值的增大,溶液中的OH+離子濃度升高,更易與砂巖試件中的陽離子反應,使得孔隙率進一步增大,對砂巖試件力學性能的劣化影響變大。

3 小結

不同的化學溶液對砂巖試件的腐蝕程度有所不同,但整體上,酸性和堿性的化學溶液對砂巖的力學性能都有劣化影響,酸性溶液對砂巖的劣化更為明顯。

在相同的圍壓應力條件下,隨著pH值的減小,酸性水化學腐蝕環境對砂巖試件的力學性能的劣化逐漸增大,砂巖的塑性變形變小,砂巖亦有從脆性轉變為延性的趨勢。堿性溶液隨著pH值的增大,砂巖試件的力學性能的劣化影響越大。

總體來說,相同的凍融循環和水化學溶液腐蝕環境中,隨著圍壓的增大,砂巖的力學性能劣化速度逐漸變慢。同時,砂巖的破壞峰值偏應力、峰值偏應變和初始彈性模量逐漸變大,砂巖延性逐漸顯著。