不同流速及酸化作用下砂巖的力學損傷研究*

劉棟，萬文, ，盛佳

(1.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭市 411201； 2.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201； 3.長沙礦山研究院有限責任公司，湖南 長沙 410012)

0 引言

在人類開展的大型采礦工程過程中，巖石破壞失穩問題給采礦工程的安全性、穩定性帶來了極大的挑戰。國內外的學者們針對巖石破壞失穩問題展開了大量的研究與試驗，如朱運明[1]發現巖石經受長時間的水-巖相互作用后可能出現沿裂隙節理面的軟化、泥化作用，導致巖石的強度與其他力學參數發生裂化、削弱。譚卓英等[2]在酸性環境下展開了巖石強度的數值模擬研究，探究了巖石抗壓強度在酸性水化學溶液中的敏感程度，得出巖石強度損傷受控于巖石自身礦物組分、整體結構以及溶液的H+離子與酸根離子的濃度。陳四利等[3-4]通過三軸壓縮試驗，分析了各種水化學侵蝕作用對巖體力學性質產生的影響。潘有維等[5]基于對數正態分布相關方法，結合巖石損傷理論構建統計損傷本構模型，將巖石破壞過程詳細地展現出來。TANG等[6]利用三軸壓縮試驗研究了巖石強度及圍壓與加載速率之間的關系。在實際的巖體工程中，影響巖石安全性和穩定性的因素不僅包括巖體自身礦物組分、微細觀結構，還有來自自然環境，如溫度、氣體、水文地質等眾多因素[7]。其中，水是關鍵的影響要素，在水的影響下，巖體內部結構、礦物成分等均會產生物理化學作用，從而發生劣化損傷[8-9]。然而上述的室內試驗大都在靜水飽和狀態下展開，未考慮自然環境中不同水化學流體對巖體力學特性的影響。

基于上述分析，對山西省昔陽縣北莊石英砂巖礦區進行采樣，研究了流動酸性溶液侵蝕作用下砂巖的力學損傷時效特征，將砂巖試件置于不同pH、不同流速的酸性溶液中浸泡，并以7 d為間隔點對巖樣的質量、浸泡溶液的pH進行跟蹤測定，同時對浸泡于pH=3酸性溶液中的巖樣進行三軸壓縮試驗?；谠囼灁祿治隽藥r樣在流動酸性溶液浸泡期間溶液pH的變化特征、巖樣的質量損傷時效特征、砂巖的力學損傷時效特征等。最后探討了流動酸化作用下砂巖的化學反應機制以及力學參數損傷規律。本文的試驗結果對于采礦工程建設以及后期防護具有一定的理論意義。

1 試驗方法

1.1 樣品準備

試驗的研究對象選自山西省昔陽縣北莊石英 砂巖礦區，對樣品進行打磨、拋光加工處理后制備成50 mm×100 mm的標準試件[10]。由該段水文地質調查報告可知，該區富含地下水，水溶液pH值為6.35，且長期平均流速處于200 mm·s-1左右。

考慮砂巖長期處于地下流動酸性環境，試驗配制了3種不同pH值的水化學溶液，并模擬3種溶液流速，以研究不同流速酸性環境下砂巖力學性能的損傷時效機理。試驗所用溶液環境見表1。

表1 砂巖試樣處理環境

1.2 試樣方案

選取制備較為完整、良好的巖樣展開各種物理力學試驗，包括試驗前后及試驗過程中：測定巖樣質量，進行電鏡掃描試驗，三軸抗壓強度試驗等，以期獲得砂巖在流動酸性溶液處理前后的力學性能變化規律。

首先，在酸性溶液浸泡前，利用電子天平測定自然干燥狀態下巖樣的質量；在試驗期間每隔7 d對試件進行一次質量測定，每次將巖樣取出沖洗擦干，并置于室內通風環境1 h后再測定質量；巖樣在不同流速、不同pH值的水化學溶液中浸泡處理49 d后，取出用蒸餾水沖洗以除凈附著于巖樣表面的顆粒，隨后烘干并進行12 h的通風干燥處理后再次測定巖樣的質量。

其次，采用MTS-815巖石力學試驗系統對經pH值為3的溶液酸化作用后的巖樣展開常規三軸壓縮試驗[11]，試驗設置3種圍壓環境，5 MPa、10 MPa以及15 MPa。試驗過程中，先以0.1 kN/s的軸向荷載對巖樣施壓至1 MPa的預加載值，再以0.2 MPa/s的速率施加側向圍壓至預定值，隨后將軸向荷載提速至0.2 kN/s進行加載直至巖樣破壞。試驗結束后，整理試驗所得數據，獲取應力-應變曲線，并基于此分析三軸壓縮下砂巖的強度和變形特性，得出砂巖的參數損傷特征。

2 不同流速及酸化作用下砂巖的損傷時效特征

2.1 酸性溶液pH值的變化特征

酸性溶液的pH值在巖石的腐蝕效應中起著關鍵作用，在浸泡期間酸性溶液pH值的變化特征可以直接表現出巖樣與溶液的化學反應速率與程 度[12]。在試驗過程中以12 h為一個時間節點對酸性溶液pH值進行測定，與此同時，適量滴加HCl，保持酸性溶液的pH值穩定在3和5的恒定值。圖1顯示了巖樣在不同流速酸性溶液浸泡期間，每7天各酸性溶液pH值的時效變化特征。

如圖1所示，巖樣置于pH值為3和5酸性溶液中的初始階段，巖樣與溶液產生劇烈的化學反應，特別是在動水環境中（v=400 mm·s-1），H+離子與砂巖表面新的活性礦物不斷反應，被腐蝕的礦物隨循環水流遷移且溶于溶液中，酸性溶液的pH值變化顯著，由3，5分別增至6.75，6.41，說明了兩種酸性溶液含有的H+離子幾乎已全部參與反應。隨著浸泡時間的推移，兩溶液的pH值以降幅逐漸變小的趨勢隨之減小，但浸泡液pH為3時酸性溶液的pH值下降幅度明顯大于浸泡液pH為5時的降幅。

圖1 不同酸性溶液pH值時效變化曲線

巖樣浸泡第28天，浸泡液pH為3時酸性溶液的pH值趨于穩定，此時pH稍大于3，表明了巖樣與溶液的反應速率在第28天開始減緩，但化學反應仍然進行，因為巖石內部結構的致密性，使得巖石與溶液之間的反應較慢，從而短期內難以改變酸性溶液的pH值；而浸泡液pH為5時酸性溶液pH值在浸泡第31天才開始逐漸穩定，且其pH略高于5，說明了巖樣和溶液的反應從第31天開始變慢，后續產生的化學反應短期內對酸性溶液的pH值亦無明顯影響；巖樣浸泡在pH值為7的蒸餾水中，其pH值無明顯波動，說明巖樣與蒸餾水之間的化學反應較為微弱，因此本文不討論其時效變化曲線。通過分析不同酸性溶液pH值的時效變化曲線可知，酸性溶液的pH值越小，腐蝕速率越快，相同時間內對巖樣的腐蝕程度越大，這也符合化學動力學原理[13]中反應物濃度的增加可以加速反應這一原理。

2.2 砂巖的質量損傷時效特征

對經過49 d酸性溶液浸泡處理后的砂巖試樣進行質量測定，與浸泡前巖樣的質量進行對比發現，浸泡處理后的巖樣其質量均出現不同程度的下降，但蒸餾水處理后的巖樣質量無顯著變化。

為了表征砂巖質量的損傷程度與酸性溶液浸泡時間的關系，定義質量損傷因子Dt進行計算，并得出不同酸性溶液處理后砂巖質量損傷時效特征曲線，如圖2所示。

式中，m0為初始巖樣質量；mt為浸泡t時刻的巖樣質量。

由圖2可知，巖樣質量損傷因子隨著浸泡時間的增加而增加，且浸泡初始階段質量損傷增幅較大，隨后逐漸趨于減緩；比較各酸性溶液作用下砂巖的質量損傷量可知，酸性溶液pH值越低，砂巖質量累計損傷量越大；在浸泡液pH為3時酸性溶液中，浸泡環境由靜水轉變為動水狀態時，巖樣質量損失因子明顯增大，由v=0 mm·s-1的2.19%增至v=200 mm·s-1的2.85%，增加了30.14%，而由低速改變為高速時，巖樣質量損傷率略微提高，質量損失因子從2.85%增加至3.10%，增加了8.77%。

圖2 浸泡過程中砂巖質量損傷時效變化曲線

2.3 砂巖的力學損傷時效特征

2.3.1 砂巖強度和變形特征

在pH值為3的浸泡溶液中，選取試驗效果良好，試驗曲線比較完整的巖樣應力-應變曲線作為代表，分析三軸壓縮下砂巖在不同浸泡時間、不同流速溶液環境下的力學損傷特征。以圍壓σ3=5 MPa為例，三軸壓縮下砂巖試件浸泡不同時間的應力-應變曲線如圖3所示。

根據圖3可以看出：巖樣浸泡不同時間后的應力-應變曲線均出現明顯的階段性特征[14-15]，且隨著浸泡時間的推移，巖樣的應力-應變曲線表現出不同特征。

圖3 不同浸泡時間的三軸應力-應變曲線（σ3=5 MPa）

（1）OA：初始裂隙壓密階段，曲線上凹程度隨時間增加而增大，說明浸泡時間越長，砂巖產生的微裂隙越多；

（2）AB：彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段，曲線斜率隨時間增加而變小，說明巖樣彈性模量隨浸泡時間的推移而減??；

（3）BC：非穩定破裂發展階段，砂巖的峰值應力隨著浸泡時間的增加而大幅下降；

（4）CD：破裂后階段，隨著浸泡時間的延長，砂巖試件在峰值應力后的變形越來越明顯，表明了巖樣經酸性溶液作用后有從脆性演化為延性的傾向，這種傾向隨浸泡時間的增加將更為顯著。

圖4展示了不同溶液流速下49 d后巖樣的三軸壓縮偏應力-應變曲線。

由圖4可知，浸泡溶液的流速相同時，圍壓增加，巖樣的偏應力強度顯著上升，以v=400 mm·s-1溶液流速為例，從185.08 MPa（σ3=5 MPa）升高至224.27 MPa（σ3=15 MPa），增幅達21.17%。圍壓條件相同時，巖樣偏應力強度隨流速加快而下滑，且流速越大，引起的偏應力強度損失率越高。與自然干燥環境相比，巖樣置于溶液中偏應力強度稍有下降，從靜水狀態轉變為動水狀態后，巖樣偏應力強度明顯下降。圍壓σ3=5 MPa時，測得干燥巖樣偏應力強度為238.98 MPa，溶液流速v=0，200，400 mm·s-1的浸泡環境下，巖樣偏應力強度分別為223.19 MPa、205.85 MPa、185.08 MPa，降幅分別達6.61%、13.86%、22.55%。

圖4 不同圍壓、流速作用下的三軸偏應力-應變曲線

巖樣經浸泡液pH為3時的水化學溶液浸泡處理49 d后，其三軸壓縮強度與各圍壓、流速的關系曲線見圖5。

不同溶液流速下，對巖樣三軸壓縮強度與圍壓之間的關系進行線性擬合，如圖5（a）所示，各溶液流速下三軸壓縮強度與圍壓擬合曲線的線性回歸方程的參數見表2。

圖5（a）顯示，巖樣三軸壓縮強度與圍壓的關系呈正相關，一是置于相同環境下處理后，巖樣三軸壓縮強度隨圍壓增大呈上升趨勢，二是由表2可知，擬合方程的線性相關系數R2均接近1，兩者都較好地說明了其曲線關系呈線性相關。此外，擬合曲線斜率k由干燥環境到溶液環境稍有減小，且溶液環境中，k隨著流速增大而呈下降趨勢，說明了溶液環境下巖樣對圍壓的敏感度隨流速加速而減小，但整體上巖樣在自然干燥狀態下對圍壓的敏感性最大。

表2 三軸壓縮強度與圍壓的擬合曲線參數

圖5（b）展示了巖樣三軸壓縮強度與不同流速間的關系曲線。與干燥巖樣比較，經不同溶液流速浸泡處理后，巖樣的三軸抗壓強度均呈現下滑傾向，說明了溶液流速對巖樣強度劣化具有一定的促進作用，且流速越大，損傷效應越明顯。

圖5 巖樣三軸壓縮強度與不同圍壓、流速的關系曲線

2.3.2 砂巖的參數損傷特征

內摩擦角φ與黏聚力c是巖石的兩個關鍵物理力學指標，因此有必要研究巖石在流動酸性溶液浸泡過程中φ與c值的損傷時效特征[16]。結合φ與c值的計算公式（見式（2）、（3）），試驗獲取了砂巖試件在不同流速狀態下的φ與c值變化曲線，如圖6所示。

圖6 砂巖φ與c值隨溶液流速的變化曲線

式中，k、b分別為表2中擬合方程的斜率與截距。

觀察圖6可知，巖樣的內摩擦角φ與黏聚力c從自然干燥環境轉變為溶液環境時均出現小幅下降，降幅分別為1.53%、3.82%，說明了溶液環境會加劇砂巖的力學損傷。溶液環境下，內摩擦角φ與黏聚力c隨溶液流速加快而出現下降現象，且c值的降幅較大，而φ值的降幅較為平緩。與靜水狀態相比，巖樣經動水狀態下高速浸泡處理后，其內摩擦角φ由39.673°降至36.784°，黏聚力c由48.89 MPa降至41.37 MPa，分別下降了7.28%，15.39%，由此說明了砂巖試件內摩擦角φ對動水環境的敏感度較低，而黏聚力c在動水環境下敏感度較高。

3 不同流速及酸化作用砂巖力學損傷機制討論

3.1 砂巖與酸性溶液化學反應機制

利用X射線衍射儀測得砂巖的主要礦物組分為石英（SiO2）、高嶺石（Al2Si2O5（OH）4）、鈉長石（NaAlSi3O8）、方解石（CaCO3）以及黏土礦物。酸性環境下，砂巖含有的氧化礦物成分易與酸性溶液發生溶蝕、水解等化學作用。巖樣主要礦物組分與溶液中的H+離子進行交換：

巖樣經不同酸性溶液浸泡處理后，礦物組分占比與自然干燥環境相比均有一定的降低（見表3）。在pH值為3的溶液中，砂巖試件的方解石及高嶺石百分比大幅下降，且生成新的礦物成分；浸泡液pH為5的酸性溶液中，砂巖與溶液之間的反應較為微弱，各礦物組分損傷量較??；由pH 為 7的溶液浸泡后，巖樣幾乎無反應，僅有部分親水性礦物發生水解。

表3 不同環境下砂巖礦物組分百分比

鑒于此，浸泡溶液pH值越低，與巖樣之間的化學反應越強烈，酸化作用對砂巖礦物組分的改造效應越明顯，酸性溶液pH值變化幅度越大。另外，酸性溶液與砂巖之間發生化學反應，減輕了砂巖內部顆粒間的摩擦力，微裂隙發育，孔隙增多變大，從而導致巖石試件的力學特性劣化。

3.2 砂巖力學參數損傷機制

與極具代表性的沉積巖一樣，砂巖也含有一些早期缺陷，這使得水分子極易進入[17]。當溶液流速加快時，巖樣與溶液接觸面擴大，滲入砂巖內部的水分子量加劇，部分礦物趁機產生水巖作用，發生水解以及離子交換。此外，砂巖試件含有的鈣質膠結物與長石礦物產生的水巖作用在充分吸收水分后快速發展，從而加速巖樣的劣化損傷。

砂巖的三軸抗壓強度損傷程度表征酸性溶液對其力學損傷的時效特征。砂巖的抗壓強度隨流速的加快而慢慢減小，減小速率逐漸緩慢，試驗前期降幅最大，但圍壓為5 MPa，抗壓強度從低速轉變為高速時衰減量最大，達21.89 MPa（見圖5（b））。浸泡第35天，巖樣的抗壓強度逐漸平穩，同酸性溶液pH值的變化特征、砂巖的質量損傷特征相類似，反映了在浸泡初始階段，水巖作用顯著，對砂巖的損傷強烈，當砂巖表層的可溶物溶解殆盡時，試件與溶液間的反應趨于緩慢，酸化作用對砂巖的力學損傷也傾于減弱，這說明了砂巖與酸性溶液產生劇烈的物理、化學作用時，砂巖受到的力學損傷最為嚴重。

4 結論

（1）從浸泡液pH為3，5的兩種酸性溶液的時效變化曲線可知，在砂巖浸泡前7 d內，酸性溶液pH值顯著上升且逼近中性，浸泡液pH為3變化更加顯著，對砂巖的化學損傷較pH為5時更加劇烈。浸泡時間增加，兩溶液pH值逐漸降低，最后都趨于接近但略高于初始pH值，說明了巖石與溶液之間的反應在前期較強烈，后逐漸平緩。

（2）由砂巖的質量損傷時效特征表明，浸泡時間越長，砂巖的質量累積損傷越大，試驗前期質量損傷增幅較大，后逐漸降低并趨于平穩；在相同的浸泡時間內，酸性溶液pH值越小，巖樣質量損傷越嚴重。動水較靜水對巖樣質量造成的損傷更大，且溶液流速增大，巖樣質量損傷量隨之增大。

（3）對經pH為3的酸性溶液浸泡后巖樣的三軸壓縮試驗結果分析可得，酸化作用后的砂巖具有從脆性演化為延性的可能，且這種可能性隨浸泡時間的增加而提高；圍壓一定時，浸泡溶液流速增加，巖樣的抗壓強度有減小的趨勢，圍壓越大，巖樣在相同流速內的三軸抗壓強度越大。

（4）與干燥巖樣相比，砂巖的內摩擦角φ與黏聚力c隨著流速的增大均出現一定程度的下降，浸泡初期降幅較大，后期較??；黏聚力c對動水環境表現出的敏感度較高，其變化幅度在浸泡期間都比較大。