化学腐蚀下红层软岩单轴压缩及声发射特征试验研究

李晓宁，巫锡勇，高姝妹，朱宝龙

(1.西南交通大学 地球科学与环境学院，四川 成都 610031；

2.西南科技大学 土木与建筑工程学院，四川 绵阳 621010；

3.成都地铁运营有限公司，四川 成都 630000)



化学腐蚀下红层软岩单轴压缩及声发射特征试验研究

李晓宁1，2，巫锡勇1，高姝妹3，朱宝龙2

(1.西南交通大学 地球科学与环境学院，四川 成都 610031；

2.西南科技大学 土木与建筑工程学院，四川 绵阳 621010；

3.成都地铁运营有限公司，四川 成都 630000)

摘要:为研究酸性水化学溶液浸蚀作用下红层软岩的细观损伤演化特征，利用声发射技术分析红层软岩在受不同pH化学溶液浸蚀作用后的单轴压缩损伤破坏过程。试验结果显示：酸性溶液对红层软岩主要表现为溶蚀作用；受腐蚀后红层软岩试样破坏失稳过程中的声发射特征与试样中的裂纹萌生、扩展和贯通的演化特征密切相关；试样在破坏过程的声发射能量呈现“上升—峰值—下降—平缓”的演化规律, 峰值前有声发射平静期；红层软岩在不同pH酸性溶液浸蚀95 d后单轴抗压强度均有所降低；随着浸泡溶液pH减小，化学腐蚀程度增大，溶蚀孔隙分布越多，试件在单轴荷载下压密阶段声发射特征越明显。试验结果可为受腐蚀区域红层软岩的长期稳定性的评价提供参考。

关键词：红层软岩；化学腐蚀；声发射；单轴压缩；损伤演化

岩石声发射是指岩石材料在受力变形过程中，其内部微裂纹产生、扩展和贯通，以弹性波形式释放能量的现象。声发射(acoustic emission，AE)是岩石破坏时的一个伴生现象，声发射信号可反映岩石内部的应力变化。通过声发射信息的分析可推断岩石的损伤破坏机制[1]。声发射技术是研究岩石微观损伤机制的有效手段之一。目前，国内外学者针对岩石受力破坏过程中的声发射特征的研究取得了一系列有价值的成果[2-17]。Jansen 等[2]利用声发射技术，研究了岩石破裂过程中微裂纹及宏观裂纹的扩展演化规律；Lei 等[3]在岩石加载过程中的声发射事件时空分布特征的基础上，分析岩样失稳前兆特征的相关因素；吴刚等[4]分析了岩石在不同应力状态下的声发射特征；李庶林等[5]利用声发射技术检测了单轴压缩条件下岩石破坏的全过程；刘保县[6]通过单轴压缩下，煤岩的声发射特性试验，提出了基于累积声发射振铃计数的损伤变量，建立以累积声发射振铃技术为损伤变量的煤岩损伤模型；赵兴东等[7-8]利用声发射技术，研究了不同岩样的失稳破坏机制，分析了预制裂纹条件下的花岗岩内部裂纹的演化特征和模式；裴建良等[9]对含不同类型裂隙的大理岩岩样进行了单轴压缩条件下的声发射测试，在定位声发射大事件的基础上，揭示了岩体破坏失稳的机理。

工业污水、酸雨等环境污染导致岩土体周围环境酸碱化，酸碱等化学溶液对岩土体的腐蚀作用的累积效应使岩体矿物成分、结构构造及力学性质发生变化，造成不良的工程效应，这一问题已引起广泛关注，但相关研究还较少。为研究酸性水化学溶液浸蚀作用下红层软岩的细观损伤演化特征，了解酸性环境下岩石的损伤特性，本文利用声发射技术分析单轴压缩下不同pH化学溶液浸蚀作用后红层软岩的细观损伤演化规律。

1试验方法

1.1　试验试样

试验所用岩样选自四川成都地区白垩系上统灌口组砂质泥岩，采用干式加工法将所采集的岩样加工成50 mm×100 mm的标准试样，试样加工成形后，使用砂纸对试件表面进行分级打磨，使其各端面平整度误差控制在0.02 mm以内。将试件置于105 ℃的烘箱内烘干48 h后，将试样浸泡于不同pH值(试验设计了pH=1，3，5和7共4种酸度值)的酸性浸泡液中进行了加速腐蚀试验，容器为密闭塑料箱，浸泡高度为淹没试样高度为止，试验密闭浸泡95 d。取浸泡后的试样进行单轴压缩及声发射试验。

1.2　试验装置

试验设备主要由岩石力学试验系统和声发射系统以及试验其他附件组成。试验系统如图1所示。

图1　声发射试验系统Fig.1 Acoustic emission test system

试验所采用加载系统为 RMT—201 型岩石与混凝土力学试验系统。试验采用SDAES数字声发射检测仪。试验采用位移控制方式，以轴向位移为实验指标，选用 0.005 mm/s 作为加载速率，连续加载至试样完全破坏，并采集岩石在载荷作用下整个变形破坏过程中的声发射信号。试验时，对加载系统采用轴向应变控制，声发射检测门槛设定为 40 dB，直至岩样破坏试验结束。将传感器固定在试样表面，沿试件周长方向均匀布置，传感器距离试样顶面和底面的轴向距离各为2 cm，以避免应力集中现象；探头与试件接触部位涂抹黄油，以保证耦合效果。岩样放置好后，连接岩石试验机开始试验，试验机接触岩样，岩样正式受压时，记录时间、压力、变形、幅值、声发射振铃计数率以及释放能量累计值等试验数据。

2试验结果及分析

2.1　试件破坏特征

A试样(pH=1溶液浸泡后)沿轴向有多条劈裂面，表现出了张拉破坏的特征，在轴向压应力作用下，试件横向将产生拉应力，这种破坏是由于横向拉应力超过岩石抗拉极限引起的，试样产生明显的体积膨胀，在加载阶段即有少量碎片状岩石脱落。

B试样(pH=3溶液浸泡后)岩样以一条贯穿岩体整体的剪切面为主，同时也存在着少数几条岩体轴向几乎同方向的劈裂面，此时岩样的整体破坏可认为是主要是由于张拉破坏和剪切破坏共同作用的结果，试样产生明显的体积膨胀，有零星碎片状岩石脱落；

C试样(pH=5溶液浸泡后)破坏的岩体存在着相互搭接的剪切面以及极少数劈裂面，劈裂面方向几乎也与轴线一致，横向断面产生部分鼓胀，可认为此时的破坏是张拉破坏和剪切破坏共同作用，以剪切破坏为主。在加载过程中因斜截面抗剪强度达到峰值而出现一个甚至多个剪切面；

D试样(pH=7溶液浸泡后)此时岩样几乎以一条剪切面为主，该剪切面由岩样一个断面延伸至岩样另一个断面，分开两部分的体积基本相同，此时破坏面上的剪应力超过其抗剪极限值，属压—剪破坏。

表1试件破坏特征

Table1 Failure characteristics of specimen

2.2　声发射能量-荷载随时间演化规律

图2~图5为pH=1,3,5和7的酸性水化学溶液浸泡试件的载荷-时间-能量关系图。从图2可以看出，试样从受压到破坏的声发射可以分为以下几个阶段：

1)少量AE阶段：在峰值荷载的0%~15%之间，这一阶段只有少量的声发射事件产生，声发射计数和能量都处于一个相对较低的水平，对应试样从受载开始到微裂隙或节理面逐渐被压密闭合的

压密阶段。这一阶段的声发射来源是微裂隙、孔隙闭合过程中裂隙面之间的接触、摩擦过程中所产生的能量。

图2　pH=1溶液浸泡后试样载荷-时间-能量图Fig.2 pH=1 Load-time-energy

图3　pH=3溶液浸泡后试样载荷-时间-能量图Fig.3 pH=3 Load-time-energy

图4　pH=5 溶液浸泡后试样载荷-时间-能量图Fig.4 pH=5 Load-time- energy

图5　pH=7溶液浸泡后试样载荷-时间-能量图Fig.5 pH=7 Load-time-energy

2)AE 跳跃增加阶段： 当荷载达到峰值荷载15%~40%时，随着应力的增加，声发射计数和能量有小幅度提升，试样发生弹性变形，某些压密的裂隙发生滑移，试样内部大量微裂隙开始逐渐萌生呈现出较为均匀的的整体损伤。

3)AE 峰值前阶段:在40%~50%荷载水平时声发射计数和能量出现阶跃式提升。这一阶段，微裂隙所造成的应力集中效应显著，试样裂隙进入不稳定发展阶段，某些薄弱部分产生破坏，内部裂隙扩展、汇合，向表现为宏观裂纹的方向发展，出现局部化的损伤，产生较为活跃的声发射事件。

4)AE 峰值阶段: 在85%~100%即岩石破坏前期，声发射活动减弱，出现声发射平静期，试样发生破坏时，声发射事件率出现突增，对应试样内部大的裂隙互相汇合、贯通，表现为试样表面出现宏观裂纹，最终导致试样失稳破坏。这个阶段持续时间短，声发射计数AE 能量峰值均出现在这一阶段。

5)AE峰后阶段：试件破坏后未出现崩裂破坏，荷载能量曲线呈缓慢下降趋势，下降到一定水平后趋于平缓，在曲线下降阶段检测检测到声发射能量。

红层软岩在单轴压缩条件下的声发射特征与强度特征相一致。化学溶液的腐蚀作用对红层软岩的劣化效应明显, 少量AE阶段声发射信号有较明显的差异，这一阶段，pH=1和pH=3组，都有较多的声发射信号，pH=5和pH=7组有较少的声发射信号，可推断，受酸溶蚀较为严重的试样，被压密的过程中其释放的声发射能量较多。不同pH酸性溶液浸泡后的试样，荷载强度有明显差异，随着浸泡溶液的pH增大试样的峰值荷载增大。酸性化学溶液对红层软岩的作用表现为溶蚀作用，pH值越小，浸泡后试样的峰值强度越低。

3结论

1)受酸腐蚀的红层软岩在单轴抗压过程中声发射特征曲线在试件压密阶段、弹性阶段声发射活动均较少，临近破坏前声发射活动骤增至峰值，试样在破坏过程的声发射能量呈现“上升—峰值—下降—平缓”的演化规律。

2) 红层软岩矿物成分以石英、方解石等造岩矿物以及以蒙脱石、伊利石等黏土矿物为主。酸性腐蚀溶液与红层软岩试样接触后，H+与易溶矿物的接触，使矿物迅速溶解释放Ca2+，Mg2+和Na+等离子，溶蚀了岩体的主体矿物，岩体颗粒间的结构趋于松散，抗压强度降低。由此推测，声发射特征曲线在压密阶段和弹性阶段出现一定数量声发射活动与酸性溶液对红层软岩的溶蚀作用有关。

3)pH=1的腐蚀环境下，红层软岩化学腐蚀风化最严重，岩石内部溶蚀裂隙最多，在加载过程中峰值应力最小，破坏时释放的能量也最小。在试件孔隙压密阶段便有少许结构破坏，而非原岩那样完全是孔隙压密阶段，因此，在曲线的孔隙压密阶段便有声发射能量释放，pH=1、3较5、7都明显，但总体水平还是较低，这也反映了在不同程度化学腐蚀条件下岩体内的孔隙受到了不同程度的溶蚀，溶蚀孔隙分布越多，试件在单轴荷载下压密阶段声发射越明显。酸性环境对红层软岩的单轴抗压强度的影响较大，在不同pH溶液中的单轴抗压强度呈现出随pH值增大而减小的规律。

4)因试样属软岩类，在试样达到峰值强度后不会出现崩裂，对应荷载能量曲线在峰值后不会显著下降，而是下降到一定水平后趋于平缓，在曲线下降阶段仍可检测到声发射信号。

参考文献:

[1] Katsuyamak.声发射( AE) 技术的应用[M]．冯夏庭,译．北京: 冶金工业出版社，1996．

The application of acoustic emission technology[M]．FENG Xiating trans．Beijing: Metallurgical Industry Press，1996．

[2] Jansen D P，Carlson S R，Young R P，et al．Ultrasonic imaging and acoustic emission monitoring of thermally induced micro cracks in lacdu bonnet granite[J]．Journal of Geophysical Research，1993，B12(98):22231-22243．

[3] Lei Xinglin，Koji Masuda，Osamu Nishizawa，et al．Detailed analysis of acoustic emission activity during catastrophic fracture[J]．Journal of Structure Geology，2004(26):247-258．

[4] 吴刚，赵震洋.不同应力状态下岩石类材料破坏的声发射特性[J].岩土工程学报，1998，20(2)：82-85.

WU Gang，ZHAO Zhenyang.Acoustic emission character of rock materials failure during various stress states[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1998，20(2)：82-85.

[5] 李庶林，尹贤刚，王泳嘉，等.单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23(15)：2499-2503.

LI Shulin，YIN Xiangang，WANG Yongjia，et al.Studies on acoustic emission characteristics of uniaxial compressive rock failure[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004，23(15)：2499-2503.

[6] 刘保县．单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究[J]．岩石力学与工程学报，2009,28(增1)：3234-3238.

LIU Baoxian.Study on damage evolution and acoustic emission character of coal-rock under uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(S1):3234-3238.

[7] 赵兴东，陈长华，刘建坡，等．不同岩石声发射活动特性的试验研究[J]．东北大学学报(自然科学版)，2008，29(11):1633-1636．

ZHAO Xingdong，CHEN Changhua，LIU Jianpo，et al.Experimental study on AE activity characteristics of different rock samples[J].Journal of Northeastern University(Natural Science)，2008，29(11)：1633-1636．

[8] 赵兴东，李元辉，袁瑞甫，等．基于声发射定位的岩石裂纹动态演化过程研究[J]．岩石力学与工程学报，2007，26(5):944-950.

ZHAO Xingdong，LI Yuanhui，YUAN Ruifu，et al.Study on crack dynamic propagation process of rock samples based on acoustic emission location[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(5)：944-950.

[9] 裴建良，刘建锋，左建平，等．基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究[J]．岩石力学与工程学报，2013，32(4):697-704．

PEI Jianliang，LIU Jianfeng，ZUO Jianping，et al．Investigation on dynamic evolution process of natural fractures based on acoustic emission position[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(4):697-704．

[10] 刘京红，姜耀东，祝捷，等.煤岩单轴压缩声发射试验分形特征分析[J].北京理工大学学报，2013，33(4)：335-338.

LIU Jinghong，JIANG Yaodong，ZHU Jie，et al.Fractal characteristics of coal uniaxial compression acoustic emission test[J].Transactions of Beijing Institute of Technology，2013，33(4)：335-338.

[11] 杨圣奇，戴永浩，韩立军，等．断续预制裂隙脆性大理岩变形破坏特性单轴压缩试验研究[J]．岩石力学与工程学报，2009，28(12):2391-2404．

YANG Shengqi，DAI Yonghao，HAN Lijun，et al．Unixial compression experimental research on deformation and failure properties of brittle marble specimen with non-continuous preexisting fissures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28 ( 12 ):2391-2404．

[12] 李正川.岩石各向异性的单轴压缩试验研究[J].铁道科学与工程学报，2008，3(5)：69-72.

LI Zhengchuan.Experimental study on the uniaxial compression of anisotropic rocks[J].Journal of Railway Science and Engineering，2008，3(5)：69-72.

[13] 许江，李树春，唐晓军，等.单轴压缩下岩石声发射定位实验的影响因素分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27(4)：765-772.

XU Jiang，LI Shuchun，TANG Xiaojun，et al.Influential factors of acoustic emission location experiment of rock under uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27(4)：765-772.

[14] 苏承东，高保彬，南华，等.不同应力路径下煤岩变形破坏过程声发射特征的试验研究[J].岩石力学与工程学报，2009，28(4)：757-766.

SU Chengdong， GAO Baobin， NAN Hua, et al.Experimental study on acoustic emission characteristics during deformation and failure processes of coal samples under different stress paths[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(4)：757-766.

[15] 王恩元，何学秋，刘贞堂，等.煤岩破裂声发射的频谱特征研究[J].煤炭学报，2004，29(3)：289-292.

WANG Enyuan，HE Xueqiu，LIU Zhentang，et al.Study on frequency spectrum characteristics of acoustic emission in coal or rock deformation and fracture[J].Journal of China Coal Society，2004，29(3)：289-292.

[16] 曾正文，马瑾，刘力强，等.岩石破裂扩展过程中的声发射 b 值动态特征及意义[J].地震地质，1995，17(1)：7-12.

ZENG Zhengwen，MA Jin，LIU Liqiang，et al.AE b-value dynamic features during rock mass fracturing and their significances[J].Seismology and Geology，1995，17(1)：7-12.

[17] 黄英,何发祥,金克盛,等.胶结材料对云南红土胶结特性的影响研究[J].铁道科学与工程学报,2007,4(5):51-56.

HUANG Ying, HE Faxiang, JIN Kesheng, et al.Effects of comentatory materials on Yunnan laterite[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(5): 51-56.

(编辑蒋学东)

Experiment study on uniaxial compression acoustic emission characteristics of red-bed soft rock in chemical environment

LI Xiaoning1，2, WU Xiyong1, GAO Shumei3, ZHU Baolong2

(1.Department of Geological Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China;

2.School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China;

3.Chengdu Metro Operation Co., Ltd., Chengdu 630000, China)

Abstract：In order to study the micro-damage evolution of the red-bed soft rock under the effect of the acidic water, the rock mass AE technology was used to analyze the damage process of the red-bed soft rock during the uniaxial compression test after it was immersed in acidic water with different pH value.The experiment results show that the acidic water have corrosion effect on the red-bed soft rock corrosion effect.The acoustic emission characteristic of the erosion samples during the damage process is closely related to the evolution characteristics of the crack, such as the generation, extension and cutting through.The AE energy of the red-bed soft rock during the damage process presents the regularity of rising-peak value- declining-easement, and there is a quiet period before the peak strength.The uniaxial compressive strength of the red-bed soft rock decreased in some degree after it had been immersed in acidic water with different pH value for 95d.With the decrease of the pH value, the chemical erosion increased and the corrosion crack distributed more.The AE of the sample demonstrated much obvious in the compression phase under uniaxial load.The results could be used to provide references for the long-term stability evaluation of the red-bed soft rock in the erosion areas.

Key words：red-bed soft rock; chemical erosion; acoustic emission; uniaxial compression; damage evolution

通讯作者：李晓宁(1980-)，女，山西忻州人，副教授，博士研究生，从事特殊岩土体工程性质等方面的研究；E-mail：swustlxn@126.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51348003)；四川省科技支撑计划资助项目(2015GZ0348)

收稿日期：2015-04-23

中图分类号：P642.5

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2015)06-1336-05