有机硅材料改性砂岩强度与ζ 电位变化规律

2014-01-20 14:20柴肇云张亚涛郭俊庆康天合
岩土力学 2014年11期
关键词:悬浮液劣化岩样

柴肇云,张亚涛,张 鹏,郭俊庆,康天合

(太原理工大学 采矿工艺研究所,太原 030024)

1 引 言

工程岩体总是赋存于一定的水环境中,受水环境变化的影响,工程岩体的强度、变形和破坏等力学特征将发生明显的改变,进而引发所建工程的稳定性控制问题。水环境变化对工程岩体的影响包括物理作用、化学作用和力学作用三方面,其中物理作用主要包括润滑、软化、泥化、干湿、冻融等过程。化学作用主要包括溶解、水化、水解、酸化、氧化等过程。力学作用主要包括产生静水及超静水压力、流-固耦合等过程,由此而引发的岩体劣化效应是导致其发生变形破坏的重要原因。因此,受到相关领域专家学者和工程技术人员的关注。

Ojo 等[1]总结了前人关于含水率对岩石强度影响的研究成果,认为湿度越大,岩石的抗压、抗拉强度越小。周翠英等[2]、Erguler 等[3]基于岩石的饱水软化试验,分析含水率与软岩强度的关系,认为岩石单轴抗压强度与含水率呈负指数关系。Chen 等[4]、徐光苗等[5]对冻融过程引起的岩石劣化规律、机制进行了深入系统的研究,结果表明冻融过程中岩石强度主要受其含水状态、冻融最低温度、孔隙情况(数量、分布及尺寸)的影响。杨更社等[6]借助CT扫描设备研究了岩石的冻融损伤规律,并建立了以CT 数为函数的损伤变量。汤连生[7]对常温常压下不同岩石在不同循环流速的水化学溶液中抗压强度的变化进行了试验研究,结果表明化学作用的劣化效应主要受岩石微结构及非均匀性、孔隙度、胶结物质、矿物成分的综合影响。陈四利等[8]对岩石破裂特性的化学环境侵蚀进行了考查,认为与空气条件侵蚀相比,裂纹尖端的水或化学溶液使岩石的破裂韧度明显降低,分析了在化学腐蚀下的细观破裂行为和腐蚀机制,并利用CT 识别技术对化学腐蚀下的砂岩进行了三轴加载全过程的即时扫描试验,建立了基于化学腐蚀影响和CT 数的损伤变量模型。Jeng 等[9]、Hale 等[10]、刘新荣等[11]、邓华锋等[12]对砂岩在干湿循环作用下力学性质损伤劣化规律也曾进行了系统研究,取得了大量的成果。

以上研究均将重点放在了水环境变化对岩石(体)的损伤劣化上,未考虑或很少考虑如何降低或改善水环境变化对岩石(体)的劣化效应,而工程岩体的稳定性控制又要求工程技术人员尽可能降低水环境变化对岩体的影响。为此,本研究以有机硅材料GJ657为改性材料,采用常温、常压浸泡的方法对砂岩进行改性,通过电泳法测定改性前、后岩样ζ 电位变化规律,进行单轴压缩试验,测定改性前、后不同干湿循环作用下岩样强度变化规律,并深入探讨改性前、后岩样ζ 电位和强度变化的内在机理。

2 改性材料与试验岩样及方案

(1)改性材料

改性材料为美国道康宁公司生产的有机硅GJ657,主要成分是聚有机硅氧烷化合物,是一种自然渗透型石材防护剂,化学渗透结合力强,能修复岩样细小裂隙,具有透气性和优异的耐酸、碱、盐和抗紫外线能力,无毒性,可有效地隔绝水的渗透,适用于各类岩石材料的防水和表面防护处理。

(2)试验试样

试验所用岩样采自山西忻州保德煤矿8号煤顶板,为古生代二叠系月门沟统山西组中粒长石石英砂岩,断面似沙糖状,微风化。在实验室加工成φ 50 mm×100 mm 的试样,为保证试样加工精度控制在允许误差范围(相邻面互相垂直,偏差不超过0.25°;相对面平行,不平行度不大于0.05 mm)内,将岩样在双端面磨石机上磨平,加工了40个试件。

(3)试验方案

将加工好的40个试件随机平均分成2 份,任取其中1 份在常温、常压条件下用GJ657 浸泡120 h,作为改性组,另一份不浸泡,为不改性组。在改性组和不改性组中各取15个试件随机分成5 组,每组3个。依次编号为改-Ⅰ-1、改-Ⅰ-2、改-Ⅰ-3、改-Ⅱ-1,…,改-Ⅴ-3 和不改-Ⅰ-1、不改-Ⅰ-2、不改-Ⅰ-3、不改-Ⅱ-1,…,不改-Ⅴ-3。对改性和不改性的第Ⅰ组岩样直接进行单轴压缩试验,试验在JL 微机控制电液万能伺服实验机上进行,加载位移速率为5×10-4mm/s,按照ISRM试验标准[13]进行。第Ⅱ~Ⅴ组试件分别进行1、3、5 次和7 次“饱水-烘干”循环作用。试验用水为普通自来水,饱水采用自由浸水饱和法。根据文献[14]规定,先将试件竖直放置于泡水容器中,第1 次加水至1/4H 高度(H为试件高度),以后每隔2 h加水至1/2H 和3/4H高度,6 h 后试件全部浸没于水中,48 h 后取出,此时试件已经完全饱和。将试件置于105 ℃的烘箱中烘干24 h 取出(经测定此时试件的含水率基本趋于0),置于干燥器中冷却至室温,完成一个饱水-烘干循环。对完成设定饱水-烘干循环次数的试件进行单轴抗压强度测定,方法同上。

3 改性前后砂岩强度变化规律

3.1 单轴抗压强度

图1为经历不同干湿循环作用后岩样全程应力-应变曲线。表1为改性前、后砂岩单轴抗压强度受干湿循环作用劣化分析。表中,数据为同组3个岩样测定结果的平均值,总劣化度为

式中:σc0为经历0 次干湿循环后岩样单轴抗压强度值;σci为经历i 次干湿循环后岩样单轴抗压强度值。单循环劣化度为

式中:Di为经历i 次干湿循环作用后岩样强度的总劣化度;Ni为岩样所经历的干湿循环作用次数。

由图1 及表1 可以看出,(1)改性岩样单轴抗压强度较未改性岩样有明显提高,经历0 次干湿循环提高21.7%,1 次干湿循环提高18.3%,3 次干湿循环提高6.1%,5 次干湿循环提高24.5%,7 次干湿循环提高40.3%;(2)试验岩样均在应力为5 MPa附近出现短暂的塑性变形,随后应力迅速升高达到峰值,可能由于岩样端面与试验机压头之间摩擦效应引起的;(3)无论改性与否岩样单轴抗压强度均随干湿循环次数的增加呈负指数关系降低,如图2所示,总劣化度增加,经历7 次干湿循环作用后不改性和改性岩样总劣化度分别达到56%和49.1%,但单循环劣化度降低,不改性岩样由最初的12.7%下降到7.8%,改性岩样由最初的15.1%下降到5.1%。由此说明,干湿循环作用下砂岩强度劣化是一个内部基质结构损伤累积、扩展直至破坏的渐进性过程。砂岩经历干湿循环作用前期,干湿作用造成岩石的物理、化学损伤效应较大,抗压强度受影响明显,其变化呈快速、大幅度降低趋势。随着作用次数的增加,作用时间的延长,干湿作用给岩石造成的物理、化学损伤效应减小,抗压强度受影响减小,其变化趋于平缓。

3.2 弹性模量与变形模量

为便于比较分析,本文约定应力-应变曲线弹性段切线模量(取峰值强度的40%~60%)为弹性模量,峰值强度与坐标原点间的割线模量为变形模量[15]。改性前后不同干湿循环作用下岩样弹性模量和变形模量试验结果见表2。表中,数据为同组3个岩样测定结果的平均值,除3 次干湿循环作用外,改性岩样弹性模量和变形模量较不改性岩样均有明显提高,弹性模量提高15%~44%,变形模量提高10%~62%。

表1 砂岩单轴抗压强度受干湿循环作用劣化分析Table 1 Analysis of the deterioration of the UCS of sandstone under wetting-drying cycles

图2 干湿循环作用下砂岩单轴抗压强度劣化曲线Fig.2 Deterioration of the UCS of sandstone under wetting-drying cycles

表2 砂岩弹性模量和变形模量试验结果Table 2 Test results of elastic modulus and deformation modulus of sandstone

图3为改性前后砂岩弹性模量和变形模量与干湿循环次数的关系。由图可以看出:

(1)无论改性与否,岩样弹性模量和变形模量均随干湿循环次数的增加而降低,其中不改性岩样弹性模量和变形模量随干湿循环次数的增加呈负指数关系降低,回归方程分别为

式中:E为弹性模量;Ed为变形模量;n为干湿循环次数。

(2)改性组岩样的弹性模量和变形模量数值的离散性大于不改性组,这是由于浸泡改性时有机硅材料的渗透以及其与岩样颗粒的聚合胶结作用改变了岩样的孔裂隙结构和数量,变相增加了岩样的非均质性,进而增加了数值的离散性。

(3)受改性组岩样试验数值离散性增大的影响,改性组岩样弹性模量和变形模量与干湿循环次数的关系难以用某种特定的函数关系定量表述。

图3 砂岩弹性模量和变形模量与干湿循环次数的关系Fig.3 Variation of the elastic modulus and deformation modulus of sandstone with wetting-drying cycle time

4 改性前后砂岩ζ 电位变化规律

4.1 测试过程

岩样ζ 电位的测量使用岩粉悬浮液采用电泳方法进行测试,通过在稀释岩粉悬浮液中测量岩样颗粒的电动性质来计算ζ 电位。首先,分别取改性和不改性(0 干湿循环)压缩破坏岩样碎块烘干、粉碎、研磨,过300 目分样筛,制成悬浮液。制作过程:将磨好的岩样加蒸馏水浸泡(固含量约为20%),充分水化。72 h 后用蒸馏水稀释浓的悬浮液,直至岩样颗粒能靠重力自由沉降。弃去上清液,以除去过多的电解质污染而导致颗粒的沉降。再加入蒸馏水与浓H2O2,静置1 d,除去其中的有机物,加热除去过剩的H2O2。用高速搅拌器高速搅拌悬浮液,每次20 min,每天搅拌2 次,连续搅拌72 h。每次静置一段时间后,用虹吸的方法取出悬浮液的上层,将试管底部较粗大的颗粒除去。反复操作,直至形成比较均匀的岩样悬浮液。其次,取50 mL的试管1 支,加入2 mL 岩样悬浮液,用0.01 mol/L的NaCl 电解质溶液稀释岩样悬浮液,用标定值为0.113 4 mol/L 的HCl 调节悬浮液的pH 值,稳定平衡后。用pH 计测悬浮液的pH 值,将悬浮液用Kq3200e 型超声波分散器分散5 min。然后,取0.5 mL 分散液注入电泳杯,插入十字标调整焦距,插入电极置于三维平台上测定其ζ 电位。

4.2 测试结果

测试仪器采用JS94H 型微电泳仪,测试电极为Ag 电极,切换时间为700 ms,输入pH 值范围为0~14,步长为0.1。图4为不改性砂岩岩样的一组颗粒运动灰度图像。测试温度为16.1℃,电流为0.4 mA,切换时间为700 ms,电压为10 V,pH 值为4.2,ζ 电位为-11.823 mV。

图4 不改性砂岩岩样的一组颗粒运动灰度图像Fig.4 A series of gray-scale images of the particulate motion in the unmodified sandstone specimen

图4 中,相邻两张颗粒运动灰度图像的时间间隔为700 ms,电泳杯中插入的Ag 电极右侧为阳极,比较相邻2 张颗粒运动灰度图像发现,相同颗粒有向右运动趋势,即向电极阳极方向移动,说明岩样颗粒带有负电荷。标定好岩样颗粒后,由JS94H 型微电泳仪计算出该pH 值条件下的ζ 电位。每个pH值条件下测定4个ζ 电位,取其平均值作为测试值。

图5为改性前后砂岩的ζ 电位与pH 值关系曲线。由图中可以看出,随着用来调节悬浮液pH 值的HCl 的增加,悬浮液酸性逐渐增强,pH 值逐渐减小,吸附的H+离子增加,改性岩样ζ 电位逐渐由负值变为正值,不改性岩样ζ 电位绝对值逐渐减小,但在所标定的几个pH 值条件下并未由负值变为正值,可见有机硅材料改性后,岩样的表面结构和电性发生了改变。

图5 改性前后砂岩的ζ 电位与pH 值关系曲线Fig.5 Relationships between ζ potential of the sandstone with unmodified and modified and pH value

5 改性机制分析与讨论

有机硅材料是分子结构中含有硅元素,以重复的Si-O 键为主链,硅原子上连接有机基的聚有机硅氧烷化合物。当其与砂岩接触时,有机硅材料中的强极性基团如羟甲基与砂岩颗粒表面的强极性基团有亲和作用,可产生物理吸附,并易向砂岩颗粒表面迁移而强烈地粘附在砂岩颗粒表面上,改变砂岩颗粒表面结构与性质,致使砂岩颗粒表面的ζ 电位发生改变。与此同时,有机硅材料渗入岩样内部,填充并与孔壁结合,提高岩石颗粒间的连结强度,使岩样具有较高的强度和变形率,表现为岩样力学强度的提高。但有机硅材料在砂岩内部的渗透行为受到砂岩本身孔裂隙发育及其连通性的制约,砂岩内部孔裂隙分布的非均质性导致渗入砂岩内部有机硅材料分布的不均衡,变相增加了改性岩样的非均质性,宏观表现为岩样力学强度试验数值的离散性增加。

试验所用砂岩尽管均匀、致密,没有缺陷,但无论改性与否砂岩本身均具有许多孔隙,干湿循环作用是对岩样损伤的不断累积。饱水时水分子入渗,水分子的楔裂作用以及水岩物理、化学作用的产生,迫使岩样内部裂隙发育扩展。烘干时水分子沿裂纹、孔隙、颗粒间接触面外渗的同时,相态发生改变,体积膨胀加剧岩样裂隙的扩展,产生新的次生裂隙,为下一循环提供更多水分子渗入和逸出的通道。干湿循环过程将逐渐导致岩样内部的细微观裂纹、裂隙的集中化及扩展,向宏观裂纹、裂隙的转变,外在表现为岩样强度的不断降低。

6 结 论

(1)有机硅材料改性砂岩力学强度明显提高,单轴抗压强度提高21.7%,弹性模量提高22.2%,变形模量提高23%。

(2)有机硅材料对砂岩表面的电性有较大影响,随着岩样悬浮液pH 值的降低,砂岩表面的负电性逐渐减弱至不带电,最后变为正电。

(3)无论改性与否干湿循环作用对砂岩均有明显的损伤劣化效应。不改性岩样单轴抗压强度、弹性模量和变形模量均随干湿循环次数的增加呈负指数关系降低。改性岩样单轴抗压强度随干湿循环次数的增加呈负指数关系降低,而弹性模量和变形模量受数值离散性增大的影响,其与干湿循环次数的关系无法用特定的函数关系定量表述。

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