預制單裂縫花崗巖化學侵蝕作用的試驗研究

司馬軍，譚 睿，馬 旭，潘 健，蔣明鏡,3

(1.武漢大學 土木建筑工程學院， 湖北 武漢 430072； 2.湖北省巖土與結構安全重點實驗室， 湖北 武漢 430072；3.同濟大學 地下建筑與工程系， 上海 200092)

在自然條件下，巖體經(jīng)常受到水的化學侵蝕作用，其力學性能逐漸劣化，導致壩基、圍巖、邊坡等工程的穩(wěn)定性降低[1-3]。因此，開展巖體的化學侵蝕作用研究具有重要意義。近年來，國、內外學者對水巖化學侵蝕作用開展了理論分析、數(shù)值模擬和室內試驗等方面的研究，探討了化學侵蝕作用機理，以及對巖石強度、破裂、變形等方面的影響，取得了較大進展。在理論方面，湯連生等[4-5]分別運用化學成分分析理論、能量觀點、考慮化學損傷的破壞力學方法，分析了巖石水化學損傷機理，以及水-巖化學作用的宏觀力學效應。楊慧等[6]運用地球化學礦物-水反應的溶解動力學, 通過計算離子濃度的變化,探討了化學腐蝕下裂紋擴展的定量化研究方法。在數(shù)值模擬方面，李鵬[7]提出了巖石應力-滲流-化學耦合彈性數(shù)值模擬方法。Ciantia M O等[8-9]提出了考慮質量損耗的化學風化彈塑性本構模型，并通過試驗驗證了模型。Jiang M等[10-11]基于質量損耗假定提出了考慮化學風化的微觀接觸模型，用離散元PFC軟件模擬了完整巖石和含階梯型裂縫巖石的化學風化過程。由于水-巖化學作用影響因素多，作用機制復雜，室內試驗是研究的重要手段。Feng X T等[12]總結了不同化學溶液條件下花崗巖的強度和開裂特性。Xie S Y等[13]研究了化學風化條件下石灰?guī)r性質的變化過程。陳四利等[14]探討了不同化學溶液對花崗巖、砂巖和灰?guī)r強度的腐蝕效應，并獲得了裂紋擴展過程的顯微和全場圖像。馮夏庭等[15-16]研制了應力-水流-化學耦合的巖石力學伺服系統(tǒng)，研究了化學溶液作用下裂紋擴展長度、寬度及搭接破壞模式的規(guī)律和實時觀測圖像。苗勝軍等[17]研究了酸性化學溶液作用下花崗巖的力學特性和損傷效應，認為花崗巖對酸性溶液的pH值更為敏感?？傊壳皩ν暾麕r石化學侵蝕作用的試驗研究較多，由于制樣困難，對天然含裂隙巖樣的試驗研究較少，特別是同時考慮溶液濃度、pH值、應力水平及浸泡時間等多因素影響的試驗成果更少。

本研究采用天然花崗巖，應用水刀法預制裂縫，通過自制的化學侵蝕-單軸加載簡易裝置，研究了封閉溶液環(huán)境下試樣的質量損失、應力-應變曲線形態(tài)和力學性質變化，分析了溶液濃度、pH值、應力水平和浸泡時間等因素對起裂應力、峰值強度、變形模量等力學指標的影響，對揭示化學風化巖體力學性質的演變機制具有參考意義。

1 試驗材料與方法

1.1 巖石試樣制備

巖樣選取產自湖北麻城的芝麻白花崗巖。經(jīng)中科院巖土所巖石力學試驗室X衍射分析，礦物成分主要由石英、鈉長石、鉀長石和鉀云母及高嶺石等組成，各成分比例及巖樣基本物理性質見表1。各試樣取自同一塊大花崗巖，采取機械結合手工的方式精細打磨成60 mm(長)×30 mm(寬)×8 mm(厚)，加工精度為±0.3 mm。預制裂縫位于巖樣中心，長10 mm，寬1 mm，角度為45°，見圖1。由于巖樣質地堅硬，采用機械鉆孔加工裂縫時易碎裂，成功率低。本試驗改用高壓水刀(水壓力260 MPa)切割，不僅預制縫邊緣規(guī)則，而且切割速度快，成功率高。實測完整試樣和預制裂縫試樣的單軸抗壓強度值如表1所示。

表1 巖樣基本物理力學性質

圖1水刀法預制單裂縫花崗巖試樣

1.2 試驗方案

為了模擬復雜的水-巖化學侵蝕過程，本試驗考慮溶液濃度、pH值、應力水平及風化時間等四種因素對試樣侵蝕的影響。其中，應力水平定義為豎向應力與試樣初始單軸抗壓峰值強度的比值。參考馮夏庭等[15]的試驗研究方法，選取CaCl2作為基本溶液，并利用鹽酸和氫氧化鈉調整成目標pH值。

由于因素較多，先進行了一組預制裂隙試樣四因素三水平正交試驗，試驗方案如表2所示。CaCl2濃度的三水平由低到高為0.1 mol/L、0.5 mol/L和1.0 mol/L。溶液pH值選擇為2、7和12；浸泡時間選擇為7 d、30 d、90 d；應力水平考慮0.0、0.2和0.5三種。為了減少數(shù)據(jù)的離散性，每組采用3～6個平行樣。另外，為了研究水巖相互作用對時間的依賴性，增加了一組試驗：即0.5 mol/L和1.0 mol/L濃度下試樣從7 d、30 d、90 d至180 d的無壓力浸泡試驗。最終完成有效裂隙試樣數(shù)量為87個。

浸泡前，將試樣先在烘箱內烘干(105℃、24 h)，稱取試樣質量。然后，將試樣放入溶液內，浸泡時采取逐漸浸沒的方式，以排出內部空氣。在溶液中浸泡到規(guī)定時間后取出試樣，用蒸餾水清洗浸泡2 h，以去除試樣表面殘留溶液，然后烘干稱取試樣質量。最后，進行單軸抗壓強度試驗。試驗過程中還檢測了水化學溶液的部分離子濃度變化，如Ca2+、H+或OH-。由于室內溫差變化不大，試驗沒有考慮溫度影響。

1.3 試驗儀器設備

應力水平為0的化學侵蝕試驗在玻璃槽中進行。試驗中化學溶液一次性施加，每個槽中盛放約2 000 ml溶液，槽內放置3～6塊平行試樣，槽頂用塑料膜封閉，防止水分蒸發(fā)。

應力水平為0.2和0.5的試驗采用自行研制的化學-應力耦合加載設備完成，該裝置由高壓固結儀改制而成，包括砝碼、加載架、壓力傳導裝置及玻璃容器。試驗時，試樣浸泡在盛有溶液的玻璃容器中，豎向荷載采用砝碼通過杠桿加載裝置施加在試樣頂部。為防止加載偏心，在加載板兩側設有導向輪，容器底座設有導正夾。在試樣上、下兩端墊有0.4 mm厚硅膠膜，使其受力均勻。為形成封閉環(huán)境，在溶液上表面覆蓋5 mm厚硅油。

1.4 單軸壓縮試驗

由于巖樣尺寸較小，單軸抗壓荷載一般在15 kN以內，單軸壓縮試驗采用100 kN型電子萬能材料試驗機進行。試樣放在兩剛性壓板之間，為了減小“端部效應”，在巖樣與壓板之間設置了0.4 mm厚硅膠墊片。啟動試驗機后采取位移控制的方式加載，加載速率選擇為0.05 mm/min，直至巖樣完全破壞。試驗中采用攝像機記錄裂縫擴展和破壞全過程。

2 試驗結果及分析

2.1 試樣質量及溶液離子濃度變化

浸泡前試樣質量為37.0 g左右，經(jīng)浸泡后的試樣質量均出現(xiàn)減少，減少幅度在0.01 g～0.07 g之間，質量損失率0.03%～0.20%。以CaCl2濃度1.0 mol/L、應力水平0為例，不同pH值條件下質量變化與浸泡時間的關系如圖2所示。由圖2可知，試樣質量在浸泡初期(前30 d)均有一定減少；隨著時間增長，在pH=7和pH=12條件下質量出現(xiàn)少量回升，在pH=2條件下質量則基本保持不變，總體上看，在pH=2條件下質量損失最大。上述質量變化與循環(huán)條件下巖石質量損失持續(xù)增大的情況[8]不同。表明在封閉化學溶液環(huán)境下，試樣的質量損失較小，礦物在化學反應后生成的新物質重新沉積在試樣表面，化學溶解與化學沉積作用基本相當。

圖2質量變化值與時間的關系

試驗過程中離子濃度和pH值變化如圖3所示。由于試驗操作原因，僅獲得了30 d內的離子濃度的測量值。由圖3可知，酸性溶液pH值隨時間有增大趨勢，堿性溶液pH值有減小趨勢，中性溶液pH值基本不變；總之，隨時間增加，H+或OH-濃度逐漸降低，溶液有向中性轉化的趨勢。另外，在酸性和堿性溶液中，Ca2+濃度隨時間均逐漸減小。

2.2 裂縫擴展及破壞過程

試驗發(fā)現(xiàn)，大部分試樣在破壞前裂縫擴展過程較為明顯，且伴隨裂縫擴展，應力相應產生波動；也有少數(shù)試樣破壞非常突然，沒有明顯的裂縫擴展過程。對浸泡后的試樣，裂縫擴展破壞典型過程如圖4中a-b-c-d-e-f所示，即，先從預制裂縫兩尖端萌生兩條翼裂紋，起裂方向與加載方向之間的夾角很小，并快速向試樣兩端擴展，進而產生次生裂紋，最后多條裂紋完全貫通而破壞。浸泡前的裂縫擴展及破壞過程與浸泡后的相似，均與文獻[4，18]中巖樣的破壞模式一致。

圖3 pH值、鈣離子濃度與時間的變化關系

2.3 單軸壓縮試驗曲線

以CaCl2濃度1.0 mol/L、pH值2、應力水平0、浸泡時間30 d的一組試驗為例，試樣侵蝕前、后單軸壓縮應力-應變曲線如圖5(a)、圖5(b)所示。受端部墊片壓縮的影響，加載初期的應力應變關系為下凹彎曲線，隨著荷載加大而逐漸變?yōu)橹本€。隨著應變進一步增大，大部分試驗的應力出現(xiàn)鋸齒狀增長，直至達到破壞而急劇降低。直線段斜率可代表試樣的彈性模量，應力應變曲線的鋸齒狀波動反映了試樣內部裂縫的擴展。據(jù)觀察，絕大多數(shù)試樣都是從預制裂縫尖端起裂，故可將曲線初始波動對應的應力值確定為起裂應力，破壞前的最大應力值確定為峰值強度。

圖5浸泡前、后單軸壓縮試驗曲線

由圖5(a)、圖5(b)對比可知：浸泡后試驗曲線的鋸齒狀波動有增多趨勢，一部分試驗曲線在峰后并不是斷崖式下降，在一定應變范圍內可以保持一定的殘余強度。這表明浸泡后的巖樣在受壓過程中形成了更多細裂紋，破壞模式有由脆性向延性轉變的趨勢，與文獻[17]的試驗結論一致。根據(jù)試驗曲線還可得出，浸泡前平均彈性模量9.62 MPa，平均峰值強度為99.7 MPa；浸泡后平均彈性模量8.28 MPa，平均峰值強度為78.1 MPa。浸泡后試樣的彈性模量和峰值強度分別降低了14%、22%。

比較各組平行試樣結果可知，起裂應力的離散性最大，峰值強度次之，彈性模量的離散性最小。分析其原因是：起裂應力和峰值強度反映了巖石的受力破壞特征，受巖樣均勻性、加工精度(包括預制裂隙)、加載條件等影響較大；而彈性模量則反映了巖石彈性階段的受力變形特征，因此受制樣和加載條件影響相對較小[16]。建議將彈性模量作為評價化學侵蝕作用的重要指標。

2.4 正交試驗結果分析

正交試驗統(tǒng)計結果匯總見表3，進一步整理得到各因素對試樣力學性質的影響見圖6～圖8。

表3 正交試驗結果統(tǒng)計表

由圖6可知，隨著因素水平的增加，起裂應力的波動性較大。其中，在不同pH值條件下，起裂應力由小至大依次為：因素水平1(pH=2)<因素水平3(pH=12)<因素水平2(pH=7)，表明在酸性和堿性環(huán)境下起裂應力均有不同程度的減小。但是，溶液濃度、浸泡時間和應力水平的變化，對起裂應力的影響規(guī)律不明顯。

圖6起裂應力與各因素間的變化關系

由圖7可知，當pH值為2時(因素水平1)峰值強度最小，pH值為7(因素水平2)的峰值強度與pH值12(因素水平3)的接近。隨著CaCl2濃度、浸泡時間和應力水平的增加(從因素水平1到因素水平3)，峰值強度呈遞減趨勢。

由圖8可知，當pH值為2(因素水平1)的彈性模量最小，pH值為12(因素水平3)的次之，pH值為7(因素水平3)的最大；隨著CaCl2濃度、浸泡時間和應力水平的增加(從因素水平1到因素水平3)，彈性模量變化呈遞減趨勢。

總之，CaCl2濃度、pH值、應力水平及風化時間對巖樣的力學性質均存在影響。pH值的影響規(guī)律是：起裂應力、峰值強度和彈性模量在酸性溶液中最小，堿性溶液次之，中性溶液最大，表明酸性溶液對試樣的侵蝕作用最大。溶液濃度、應力水平及浸泡時間的影響規(guī)律為：隨著因素水平增加，峰值強度和彈性模量均呈單調減小，但起裂應力變化波動性較大。峰值強度和彈性模量的變化規(guī)律與文獻[5,8,12-17]試驗結果基本相符。

圖7 峰值強度與各因素間的變化關系

圖8彈性模量與各因素間的變化關系

2.5 討 論

試樣峰值強度和彈性模量受上述因素的影響規(guī)律，可以用水巖化學作用機制進行解釋：

(1) 采用的花崗巖試樣中，礦物成分以石英(31.93%)和鈉+鉀長石(54.82%)為主。根據(jù)馮夏庭等[15]研究結果，石英礦物易在強堿性環(huán)境下發(fā)生化學反應，長石礦物則易在強酸性環(huán)境下發(fā)生反應。溶液無論為酸性或堿性，都會增加溶液對巖石的腐蝕效應。由于試樣中長石含量比石英含量高，因此酸性環(huán)境比堿性的影響更大。這與2.1節(jié)中不同pH值條件下質量損失結果也是一致的。

(2) 溶液中Ca2+離子具有特殊的雙電層特征，易與長石、高嶺石等礦物發(fā)生吸附作用，Ca2+濃度越大，吸附作用越強。馮夏庭等[15]認為吸附作用可以使得表面孔隙結構更致密，因此提高試樣強度。但是，實測結果表明試樣抗壓強度隨Ca2+離子濃度增加有降低趨勢?？梢?，Ca2+離子吸附作用對裂隙巖樣產生的力學效應還需要進一步研究。

(3) 豎向壓力對試樣既有壓密作用，也會使一部分微裂縫張開。當豎向壓力增加到一定水平后，微裂縫張開將占主導地位，使得溶液與試樣的接觸面積增大，從而增強化學反應。根據(jù)Yasuhara H等[19]、申林方等[20]提出的壓力溶解理論，在豎向壓力作用下試樣不同部位的應力狀態(tài)不同，特別對于預制單裂縫的情況下化學溶解作用也必然存在差別。因此，荷載作用下試樣表面各部位化學侵蝕分布規(guī)律還需要進一步研究。

(4) 浸泡時間越長，巖石礦物成分被反應的量越多，巖石化學侵蝕作用越強。由于本試驗在封閉溶液條件下進行，2.1節(jié)中實測Ca2+、H+或OH-等離子濃度是隨時間逐漸降低的。因此，侵蝕作用的時間效應不如循環(huán)溶液條件下[5，14]的明顯。

對于起裂應力，其影響機制更為復雜。其變化除了與巖石基質化學侵蝕作用有關外，還受裂縫尖端的化學侵蝕與沉積作用的影響[21]，也受2.3節(jié)中提及的制樣及加載條件影響，導致試驗結果波動性較大。今后還需要提高制樣精度以及對裂縫尖端的微觀侵蝕作用作進一步研究。

3 結 論

通過對板狀裂隙試樣進行封閉溶液條件下的化學侵蝕試驗，研究了溶液濃度、pH值、應力水平以及浸泡時間等因素對裂隙花崗巖試樣力學性質的影響，主要結論如下：

(1) 在封閉化學溶液條件下，試樣的質量損失較小，但峰值強度和彈性模量均有明顯降低，壓縮變形有從脆性向延性轉變的趨勢。

(2) pH值對力學性質影響較大，起裂應力、峰值強度和彈性模量在酸性溶液中最小，堿性溶液次之，中性溶液最大。

(3) 隨著濃度、應力水平及浸泡時間增加，起裂應力變化波動性較大, 峰值強度和彈性模量均呈單調減小。