化学腐蚀和干湿循环作用下砂岩I型断裂韧度及其强度参数相关性的研究

韩铁林，师俊平，陈蕴生

（1.深圳大学 广东省滨海耐久性重点实验室，广东 深圳 518060；2.西安理工大学 土木建筑工程学院，陕西 西安 710048）

1 研究背景

近年来，水-岩之间相互作用已成为前沿性基础课题之一，并取得许多研究成果。Heggheim等［1］研究了石灰岩在海水作用下力学特征的弱化规律；Chen等［2］系统地研究了水化学解对岩石表面形貌的影响；Wu［3］研究了化学腐蚀下砂岩的时变特性；Négrel等［4］重点研究了花岗岩母岩、同位素示踪剂和水化学成分，通过Multi-Collector ICP-MS测定水中铅同位素；Feng等［5］和Li等［6］研究了不同化学溶液对岩石的腐蚀作用，并建立了相应的损伤变量及其损伤本构关系；Bäckström等［7］对有或没有含盐孔隙水花岗岩的单轴抗压破坏进行了数值模拟；Feng等［8］对单轴压缩和不同化学溶液耦合作用下含两组或三组裂纹的灰岩中多裂纹的相互作用机理进行了试验研究；Yoshitaka等［9］开展了岩石断裂韧度受相对湿度影响的研究；Reinhardt等［10］对不同化学溶液下岩石的破坏韧性值开展了试验研究，分析了化学溶液作用后岩石断裂韧度的劣化规律；韩铁林等［11］对不同化学溶液下砂岩的冻融力学特征的劣化规律进行了试验研究；刘杰等［12］对裂隙砂岩的渗流特性展开了实验研究。

常见的水-岩相互作用是干湿交替作用，如由于库水水位反复的上升和降落作用，水库库岸边坡的岩体常常处于干湿交替的状态，这严重威胁了服役过程中岩体工程的安全与稳定性，并且这种干湿交替作用对岩石的损伤劣化的影响相对于长期浸泡作用下的大一些。因此，开展岩石在干湿循环作用下的研究对实际岩体工程具有重要的意义。Hale等［13］对不同种类砂岩在干湿循环、冻融循环和冷热循环作用下的力学特征开展了系统的研究，发现在相同的条件下，冻融循环对砂岩强度的劣化作用最大；Lin等［14］和Jeng等［15］对干湿循环作用下岩石的力学性能及其孔隙率的变化规律进行了研究，发现随着干湿循环作用的增加，岩石的孔隙率呈非线性增加趋势；黄维辉［16］对岩石在干湿作用下的微观结构变化规律进行了研究，并从微观的角度对岩石力学特征的劣化机理进行了探讨；姚华彦等［17］对干湿循环作用后岩石单轴压缩的破坏全过程进行了实时监测，并借助于显微镜对岩石裂纹的萌生、扩展及贯通失稳破坏的全过程进行了观测与分析；王伟等［18］对锦屏水电站边坡的大理岩展开干湿循环作用后的单轴和三轴压缩试验研究；金伟良等［19］研究了海水干湿交替区氯离子对混凝土结构的侵入规律，并对海港码头干湿交替区进行多次现场检测；郭进军等［20］进行了干湿循环下改性混凝土硫酸盐腐蚀的断裂性能试验研究；张廷毅等［21］对碳化、硫酸盐溶液干湿循环单一及交替作用后混凝土断裂韧度进行了试验研究。

综上所述，目前针对岩石在干湿循环作用下的研究资料不多，并且主要是对完整岩石的强度开展的研究，对裂隙岩石开展的研究却较少，尤其针对化学腐蚀和干湿循环作用下岩石的断裂韧度及其与强度参数相关性研究更少，鉴于此，本文以三峡库区库典型的库岸边坡消落带岩体的实际赋存环境为背景，对不同化学溶液和干湿循环作用下I型裂纹砂岩开展三点弯曲、抗拉和单轴抗压试验，并对砂岩的I型断裂韧度及其强度参数相关性进行研究，同时还考虑干湿循环次数的影响，对不同化学溶液和干湿循环作用过程中试样的纵波波速及其孔隙率、化学溶液中溶出的离子浓度等物理参数的损伤劣化规律进行研究，并对砂岩物理力学参数与溶出离子浓度之间统计上的关联关系进行回归分析。

2 试验介绍

2.1 试件制备试验以均匀性和完整性较好的砂岩为研究对象，选自三峡库区库典型的岸边坡在低水位时消落带。砂岩由长石、石英、云母等矿物组成，同时还有少量的金属矿物及岩屑等，为孔隙式胶结，胶结物的主要成分为碳酸盐类，经矿物鉴定为细中粒钙质石英砂岩。砂岩的显微结构如图1所示。

图1 砂岩的显微结构图像

为了保证相对均一性，本文尽量将从同一岩块上切割的试样归为一组，并严格按照《水电水利工程岩石试验规程》［22］的规定，对直切口长方体砂岩试样开展三点弯曲试验来测定其断裂韧度。

试样共21组，每组4个，共计84个长方体砂岩试样，其中1组用于测试砂岩试样在自然状态下的断裂韧度、单轴抗压强度和抗拉强度，剩余20组砂岩试样开展化学腐蚀和干湿循环作用下的三点弯曲试验、单轴压缩试验和抗拉试验研究。

2.2 溶液的配制大量研究资料表明，我国酸雨主要是硫酸盐型酸雨，同时，随着环境污染的日益加剧，岩体工程在服役过程中常常遭受硫酸盐溶液的腐蚀。为了真实地模拟三峡库区库岸边坡消落带岩体实际的赋存环境，本文对库水的化学成分进行了测试，分析发现库水的主要离子成分为：SO42-、Cl-、Na+、K+、OH-和 HCO3-等，故本文选择Na2SO4溶液和NaHCO3溶液作为研究对象。由于水化学环境对建筑物的腐蚀作用是长期的过程，考虑到试验时间的限制及排除一些人为等因素的干扰，同时参考以往水岩试验经验，本文采用增加化学溶液酸碱性等手段，旨在相对较短的时间段内得到化学溶液对砂岩试样腐蚀效应。

2.3 试验方法本文采用浸泡-风干循环的试验方案，考虑三峡库区岸坡水库水位的变化，同时参考以往试验的经验，设计每次循环作用首先在溶液中浸泡20 d（模拟水位上升时库水浸泡），取出后放在室外自然风干10 d（模拟枯水期，岩体露出水面自然风干），最后待试样自由饱水后再开展三点弯曲、抗拉和单轴抗压试验。

具体方法如下：对砂岩试样进行编号，并放入烘箱中在105℃下烘干48 h，待冷却后将试样取出，分别量测其质量和纵波波速，然后将试样放入抽真空缸中，采用真空抽气法将砂岩试样强制饱和于0.01mol/L Na2SO4pH=3.0溶液、0.01mol/L Na2SO4pH=7.0、0.01mol/L Na2SO4pH=12.0溶液、0.01mol/L NaHCO3pH=3.0溶液和蒸馏水pH=7.0这5种溶液中，浸泡试样的化学溶液的体积均为5 L。浸泡20 d后将砂岩试样取出放置于室外10 d让其自然风干，然后再放入相应的化学溶液中进行自由饱水，为一个干湿循环过程，擦干表面的水分后量测试样的质量和纵波波速，最后对砂岩试样进行相应的力学试验。每种情况下做4个平行试验，其余的试样重新放入相应的化学溶液中。每次干湿循环结束后，溶液pH值采用PHS-3C酸度计测量，并采用TAS-990原子吸收分光光度计对溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3+、Fe2+）离子浓度进行测量。

每次试验的化学溶液均重新配置，为了避免外界因素的干扰，浸泡的过程中砂岩试样处于密封环境中。力学试验在西安理工大学的WDT-1500多功能材料试验机上进行，试验过程中采用位移加载方式。为了消除岩石的不均匀性带来的误差，保证试验结果的可比性，每种化学溶液下用于测定纵波波速的砂岩试样均保持不变。

3 试验结果及分析

3.1 孔隙率和纵波波速的变化规律利用间接量测孔隙率的方法［24］来测定化学腐蚀和干湿循环作用下砂岩试样的孔隙率。孔隙率、纵波波速与干湿循环次数的关系曲线如图2所示。由图2可知，随着干湿循环次数的增加，化学腐蚀和干湿循环作用下试样的孔隙率逐渐增加，而其纵波波速却逐渐劣化。0～1次干湿循环，Na2SO4溶液的pH越小，砂岩试样孔隙率的增加程度及其纵波波速的劣化程度越大，其中，碱性Na2SO4pH=12.0溶液下的劣化程度小于中性pH=7.0溶液下的；但在经历了2次干湿循环作用后，碱性溶液下砂岩试样的劣化程度有所增加，大于中性Na2SO4pH=7.0溶液下的，但仍小于酸性溶液下的劣化程度。相同的干湿循环次数和溶液浓度下，Na2SO4溶液下砂岩试样孔隙率的增加程度及其纵波波速的劣化程度均大于NaHCO3溶液下的；中性条件下，Na2SO4溶液下的损伤程度大于纯蒸馏水下的。化学腐蚀和干湿循环作用后砂岩的孔隙率与纵波波速的关系曲线如图3。由图3可知，化学腐蚀和干湿循环作用后，砂岩试样的纵波波速随着孔隙率的增加却呈现不同程度的劣化，并且这两者间存在明显的一致性关系。这说明可以利用砂岩试样在化学溶液和干湿循环作用下纵波波速的损伤劣化程度来间接地反映试样内部微细观结构的损伤程度。

图2 化学腐蚀和干湿循环作用下砂岩试样的孔隙率、纵波波速与干湿循环次数的关系曲线

3.2 力学特征依据规范［22］中的相关规定计算自然状态下及不同化学溶液和干湿循环作用后砂岩试样的断裂韧度KIC。浸泡在不同化学溶液中的砂岩试样在经过干湿循环作用后断裂韧度KIC、抗拉强度和抗压强度的变化规律，如图4所示。由图4可知，相对于自然状态，不同化学溶液和干湿循环作用下砂岩的断裂韧度KIC、抗拉强度和抗压强度均呈现不同程度的劣化，并且其劣化程度随着干湿循环次数的增加而逐渐加剧，但不同化学溶液下砂岩试样力学特征的干湿劣化程度却有所不同。

试验初期（0～1次干湿循环），浸泡在Na2SO4（pH=3.0）溶液中的砂岩试样经历干湿循环作用后的断裂韧度、抗拉强度和单轴抗压强度均小于中性Na2SO4（pH=7.0）和碱性 Na2SO4（pH=12.0）溶液下的，其中，碱性Na2SO4（pH=12.0）溶液下试样的断裂韧度、抗拉强度和单轴抗压强度最大；但在经历了2次干湿循环作用后，2～4次干湿循环内，碱性Na2SO4（pH=12.0）溶液下试样力学特征的劣化程度加剧，并大于中性Na2SO4（pH=7.0）溶液下的，但仍小于酸性溶液下的劣化程度。说明碱性溶液对砂岩试样力学特征的干湿损伤有一定的抑制作用，但这种抑制作用却随着干湿循环次数的增加而逐渐消失。说明1～2次干湿循环可以作为碱性Na2SO4（pH=12.0）溶液下砂岩试样力学特征发生干湿损伤劣化的门槛值。

图3 化学腐蚀和干湿循环作用后砂岩的孔隙率与纵波波速的关系曲线

图4 化学腐蚀和干湿循环作用后砂岩试样的断裂韧度KIC、抗拉强度和抗压强度与干湿循环次数的关系

对比分析后发现，Na2SO4溶液和NaHCO3溶液对砂岩试样断裂韧度、抗拉强度和抗压强度的干湿劣化程度存在一定的差异。相同干湿循环次数下，Na2SO4（pH=3.0）溶液下砂岩试样的劣化程度大于NaHCO3（pH=3.0）溶液下的；同时，Na2SO4（pH=7.0）溶液下砂岩断裂韧度、抗拉强度和抗压强度的干湿劣化程度大于蒸馏水（pH=7.0）下的。

3.3 断裂韧度与抗拉强度、抗压强度相关性分析不同化学溶液作用下砂岩试样在干湿循环作用后断裂韧度、抗拉强度和抗压强度间的统计关系曲线如图5所示。由图5可知，干湿循环作用后，砂岩试样断裂韧度、抗拉强度和抗压强度间存在线性关系，一致性比较明显。

对试验结果进行统计回归分析：

式中：σt、σ分别为砂岩试样的抗拉强度和抗压强度，MPa。

为进一步了解化学腐蚀和干湿循环作用下砂岩损伤劣化程度，定义损伤因子Kcf：

图5 不同化学溶液作用下砂岩试样在干湿循环作用后断裂韧度KIC与抗拉强度和抗压强度间的关系曲线

式中：f0为自然状态下砂岩试样的力学特征值；fi为经历i次干湿循环作用和化学腐蚀作用后砂岩试样的力学特征值；Kcf为损伤因子，其值与砂岩试样抗化学溶液和干湿循环作用的程度有关，Kcf值越大，砂岩抵抗化学干湿作用的程度也就越大。

邓华锋等［25］推导了纯I型裂纹岩石断裂韧度KIC与抗拉强度的统计相关关系式：

式中r为裂纹扩展半径，m。

图6为不同化学溶液和干湿循环作用下，砂岩力学特征的劣化程度与干湿循环次数的关系曲线。从图6可以发现，不同化学溶液下砂岩试样在干湿循环作用后力学特征的劣化规律基本一致。相同的干湿循环次数和化学溶液下，砂岩试样断裂韧度KIC的劣化程度相对于抗压强度和抗拉强度较大，抗拉强度居中。说明砂岩试样的断裂韧度KIC对化学溶液和干湿循环作用的敏感性大于抗拉强度和抗压强度。

图6 不同化学溶液和干湿循环作用下砂岩试样力学特征的劣化程度与干湿循环次数的关系曲线

图7为不同化学溶液和干湿循环作用下，砂岩试样的裂纹扩展半径r与干湿循环次数的关系曲线。由图7可知，相对于自然状态下，砂岩试样的裂纹扩展半径r在化学溶液和干湿循环作用下均呈现不同程度的降低，其降低程度随着干湿次数的增加而加剧。这间接说明了砂岩试样力学特征在化学腐蚀和干湿循环作用后有所降低，这与前面砂岩试样在化学溶液和干湿循环作用下力学特征的劣化规律相一致。

研究发现，试样的强度越大，裂纹扩展半径r越大；而强度较低时，则裂纹扩展半径r相对较小。假如同时降低式（4）中砂岩试样的r和抗拉强度，可发现其断裂韧度的降低程度大于抗拉强度；这较好的解释了图6中试样断裂韧度KIC的劣化程度最大、抗拉强度居中现象。

4 化学溶液和干湿循环作用下砂岩损伤劣化机理探讨

4.1 化学溶液的物理性质经过4次干湿循环结束后，对化学溶液的pH及其溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3+、Fe2+）离子浓度进行测量，如图8所示。

无论浸泡砂岩试样的是何种化学溶液，也不管化学溶液的初始酸碱性如何，在化学溶液和干湿循环作用过程中，不同化学溶液的pH值均向中性或弱碱性转化，主要是由于化学干湿循环过程中水-岩之间的化学反应消耗了溶液中的H+离子，加之岩石中矿物成分（如硫硅酸盐等）水解后呈现弱碱性，均导致化学溶液的酸碱性逐渐趋于弱碱性转化。

由图8分析可知，化学溶液和干湿循环作用的过程中，浸泡砂岩试样的化学溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度均有所增加，但不同化学溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度大小却有所差异。不同酸碱性的Na2SO4溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度有所不同，其中酸性Na2SO4（pH=3.0）溶液中溶出的离子浓度最多，强碱性Na2SO4（pH=12.0）溶液次之，中性Na2SO4（pH=7.0）溶液溶出的离子相对较少。说明了酸性溶液加剧了砂岩试样干湿损伤的程度。

图7 不同化学溶液和干湿循环作用下砂岩试样的裂纹扩展半径r与干湿循环次数的关系曲线

图8 不同化学溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe2++Fe3+）离子浓度

不同化学成分溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度存在一定的差异。相同的化学溶液浓度和pH值情况下，酸性Na2SO4（pH=3.0）溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度大于NaHCO3（pH=3.0）溶液中的；中性Na2SO4溶液下溶出的离子浓度大于纯蒸馏水下的。说明Na2SO4溶液对砂岩试样干湿损伤劣化的影响较大。

4.2 损伤变量损伤变量D：

式中：n0为初始状态时砂岩试样的孔隙率；ni为经i次干湿循环后砂岩试样的孔隙率。

不同化学溶液下，砂岩试样在干湿循环作用下的损伤程度与干湿循环次数的关系曲线如图9所示。由图9可知，经化学溶液和干湿循环作用后，砂岩试样的损伤程度均呈现不同程度的增加，并随着干湿循环次数的增加而逐渐加剧，但相同的条件下，不同化学溶液下砂岩试样在干湿循环作用下的损伤程度存在着明显的差异。

试验初期（0～1次干湿循环），浸泡在Na2SO4（pH=3.0）溶液中的砂岩试样经历干湿循环作用后的损伤程度大于中性Na2SO4（pH=7.0）和碱性Na2SO4（pH=12.0）溶液下的，其中，碱性Na2SO4（pH=12.0）溶液下试样的损伤程度最小。在经历了2次干湿循环作用后（2～4次干湿循环内），碱性Na2SO4（pH=12.0）溶液下试样的劣化程度有所增加，并大于中性Na2SO4溶液下的，但仍小于酸性溶液下的劣化程度，DpH=3＞DpH=12＞ DpH=7。对比分析发现，相同的条件下，Na2SO4（pH=3.0）溶液下砂岩试样的劣化程度大于NaHCO3（pH=3.0）溶液下的，Na2SO4pH=7.0溶液下的劣化程度大于蒸馏水pH=7.0溶液下的。

图9 不同化学溶液下砂岩试样的损伤程度与干湿循环次数的关系曲线

4.3 化学腐蚀和干湿循环作用对砂岩试样物理力学特征的影响对试验结果进行统计分析，建立砂岩试样在化学溶液和干湿循环作用下的损伤程度与其物理力学特性的关系，如图10所示。由图10可见，化学溶液和干湿循环作用下，随着砂岩试样损伤程度的加剧，其物理力学特性均发生不同程度降低。化学溶液和干湿循环作用后砂岩的微细观结构发生劣化，试样微细观结构的劣化损伤程度随着干湿循环次数增加而逐渐加剧，劣化程度累积直至导致砂岩物理力学特性发生劣化。对图10中砂岩试样的物理力学参数与损伤程度之间统计上的关联关系进行回归分析，得到砂岩试样的损伤程度与其物理力学特性关系：

对图11砂岩试样的损伤程度与溶液中溶出的离子浓度之间统计上的关联关系进行线性回归，得到砂岩试样的损伤程度与溶出的离子浓度的关系：

式中：CCa2+、CMg2+、CFe分别为钙离子、镁离子和铁离子浓度。

4.4 化学溶液溶出的离子浓度对砂岩试样物理力学特征的影响对试验结果进行统计分析，建立砂岩试样在化学溶液和干湿循环作用下的物理力学特性与溶液溶出离子浓度的关系，如图12所示。由图12可知，砂岩试样物理力学特征的降低程度与其相应的化学溶液中溶出离子浓度的大小、试样物理参数的劣化程度之间具有某一对应关系。化学溶液和干湿循环作用过程中，溶液中溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度越大，相应条件下砂岩试样物理力学特征的损伤劣化程度越大。

将式（10）、式（11）和式（12）带入砂岩试样物理力学参数与损伤变量的关系式（6）—式（9）中，间接得到砂岩试样物理力学参数与损伤变量和钙镁离子浓度之间统计上的关联关系。

图10 在化学溶液和干湿循环作用下砂岩试样物理力学参数与损伤变量的关系曲线

图11 Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度与损伤变量的关系

4.5 损伤劣化机理分析浸泡在不同化学溶液中的砂岩试样，与化学溶液发生着一系列的复杂化学反应（主要的化学反应如式（13）—式（18）），除了上述发生的化学反应外，水-岩之间还存在溶解水解等作用，水解作用发生在岩石矿物中的K+、Ca2+、Na+、Mg2+等离子与溶液中的OH-离子之间，引起矿物发生分解而生成新的矿物；溶解作用则引起砂岩中的矿物发生溶解而流失，引起岩石孔隙率增大，同时变得松软脆弱。这导致试样的微细观结构发生不同程度的损伤劣化，使得试样变得疏松脆弱，主要体现在试样孔隙率的增加及其矿物颗粒的劣化等方面，从而改变了试样的力学特征及其应力状态。实际工程中，许多地质灾害往往与水岩间复杂的腐蚀过程密切相关。在加载过程中，由于试样的矿物成分并不单一，再加上受力后不同矿物成分自身的变形特性及力的传递速率等有所差异，从而引起试样内部应力场产生不均匀分布，产生应力集中，导致预制裂隙的尖端产生张拉应力集中区域以及微裂纹萌生。同时由于预制裂隙的存在，在预制裂隙的周围萌生大量的微裂纹，并随着荷载的继续增加，这些新的微裂纹不断的发展、搭接、交叉和扩展，但最终还沿着预制裂隙方向或近似平行于加载方向形成主裂纹而贯通破坏，当加载至试样的峰值强度时，试样突然发生断裂破坏，承载力突降，导致试样发生损伤断裂及脆性变形破坏的累积过程。

化学腐蚀后砂岩试样的微细观结构的损伤程度加剧，孔隙率有所增加，其内部缺陷有所加剧；同时，由于干湿循环次数的增加，试样微细观的损伤程度逐渐加剧，使其在加载的过程中位错运动受到阻碍。而外荷载的作用对试样有一定的压密作用，使其孔隙缺陷进一步闭合，从而改善了试样的微细观结构，这在一定程度上缓解了由于干湿循环作用引起试样损伤劣化的程度。

试验中发现，干湿循环作用引起试样内部孔隙缺陷等有所增加，浸泡试样的磨砂口试剂瓶底部出现砂颗粒脱落物；随着干湿循环次数的增加，试样的孔隙率逐渐增加，试剂瓶底部出现砂颗粒脱落物，裂隙砂岩试样从一个相对密实状态逐渐发展为孔隙率增加的“疏松”体。

5 结论

（1）化学干湿循环作用后砂岩试样呈现出明显的弱化趋势；试验初期，强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度最小，但随着干湿循环次数的增加，强碱性溶液下砂岩试样的干湿劣化程度逐渐加剧，仍小于酸性溶液下的，但大于中性溶液下的。

（2）化学溶液和干湿循环作用后砂岩试样的微细观结构发生劣化，损伤劣化程度随着干湿循环次数增加而逐渐加剧，劣化程度的累积最终导致砂岩物理力学特性发生劣化。同时，砂岩的物理力学特性随干湿循环次数的劣化规律基本一致。砂岩试样在化学溶液和干湿循环作用下各力学特征的劣化程度存在明显的差异，其中KIC的劣化程度较大，抗压强度最小；同时，砂岩的断裂韧度与其抗压强度、抗拉强度间线性关系显著。

（3）相对于自然状态下，砂岩试样的裂纹扩展半径r在化学溶液和干湿循环作用下均呈现不同程度的降低，其降低程度随着干湿循环次数的增加而加剧。这间接说明了砂岩试样力学特征在化学腐蚀和干湿循环作用后有所降低，这与前面砂岩试样在化学溶液和干湿循环作用下力学特征的劣化趋势相一致。

（4）砂岩试样各力学特征的劣化程度与其相应的化学溶液中溶出离子浓度的大小、试样物理参数的劣化程度之间具有某一对应关系，溶出的Ca2+、Mg2+和Fe（Fe3++Fe2+）离子浓度越大，相应条件下砂岩试样物理力学特征的损伤劣化程度越大。

（5）通过回归分析得到砂岩试样物理力学参数与损伤变量的统计关系和损伤程度与离子浓度统计上的关联关系进行回归分析，从而间接得到砂岩试样物理力学参数与损伤变量和离子浓度之间统计上的关联关系。