石膏岩溶蚀与强度特性试验研究

高明明， 祝艳波， 苗帅升， 田王慧， 龚政豪， 巨之通

(长安大学地质工程与测绘学院，西安 710054)

近年来，随着中国经济的发展，基础建设不断加快，所遇到的岩土工程问题越来越多，而石膏岩的溶蚀性及软化性导致的隧道工程问题时有发生[1-2]。石膏岩是蒸发岩的一种，主要成分为CaSO4·2H2O或CaSO4，石膏质岩具有遇水软化、吸水膨胀等特殊的物理化学性质，会诱发一系列岩土工程问题。因此，需要对石膏岩这些特殊性质进行研究，根据其在不同溶液下的变化，探讨其溶蚀性及强度特性，为工程建设提供参考依据。

目前，中外学者针对不同溶液下岩石的溶蚀特性及软化性质进行了研究，成果颇丰。范维等[3]通过溶蚀试验来研究白云岩，认为其质量的降低主要是水与碳酸盐作用过程中Ca2+、Mg2+等离子的丢失所造成的。安波等[4]开展了白云岩与草酸的静态溶蚀实验，发现草酸的浓度对溶蚀量影响显著，当其浓度较高时，由于反应生成的白色沉淀物附着于岩石表面，阻止内部溶蚀反应的继续发生，Mg2+等离子溶出量不会增加。苏小虎等[5]通过偏光显微镜观察对比溶蚀前后的矿物组合和孔隙变化，研究凝灰质砂岩溶蚀作用机理。张绍云等[6]从化学成分的角度出发，对某典型的石膏晶洞内的水分、土壤进行了研究。林艳等[7]研究了醋酸铵溶液的浓度对磷石膏溶蚀量的影响，发现溶蚀量与醋酸铵溶液的浓度并不是线性关系，而是先增加后减小的。黄英华[8]开展了自然状态下和饱水条件下硬石膏的单轴压缩实验，发现水对硬石膏的强度影响较大，饱水条件下的强度远低于自然状态下。梁卫国等[9]将石膏置于不同浓度的盐(NaCl)溶液中浸泡，发现饱和盐溶液对于石膏的溶蚀强度小于半饱和盐溶液。Kurger等[10]、Rinaudo[11]、Badens等[12]、Pan等[13]从离子微观角度分析离子对于石膏结构与形貌的影响。张凤娥等[14]研究发现盐溶液浓度为7%时，石膏在盐溶液中的溶解度约为水中的2倍，但当盐溶液浓度升高时，石膏的溶解度又发生减小。吴银亮[15]对石膏岩进行单轴抗压强度试验，发现含水率对其强度影响很大，其强度、弹性模量、变形模量与含水率呈负相关，而泊松比与含水率则呈现正相关。李亚等[16]对不同干-湿循环次数的石膏进行单轴压缩试验，得出干-湿循环次数与石膏岩的单轴抗压强度和弹性模量呈负相关。高红波等[17]从温度和浓度出发，对溶蚀后的石膏岩进行单轴抗压试验，研究发现温度越高，盐分越大，溶蚀时间越大其强度越低；黄明等[18]研究了pH对泥页岩的溶蚀影响，认为碱性溶液会抑制其溶解，而酸性溶液会促进其溶解。

以上研究均是研究单一溶液环境对石膏岩试样的影响，但对于石膏岩在不同的酸碱盐溶液中的溶蚀特性及软化性质的对比研究则相对较少。基于石膏在不同的溶液中的静态溶蚀实验，结合微观电镜扫描及单轴压缩试验、声发射试验来研究石膏的溶蚀特性及强度性质，从而更为有利地指导工程施工。

1 试样制备

试验所取岩样为湖北某隧道出露的围岩，其石膏含量为89%，含膏成分较高，呈灰白色，粒状晶质，加氯化氢不起泡，抵抗其他物体在其表面刻划的能力即硬度为2～3 MPa，3组互相垂直的解理。主要的组成成分为石膏，还混有白云石等。

试验中试样均为底面积相同、密度相同、高度相同的加工样，石膏岩试样如图1所示。为避免所取岩样的离散性对试验结果带来影响，在位置接近、出露情况一致处钻取岩心，按照国际岩石力学学会建议的实验室规范要求，加工成φ50 mm×100 mm的圆柱体试样。经过初步筛选，将自然位置临近的试件分为同一组，然后称重，并用油彩笔对分组试件进行编号。

图1 石膏岩试样Fig.1 Samples of gypsum rock

环境扫描电镜试样制备：分别在各溶蚀后的试样相同位置切割加工成厚度近似相同的试样，尽量保持其原有形状。

2 试验方法及过程

将制备好的试样分别在蒸馏水、盐溶液(氯化钠溶液)、酸溶液(冰醋酸溶液)、碱溶液(氢氧化钠溶液)中进行静态溶蚀试验，并在电子显微镜下观察不同溶液下石膏岩的结构变化，之后进行强度与变形特性试验，共4组试验。

2.1 静态溶蚀试验

分别将制备好的4个标准石膏岩试样置于纯水(蒸馏水)、氯化钠溶液(浓度为0.5 mol/L)、冰醋酸溶液(浓度为0.058 mol/L、pH=3)、NaOH溶液(浓度为0.01 mol/L、pH=12)中，在连续的29 d内每天12：00测量试样质量。

2.2 单轴压缩与声发射试验

把加工好的试样分为4组并标记编号，用真空泵对岩样进行抽饱和，先干抽8 h，然后在此负压下浸水12 h，然后在大气压下浸泡12 h后准备试验。在进行加载试验的同时同步开展声发射监测试验。本次声发射测试中设定的主要参数包括分析系统主放为40 dB、门槛值为45 dB、传感器谐振频率为20～400 kHz、采样频率为106次/s。

2.3 石膏岩微观电镜试验

为更好地研究试样在不同溶液中的微观结构、形貌特征，从微观上分析试样的溶蚀软化特点，采用电子显微镜扫描经不同溶液浸泡后的试样，观察对比其微观形态、孔隙特征。将经4种溶液浸泡过的试样敲碎，选取具有新鲜断面的小块试样，利用液氮冷冻装置进行脱水处理后用电子显微镜观察新鲜断面。

3 试验结果

3.1 静态溶蚀试验结果

各溶液中石膏岩试样的质量随时间变化明显，经过29 d溶蚀后，石膏岩试样在纯水中浸泡后溶蚀总量为3.12 g，在氯化钠溶液中溶蚀总量为6.4 g，与卢耀如等[19]所发现的石膏岩试样在盐溶液中溶解度是纯水中的2倍较为相似。冰醋酸溶液中溶蚀总量为2.91 g，氢氧化钠溶液中溶蚀总量为2.73 g。图2所示为石膏岩试样质量占初始质量百分比随时间变化，可以发现：红色曲线变化幅度最大，由100%降到最低的94.77%；纯水、氢氧化钠溶液、冰醋酸溶液中的试样变化曲线较为相近，相差不大。总体上以氯化钠溶液对石膏岩溶蚀最为严重，其次为纯水、冰醋酸溶液、氢氧化钠溶液。

为了观察溶蚀后试样微观结构特征，对溶蚀后的石膏岩试样进行电镜扫描(scanning electron microscope, SEM)，结果如图3所示。从图3可以看出，在氯化钠溶液中浸泡后的图3(a)试样遭到溶蚀破坏最为严重，而图3(b)及图3(c)为纯水、冰醋酸溶液中浸泡后的试样，两者较图3(a)溶蚀较轻，但三者微观晶体均遭到溶蚀破坏，解理面不再明显，晶间孔隙度增加，晶格间的物质被溶蚀、崩解掉；而图3(d)浸泡在氢氧化钠溶液中的试样，可见明显的解理，晶面平整、光滑，具有完整性的特点，也从微观方面验证了图2中各个试样的溶蚀百分比。

图2 石膏岩试样质量百分比与时间的关系Fig.2 Relations between percentage and time of gypsum rock sample

图3 石膏岩溶蚀后SEM照片Fig.3 SEM photograph of gypsum rock after dissolution

3.2 声发射试验结果

裂纹的发展演化通常伴随着材料内某一位置处能量积聚与释放、弹性波的传播。声发射技术就是捕捉这些声发射信号并加以记录、分析。用于分析内部损伤的声发射信号参数主要包括振铃计数、撞击数、事件计数、能量计数、幅度、持续时间等。声发射内容均采用振铃计数为例进行分析。

经各溶液溶蚀以后，在进行单轴压缩试验同时进行声发射试验，可以发现累计振铃计数与溶蚀量大致呈正比，即溶蚀量越大，试样内部裂隙越多，声发射次数就多。从单独振铃计数可以总结出，冰醋酸和氢氧化钠溶液溶蚀后的试样声发射主要发生在试验的后半程，而水与氯化钠声发射活动主要发生在试验初始阶段。

图4所示为石膏岩试样浸泡在冰醋酸中表现出的压力性质及声发射信息，可见前期振铃计数大，声发射信号相对强烈，之后振铃计数少而弱，在300～350 s试样破坏后振铃计数陡增，且存在滞后现象，而其累计的振铃数前期增加较快，之后缓慢，在试样破坏后则突然增加，这是由于前期的积累应变能在后期突然释放，内部微裂纹贯通呈宏观裂纹展布，从而使声发射信息突变密集、强烈。

图4 冰醋酸中试样压力、声波参数与时间的关系Fig.4 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in aceticacid

图5 氢氧化钠溶液中试样压力、声波参数与时间的关系Fig.5 Relationsamong sample pressure, acoustic parameters and time in sodium hydroxide solution

图5所示为石膏试样浸泡在氢氧化钠溶液中表现出的压力性质及声发射信息，可见前期振铃计数大，信号相对强烈，之后振铃计数少而弱，期间存在几个峰值，在350 s后试样压力曲线有下降趋势，振铃计数出现高峰，而其累计的振铃数前期增加较快，之后缓慢，在350 s后则突然陡增，这同图4存在相同现象，这可能是由于试样在350 s时发生破坏，但是由于试验量程有限，故未能测到其破坏时的现象。

图6 纯水中试样压力、声波参数与时间关系Fig.6 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in pure water

图6所示为石膏岩试样浸泡在纯水所表现出的压力性质及声发射信息，可见前期振铃计数大，声发射信号较为强烈，之后振铃计数少而弱，在270 s试样破坏后振铃计数陡增，且存在滞后现象，而其累计的振铃数前期增加较快，之后缓慢，在试样破坏后则突然增加，这是由于前期的积累应变能在后期突然释放，内部微裂纹贯通呈宏观裂纹展布，从而使声发射信息突变密集、强烈。

图7所示为石膏岩试样浸泡在氯化钠溶液中所表现出的压力性质及声发射信息，可见前期振铃计数大，声发射信号较为强烈，之后振铃计数相对较少而有所减弱，在200 s时试样破坏后振铃计数有所增加但不明显，同样存在滞后现象，而其累计的振铃数前期增加较快，之后平缓，甚至出现水平曲线，这是由于局部受到孔隙水作用，含水率改变了试样的破坏过程，甚至短时间内减弱了波的传播，旧裂纹缓慢扩展[20]，在试样破坏后的150 s后才突然增加。

图7 氯化钠溶液中试样压力、声波参数与时间关系Fig.7 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in sodium chloride

3.3 单轴压缩试验结果

为对比不同溶液环境下试样的抗压强度，现将不同溶液溶蚀后的试样抗压强度、弹性模量、泊松比列于表1中。从表中可以看出，氢氧化钠溶液中浸泡的试样强度最大，氯化钠溶液中最小，冰醋酸与纯水中试样处于中间。这与溶蚀质量变化一致。溶蚀质量越多，试样破坏越严重，强度降低的越多。

表1 不同溶液环境下试样的抗压强度与变形指标Table 1 Compressive strength and deformation index of specimens under different solution conditions

泊松比大说明试样受力之后，横向变形量较纵向变形量要大。泊松比的变化也从一定程度上体现了试样在溶液中浸泡之后的塑形与脆性的变化。浸泡后试样的泊松比总体上表现为溶蚀量越大，泊松比越大，试样塑性越明显，但氢氧化钠溶液中浸泡后的试样不符合这一规律，这是因为在氢氧化钠溶液中浸泡后生成氢氧化钙覆盖在试样的表面，有所差异。

同时作出单轴压缩试验轴向应变-应力关系曲线(图8)。从中可以看出:在冰酸溶液环境下石膏岩试样塑性变弱，脆性变强，强度较纯水环境下高；在氯化钠溶液环境下，石膏岩试样塑性增大，脆性降低，抗剪强度最小，弹性模量最小，破坏在标准纯水中的石膏岩试样破坏之前；在氢氧化钠溶液中，塑性最强，抗剪强度最高。

图8 石膏岩试样应力-应变关系曲线Fig.8 Stress-strain curve of gypsum rock sample

4 讨论

通过对表1、图2及图8的分析发现，以纯水中的石膏岩试样为参照物，碱溶液环境下的石膏岩试样溶蚀量较少，在强度试验量程内试样没有破坏，其塑性变强，强度变大，这是由于石膏岩在碱溶液中反应生成Ca(OH)2，反应方程式如下：

在前期，溶液中Ca2+与OH-反应生成Ca(OH)2络合物，但由于前期Ca2+含量相对较少，反应生成的氢氧化钙较少，OH-与Na+促进反应的进行，之后随着反应的进行，生成的氢氧化钙固体开始增加，包络在石膏岩试样表面形成硬质表层，阻止NaOH溶液继续溶蚀石膏岩，所以在图3(d)中，试样表面为络合物，使试样强度增加，约9.358 MPa，强度变大，石膏岩在试验量程范围内仅有少许的破坏趋势，没有发生完整破坏。

在酸溶液中，据吴银亮[15]、祝艳波等[1]研究发现，石膏岩溶蚀后溶液呈弱酸性，溶液中含有游离的氢根离子，而冰醋酸中游离氢根离子较多，其会抑制石膏的水解，减小其溶蚀量，所以在冰醋酸溶液环境下的石膏岩的溶蚀受到游离的氢根离子的抑制，溶蚀程度低于纯水，强度大约为8.656 MPa，较纯水中试样强度有所增大，使试样脆性更明显。

在盐溶液中的石膏岩试样，曲线较为特殊，强度变得很低，仅为3.311 MPa左右，这是由于溶液中的Na+会降低石膏体硬化体强度[21-22]，使得其表层软化，溶蚀量增加，强度降低，塑性变强，脆性变弱。

5 结论

(1)不同性质的溶液对石膏岩的影响不同。与纯水相比，NaCl溶液增加石膏岩的溶蚀量，冰醋酸减少石膏岩的溶蚀量，氢氧化钠溶液减少石膏岩的溶蚀量。

(2)与纯水中浸泡的试样相比：浸泡在氢氧化钠溶液中石膏岩试样强度变大，塑性变强；经冰醋酸溶液溶蚀后，试样强度少许增加，塑性变弱，脆性变强；经过氯化钠溶液溶蚀，试样强度降低到纯水溶蚀后试样强度的40%，塑性变强，脆性减弱。

(3)不同溶液环境对石膏岩的溶蚀程度不同，溶蚀量越大，内部裂隙越多，声发射活动主要发生在试验初始阶段，累计发生次数总体增加。

(4)不同溶液环境对石膏岩的溶蚀及软化作用不同，为了防止工程问题的发生，在工程建设过程中，应注意工程所处的溶液性质，及时做好排水工作，或改变溶液的性质，减少或抑制其溶蚀及软化，同时应及时做好工程防护措施。