酸性条件下岩石力学特性试验研究

刘小平，陈星明，刘传举，龙林健，李 斌

(西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

环境化学因素对岩体的长期作用会使岩体发生化学反应，造成岩体内部微观结构发生变化，改变岩体的物理力学性质，进而影响岩体工程的稳定性。例如酸雨以及被化学腐蚀的地表水或地下水会对岩体产生不同的化学反应，造成一定微观损伤，进而影响岩体宏观力学特性。目前，关于酸性条件下岩石微观损伤及力学特性有了较为丰富的成果[1-3]，如王伟等[4]采用硝酸溶液浸泡岩石试样，利用SEM电镜扫描观察砂板岩的微观结构变化，研究了酸性环境下溶蚀作用对岩石的微观损伤机理及岩石的力学表达。崔强等[5]通过化学溶液浸泡砂岩，得到了经过溶液腐蚀后的岩石孔隙率以及强度变化，并建立了砂岩在化学腐蚀下的神经网络关系。陈四利等[6]通过对酸化处理后岩石进行常规三轴试验，绘制出了岩石应力应变曲线，并对应力应变曲线各个阶段进行了分析。

基于此，本文通过对试样进行硫酸溶液处理，并结合波速测试试验，研究酸化处理前后岩石波速变化情况。在此基础上，结合岩石单轴压缩试验，探究了硫酸环境下微观损伤劣化机理及力学特性。

1 试验

1.1 试验样品制备

试验样品取自重庆某石灰石露天矿山，采用HZ-20取芯机取样，双端面磨平机加工处理得到尺寸为Φ50 mm×100 mm的圆柱体标准试样。其试样规格尺寸严格按照《工程岩体试验方法标准》，两端面不平度最大误差不超过0.005 cm。其加工后试样如图1所示。

图1 石灰岩试样图Fig.1 Limestone specimen diagram

1.2 溶液配置

将一定量98%的浓硫酸按比例配制pH=1.5的酸性溶液10 L，试验在室温下进行，酸性溶液pH值采用pH计及时进行测量。

1.3 试验方法及仪器

试验总共划分为五组，每组三个标准试样，每组浸泡时间见图2。为加快腐蚀进度，在试验前将所有试样放在105 ℃的烘箱中烘干48 h，自然冷却后将试验组试样全部放入浸泡容器中，并记录浸泡时间。在各组浸泡结束后，首先进行烘干处理，待自然冷却后再进行岩石纵波波速测量，最后完成单轴压缩试验。试验流程如图3所示。

图2 各组浸泡时间明细图Fig.2 Detailed diagram of immersion time for each group

图3 试验流程图Fig.3 Test flow diagram

2 结果与讨论

2.1 酸性条件下石灰岩外观形貌变化分析

酸性环境下对岩石的化学腐蚀是一个由外及里的过程[9]，岩石表面是化学腐蚀首选对象。通过对岩石外观形貌的观察分析，能够检验酸性条件下岩石是否发生化学反应以及反应快慢。各组试样浸泡后表面形貌如图4所示。

图4 酸性条件下不同浸泡时间后石灰岩试样Fig.4 Limestone specimens after different soaking times under acidic conditions

通过观察酸性条件下不同浸泡时间后的石灰岩试样，发现浸泡后的试样表面较自然状态更加粗糙，浸泡5 d后，试样表面生成了一层薄薄的保护膜；且随着浸泡时间的延长，试样表面的保护膜有增厚的趋势，浸泡10 d后，试样表面出现了大大小小的凸起；浸泡15 d后，试样表面的凸起越来越多，并且越来越大，整个岩样表面不光滑，试样表面粗糙度增大；浸泡20 d后，试样表面凸起经过前期的积累，形成了大量的结晶物附着在试样的表面。对试样表面进行能谱分析(图5)后发现，其结晶物中S与Ca元素比例分别为15.11%与15.63%，其值接近1∶1，推测试样表面生成的结晶物为CaSO4。

图5 浸泡后石灰岩试样能谱分析结果Fig.5 Results of energy spectrum analysis of limestone specimens after immersion

2.2 酸性条件下石灰岩纵波波速影响分析

岩石介质超声波技术是一种无损探测技术，基于波速在不同介质中传播速度的不同，岩石波速可作为岩石细观结构的宏观表征[10]。因此，通过测量各组试样的纵波波速，可以对试样的内部损伤情况进行分析。酸性条件下各组试样纵波波速如图6所示。

图6 酸性条件石灰岩纵波波速随浸泡时间的变化规律Fig.6 The variation pattern of longitudinal wave velocity with immersion time in acidic condition limestone

通过岩石波速试验可知，石灰岩试样在酸性条件下表现出先快速下降，在经历短暂上升后最终又出现下降的趋势，将其变化过程分为3个阶段进行分析。

1)快速下降阶段

在浸泡初期，由于强酸性溶液中存在大量的H+，而石灰岩试样又以方解石为主，故岩石的水化作用主要为化学腐蚀[11]。根据岩石外观形貌分析结果以及溶液成分，推测其石灰岩化学腐蚀主要反应式：

2H++CaCO3→Ca2++CO2↑+H2O

由于H+与石灰岩中的碳酸钙发生化学反应，造成试样内部结构遭到破坏，内部孔隙和裂纹进一步发育，使得内部结构变得疏松，岩石孔隙度增大，进而在宏观表现为岩石纵波波速下降。

2)短暂上升阶段

在第2阶段内，试样波速较第一阶段呈现出上升趋势。分析认为随着酸性溶液的进一步腐蚀，腐蚀反应区会逐渐由试样表面向试样内部扩展。内部腐蚀区生成的硫酸钙晶体随着离子运移通道的增长，部分晶体会停留在试样的内部裂隙中，填充一部分内部裂隙空间，在一定程度上增强岩石的致密性[12]，进而在宏观上表现为岩石波速较上一阶段会有短暂的升高。

3)缓慢下降阶段

第3阶段上半段，岩石纵波波速较第2阶段呈现下降趋势，分析认为CaSO4晶体具有吸水性特质[12]，随着浸泡时间的增加，当停留在内部裂隙中的CaSO4晶体因吸水产生的膨胀作用大于岩石本身的胶结作用时，会造成岩石内部原有裂隙进一步扩大，腐蚀反应区会进一步向内扩展。故而，宏观表现为岩石波速较上一阶段出现下降。

第3阶段下半段，岩石纵波波速继续呈下降趋势，但下降幅度比第③阶段上半段下降幅度更加趋于缓和。分析认为，一是由于随着化学反应的持续进行，溶液中的H+数量减少，加之腐蚀反应区向内部的扩展，造成离子运移通道变长，化学反应时间增长[13]。二是根据岩石外观形貌观察分析，试样表面附着大量的结晶物，这些结晶体的存在会阻止部分H+进入试样内部发生化学反应，在一定程度上延缓了试样的损伤速度。故宏观表现为试样纵波波速会进一步下降，但下降幅度较第3阶段上半段会更加趋于缓和。

2.3 酸性条件下石灰岩力学特性影响分析

酸性溶液对石灰岩变形特性的影响规律，可以通过试样的应力应变曲线获得。各组试样应力应变曲线如图7所示。

图7 酸性条件下石灰岩应力应变曲线Fig.7 Limestone stress-strain curves under acidic conditions

由图7可知，酸性条件下各组试样压密段均出现不同程度的增加，分析认为溶液中的H+与岩石内部主要成分方解石发生化学反应，进一步造成岩石内部原有裂隙发育，新生裂隙增多，而在岩石单轴压缩试验阶段，随着外部载荷的增加，岩石内部的裂隙会逐步趋于闭合，抵抗变形的能力变弱，试样变形增加，宏观上表现为应力应变曲线压密段增加。

此外，在峰值强度方面，出现了浸泡10 d和浸泡15 d试样的峰值强度高于浸泡5 d试样的异常现象；在峰值应变方面，浸泡10 d和浸泡15 d试样的峰值应变均小于浸泡5 d试样。据此说明，试样与硫酸溶液化学反应产生的CaSO4停留在岩石内部裂隙中，会在一定程度上增强岩石的均匀性，对岩石的峰值强度和峰值应变均起到良好的增强效应。

以上是从定性分析角度对各组试样的应力应变曲线进行了简要分析，为了进一步的深入分析，引入强度劣化率η和弹性模量劣化率γ，从定量分析角度量化岩石具体劣化情况，各组试样计算结果如图8、9所示。

图8 酸性溶液中各组试样单轴压缩强度变化规律Fig.8 Variation of uniaxial compression strength of each group of specimens in acidic solution

图9 酸性溶液中各组试样弹性模量变化规律Fig.9 Changes in the modulus of elasticity of each group of specimens in acidic solution

(1)

式中：σ0—自然状态下石灰岩单轴压缩强度，MPa；σP—不同浸泡时间后石灰岩单轴压缩强度，MPa。

(2)

式中：E0—自然状态下石灰岩弹性模量，GPa；EP—不同浸泡时间后石灰岩弹性模量，GPa。

如图8、图9所示，石灰岩试样在酸性条件下，其单轴压缩强度和弹性模量均随着浸泡时间增加，呈现首先快速下降后短暂上升然后又缓慢下降的趋势。通过定量统计，自然状态下试样峰值强度为42.400 MPa，酸性溶液浸泡5、10、15、20 d后的强度值分别为22.267、31.000、28.800、28.433 MPa，分别下降47.4%、26.8%、32.0%、32.9%。此外，自然状态下试样与酸性处理的四组试样弹性模量分别为22.607、3.567、6.253、4.207、4.417 GPa，经酸性环境处理后，分别下降84.2%、72.3%、81.4%、80.5%，衰减值均达到70%以上。数据分析表明，各组试样的力学特性经硫酸溶液处理后均表现出一定的劣化作用，其力学特性变化特征与纵波波速变化有着同样的趋势，即各组试样的力学参数值均较自然状态下的要小，可见酸性环境使岩石内部裂隙发育，微观结构变得疏松，在外部荷载作用下，这部分结构更易闭合，并产生较大变形，抵抗变形能力变差。因此，在宏观上表现为峰值强度降低，弹性模量下降。

3 结论

1)通过各组试样外观形貌分析可知，强酸性条件下，岩石水化作用以化学腐蚀为主，且随着反应的持续进行，试样表面附着了CaSO4晶体，岩石表面粗糙度增加。

2)酸性条件下，各组试样纵波波速、单轴压缩强度、弹性模量均随时间呈现下降—上升—下降的变化规律，分析认为CaSO4晶体的存在是造成此变化规律的主要原因。

3)酸性环境会使石灰岩内部裂隙进一步发育，造成岩石内部结构疏松，在外部荷载作用下，岩石内部结构更易于闭合，导致试样变形增大，抵抗变形能力减弱，在宏观上表现为单轴压缩强度、弹性模量等力学参数的下降。