水化学作用下砂岩力学特性劣化试验研究

谢 妮，孙晨光，李鹏程

(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074)

自20世纪50年代以来，随着全球经济和工业化的迅速发展，环境污染问题越来越严重。在污染较为严重地区，工程岩体在受到各种外荷载作用的同时，还会长期受到水化学腐蚀的作用，岩体细观结构产生的巨大变化致使其力学特征和性质产生劣化，最终导致工程岩体的稳定性降低，服务年限缩短。最新研究表明，共造成74人死亡，8人受伤的重庆武隆鸡尾山滑坡的成因与长期以来酸雨对滑带页岩的劣化作用密不可分[1]。此外位于川渝地区砂岩地层的石窟寺及石刻，在酸雨、地下水等水化学腐蚀长期作用下，出现了基岩裂隙、破损、渗水甚至局部失稳等不同程度的与砂岩劣化相关的病害。因此，开展水化学作用下砂岩力学特性劣化的试验研究，揭示石窟寺岩体的劣化机理及规律对于开展石质文物保护具有重要的指导意义。

近年来，中外学者在水化学溶液作用下岩石力学特性的研究方面取得了许多成果。霍润科[2]通过试验对砂浆及砂岩材料受酸腐蚀过程中物理、化学及力学特征进行了研究，同时建立了受酸腐蚀过程中材料的宏、细观模型；Feng等[3]对水化学腐蚀作用下花岗岩的力学特性劣化特征进行了试验研究，同时建立了岩石的损伤变量以及相应的本构关系；陈四利等[4-5]对不同水化学溶液腐蚀作用下的砂岩进行单轴压缩试验，分析了岩石的化学力学特性劣化特征，并且对裂纹扩展过程进行显微观测，分析水化学作用下岩石试样的细观破裂特征及损伤机理；Li等[6]通过实验研究水-岩作用下岩石细观结构及力学特性的化学损伤破坏机理，并建立了相关的损伤本构模型；汤连生等[7]、Nara等[8]、Karfakis等[9]、Reinhardt等[10]，通过实验探究不同水化学腐蚀作用对岩石断裂力学特性的影响规律；王伟等[11]通过三轴压缩试验获得了水化学环境对砂岩强度和变形特性的影响规律。韩铁林等[12]通过对砂岩在不同化学溶液开展三点弯曲试验研究，指出不同水化学溶液对砂岩的劣化程度，指出不同化学溶液下砂岩的裂纹扩展半径与其力学损伤的关系。同时岩石矿物颗粒间存在孔隙、缺陷及微观结构面，岩石在不同的水化学环境的作用下，岩石矿物成分、结构不断变化。例如，伊利石等在水化学及风化作用影响下晶粒外围松散变小、胶结物黏结变弱孔隙贯通等结构变化[13]，进而导致岩体物理力学性质逐渐劣化，其实质是微细观结构变化引起的宏观力学特性劣化的过程[13-18]，俞缙等[19]研究了水化学及冻融循环共同作用下岩石的力学特性及微细观结构劣化特征。最近, Kramarov 等[20],结合(semi-circular bend,SCB)三点弯曲试验测试和数字图像相关性来测量全场位移和量化断裂过程区。高速摄像机捕捉到的裂隙的扩展路径和形态，同时反映了水或酸不同水化学作用后岩微观结构的劣化规律。目前研究成果主要集中在H+、OH-浓度较高的水化学溶液与岩石发生化学腐蚀作用对岩石宏观力学特征的影响等方面，但是多数工程岩体所处的地下水或其他水化学环境的pH介于5～8，针对水化学溶液初始浓度在此之间的水-岩化学反应的研究尚不多，需要进一步探究。

鉴于此，采用初始pH=5.0的Na2SO4溶液、pH=3.0的Na2SO4溶液和蒸馏水三种不同的水化学溶液，将砂岩在不同水化学环境中浸泡不同时间后开展三点弯曲试验，研究砂岩力学特性的劣化情况，并且通过偏光显微镜和扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)进行试验，观察砂岩试样表面及其内部微细观结构的损伤劣化情况，探究不同水化学环境下砂岩宏观力学性质及微细观结构的劣化机制，研究结果将对与水化学环境相关的岩体工程的安全性和稳定性有一定的参考价值。

1 材料和方法

1.1 材料和仪器介绍

砂岩试样选自重庆市涞滩镇二佛寺，加工成带预制裂缝的标准半圆柱形试件。砂岩试件的尺寸及试验加载方式，如图1所示。试件为半径R=50 mm、高B=50 mm的半圆柱体，预制裂缝长度a=25 mm，宽度为1～2 mm。通过声波检测仪对砂岩的样品进行检测并分组，将差别较大的试样去除，将波速相近砂岩试样的设置为一组。共分成4组，每组包含5个砂岩试样，总计20个砂岩试样。经测量计算在自然状态下，其平均密度为2.33 g/cm3。

图1 三点弯曲试验示意图

经矿物成分鉴定后其由砂粒(约90%)和胶结物(约10%)组成，为孔隙式胶结。其中砂粒成分复杂，主要是岩屑颗粒(约40%)，其次是石英(约30%)和长石(约20%)，还有少量云母、辉石、磁铁矿铁质矿物，边缘为次圆状为主，部分是次棱角状。粒径在0.15～0.6 mm。大多数粒径在0.3～0.5 mm，为中粒砂。胶结物分布于砂粒之间孔隙中，除泥质成分外，还有铁质。胶结物含量较少，岩石结构成熟度较好。

1.2 试验方法

试样按顺序依次进行编号，在105 ℃的温度条件下，烘干试样，等待完全冷却后，利用抽真空法，将其中三组试样强制性于0.1 mol/L pH=3.0的Na2SO4溶液，0.1 mol/L初始pH=5.0的Na2SO4溶液和蒸馏水三种溶液中饱和。其中于pH=3.0的Na2SO4溶液中饱和的试样连续浸泡30 d，持续检测pH，使水化学溶液pH维持不变；其余两组浸泡120 d，期间测量溶液pH的变化，试验中溶液配制如表1所示，最后进行三点弯曲试验。

表1 化学溶液配制

三点弯曲试验在5 000 kN压力机上进行，加载速率保持0.002 mm/s直至试件开裂破坏。加载过程中通过高倍摄像机高速拍摄裂缝的扩展情况，拍摄区域如图1中虚线位置所示。

2 试验结果分析

2.1 砂岩浸泡水化学溶液的pH变化规律

在试验过程中持续测量浸泡在初始pH=5.0的Na2SO4溶液(工况②)和蒸馏水(工况③)两种工况下水化学环境的pH，记录两种工况下pH的变化规律，如图2所示。

图2 两种水化学溶液的pH随时间变化曲线

试验中工况②和工况③下的水化学溶液，随着水化学作用时间的推移，pH逐渐增大，并且水化学溶液呈现弱碱性。主要是由于随着作用时间的延长，水化学作用程度加深，水化学溶液中H+反应更彻底。

试验初期，两种工况下溶液pH的变化速率较高，随着时间的推移，pH的变化速率逐渐减小，并于实验后期趋于稳定。这主要是由于水-岩的化学作用在时间方面具有阶段性，试验前期水化学作用反应强烈，随着水化学作用时间的推移，水化学作用反应速率逐渐变缓，最终在试验后期趋于停止。

两种工况下的水化学作用，初始pH=5.0的Na2SO4溶液的pH在水化学腐蚀的前40 d变化比较显著，随后其变化幅度逐渐变小最终趋于稳定，而蒸馏水溶液的pH在水化学腐蚀的前80 d变化显著。结果表明，蒸馏水溶液浸泡下，水化学腐蚀作用强烈的时间更长。

2.2 荷载-时间关系曲线

对自然状态及三种不同溶液浸泡后的四组砂岩试样分别进行三点弯曲试验，不同状态下砂岩试样的荷载-时间关系曲线如图3所示。关系曲线的形态可分为弹性阶段、压密阶段、破坏阶段。通过对比可以得出如下结论。

图3 不同水化学条件下三点弯曲的荷载-时间关系曲线

(1)不同水化学环境浸泡后，砂岩试样的初始压密阶段存在差异。自然状态和两种酸溶液下的试样随着压密区的加长，荷载-时间之间的非线性有所增加，曲线呈上凹型，但是蒸馏水浸泡下的试样并不明显。

(2)随着应力的增大，荷载-时间关系曲线呈近似线性，从而进入弹性阶段，弹性阶段的斜率自然状态>初始pH=5.0的Na2SO4溶液>pH=3.0的Na2SO4溶液。蒸馏水浸泡120 d的砂岩试样出现明显的劣化趋势，弹性阶段不明显，呈现出明显的塑性变形。相同的水化学作用时间，蒸馏水溶液对砂岩试样的劣化程度比初始pH=5.0的Na2SO4溶液更深。

(3)同时记录不同状态砂岩试样的峰值荷载，结果见图4。由图4可知，经过水化学腐蚀作用的砂岩试样相较于自然状态下砂岩试样，峰值强度均有不同程度的减小，说明在不同的化学溶液中饱和浸泡后，砂岩试样发生不同程度的劣化。对比pH=3.0的Na2SO4溶液和初始pH=5.0的Na2SO4溶液作用的砂岩试样，当初始pH减小，并且H+维持在同一浓度时，砂岩试样短时间内峰值荷载减小，即短时间内劣化明显，说明H+对砂岩试样有明显的劣化作用。但是相同的浸泡时间，蒸馏水浸泡的岩样峰值强度的劣化程度远大于初始pH=5.0的Na2SO4溶液，说明初始pH=5.0的Na2SO4溶液在反应后期对水-岩反应有一定的抑制作用。且蒸馏水及初始pH=5.0的Na2SO4溶液浸泡下，部分曲线表现出明显的延性特征，除了砂岩试样本身的差异性原因外，也存在水的润滑作用的影响，水的润滑作用使岩石的颗粒之间出现了相对转动和滑移，从而导致在相同的荷载作用下位移增大。

图4 不同水化学条件下砂岩的峰值荷载

2.3 断裂韧度分析

岩石的断裂韧度可以作为衡量岩石抵抗其自身裂纹发展能力的重要力学指标。由于本次试验的试样采用直切槽切口，因此断裂韧度的计算公式可以采用国际岩石力学与工程学会[21-22]建议的计算公式[式(1)]，同时给出了平面应力状态下无量纲应力强度因子计算公式[式(2)]

(1)

(2)

将三点弯曲试验直接测得的加载在岩石试样上的最大荷载Pmax以及试样的尺寸参数R、B、a、S一同代入式(1)和式(2)中，计算出不同状态砂岩试样的I型断裂韧度，计算结果如图5所示。由图5可知:

图5 不同水化学条件下砂岩的断裂韧度

(1)不同状态下I型断裂韧度KIC均较为集中，这说明试验结果的离散性较小，不同工况下的断裂韧度可以由相应工况下的平均断裂韧度代表。

(2)根据计算所得的断裂韧度值，可以得出化学腐蚀后砂岩试样的断裂韧度相对于自然状态试样的断裂韧度均有所降低，这主要是由于水化学作用使砂岩内部矿物颗粒间的胶结作用减弱，砂岩抵御裂缝扩展的能力降低。相同的水化学作用时间下，蒸馏水浸泡的砂岩试样断裂韧度远小于初始pH=5.0的Na2SO4溶液下的砂岩试样，这也说明反应后期初始pH=5.0的Na2SO4溶液对砂岩试样的劣化有抑制作用。

2.4 裂隙扩展形态分析

为了探究不同水化学环境和浸泡时间对砂岩试样断裂裂隙的形态特征的影响，通过高倍摄像机高速拍摄裂缝的扩展情况，并且将从粗糙度和起伏度进行研究。在本实验中，节理粗糙度系数(joint roughness coefficient，JRC)是由裂隙上随机不规则微凹凸线组成，能够从细观结构尺度上来表征裂隙的粗糙度，其计算公式见式(3)[23]，同时平均起伏角iave按式(4)计算，起伏角标准偏差SDi按式(5)计算。

JRC=1.14SDi-3.88

(3)

(4)

(5)

不同工况下砂岩试样的断裂裂隙的JRC计算结果如图6所示。

由图6可知同自然状态下的试样相比，经过水化学作用后的岩样裂隙的粗糙度和起伏度明显降低。这主要是由于水化学腐蚀作用下，岩石式样的矿物成分及砂岩颗粒之间的胶结物质发生改变，颗粒间胶结性能变弱，进而导致颗粒、孔隙、裂隙形态大小等微细观结构发生改变。裂纹扩展路径主要沿颗粒边界在胶结物中发生，同时，胶结物遇水软化，砂岩试样的脆性特征减弱，延性特征增强，水化学溶液对破坏面扰动影响降低，所以经过水化学作用的砂岩试样裂隙的粗糙度和起伏度明显降低。同时也表明蒸馏水溶液相比初始pH=5.0的Na2SO4溶液对砂岩试样的劣化程度更深，这与峰值荷载和KIC变化的结果是一致的。

图6 不同水化学条件下砂岩断裂裂隙JRC

3 砂岩的酸腐蚀劣化机理

3.1 砂岩表面微观分析

对本文利用偏光显微镜对不同工况下的岩石薄片进行了矿物成分及其光学特性的鉴定，探究不同水化学环境作用下砂岩试样的损伤劣化机制，结果如图7所示。经过不同水化学作用后，岩石中的孔洞量出现了不同程度的增加。自然状态下，岩石试样中只有较少的孔洞，即岩石的初始损伤很小；经过pH=3.0的Na2SO4溶液饱和浸泡后，其表面的孔洞明显增多、变大，这说明酸性溶液溶蚀作用对岩石试样造成的损伤很明显；经过蒸馏水饱和浸泡120 d后，其表面的孔洞也明显增多，但是初始pH=5.0的Na2SO4溶液饱和浸泡后的砂岩试样孔洞量只有少量增加，即初始pH=5.0的Na2SO4溶液浸泡对岩石试样造成的损伤较小，说明反应后期初始pH=5.0的Na2SO4溶液对砂岩试样的劣化作用有所抑制。这一试验结果与不同溶液溶蚀对砂岩宏观力学特性的影响规律符合。

图7 不同水化学条件下砂岩试样表面显微结构

3.2 砂岩内部的扫描电镜观察和能谱分析

为了进一步揭示不同化学溶液下砂岩试样水化学作用的损伤劣化机理，采用扫描电镜SEM对不同工况下砂岩试样内部的微细观形态进行观察分析，并且应用能谱仪检测不同工况下砂岩部分元素的含量表以及能谱图，结果如表2～表5所示，如图8所示。通过图8可知，自然状态下砂岩试样内部形貌相对比较粗糙，矿物颗粒粒径相对较大，结构致密，而不同化学腐蚀作用后砂岩试样内部出现了明显的劣化现象，矿物颗粒的粒径有所减小，矿物颗粒的棱角变得圆滑，矿物表面的粗糙程度降低，结构也变得疏松松散；然而不同水化学腐蚀作用下砂岩试样微细观结构的发生不同的损伤劣化程度。

图8 不同水化学条件下砂岩试样表面显微结构试样内部的扫描电镜图

表2 自然状态下砂岩试样的元素含量表

表3 0.1 mol/L Na2SO4 pH=5.0溶液(120 d)砂岩试样的元素含量表

表4 0.1 mol/L Na2SO4 pH=3.0溶液(30 d)砂岩试样的元素含量表

表5 蒸馏水溶液(120 d)砂岩试样的元素含量表

由图9～图12可知，pH=3.0的Na2SO4溶液饱和浸泡后，砂岩试样内部颗粒粒径变小，颗粒间的胶结物基本被溶蚀，进而导致其内部结构变得疏松，能谱分析结果显示镁，铁元素几乎没有；蒸馏水溶液浸泡下试样内部矿物颗粒磨圆度极其疏松程度大于初始pH=5.0的Na2SO4溶液饱和浸泡下的试样，能谱图中横坐标表示的是所激发元素的加速电压，纵坐标是能谱仪所收集的反射粒子数，图9～图12中显示不同水化学作用下镁，铁元素均有所降低；初始pH=5.0的Na2SO4溶液下的元素相对于自然状态下也有所降低，但降低程度较小，从微细观角度说明了，当H+浓度足够大，溶液促进砂岩试样内部微细观结构的损伤劣化程度，但是当H+浓度减小，溶液相对于蒸馏水溶液对砂岩的劣化作用有所缓解。

图9 自然状态下砂岩试样的能谱分析结果

图10 0.1 mol/L Na2SO4 pH=5.0溶液(120 d)砂岩试样的能谱分析

图11 0.1 mol/L Na2SO4 pH=3.0溶液(30 d)砂岩试样的能谱分析

图12 蒸馏水溶液(120 d)砂岩试样的能谱分析

4 结论

(1)随着水化学作用时间的加长，初始pH=5.0的Na2SO4溶液和蒸馏水两种溶液对砂岩的腐蚀作用均趋于相对平衡，并且蒸馏水达到平衡的时间更长。水化学作用的速率具有明显的时间阶段性，试验初期，pH变化速率快，随着时间的推移，变化速率逐渐减慢，直到趋于稳定。

(2)不同水化学溶液浸泡作用下砂岩试样的劣化程度各不相同。当溶液pH足够小时，H+会加快砂岩试样的水化学作用，进而增大劣化程度。在H+浓度低的情况下，蒸馏水对砂岩试样的劣化作用大于初始pH=5.0的Na2SO4溶液，即初始pH=5.0的Na2SO4溶液相较于水溶液在试验后期对砂岩试样的劣化有抑制作用。

(3)随着水化学作用时间的增长，胶结物质软化并发生破坏，砂岩试样破坏过程中的塑性特征逐渐显著，脆性特征逐渐减弱，延性特征有所增加。同时颗粒间胶结性能变弱，水化学溶液对破坏面扰动影响降低，导致试样的裂隙粗糙度和起伏度逐渐降低。

(4)水化学腐蚀作用不仅引起了砂岩试样的矿物成分的改变，而且矿物颗粒、孔隙，裂隙的大小及形状等微细观结构也发生了改变，最终导致岩石的物理力学特性发生改变，砂岩试样随着H+或水化学作用时间的增大，峰值荷载，断裂韧度均减小。