酸性干湿循环作用下红砂岩物理力学性能劣化规律

张甘平 刘振宁 王鲁男 张洺溪

【摘   要】   研究干濕循环与酸溶液耦合作用对红砂岩物理力学性质的影响，通过对红砂岩试样进行干湿循环试验、单轴压缩试验、扫描电镜及矿物成分测试，研究不同干湿循环次数和溶液不同pH值下试样的物理力学性质参数、微观结构及矿物成分的变化规律。结果表明：随着干湿循环次数的增加、溶液酸性的增强，试样的质量、纵波波速、弹性模量、单轴抗压强度均呈现差异性衰减的规律，微观结构更加紊乱，矿物成分含量发生改变，这是红砂岩物理力学性能劣化的微观机制。

【关键词】   干湿循环作用；酸腐蚀作用；物理性质；力学性质；微观机制

Study on the Deterioration in Physical and Mechanical Properties of Red Sandstone under Dry-wet Cycling in Acidic Environment

Zhang Ganping， Liu Zhenning， Wang lunan*， Zhang Mingxi

（Liaoning Petrochemical University， Fushun 113000， China）

【Abstract】    In order to study the coupling effects of dry-wet cycling and acid solution on the physical and mechanical properties of red sandstone， thedry-wet cycling tests， uniaxial compression tests， scanning electron microscopy and mineral composition tests were carried out to investigate the changes of physical and mechanical properties， microstructure and mineral composition of the specimens under differentdry-wet cycles and solution pH values. The results show that as thedry-wet cyclesand the acidity of the solution increase， the mass， longitudinal wave velocity， modulus of elasticity and uniaxial compressive strength of the specimens exhibit a differential decay pattern.Moreover， the microstructure becomes disordered and the mineral content changes.This is the microscopic mechanism for the deterioration in physical and mechanical properties of red sandstone.

【Key words】     dry-wet cycling; acid corrosion effect; physical properties; mechanical properties; microscopic mechanism

〔中图分类号〕 TU45                 〔文献标识码〕  A              〔文章编号〕 1674 - 3229（2023）01- 0070 - 05

0     引言

随着我国工程建设的飞速发展，大型水工建筑物日渐增多，在为人们带来巨大经济效益的同时，也对岸坡工程的稳定性提出了挑战。例如三峡库区，水位常年在145～175m间反复升降，这种干湿交替会对库岸边坡岩体的物理力学性能产生劣化效应［1］；同时，自然界中的水往往不是中性的，随着酸雨、工业排污等问题的加剧，水质偏酸性。因此，库岸边坡岩体往往同时面临着干湿循环交替与酸溶液腐蚀作用，产生耦合劣化效应，其物理力学性能出现更大幅度的降低，易于诱发地质灾害。因此，研究干湿循环与酸溶液耦合作用下岩石物理力学性能的劣化规律和机制至关重要。

岩石的峰值强度、弹性模量、黏聚力及内摩擦角等都随干湿循环次数增加而逐渐降低［2］。刘新荣等［3］认为砂岩经历干湿循环作用后，其微小的孔隙度会发生变化，从而导致抗压强度的大幅度降低。崔凯等［4］发现贺兰口岩画载体变质砂岩的质量、纵波波速、单轴抗压强度、应力-应变特征总体呈现随干湿循环次数的增加而逐渐差异性衰减的规律。上述研究岩石所处的干湿循环条件大多处于中性环境中，而实际情况是酸性或碱性的环境更为普遍。酸性干湿循环下，岩石的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角都随循环次数的增加而降低，并且循环次数较小时劣化较为严重，而后呈缓和趋势；pH值越低，劣化程度越严重［5-6］。申林方等［7］提出不同pH环境下玄武岩单轴抗压强度均随干湿循环次数的增加而降低，并且在酸性环境下劣化程度最大，中性次之，碱性最弱。傅晏等［8］发现砂岩随干湿循环次数的增加、pH值的减小，劣化程度趋于严重，劣化效应由大至小依次为：单轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角。

现有研究大多集中在干湿循环单一条件下岩石物理力学参数的变化规律，对干湿循环和化学溶液耦合作用下岩石的劣化规律与机制研究鲜少涉及。本文以典型红砂岩为研究对象，通过干湿循环试验、单轴压缩试验、扫描电镜及矿物成分测试，研究干湿循环与酸溶液耦合作用对红砂岩的质量、纵波波速、弹性模量、单轴抗压强度等物理力学性质参数的影响，并揭示红砂岩劣化的微观机制。

1     材料与方法

1.1   试样制备

潘家沱滑坡位于重庆市云阳县长江沿岸，其稳定性受库水波动的影响。在长期干湿交替的环境中，滑坡岩体物理力学性能出现显著劣化。滑坡基岩主要为侏罗系中统沙溪庙组（J2s）的红砂岩，选其作为研究对象。采集后密封带回室内，利用水钻、切割机、磨石机等将岩石制备成高10cm、直径5cm的圆柱试样。试样制备好后，挑选外观无缺陷的再进行纵波波速筛选，从中挑出波速相近的试样开展后续的试验。

1.2   试验方法

使用蒸馏水和2mol/L的盐酸溶液配置3种不同pH值的溶液（pH值分别为7、5、3），将试样浸入制备好的溶液中进行干湿循环试验。参照规范中的方法［9］，先将所有加工好的试样放在105℃的烘箱中干燥24h，冷却1h后，采用自然浸水法，将试样放入溶液中饱和24h，此为1次干湿循环。循环次数分别设定为0、10、20、30和40次，共5种。

在干湿循环过程中，通过相关物理性质测试得到红砂岩试样的基本物理性质参数；干湿循环后的试样放入YAW-2000型单轴压力试验机中，以0.05MPa/s的速率进行加载，直至破坏。此外，对干湿循环后的试样进行电镜扫描（SEM）及X射线衍射试验（XRD），以确定在不同干湿循环次数和pH值下试样微观结构和矿物成分的变化规律。

2     结果及分析

2.1   物理性质变化

2.1.1   质量变化

图1给出了不同pH值溶液中红砂岩试样的质量随干湿循环次数的变化情况。结果表明，隨着干湿循环次数的增加，试样质量逐渐减小，并且下降的幅度与pH值有很大关系。在同一酸性环境下，干湿循环次数越多，试样质量损失就越大，以pH=3为例，当干湿循环次数分别为10、20、30、40 时，质量损失率分别为1.72%、2.50%、3.08%、3.52%，说明干湿循环对试样的损伤是逐渐累积的。除了干湿循环次数，溶液pH值对试样质量也有显著的影响。以n=20为例，当溶液pH=7、5、3时，试样质量的损失率分别为1.69%、1.96%、2.50%，表明溶液的酸性越强，试样质量下降的幅度越大。

2.1.2    纵波波速变化

图2给出了不同pH值溶液下红砂岩试样的纵波波速随干湿循环次数的变化情况。结果表明，试样纵波波速随干湿循环次数的增加而逐渐下降，且下降的速度先快后慢，表现出与质量损失率相同的阶段性。以pH=3为例，当干湿循环次数分别为10、20、30、40时，试样纵波波速下降，且纵波波速损失率逐渐增加，分别为11.12%、16.48%、20.19%、21.31%。波速下降表明干湿循环可以促进岩石中孔隙或裂隙的发育。在相同的干湿循环次数下，溶液pH值越小，试样纵波波速下降的幅度越大。以n=20为例，当溶液pH=7、5、3时，试样纵波波速的损失率分别为12.72%、14.92%、16.48%。在整个干湿循环周期内，试样在不同pH值溶液下纵波波速损失率的变化过程与质量损失率基本一致。

2.2   力学性质变化

通过应力-应变关系曲线可以得到红砂岩试样在不同条件下的弹性模量和单轴抗压强度［10］，结果如表1所示。

由表1可知：（1）随着干湿循环次数的增加，其弹性模量逐渐降低，单轴抗压强度也在不断减小。以pH=3为例，当干湿循环次数分别为10、20、30、40时，试样的弹性模量和单轴抗压强度下降，而弹性模量变化率以及单轴抗压强度变化率逐渐增加，弹性模量分别降低了38.56%、47.46%、58.72%、66.28%；单轴抗压强度分别降低了19.97%、27.28%、35.96%、41.43%。（2）干湿循环作用对红砂岩造成的损伤是渐进的。以pH=7为例，经过10次干湿循环后，弹性模量和单轴抗压强度下降幅度较大，分别达到 32.23%与13.66%。干湿交替循环20次后，弹性模量和单轴抗压强度分别下降了 33.83%与18.81%，可见干湿循环作用对红砂岩的弹性模量的影响要大于单轴抗压强度。（3）在pH=3溶液中干湿循环作用后的红砂岩试样的弹性模量明显低于pH=7的蒸馏水及pH=5溶液中的弹性模具，单轴抗压强度也是如此。（4）溶液的酸性越强，红砂岩的力学性质弱化幅度越大一些。干湿循环20次后，pH=7、pH=5与pH=3溶液浸泡的红砂岩弹性模量下降幅度都较大，分别为33.83%、40.84%、47.46%；单轴抗压强度也分别下降了18.81%、22.99%、27.28%。从各阶段的劣化程度来看，随着干湿循环作用次数的增加，酸性溶液对红砂岩的力学性质劣化程度要大于中性溶液。

3     微观机制分析

3.1   微观结构变化

图3为pH = 3溶液中不同干湿循环次数作用后的红砂岩试样SEM图像。试样未经历干湿循环作用时，具有紧密的结构，少有裂隙，如图3（a）所示；随着干湿循环次数的增加，试样颗粒趋于片状化，表面孔隙数量明显增加，结构趋于松散，微裂纹也逐渐发育，如图3（b）所示；当干湿循环40次时，试样的微细观结构形态与初始状态相比已发生了本质的变化，如图3（c）所示，此时红砂岩试样颗粒基本全部为片状，微观结构变得松散、多孔，较大孔隙的数量增加，微裂隙发育的更长、更宽。

图4为pH = 5和pH = 7溶液下不同干湿循环次数作用后的红砂岩试样SEM图像。总体上，试样的微观结构从整洁而密集逐渐变化到紊乱无章。当干湿循环次数为0次时，试样颗粒分布均匀，结构致密，如图4（a）、（c）所示。在经历干湿循环作用后，试样表面的微观结构不再密集和均匀，颗粒形状逐渐发展为无序的絮状形态，并且发生了大量沉淀现象，孔隙度不断增加，如图4（b）、（d）所示。图3和图4相比较可知，红砂岩试样在pH=5溶液下微观结构的劣化程度要低于pH=3的溶液，而pH=7溶液下试样的劣化程度最低。由此可知，溶液的酸性越强，对红砂岩试样的侵蚀作用越大，沉淀现象越明显，试样的微观结构越紊乱。

3.2   矿物成分变化

图5的柱状图显示了红砂岩试样在经历不同次数干湿循环作用后的矿物相对含量。从图5中可以看出，石英是红砂岩最丰富的组成部分。在pH值为7的溶液中干湿循环作用后，试样中的长石和方解石均出现减少现象，且随干湿循环次数的增加，长石的相对含量最终减少了5.2%，方解石减少了8.9%。长石主要成分是铝硅酸盐，可以與水分子发生水解作用形成偏铝酸而溶出；而石英和黏土矿物均出现增加现象，但总体变化不明显［4］。在pH值为5的酸性溶液中干湿循环作用后，试样中长石和方解石的减少现象比蒸馏水中明显，随着干湿循环次数的增加，长石的相对含量最终减少了8.9%，方解石减少了23.2%；石英和黏土矿物的相对含量在逐步提高。在pH值为3的酸性溶液中干湿循环作用后，试样中的长石和方解石相对含量快速减少，在最终经历40次循环后，长石的相对含量减少了17.1%，方解石减少了29.1%；石英和黏土矿物相对含量的增加愈发明显。

红砂岩在干湿交替的反复作用下，水分子在原生微裂隙中不断地溶蚀，造成裂隙不断扩大，并形成新的裂缝和孔隙。当红砂岩在酸性溶液中反复浸泡后，长石表面的阳离子与H+发生置换反应，导致长石中的K+、Ca2+等从其骨架中离析出来；方解石在酸性溶液中，也会与H+发生化学反应，使方解石的相对含量降低；而石英的性质相对来说比较稳定，在酸性溶液中几乎不发生反应［11］。红砂岩里的胶结物质发生溶解，降低了试样内部颗粒之间的凝聚力和摩擦力，造成原生裂隙不断扩大，并且形成新的裂缝和孔隙。随着溶液pH值的减小，红砂岩的损伤劣化程度越来越大。在微观上表现为试样内部矿物成分的改变，反映到宏观上，则表现为红砂岩试样的物理力学性质参数等都不断降低。

4     结论

（1）红砂岩试样质量、纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量均呈现随干湿循环次数的增加、溶液酸性的增强而逐渐差异性衰减的规律。

（2）在微观结构方面，随着干湿循环次数的增加、溶液的酸性的增强，对红砂岩试样的侵蚀作用越大，沉淀现象越明显，微观结构越紊乱；在微观物质方面，在干湿循环作用下，试样内部方解石和长石的含量降低，并随溶液pH值的减小，其方解石和长石的含量下降程度越来越大。

（3）在干湿循环作用下，水分子在原生裂隙中不断溶蚀，造成裂隙不断扩大，形成新的裂缝和孔隙；且随着溶液pH值的减小，红砂岩内部的矿物成分与酸性溶液中的氢离子发生化学反应，造成红砂岩被进一步地侵蚀，这是红砂岩物理力学性能劣化的微观机制。

［参考文献］

［1］  傅晏， 王子娟， 刘新荣， 等. 干湿循环作用下砂岩细观损伤演化及宏观劣化研究［J］. 岩土工程学报，2017，39（9）： 1653-1661.

［2］  曾胜，李振存，陈涵杰，等. 干湿循环下红砂岩强度衰减规律及工程应用［J］. 长沙理工大学学报（自然科学版），2011，8（4）： 18-23.

［3］ 刘新荣，袁文，傅晏，等. 干湿循环作用下砂岩溶蚀的孔隙度演化规律［J］. 岩土工程学报， 2018， 40（3）： 527-532.

［4］ 崔凯，顾鑫，吴国鹏，等. 不同条件下贺兰口岩画载体变质砂岩干湿损伤特征与机制研究［J］. 岩石力学与工程学报，2021，40（6）： 1236-1247.

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［7］ 申林方，董武书，王志良，等. 干湿循环与化学溶蚀作用下玄武岩传质-劣化过程的试验研究［J］. 岩石力学与工程学报，2021，40（S1）： 2662-2672.

［8］ 傅晏，袁文，刘新荣，等. 酸性干湿循环作用下砂岩强度参数劣化规律［J］. 岩土力学， 2018， 39（9）： 3331-3339.

［9］中华人民共和国国家标准编写组. GBT50266-2013工程岩体试验方法标［S］. 北京： 中国计划出版社，2013.

［10］ 张彩凤. 岩石在不同围压条件下破坏过程的模拟研究［J］. 廊坊师范学院学报（自然科学版）， 2012， 12（2）： 64-66.

［11］ 韩铁林，陈蕴生，师俊平，等. 水化学腐蚀对砂岩力学特性影响的试验研究［J］. 岩石力学与工程学报， 2013， 32（S2）： 3064-3072.