干湿循环下pH值对砂岩静态单轴力学特性的影响

袁 璞,步 鹤,位宁宁

(1.安徽理工大学土木建筑学院，淮南 232001；2.安徽理工大学，矿山地下工程教育部工程研究中心，淮南 232001； 3.安徽理工大学，深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，淮南 232001)

0 引 言

水岩作用是一种基本的地球化学作用，地下水或者溶液和岩石之间的化学或同位素的不平衡是它发生的前提，驱动着近地表环境的演化，不仅引起岩石和水之间的化学元素重新分配，还会造成岩石微观结构的改变[1-2]，干湿循环作用是最常见的水岩作用之一，例如雨水的降落与蒸发、季节性水位的上升与下降、地下水位的变化等[3]。干湿循环作用对岩石劣化的效应是物理、化学和力学多场耦合作用的综合结果，已经成为岩石力学的前沿问题之一[4]。

目前，地下工程建设已经进入飞速发展阶段，地下工程符合人类可持续发展的原则，由于地下空间地质条件和水环境较为复杂，水岩间的干湿循环作用使岩石的强度下降，会引起地下岩体工程结构的破坏，引发工程事故和地下工程地质灾害[5]。刘新荣等[6]通过酸碱环境干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化规律的研究，得出了不同pH值溶液干湿循环作用下砂岩抗剪强度随循环次数的表达公式。韩铁林等[7]研究发现，化学腐蚀时间不变的情况下，随着溶液pH值的减小，砂岩的峰值强度、粘聚力和内摩擦角的劣化越来越大，砂岩的孔隙率增大，纵波波速减小。王来贵等[8]对长石砂岩进行了纵波波速测定、XRD测试和单轴抗压试验，探讨了不同溶液条件下干湿循环后长石砂岩的力学特性变化规律，利用数字散斑相关方法(DSCM)分析不同溶液条件下干湿循环后长石砂岩的侧面变形场演化规律。马芹永等[9]对干湿循环下的粉砂岩进行了单轴压缩蠕变试验，发现轴向蠕变应变和稳态蠕变速率随干湿循环次数的增加逐渐增大，阶段劣化度随着干湿循环次数的增加逐渐减小。罗琼[10]对干湿循环下的泥岩进行了三轴压缩试验，得出了泥岩的弱化系数和循环次数呈正相关。崔凯等[11]对板岩进行了不同次数的饱水作用和干湿循环作用，测得相关物理力学性质，发现干湿循环作用对板岩的劣化程度强于饱水作用。

本文研究不同pH值溶液干湿循环作用下砂岩的损伤劣化规律，以朱集东煤矿细颗粒砂岩为研究对象，分析了溶液pH值和干湿循环次数对砂岩力学特性的影响规律，并进行了XRD测试，探讨了水岩作用机理，本文的研究成果可为地下岩体工程的稳定性分析提供实验依据。

1 实 验

1.1 材料和试件制备

所用的砂岩为安徽省淮南市朱集煤矿的细颗粒砂岩，埋深-965 m，呈灰白色，表观完整性良好，无裂纹和孔洞。首先利用EDS和XRD对砂岩成分进行分析，得到砂岩中所含的化学元素主要包括硅、氧、铝、钾、钠和钙等元素，砂岩成分主要有石英(quartz， Q)、方解石(calcite， C)、钠钾长石(Na-K feldspar, F)和高岭石(kaolinite, K)，图1为砂岩XRD谱。

图1 砂岩XRD谱Fig.1 XRD pattern of sandstone

根据规范[12]将岩样取芯、切割、打磨成直径为50 mm，高径比2.0的圆柱体，试件两端面的不平行度在±0.05 mm范围内[13]，两端面与轴线的垂直误差不大于0.25°。由于岩石的不均质性，进行试验前先对打磨完毕的砂岩试样进行纵波波速测试，挑除离散性较大的试件，最终得到的标准圆柱砂岩试件，如图2所示。

图2 砂岩试件Fig.2 Sandstone samples

1.2 干湿循环试验方案

将砂岩试件放入烘箱干燥12 h，取出放置到干燥器中冷却30 min至室温，然后再将其放入溶液中自然浸泡12 h，砂岩试件在溶液中浸泡时，用玻璃棒将试块分隔开，保证全面吸水，称为1次干湿循环。每组砂岩试件在第一次烘干时温度设置为105 ℃，使砂岩试件达到干燥状态，便于测量其吸水率；以后每次干湿循环烘干温度设置为60 ℃。

不同pH值的溶液用稀硫酸溶液和氢氧化钠溶液配置而成，因为自然状态下深部岩体和地下工程所处的地下水pH值并不是一个确定的值，所以浸泡溶液设有4种，溶液pH值分别为3、5、6.5(蒸馏水)和7。将试样进行0次(干燥状态)、1次、10次和20次干湿循环试验。

2 砂岩试件物理性质结果分析

2.1 砂岩纵波波速变化规律分析

试验测得相同干湿循环次数(20次)不同pH值(pH=3、5、6.5、7)溶液浸泡下砂岩的纵波波速，数据如表1所示。

表1 砂岩纵波波速Table 1 Longitudinal wave velocity of sandstone

岩石的孔隙度和损伤度与纵波波速有对应关系[14]，岩石内部裂隙程度可以用纵波波速来进行判别[15]。探究不同pH值溶液干湿循环对砂岩纵波波速的影响，以溶液pH值p为横坐标，砂岩试件的纵波波速C为纵坐标，制作散点图，对4种pH值溶液20次干湿循环砂岩试件的纵波波速散点图进行拟合(如图3所示)，得到砂岩纵波波速C和溶液pH值p符合以下关系：

C=2 330.440p0.196，R2=0.925 (p≤7)

(1)

由表1和图3可以看出，经过不同pH值溶液20次干湿循环后，砂岩试件的纵波波速随着溶液pH值的降低而减小，且砂岩试件纵波波速下降的速度随着溶液酸性的增强越来越快，分别为3.99%、8.05%和16.15%。砂岩试件纵波波速的降幅越来越大，分析其原因，砂岩在酸性的环境下进行干湿循环，干湿循环本身对砂岩就存在劣化作用，酸性溶液中H+与砂岩内部的方解石和钠钾长石发生化学反应，增大了砂岩内部的孔洞和裂隙，经过反复的干湿循环作用，水分子在砂岩内部不断填充和挥发，进一步扩大了内部孔隙，劣化越来越大，从而减弱了纵波的能量传播，进而纵波波速减小。

图3 不同pH值条件下砂岩纵波波速的变化曲线Fig.3 Curve of longitudinal wave velocity of sandstone under different pH values

2.2 吸水率试验

吸水率是岩石的基本物理力学特性之一，岩石在常温常压下吸收水分的性能称为岩石的吸水性。为了探究不同pH值溶液干湿循环条件下砂岩的吸水率，每次干湿循环浸泡完成后，将砂岩试件从溶液中拿出，然后用吸水滤纸将试块表面的水吸干，用精度为0.01 g的电子天平测其每次吸水后的湿质量mi。根据公式(2)对砂岩试件在不同pH值溶液中干湿循环记录的数据计算出吸水的变化规律。

(2)

式中：Wi设置为吸水率，%；mi为第i次干湿循环时所测得试块的湿质量，g；m1为试块第一次干燥时的质量，g。

图4为砂岩吸水率变化曲线，从图4横向单一来看，随着溶液pH值的降低，即随着酸性的增强，砂岩试件的吸水率逐渐增加，且增幅逐渐加快。纵向比较来看，砂岩试件在相同pH值溶液的条件下，随着干湿循环次数的增加，砂岩试件的吸水率也有显著增长；随着pH值的降低，两个拟合曲线的间距越来越大，即酸性作用和干湿循环次数对砂岩试件吸水率都呈正相关，相互促进，使得酸性越强循环次数越多的砂岩试件吸水率越高。以溶液pH值p为横坐标，砂岩吸水率Wi为纵坐标，对试验数据制作散点图，按照一元二次函数进行拟合，如图4所示，得出砂岩吸水率Wi和溶液pH值p符合以下关系，其中式(3)和式(4)分别是砂岩试件20次和10次干湿循环时的拟合函数。

图4 砂岩吸水率变化曲线Fig.4 Water absorption curves of sandstone

Wi=3.714-0.581p+0.036p2R2=0.996 (p≤7)

(3)

Wi=2.084-0.229p+0.011p2R2=0.985 (p≤7)

(4)

3 砂岩试件力学性质结果分析

3.1 应力-应变曲线

图5为砂岩试件在相同干湿循环次数不同pH值溶液浸泡条件下的单轴抗压试验应力-应变曲线。从图5能够发现在不同pH值溶液浸泡下经过1次、10次和20次干湿循环作用的砂岩试件应力-应变曲线可以划分为微裂隙压密、弹性变形、屈服和破坏4个阶段。在相同干湿循环次数时，砂岩应力-应变曲线中微裂隙压密阶段的长度随着溶液pH值的降低而逐渐增大，弹性阶段的长度随着溶液pH值的降低而逐渐减小。

图5 砂岩试件单轴抗压应力-应变曲线Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain curves of sandstone specimens

在10次干湿循环时，溶液pH值为3、5和6.5条件下的试件劣化程度是溶液pH值为7条件下的试件劣化程度的2.08倍、1.71倍和1.37倍；在20次干湿循环时，溶液pH值为3、5和6.5条件下的试件劣化程度是溶液pH值为7条件下的试件劣化程度的1.78倍、1.58倍和1.24倍。在相同干湿循环次数时，酸性溶液对砂岩的劣化程度相比与中性溶液的劣化程度要大一些，且pH值越小劣化程度越大。

3.2 单轴抗压强度

从图6不同pH值溶液砂岩单轴抗压强度变化曲线中可以发现，砂岩试件在相同干湿循环次数不同pH值溶液的条件下，砂岩试件的单轴抗压强度随着溶液pH值的减小而逐渐减小，砂岩试件在溶液pH值为3、5和6.5条件下的强度相比于溶液pH值为7条件下的强度都有所减弱。为比较不同干湿循环次数不同pH值溶液作用下砂岩单轴抗压强度的变化，根据测得的试验数据，以pH值p为横坐标，单轴抗压强度σc为纵坐标，对试验数据进行非线性拟合回归分析。研究得到经历20次、10次和1次干湿循环砂岩单轴抗压强度σc与pH值p之间的拟合函数分别为：

图6 不同pH值溶液砂岩单轴抗压强度变化曲线Fig.6 Variation curves of uniaxial compressive strength of sandstone with different pH values

σc1=0.153ep/1.531+90.560R2=0.999 (p≤7)

(5)

σc2=0.708ep/2.215+93.011R2=0.982 (p≤7)

(6)

σc3=3.474ep/4.244+101.050R2=0.995 (p≤7)

(7)

砂岩试件在不同pH值溶液下单轴抗压强度试验数据和拟合曲线较为吻合，干湿循环次数相同时，随着溶液pH值的降低，砂岩试件的单轴抗压强度越来越低，表明溶液pH值越小劣化越大；溶液pH值相同时，随着干湿循环次数的增加，砂岩试件的单轴抗压强度逐渐减小，表明干湿循环次数越多劣化越大。

为了分析溶液pH值对砂岩强度的影响，定义总劣化度的概念，总劣化度Dn(pi)为：

(8)

式中：σc(max)为砂岩试件干燥状态下的单轴抗压强度；σc(pi)为pH值为i时砂岩试件的单轴抗压强度。

从图7不同pH值溶液砂岩单轴抗压强度及总劣化度趋势图中可以看出，在10次干湿循环中，相比较于干燥砂岩试件(单轴抗压强度为123.99 MPa)，经过干湿循环的试块在溶液pH值为3、5、6.5和7的条件下的劣化度分别为23.00%、18.92%、15.13%和11.04%；在20次干湿循环中，相比较于干燥砂岩试件，经过干湿循环的试块在溶液pH值为3、5、6.5和7的条件下的劣化度分别为26.62%、23.61%、18.54%和14.99%。从试件总劣化度中可以清楚地发现，干湿循环次数一定时，溶液酸性越强，试件总劣化度越高。

图7 不同pH值溶液砂岩单轴抗压强度及总劣化度趋势图Fig.7 Trend of uniaxial compressive strength and total deterioration of sandstone with different pH values

从图8砂岩峰值应力与pH值和干湿循环次数三维拟合关系图中可以发现，溶液pH值和干湿循环次数对砂岩峰值应力存在相互关联的影响。以溶液pH值p为横坐标，干湿循环次数n为纵坐标，砂岩峰值应力σc为立坐标，按照非线性曲面拟合，拟合函数如下：

图8 砂岩峰值应力与pH值和干湿循环 次数三维拟合关系图Fig.8 Three dimensional fitting relationship among peak stress, pH value, and dry-wet cycles of sandstone

σc=3.152p-0.835n+96.766R2=0.931 (p≤7)

(9)

3.3 试件破碎形态结果分析

图9为砂岩试件在20次干湿循环不同pH值溶液浸泡下单轴抗压破碎图片，从图中可以看出砂岩在破坏时以拉伸剪切组合破坏为主，在pH值为7的溶液中，砂岩试件的裂纹在裂隙尖端沿着两条对角线方向向试件顶端扩展；在pH值为6.5的溶液中，砂岩试件的裂纹也是在裂隙尖端沿着两条对角线方向向试件顶端扩展，且裂隙尖端处有缺口；在pH值为5的溶液中，砂岩试件的裂隙越来越大，贯穿一圈，且表面脱落严重；在pH值为3的溶液中，砂岩试件碎成很多块，破碎最严重。溶液的pH值越小，砂岩试件破坏时破碎程度越明显。

图9 不同pH值溶液对砂岩破碎的影响Fig.9 Influence of solutions with different pH values on sandstone breaking

4 酸性干湿循环作用对砂岩损伤劣化机制分析

砂岩的矿物组成部分在酸性溶液环境中会与溶液中的氢离子、硫酸根离子和水分子发生一定的化学反应，在宏观上表现为砂岩强度的下降，在微观上表现为内部的矿物组成部分发生变化。图10为不同pH值下砂岩XRD谱,可以看出，砂岩试件经历20次干湿循环后，内部矿物组成发生了变化，随着溶液酸性的增强，试件内部方解石和钠钾长石的衍射峰强度降低，高岭石衍射强度增强，石英的衍射强度变化较小。

图10 不同pH值下砂岩XRD谱Fig.10 XRD patterns of sandstone under different pH values

砂岩试件内部的矿物成分主要有石英、方解石、钠钾长石和高岭石等。石英的性质比较稳定，在酸性溶液中几乎不反应；方解石主要由碳酸钙组成，可以和酸性溶液中的氢离子发生化学反应；钠钾长石主要成分是铝硅酸盐，可以与水分子和氢离子发生水解作用生成高岭石，与硫酸根离子发生化学反应也生成高岭石。上述的主要化学反应[7-8,16-17]如下所示：

SiO2(石英)+2H2O=H4SiO4

(10)

CaCO3(方解石)+2H+=Ca2++H2O+CO2↑

(11)

NaAlSi3O8(钠长石)+4H++4H2O=Na++Al3++3H4SiO4

(12)

(13)

2NaAlSi3O8(钠长石)+2H++H2O=2Na++4SiO2+Al2(Si2O5)(OH)4

(14)

2NaAlSi3O8(钠长石)+9H2O+H2SO4=Al2O3·2SiO2·2H2O+Na2SO4+4H4SiO4

(15)

钾长石和钠长石的反应机理相同，就不再一一列出了，由式(13)和式(14)可以看出，钠钾长石水解呈碱性；由式(14)和式(15)可以看出，钠钾长石水解反应或者与硫酸盐反应，产生高岭石。根据砂岩试件的试验结果可以得知，砂岩试件在酸性溶液中进行干湿循环，试件的损伤劣化是逐渐增加的过程。在本次试验过程中对砂岩试件强度起到影响的主要包括物理作用和化学作用。

当砂岩试件在酸性溶液中浸泡进行干湿循环时，水分子从试件表面沿着裂隙慢慢渗入内部，胶结物质发生溶解，使得试件内部颗粒之间的粘结力和摩擦力减弱，水分子在开口孔隙中不断的填充和蒸发，反复的干湿循环作用下造成原生裂隙不断扩大和新裂隙的产生。与此同时，氢离子和试件内部方解石和钠钾长石发生反应，进而砂岩被侵蚀，导致试件内部的孔洞和裂隙增加，进一步削弱了颗粒之间的粘结力，随着溶液pH值的减小，砂岩的损伤劣化越来越剧烈。在微观上表现为试件内部矿物成分的改变，在宏观上表现为试件强度的降低。

5 结 论

(1)干湿循环次数相同时，随着溶液pH值的减小，砂岩试件的纵波波速逐渐减小，吸水率逐渐增加，单轴抗压应力-应变曲线微裂隙压密阶段逐渐延长，弹性阶段逐渐缩短，峰值应力逐渐减小。

(2)溶液pH值相同时，随着干湿循环次数的增加，砂岩试件的吸水率逐渐增加，砂岩试件的单轴抗压强度逐渐减小。

(3)不同pH值溶液条件下的干湿循环对砂岩试件的劣化程度不同，溶液pH=3时，砂岩试件的劣化最大，20次干湿循环后的劣化度为26.62%；溶液pH=7时，砂岩试件的劣化最小，20次干湿循环后的劣化度为14.99%；酸性溶液干湿循环作用下砂岩试件的劣化程度要比中性溶液更为严重。