盐酸作用下红砂岩的物理力学特性及强度预测模型

兰永伟， 唐鹏程， 周 莉， 刘 旭

(1.黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022； 2.黑龙江科技大学 建筑工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

西南山区地貌落差大，以山地为主，在酸雨作用下，边坡岩体内部遭受到了不同程度的腐蚀破坏。在长期腐蚀累积效应作用下，随着时间的推移，化学作用加剧，岩体边坡力学强度降低，使得岩质边坡稳定性降低，从而导致边坡的滑坡等工程事故发生。因此，开展盐酸作用下红砂岩矿物质成分、力学参数的变化规律、强度预测的研究，对酸雨作用下的岩体工程稳定性预测具有现实意义。

廖浩浩等[1]、岳招等[2]、朱维娜等[3]研究得到了不同化学溶液腐蚀下砂岩强度的变化规律。孙治国等[4]研究了化学腐蚀下砂岩的蠕变力学特征。俞缙等[5]研究了经酸性、中性和碱性水化学溶液浸泡的岩石的孔隙度和力学参数的变化规律。彭燕[6]、谢妮等[7]和王艳磊等[8]得到了不同酸性浸泡后岩样的纵波波速及微观结构特征。王激扬[9]分析了酸性化学侵蚀和冲击载荷耦合条件下砂岩的损伤特征。辛东夫[10]、骆韬等[11]、许明祥[12]研究得到了不同化学溶液腐蚀作用下砂岩力学特性及裂隙扩展规律。冯晓伟等[13]提出了化学作用下砂岩流变损伤本构模型。霍润科等[14-16]建立了化学作用下砂岩的损伤本构模型。王鲁男等[17]等、刘新荣等[18]和韩铁林等[19-20]得到了冻融次数和化学腐蚀对单轴抗压强度的裂化规律。然而，有关化学作用对岩石矿物成分变化规律以及对力学参数裂化预测模型的研究还鲜见报道。

笔者对盐酸作用后的红砂岩开展了X衍射实验(XRD)和单轴抗压实验，分析了盐酸作用下红砂岩矿物质成分、力学参数、破坏形态、损伤变量的变化规律，得到了红砂岩强度预测模型，探讨了红砂岩的化学损伤机制。

1 实 验

文中选取四川省雅安市一处公路边坡的红砂岩为样品，将其加工成高100 mm、直径50 mm的标准试件，如图1a所示。将每组(3个)红砂岩试件浸泡在1.5 mol/L盐酸溶液中，如图1b所示，分别浸泡0、14、21和28 d。对盐酸作用后的红砂岩试件开展单轴压缩实验，采用位移控制加载，位移加载速率为0.01 mm/s。将压缩破坏后的试件磨成粉末如图1c所示，进行X衍射实验。

图1 红砂岩试件Fig. 1 Red sandstone specimen

2 实验结果分析

2.1 矿物质成分

对盐酸不同作用时间下的红砂岩进行XRD衍射实验。衍射实验后红砂岩衍射图谱如图2所示。盐酸不同作用时间下的红砂岩矿物成分质量分数如表1所示。

表1 盐酸作用不同时间后红砂岩矿物质含量变化

由图2、表1可知，与盐酸作用前相比，盐酸作用时间为14、21和28 d时，红砂岩中的伊利石质量分数分别降低了16.4%、26.2%和38.3%，钠长石分别降低了16.7%、22.7%和31.3%，钾长石分别降低了7.8%、9.5%和11.5%。由此可知，随着盐酸作用时间的增加，红砂岩中伊利石、钠长石和钾长石的矿物质量分数逐渐降低，其中伊利石矿物质质量分数变化大。

图2 盐酸作用下红砂岩衍射图像 Fig. 2 Diffraction image of red sandstone action of hydrochloric acid

2.2 力学特征

2.2.1 应力-应变曲线

盐酸作用下红砂岩应力-应变曲线如图3所示。由图3可知，随着盐酸作用时间的增加，红砂岩的单轴抗压强度逐渐降低，应力-应变曲线中压密阶段曲线下凹程度越来越大，弹性阶段的曲线斜率变小。

图3 红砂岩的应力-应变曲线Fig. 3 Stress-strain curves of red sandstone

2.2.2 单轴抗压强度、弹性模型和泊松比

盐酸作用下红砂岩的力学参数见表2。图4～6为红砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比随盐酸作用时间的变化曲线。由表2和图4可知，与盐酸作用前相比，盐酸作用时间为14、21和28 d时，红砂岩单轴抗压强度分别降低了13.90%、23.31%和39.94%。红砂岩的单轴抗压强度随着盐酸作用时间的增加而降低。

表2 红砂岩的力学参数

由表2和图5可知，与盐酸作用前相比，盐酸作用时间为14、21和28 d时，红砂岩弹性模量分别降低了10.04%、21.73%和39.39%。红砂岩的弹性模量与作用时间呈三次多项式函数关系，随着化学作用时间的增加,红砂岩的弹性模量逐渐降低。

图4 红砂岩的单轴抗压强度Fig. 4 Uniaxial compressive strength of red sandstone

图5 红砂岩的弹性模量Fig. 5 Elastic modulus of red sandstone

图6 红砂岩的泊松比Fig. 6 Poisson′s ratio of red sandstone

由表2和图6可知，与盐酸作用前相比，盐酸作用时间为14、21和28 d时，红砂岩的泊松比分别增加了6.17%、19.38%和24.67%。红砂岩的泊松比与作用时间呈二次多项式函数关系，随着盐酸作用时间的增加，红砂岩的泊松比逐渐增大。

2.2.3 破坏特征

盐酸作用不同时间下红砂岩单轴压缩破坏形态如图7所示。

图7 红砂岩单轴压缩破坏形态 Fig. 7 Uniaxial compression failure mode of red sandstone

由图7可知，盐酸作用前的红砂岩单轴压缩破坏时，破坏模式主要表现为劈裂破坏。盐酸作用14 d后的红砂岩试块在轴向方向出现一条明显的劈裂裂缝，且红砂岩的底部局部区域出现崩裂，此时的破坏是劈裂破坏与底部崩裂破坏，是剪切破坏。盐酸作用21 d的红砂岩试块表面呈现出多条裂缝，说明破坏模式以拉伸破坏为主。化学作用28 d的红砂岩试块表面呈共轭斜面剪切破坏，轴向的侧面出现环向破坏，且内部也出现几条剪切的裂缝，未脱落区域表面都出现几条比较宽的裂缝，承受剪切的能力变弱。综上可知，随着盐酸化学作用时间的增加，试件中裂缝数量增加，破碎程度逐渐加剧。

3 损伤机制

3.1 强度预测模型

设化学作用后红砂岩的强度为σc(t)，并且是可微函数，初始强度为σc0，则化学作用t天到(t+Δt)天后峰值强度的损失率为

(1)

式中，λ—单位时间内的峰值强度损失率。

式(1)变化为

(2)

即

(3)

对式(3)积分，得

σc(t)=aσc0exp(-λt)，

(4)

式中，a——强度的修正系数。

结合图4红砂岩单轴抗压强度和化学作用时间的拟合曲线，式(4)变为

σc=1.041σc0e-0.017 2t。

(5)

根据式(5)可以预测化学作用一定时间后的红砂岩的强度，即为化学作用下红砂岩的强度预测模型。

3.2 损伤变量

将红砂岩的弹性模量作为损伤变量，以损伤力学理论为基础，得出盐酸作用下红砂岩的损伤变量为

(6)

式中：D——盐酸作用下红砂岩的损伤变量；

E0——红砂岩的基准损伤状态；

Ed——红砂岩化学损伤状态的弹性模量。

图8 单轴抗压强度损伤变量Fig. 8 Damage variable of uniaxial compressive strength

结合实验所测数据，按式( 6) 计算得到红砂岩试件在盐酸溶液不同天数浸泡腐蚀后相应的损伤变量D。由图8可知，随盐酸作用时间的增加，红砂岩的损伤变量不断增大。盐酸作用下红砂岩的损伤演化规律与力学参数劣化规律大体一致，红砂岩的损伤变量与化学作用时间呈二次函数关系。

D=0.000 5t2-0.000 2t+0.001 4。

(7)

3.3 损伤变量与强度的关系

结合所测数据，得到损伤参数D与红砂岩强度之间的关系如图9所示。由图9可知，盐酸作用下红砂岩中的伊利石矿物不断减小，红砂岩内部结构不断发生改变，引起试样宏观损伤，导致试样强度不断降低。盐酸溶液对红砂岩的腐蚀作用随着腐蚀时间的加长，其积累效应会导致红砂岩试样宏观上的强度降低。红砂岩单轴抗压强度和损伤变量之间的关系为

σ=42.578e-1.269 4D。

(8)

图9 损伤变量和单轴抗压强度的关系 Fig. 9 Relationship between damage variable and uniaxial compressive strength

当损伤变量达到最大时，即D=1，此时红砂岩的单轴抗压强度的最小值σmin=11.96 MPa,将σmin=11.96 MPa代入到式(5)中可以得到盐酸作用时间t=76.57 d。由此可知，式(5)可预测盐酸作用下红砂岩强度的衰减规律，该红砂岩强度预测模型具有一定的实用性。

3.4 影响机理

通过对红砂岩X衍射实验的结果分析可知，红砂岩中的伊利石(K((Al4Si2O9)(OH)3)、钾长石(K(AlSiO8))和钠长石(Na(AlSi3O8))矿物质含量随着化学作用时间增加而减少。这是因为红砂岩矿物质在酸性溶液中发生化学反应：

K((Al4Si2O9)(OH)3)+ HCl→K++ Ai3++

H2SiO3+ H2O。

(9)

Na(AlSi3O8)+H2O+HCl→H2SiO3+Na++

Al3++Cl-。

(10)

K(AlSiO8)+HCl+H2O→K++Ai3++H2SiO3+Cl-。

(11)

由式(9)～(11)可以表明，红砂岩中伊利石、钠长石和钾长石在酸性溶液发生化学反应，生成了易溶于水的矿物质。使得红砂岩中矿物质成分减少，导致红砂岩内部孔隙不断演化、扩展，生成裂纹。随着化学作用时间增加，裂纹演化、贯通，破坏了内部结构的完整性，使得红砂岩的抗压强度降低。

4 结 论

(1)与盐酸作用前相比，盐酸作用时间为14、21和28 d时，红砂岩中的伊利石质量分数分别降低了16.4%、26.2%和38.3%，随着盐酸作用时间的增加，红砂岩中伊利石、钠长石和钾长石的矿物质量分数逐渐降低，其中伊利石矿物质质量分数降低较为明显。

(2)随着盐酸作用时间的增加，红砂岩的单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，泊松比逐步增加。单轴抗压强度与盐酸作用时间呈指数函数关系，弹性模量与盐酸作用时间呈三次多项式函数关系，泊松比与盐酸作用时间呈二次多项式函数关系。盐酸作用时间增加的增长，红砂岩单轴压缩破碎程度加剧。

(3)以红砂岩的峰值强度的损失率为基础，推导了盐酸作用下红砂岩强度预测模型。以弹性模量为参数，建立了红砂岩的损伤变量和单轴抗压强度之间的关系，验证了盐酸作用下红砂岩的单轴抗压强度预测模型的有效性。