不同流速及酸化作用下砂岩的力学损伤研究*

刘栋，万文, ，盛佳

(1.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭市 411201； 2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201； 3.长沙矿山研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012)

0 引言

在人类开展的大型采矿工程过程中，岩石破坏失稳问题给采矿工程的安全性、稳定性带来了极大的挑战。国内外的学者们针对岩石破坏失稳问题展开了大量的研究与试验，如朱运明[1]发现岩石经受长时间的水-岩相互作用后可能出现沿裂隙节理面的软化、泥化作用，导致岩石的强度与其他力学参数发生裂化、削弱。谭卓英等[2]在酸性环境下展开了岩石强度的数值模拟研究，探究了岩石抗压强度在酸性水化学溶液中的敏感程度，得出岩石强度损伤受控于岩石自身矿物组分、整体结构以及溶液的H+离子与酸根离子的浓度。陈四利等[3-4]通过三轴压缩试验，分析了各种水化学侵蚀作用对岩体力学性质产生的影响。潘有维等[5]基于对数正态分布相关方法，结合岩石损伤理论构建统计损伤本构模型，将岩石破坏过程详细地展现出来。TANG等[6]利用三轴压缩试验研究了岩石强度及围压与加载速率之间的关系。在实际的岩体工程中，影响岩石安全性和稳定性的因素不仅包括岩体自身矿物组分、微细观结构，还有来自自然环境，如温度、气体、水文地质等众多因素[7]。其中，水是关键的影响要素，在水的影响下，岩体内部结构、矿物成分等均会产生物理化学作用，从而发生劣化损伤[8-9]。然而上述的室内试验大都在静水饱和状态下展开，未考虑自然环境中不同水化学流体对岩体力学特性的影响。

基于上述分析，对山西省昔阳县北庄石英砂岩矿区进行采样，研究了流动酸性溶液侵蚀作用下砂岩的力学损伤时效特征，将砂岩试件置于不同pH、不同流速的酸性溶液中浸泡，并以7 d为间隔点对岩样的质量、浸泡溶液的pH进行跟踪测定，同时对浸泡于pH=3酸性溶液中的岩样进行三轴压缩试验。基于试验数据分析了岩样在流动酸性溶液浸泡期间溶液pH的变化特征、岩样的质量损伤时效特征、砂岩的力学损伤时效特征等。最后探讨了流动酸化作用下砂岩的化学反应机制以及力学参数损伤规律。本文的试验结果对于采矿工程建设以及后期防护具有一定的理论意义。

1 试验方法

1.1 样品准备

试验的研究对象选自山西省昔阳县北庄石英 砂岩矿区，对样品进行打磨、抛光加工处理后制备成50 mm×100 mm的标准试件[10]。由该段水文地质调查报告可知，该区富含地下水，水溶液pH值为6.35，且长期平均流速处于200 mm·s-1左右。

考虑砂岩长期处于地下流动酸性环境，试验配制了3种不同pH值的水化学溶液，并模拟3种溶液流速，以研究不同流速酸性环境下砂岩力学性能的损伤时效机理。试验所用溶液环境见表1。

表1 砂岩试样处理环境

1.2 试样方案

选取制备较为完整、良好的岩样展开各种物理力学试验，包括试验前后及试验过程中：测定岩样质量，进行电镜扫描试验，三轴抗压强度试验等，以期获得砂岩在流动酸性溶液处理前后的力学性能变化规律。

首先，在酸性溶液浸泡前，利用电子天平测定自然干燥状态下岩样的质量；在试验期间每隔7 d对试件进行一次质量测定，每次将岩样取出冲洗擦干，并置于室内通风环境1 h后再测定质量；岩样在不同流速、不同pH值的水化学溶液中浸泡处理49 d后，取出用蒸馏水冲洗以除净附着于岩样表面的颗粒，随后烘干并进行12 h的通风干燥处理后再次测定岩样的质量。

其次，采用MTS-815岩石力学试验系统对经pH值为3的溶液酸化作用后的岩样展开常规三轴压缩试验[11]，试验设置3种围压环境，5 MPa、10 MPa以及15 MPa。试验过程中，先以0.1 kN/s的轴向荷载对岩样施压至1 MPa的预加载值，再以0.2 MPa/s的速率施加侧向围压至预定值，随后将轴向荷载提速至0.2 kN/s进行加载直至岩样破坏。试验结束后，整理试验所得数据，获取应力-应变曲线，并基于此分析三轴压缩下砂岩的强度和变形特性，得出砂岩的参数损伤特征。

2 不同流速及酸化作用下砂岩的损伤时效特征

2.1 酸性溶液pH值的变化特征

酸性溶液的pH值在岩石的腐蚀效应中起着关键作用，在浸泡期间酸性溶液pH值的变化特征可以直接表现出岩样与溶液的化学反应速率与程 度[12]。在试验过程中以12 h为一个时间节点对酸性溶液pH值进行测定，与此同时，适量滴加HCl，保持酸性溶液的pH值稳定在3和5的恒定值。图1显示了岩样在不同流速酸性溶液浸泡期间，每7天各酸性溶液pH值的时效变化特征。

如图1所示，岩样置于pH值为3和5酸性溶液中的初始阶段，岩样与溶液产生剧烈的化学反应，特别是在动水环境中（v=400 mm·s-1），H+离子与砂岩表面新的活性矿物不断反应，被腐蚀的矿物随循环水流迁移且溶于溶液中，酸性溶液的pH值变化显著，由3，5分别增至6.75，6.41，说明了两种酸性溶液含有的H+离子几乎已全部参与反应。随着浸泡时间的推移，两溶液的pH值以降幅逐渐变小的趋势随之减小，但浸泡液pH为3时酸性溶液的pH值下降幅度明显大于浸泡液pH为5时的降幅。

图1 不同酸性溶液pH值时效变化曲线

岩样浸泡第28天，浸泡液pH为3时酸性溶液的pH值趋于稳定，此时pH稍大于3，表明了岩样与溶液的反应速率在第28天开始减缓，但化学反应仍然进行，因为岩石内部结构的致密性，使得岩石与溶液之间的反应较慢，从而短期内难以改变酸性溶液的pH值；而浸泡液pH为5时酸性溶液pH值在浸泡第31天才开始逐渐稳定，且其pH略高于5，说明了岩样和溶液的反应从第31天开始变慢，后续产生的化学反应短期内对酸性溶液的pH值亦无明显影响；岩样浸泡在pH值为7的蒸馏水中，其pH值无明显波动，说明岩样与蒸馏水之间的化学反应较为微弱，因此本文不讨论其时效变化曲线。通过分析不同酸性溶液pH值的时效变化曲线可知，酸性溶液的pH值越小，腐蚀速率越快，相同时间内对岩样的腐蚀程度越大，这也符合化学动力学原理[13]中反应物浓度的增加可以加速反应这一原理。

2.2 砂岩的质量损伤时效特征

对经过49 d酸性溶液浸泡处理后的砂岩试样进行质量测定，与浸泡前岩样的质量进行对比发现，浸泡处理后的岩样其质量均出现不同程度的下降，但蒸馏水处理后的岩样质量无显著变化。

为了表征砂岩质量的损伤程度与酸性溶液浸泡时间的关系，定义质量损伤因子Dt进行计算，并得出不同酸性溶液处理后砂岩质量损伤时效特征曲线，如图2所示。

式中，m0为初始岩样质量；mt为浸泡t时刻的岩样质量。

由图2可知，岩样质量损伤因子随着浸泡时间的增加而增加，且浸泡初始阶段质量损伤增幅较大，随后逐渐趋于减缓；比较各酸性溶液作用下砂岩的质量损伤量可知，酸性溶液pH值越低，砂岩质量累计损伤量越大；在浸泡液pH为3时酸性溶液中，浸泡环境由静水转变为动水状态时，岩样质量损失因子明显增大，由v=0 mm·s-1的2.19%增至v=200 mm·s-1的2.85%，增加了30.14%，而由低速改变为高速时，岩样质量损伤率略微提高，质量损失因子从2.85%增加至3.10%，增加了8.77%。

图2 浸泡过程中砂岩质量损伤时效变化曲线

2.3 砂岩的力学损伤时效特征

2.3.1 砂岩强度和变形特征

在pH值为3的浸泡溶液中，选取试验效果良好，试验曲线比较完整的岩样应力-应变曲线作为代表，分析三轴压缩下砂岩在不同浸泡时间、不同流速溶液环境下的力学损伤特征。以围压σ3=5 MPa为例，三轴压缩下砂岩试件浸泡不同时间的应力-应变曲线如图3所示。

根据图3可以看出：岩样浸泡不同时间后的应力-应变曲线均出现明显的阶段性特征[14-15]，且随着浸泡时间的推移，岩样的应力-应变曲线表现出不同特征。

图3 不同浸泡时间的三轴应力-应变曲线（σ3=5 MPa）

（1）OA：初始裂隙压密阶段，曲线上凹程度随时间增加而增大，说明浸泡时间越长，砂岩产生的微裂隙越多；

（2）AB：弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段，曲线斜率随时间增加而变小，说明岩样弹性模量随浸泡时间的推移而减小；

（3）BC：非稳定破裂发展阶段，砂岩的峰值应力随着浸泡时间的增加而大幅下降；

（4）CD：破裂后阶段，随着浸泡时间的延长，砂岩试件在峰值应力后的变形越来越明显，表明了岩样经酸性溶液作用后有从脆性演化为延性的倾向，这种倾向随浸泡时间的增加将更为显著。

图4展示了不同溶液流速下49 d后岩样的三轴压缩偏应力-应变曲线。

由图4可知，浸泡溶液的流速相同时，围压增加，岩样的偏应力强度显著上升，以v=400 mm·s-1溶液流速为例，从185.08 MPa（σ3=5 MPa）升高至224.27 MPa（σ3=15 MPa），增幅达21.17%。围压条件相同时，岩样偏应力强度随流速加快而下滑，且流速越大，引起的偏应力强度损失率越高。与自然干燥环境相比，岩样置于溶液中偏应力强度稍有下降，从静水状态转变为动水状态后，岩样偏应力强度明显下降。围压σ3=5 MPa时，测得干燥岩样偏应力强度为238.98 MPa，溶液流速v=0，200，400 mm·s-1的浸泡环境下，岩样偏应力强度分别为223.19 MPa、205.85 MPa、185.08 MPa，降幅分别达6.61%、13.86%、22.55%。

图4 不同围压、流速作用下的三轴偏应力-应变曲线

岩样经浸泡液pH为3时的水化学溶液浸泡处理49 d后，其三轴压缩强度与各围压、流速的关系曲线见图5。

不同溶液流速下，对岩样三轴压缩强度与围压之间的关系进行线性拟合，如图5（a）所示，各溶液流速下三轴压缩强度与围压拟合曲线的线性回归方程的参数见表2。

图5（a）显示，岩样三轴压缩强度与围压的关系呈正相关，一是置于相同环境下处理后，岩样三轴压缩强度随围压增大呈上升趋势，二是由表2可知，拟合方程的线性相关系数R2均接近1，两者都较好地说明了其曲线关系呈线性相关。此外，拟合曲线斜率k由干燥环境到溶液环境稍有减小，且溶液环境中，k随着流速增大而呈下降趋势，说明了溶液环境下岩样对围压的敏感度随流速加速而减小，但整体上岩样在自然干燥状态下对围压的敏感性最大。

表2 三轴压缩强度与围压的拟合曲线参数

图5（b）展示了岩样三轴压缩强度与不同流速间的关系曲线。与干燥岩样比较，经不同溶液流速浸泡处理后，岩样的三轴抗压强度均呈现下滑倾向，说明了溶液流速对岩样强度劣化具有一定的促进作用，且流速越大，损伤效应越明显。

图5 岩样三轴压缩强度与不同围压、流速的关系曲线

2.3.2 砂岩的参数损伤特征

内摩擦角φ与黏聚力c是岩石的两个关键物理力学指标，因此有必要研究岩石在流动酸性溶液浸泡过程中φ与c值的损伤时效特征[16]。结合φ与c值的计算公式（见式（2）、（3）），试验获取了砂岩试件在不同流速状态下的φ与c值变化曲线，如图6所示。

图6 砂岩φ与c值随溶液流速的变化曲线

式中，k、b分别为表2中拟合方程的斜率与截距。

观察图6可知，岩样的内摩擦角φ与黏聚力c从自然干燥环境转变为溶液环境时均出现小幅下降，降幅分别为1.53%、3.82%，说明了溶液环境会加剧砂岩的力学损伤。溶液环境下，内摩擦角φ与黏聚力c随溶液流速加快而出现下降现象，且c值的降幅较大，而φ值的降幅较为平缓。与静水状态相比，岩样经动水状态下高速浸泡处理后，其内摩擦角φ由39.673°降至36.784°，黏聚力c由48.89 MPa降至41.37 MPa，分别下降了7.28%，15.39%，由此说明了砂岩试件内摩擦角φ对动水环境的敏感度较低，而黏聚力c在动水环境下敏感度较高。

3 不同流速及酸化作用砂岩力学损伤机制讨论

3.1 砂岩与酸性溶液化学反应机制

利用X射线衍射仪测得砂岩的主要矿物组分为石英（SiO2）、高岭石（Al2Si2O5（OH）4）、钠长石（NaAlSi3O8）、方解石（CaCO3）以及黏土矿物。酸性环境下，砂岩含有的氧化矿物成分易与酸性溶液发生溶蚀、水解等化学作用。岩样主要矿物组分与溶液中的H+离子进行交换：

岩样经不同酸性溶液浸泡处理后，矿物组分占比与自然干燥环境相比均有一定的降低（见表3）。在pH值为3的溶液中，砂岩试件的方解石及高岭石百分比大幅下降，且生成新的矿物成分；浸泡液pH为5的酸性溶液中，砂岩与溶液之间的反应较为微弱，各矿物组分损伤量较小；由pH 为 7的溶液浸泡后，岩样几乎无反应，仅有部分亲水性矿物发生水解。

表3 不同环境下砂岩矿物组分百分比

鉴于此，浸泡溶液pH值越低，与岩样之间的化学反应越强烈，酸化作用对砂岩矿物组分的改造效应越明显，酸性溶液pH值变化幅度越大。另外，酸性溶液与砂岩之间发生化学反应，减轻了砂岩内部颗粒间的摩擦力，微裂隙发育，孔隙增多变大，从而导致岩石试件的力学特性劣化。

3.2 砂岩力学参数损伤机制

与极具代表性的沉积岩一样，砂岩也含有一些早期缺陷，这使得水分子极易进入[17]。当溶液流速加快时，岩样与溶液接触面扩大，渗入砂岩内部的水分子量加剧，部分矿物趁机产生水岩作用，发生水解以及离子交换。此外，砂岩试件含有的钙质胶结物与长石矿物产生的水岩作用在充分吸收水分后快速发展，从而加速岩样的劣化损伤。

砂岩的三轴抗压强度损伤程度表征酸性溶液对其力学损伤的时效特征。砂岩的抗压强度随流速的加快而慢慢减小，减小速率逐渐缓慢，试验前期降幅最大，但围压为5 MPa，抗压强度从低速转变为高速时衰减量最大，达21.89 MPa（见图5（b））。浸泡第35天，岩样的抗压强度逐渐平稳，同酸性溶液pH值的变化特征、砂岩的质量损伤特征相类似，反映了在浸泡初始阶段，水岩作用显著，对砂岩的损伤强烈，当砂岩表层的可溶物溶解殆尽时，试件与溶液间的反应趋于缓慢，酸化作用对砂岩的力学损伤也倾于减弱，这说明了砂岩与酸性溶液产生剧烈的物理、化学作用时，砂岩受到的力学损伤最为严重。

4 结论

（1）从浸泡液pH为3，5的两种酸性溶液的时效变化曲线可知，在砂岩浸泡前7 d内，酸性溶液pH值显著上升且逼近中性，浸泡液pH为3变化更加显著，对砂岩的化学损伤较pH为5时更加剧烈。浸泡时间增加，两溶液pH值逐渐降低，最后都趋于接近但略高于初始pH值，说明了岩石与溶液之间的反应在前期较强烈，后逐渐平缓。

（2）由砂岩的质量损伤时效特征表明，浸泡时间越长，砂岩的质量累积损伤越大，试验前期质量损伤增幅较大，后逐渐降低并趋于平稳；在相同的浸泡时间内，酸性溶液pH值越小，岩样质量损伤越严重。动水较静水对岩样质量造成的损伤更大，且溶液流速增大，岩样质量损伤量随之增大。

（3）对经pH为3的酸性溶液浸泡后岩样的三轴压缩试验结果分析可得，酸化作用后的砂岩具有从脆性演化为延性的可能，且这种可能性随浸泡时间的增加而提高；围压一定时，浸泡溶液流速增加，岩样的抗压强度有减小的趋势，围压越大，岩样在相同流速内的三轴抗压强度越大。

（4）与干燥岩样相比，砂岩的内摩擦角φ与黏聚力c随着流速的增大均出现一定程度的下降，浸泡初期降幅较大，后期较小；黏聚力c对动水环境表现出的敏感度较高，其变化幅度在浸泡期间都比较大。