水熱綜合作用下鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的衰減規(guī)律研究*

周其健 郭永春 屈智輝 鄭立寧 許福周 謝 強(qiáng)

(①西南交通大學(xué)，成都 610031，中國(guó))

(②中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610093，中國(guó))

(③中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都 610213，中國(guó))

0 引 言

西南紅層地區(qū)廣泛分布大量的鈣芒硝鹽巖(魏東巖，2001；張臘梅等，2014；謝小國(guó)等，2019)，它是由地表巖石長(zhǎng)期遭受風(fēng)化剝蝕，大量鈣、鈉、鉀等物質(zhì)在坳陷地區(qū)沉積下來(lái)形成的(周勇，2015)。鈣芒硝鹽巖為一種鹽湖相可溶性巖石，巖性較均一，強(qiáng)度較大，但與水作用后會(huì)產(chǎn)生溶蝕孔洞，力學(xué)強(qiáng)度降低。

鹽巖作為一種典型的特殊巖土，如西北地區(qū)的鹽巖，西南地區(qū)富含石膏、芒硝等可溶成分的鹽巖等，對(duì)工程建設(shè)產(chǎn)生了重要的影響。潘杰(2000)基于水電站工程大壩基礎(chǔ)所遇鹽巖工程問(wèn)題，認(rèn)為鹽巖壩基在地下水的溶蝕作用下易發(fā)生溶蝕現(xiàn)象，應(yīng)對(duì)鹽巖進(jìn)行封閉處理，截?cái)嗷蚪档偷叵滤畬?duì)其產(chǎn)生的溶蝕。薛飛宇等(2010)對(duì)橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的鹽巖工程特性進(jìn)行了研究，提出了鹽巖對(duì)混凝土的侵蝕破壞類型及侵蝕機(jī)理。說(shuō)明了鹽巖和水之間的相互作用，尤其是鹽巖的可溶性和腐蝕性對(duì)水電壩基、橋梁地基的重要影響。陳雨等(2010)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、理論計(jì)算、數(shù)值模擬等方法對(duì)鹽巖儲(chǔ)庫(kù)區(qū)的地面沉降進(jìn)行了預(yù)測(cè)。劉民生等(2015)對(duì)鹽巖礦區(qū)生產(chǎn)留下的如地下(表)水疏干、采空區(qū)塌陷、地下(表)水污染以及礦渣壓覆土地等地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，提出了礦山地質(zhì)環(huán)境保護(hù)與治理恢復(fù)的建議。說(shuō)明鹽巖洞室或鹽巖礦采空區(qū)可能引起地表沉降變形以及環(huán)境巖土工程問(wèn)題，應(yīng)在類似工程中予以重視。

關(guān)于鹽巖力學(xué)性能的研究，王偉超等(2016)利用RMT-150B巖石力學(xué)多功能系統(tǒng)，對(duì)不同形態(tài)的含表觀裂紋鹽巖的力學(xué)特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，分析了表觀裂紋對(duì)鹽巖的強(qiáng)度和變形性能影響以及鹽巖表觀裂紋擴(kuò)展及其貫通模式。趙建軍等(2019)對(duì)凍融作用下含裂隙巖石力學(xué)特性及損傷演化規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明巖石的抗壓強(qiáng)度、彈性模量隨著裂縫長(zhǎng)度增大呈現(xiàn)持續(xù)降低趨勢(shì)。張曉平等(2018)對(duì)巖石壓縮裂紋擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為在中、低圍壓以及單軸壓縮荷載條件下，脆性巖石首先產(chǎn)生張拉裂紋，并優(yōu)先沿加載方向發(fā)育。謝小帥等(2019)對(duì)水巖耦合下的軟巖微觀結(jié)構(gòu)特征與軟化機(jī)制展開研究，隨著水巖作用的進(jìn)行，巖石單軸抗壓強(qiáng)度下降明顯，力學(xué)性質(zhì)劣化嚴(yán)重。吳云等(2020)認(rèn)為巖石破壞是內(nèi)部缺陷在外部環(huán)境作用下長(zhǎng)期累計(jì)的過(guò)程。上述文獻(xiàn)說(shuō)明巖石力學(xué)性能與其微觀結(jié)構(gòu)之間的相互影響問(wèn)題已經(jīng)得到廣泛的重視和研究，這是深化理解鹽巖力學(xué)性能變化規(guī)律的基礎(chǔ)，為鈣芒硝鹽巖力學(xué)性能的研究提供了參考和借鑒。

關(guān)于水對(duì)鈣芒硝鹽巖工程性質(zhì)影響的研究，徐素國(guó)等(2004)研究了鈣芒硝鹽巖的化學(xué)溶解特性及其工程性質(zhì)，認(rèn)為在溶解滲透的交互作用下，鈣芒硝鹽巖由不滲透介質(zhì)變?yōu)橐粤蛩徕}為固體骨架的可變多孔介質(zhì)，從而決定著其溶解滲透力學(xué)特性的改變。梁衛(wèi)國(guó)等(2006)進(jìn)行了鈣芒硝溶解滲透相互作用規(guī)律以及溶解前后力學(xué)特性的研究，認(rèn)為鈣芒硝鹽巖溶解時(shí)的溶質(zhì)達(dá)到飽和濃度之前，硫酸鈉礦物的溶解隨時(shí)間的增長(zhǎng)會(huì)持續(xù)不斷進(jìn)行，在鈣芒硝鹽巖體內(nèi)溶解滲透形成的孔隙通道逐步暢通，并且鈣芒硝鹽巖的滲透及力學(xué)特性受溶解的影響極大。高紅波等(2012)通過(guò)對(duì)鈣芒硝鹽巖磨片的細(xì)觀觀測(cè)研究，給出了鈣芒硝鹽巖的溶解機(jī)制，并認(rèn)為鈣芒硝鹽巖溶解過(guò)程中易溶的硫酸鈉被溶劑帶走，難溶的硫酸鈣留在鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)中，使溶解后的鈣芒硝鹽巖形成多孔性質(zhì)的介質(zhì)，溶解的比表面積提高，溶解更易進(jìn)行，滲透性能提高。劉中華等(2013)對(duì)在孔隙壓出水口敞口狀態(tài)下的鈣芒硝鹽巖進(jìn)行了溶解滲透實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在溶解滲透實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，鈣芒硝固體骨架由致密不滲透的結(jié)構(gòu)變成了可滲透的多孔介質(zhì)，其固體骨架一直保持完整，且鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)的致密程度和礦物成分不斷地發(fā)生變化，致使其力學(xué)性質(zhì)和有效應(yīng)力也在不斷地發(fā)生變化。上述文獻(xiàn)說(shuō)明鹽巖與水之間的水巖相互作用研究是值得進(jìn)一步探索的問(wèn)題，鹽巖中的可溶性成分、結(jié)構(gòu)等因素對(duì)鹽巖的溶解滲透、力學(xué)強(qiáng)度等工程性質(zhì)有重要的影響。

隨著工程復(fù)雜性的增加，多因素耦合問(wèn)題得到了重視。關(guān)于水和溫度對(duì)鈣芒硝鹽巖綜合影響的研究，錢強(qiáng)等(2018)利用CT技術(shù)研究了在溫度和環(huán)境水作用下鈣芒硝鹽巖孔隙發(fā)育規(guī)律，認(rèn)為溶浸溫度條件分別為35℃、65℃和95℃時(shí)，溶浸溫度為65℃，鈣芒硝鹽巖實(shí)驗(yàn)前后孔隙率增長(zhǎng)值最大，溶浸溫度為95℃，鈣芒硝鹽巖孔隙率增長(zhǎng)率最大，鈣芒硝鹽巖孔裂隙變化最明顯。楊玉良等(2020)研究了在溫度和水質(zhì)作用下鈣芒硝鹽巖的蠕變規(guī)律，認(rèn)為對(duì)鈣芒硝鹽巖蠕變變形起主要作用的是滲透壓和溫度，滲透壓越小且溫度越高，鈣芒硝蠕變應(yīng)變?cè)酱?。以上研究成果主要?cè)重于水和溫度對(duì)鈣芒硝鹽巖微觀機(jī)制研究，在富含鹽巖地層中的地源熱泵、地下洞室等工程中亟需開展水和溫度等因素對(duì)鹽巖力學(xué)性能的綜合影響。

在成都南郊深基坑工程中，普遍分布有白堊系灌口組的紅層，主要以砂泥巖為主，在30～50m深度范圍內(nèi)存在富含鈣芒硝鹽巖夾層和富鈣芒硝的泥巖、粉砂巖層。同時(shí)由于工程基坑降水、抽取地下水和地源熱泵系統(tǒng)等各類工程措施的應(yīng)用，使得鈣芒硝鹽巖在荷載、溫度、水等因素作用下的強(qiáng)度衰減規(guī)律成為制約工程安全的關(guān)鍵問(wèn)題。雖然關(guān)于鈣芒硝鹽巖溶解滲透的研究成果較多，但有關(guān)溫度和水綜合作用下鈣芒硝鹽巖力學(xué)強(qiáng)度衰減的研究較為少見(jiàn)。因此，從工程實(shí)踐角度出發(fā)，研究水熱綜合作用下鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減規(guī)律具有十分重要意義。

論文基于成都南郊深基坑工程背景，通過(guò)測(cè)試不同溫度蒸餾水中浸泡前后鈣芒硝鹽巖成分、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度等參數(shù)的變化，重點(diǎn)研究了水熱綜合作用下鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)方案

鈣芒硝鹽巖取自成都南郊深基坑地下40～50m處白堊系灌口組巖層。根據(jù)《工程巖體實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-2013)加工成φ5cm×10cm鈣芒硝鹽巖圓柱體(圖1)。

鈣芒硝鹽巖實(shí)際的變形破壞是在溫度、水等因素綜合作用下的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，主要研究了鈣芒硝鹽巖在浸泡時(shí)間、浸泡溫度2個(gè)因素共同作用下的單軸抗壓強(qiáng)度衰減規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件及實(shí)際情況，設(shè)置浸泡時(shí)間的5個(gè)水平分別為：0d、7d、16d、31d、40d；浸泡溫度的5個(gè)水平分別為：30℃、40℃、50℃、60℃、70℃；浸泡水質(zhì)為蒸餾水。

具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將從工地取回的鈣芒硝鹽巖樣品，選取外觀一致、完整的巖芯制作標(biāo)準(zhǔn)鈣芒硝鹽巖試樣；實(shí)驗(yàn)前測(cè)量每個(gè)鈣芒硝鹽巖試樣的高度與直徑，同時(shí)測(cè)量鈣芒硝鹽巖縱波波速；(2)根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，將鈣芒硝鹽巖隨機(jī)分組，由于取樣困難和鈣芒硝鹽巖試樣數(shù)量限制，參考巖石實(shí)驗(yàn)規(guī)范，無(wú)浸泡組的單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)保證每組3個(gè)鈣芒硝鹽巖試樣，作為實(shí)驗(yàn)初始強(qiáng)度參考依據(jù)，浸泡組保證每組2個(gè)鈣芒硝鹽巖試樣；(3)將各組鈣芒硝鹽巖試樣放置在對(duì)應(yīng)的裝置中加熱，浸泡組采用恒溫水浴箱浸泡加熱(圖2a)，無(wú)浸泡組采用加熱帶環(huán)繞加熱(圖2b)；(4)達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的浸泡加熱時(shí)間后，測(cè)量鈣芒硝鹽巖的縱波波速，進(jìn)行單軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)，得到鈣芒硝鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果各組取平均值。其中，波速實(shí)驗(yàn)采用的是RSM-SY6聲波儀，儀器精度為1μs，而單軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)采用的是上海華龍WEW型多功能液壓萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)，實(shí)驗(yàn)加載速率為0.5mm·min-1。

2 強(qiáng)度等參數(shù)的變化規(guī)律

從鈣芒硝鹽巖破壞模式、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、縱波波速4個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析和探討。鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減實(shí)驗(yàn)破壞模式如表1所示。

表1 鈣芒硝鹽巖破壞模式簡(jiǎn)表Table 1 Failure modes of glauberite salt rock

2.1 破壞模式的變化規(guī)律

根據(jù)單軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)后鈣芒硝鹽巖的變形破壞特征，實(shí)驗(yàn)總結(jié)了鈣芒硝鹽巖在溫度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸餾水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d加載后的鈣芒硝鹽巖破壞模式。

仔細(xì)觀察破壞后的鈣芒硝鹽巖，在溫度和水綜合作用下，浸泡7d后，鈣芒硝鹽巖破壞已經(jīng)從脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)化為塑性破壞，說(shuō)明在浸泡過(guò)程中鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)劣化嚴(yán)重。無(wú)浸泡時(shí)，鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)致密完整，破壞形式為脆性破壞，變形較小，在加載過(guò)程中產(chǎn)生軸向劈裂，實(shí)驗(yàn)時(shí)鈣芒硝鹽巖發(fā)出較大聲響，并伴有碎屑彈射現(xiàn)象，加載破壞時(shí)間在3min左右。浸泡7d后，鈣芒硝鹽巖中的鈣芒硝、石膏等可溶性成分不斷地溶解、溶蝕、膨脹、軟化，破壞了鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)，使鈣芒硝鹽巖變形破壞形式發(fā)生突變，由脆性破壞變?yōu)樗苄云茐?，產(chǎn)生剪切裂隙和鼓脹裂隙，實(shí)驗(yàn)時(shí)鈣芒硝鹽巖聲響減弱，加載破壞時(shí)間增大至4min以上。在破裂面上可見(jiàn)礦物顆粒之間錯(cuò)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的劃痕和擠壓產(chǎn)生的礦物粉末。

2.2 單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律

鈣芒硝鹽巖在溫度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸餾水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d后的單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 鈣芒硝鹽巖在蒸餾水中浸泡后的單軸抗壓強(qiáng)度(MPa)Table 2 Uniaxial compressive strength of salt rock soaked in distilled water(MPa)

從圖3a中可以看出，總體上，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的增加衰減劇烈。浸泡7d，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減為初始強(qiáng)度的50%～72%。浸泡16d，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減為初始強(qiáng)度的21%～47%。浸泡30～40d，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減至初始強(qiáng)度的10%以下。

鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度隨浸泡溫度的變化如圖3b所示?？傮w上隨著溫度(30～70℃)的增加，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度變化不大。無(wú)浸泡組的鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度隨溫度的增加，大致在37.14～42.19MPa范圍內(nèi)變動(dòng)。浸泡0～16d時(shí)，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度在40℃左右出現(xiàn)了起伏，30～40℃，強(qiáng)度隨溫度增加而減小，40～70℃，強(qiáng)度隨溫度增加而增大。浸泡16～40d，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減至較小值，總體在10MPa以內(nèi)變動(dòng)，溫度對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度的影響較小。綜合來(lái)看，在同浸泡時(shí)間下，大體上各浸泡溫度間強(qiáng)度差值小于初始強(qiáng)度的10%，相對(duì)初始鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度變化較小，因此在實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi)(30～70℃)，溫度對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度影響不顯著。

總體而言，鈣芒硝鹽巖在溫度作用下的強(qiáng)度變化不大。在各個(gè)實(shí)驗(yàn)溫度下，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間增加損失劇烈，強(qiáng)度顯著減小，水穩(wěn)定性較差。單軸抗壓強(qiáng)度是鈣芒硝鹽巖礦物強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的共同反映，單軸抗壓強(qiáng)度隨浸泡時(shí)間的劇烈變化充分說(shuō)明了在長(zhǎng)期的浸泡過(guò)程中鈣芒硝鹽巖礦物強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生嚴(yán)重劣化，鈣芒硝鹽巖礦物成分及結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

2.3 彈性模量的變化規(guī)律

鈣芒硝鹽巖在溫度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸餾水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d后的彈性模量測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 鈣芒硝鹽巖在蒸餾水中浸泡后的彈性模量(GPa)Table 3 Elastic modulus of salt rock soaked in distilled water(GPa)

如圖4a，彈性模量隨浸泡時(shí)間的增加衰減劇烈。浸泡0～16d時(shí)，彈性模量下降明顯，彈性模量減小的幅度較大，浸泡16d時(shí)彈性模量最小為0.71GPa，最大衰減百分比達(dá)90.29%。浸泡30～40d時(shí)，鈣芒硝鹽巖彈性模量變得比較小，大體在0.51～0.76GPa之間變動(dòng)，降至初始彈性模量的10%以下，最大衰減百分比達(dá)92.94%。

鈣芒硝鹽巖彈性模量隨浸泡溫度的變化如圖4b所示。隨著浸泡溫度的增加，彈性模量總體變化不大。無(wú)浸泡鈣芒硝鹽巖的彈性模量在實(shí)驗(yàn)溫度(30～70℃)范圍內(nèi)變化不大，總體在6.92～7.47GPa范圍內(nèi)波動(dòng)。浸泡7d時(shí)，鈣芒硝鹽巖的彈性模量在40℃左右出現(xiàn)了起伏，30～40℃，彈性模量隨溫度增加而減小，40～70℃，彈性模量隨溫度增加而增大。浸泡16～40d時(shí)，彈性模量隨溫度變化不大。綜合來(lái)看，在同浸泡時(shí)間下，大體上各浸泡溫度間彈性模量差值小于初始彈性模量的10%，溫度對(duì)鈣芒硝鹽巖彈性模量影響不顯著。

2.4 縱波波速的變化規(guī)律

鈣芒硝鹽巖在溫度30℃、40℃、50℃、60℃、70℃蒸餾水中浸泡0d、7d、16d、31d、40d前后的縱波波速值及縱波波速降低百分比如表4所示。

表4 鈣芒硝鹽巖浸泡前后的縱波波速值(m·s-1)Table 4 P-wave velocity before and after rock immersion(m·s-1)

從表4和圖5綜合來(lái)看，鈣芒硝鹽巖的縱波波速會(huì)受到浸泡溫度的影響。浸泡0～16d時(shí)，鈣芒硝鹽巖的縱波波速降低百分比隨浸泡溫度(30～70℃)的增加大致有著先增大后減小的變化，同浸泡時(shí)間下縱波波速降低百分比差值最大可達(dá)20%～30%。浸泡16～40d時(shí)，鈣芒硝鹽巖的縱波波速受浸泡溫度影響較小，同浸泡時(shí)間下縱波波速降低百分比差值基本在10%以內(nèi)。

鈣芒硝鹽巖在蒸餾水浸泡下，縱波波速隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)出一定的特點(diǎn)。浸泡0～16d時(shí)，縱波波速變化比較劇烈，主要是這時(shí)鈣芒硝鹽巖孔隙率急劇增大造成的。浸泡16～40d時(shí)，縱波波速變化趨于穩(wěn)定，是由于鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)在這時(shí)趨于穩(wěn)定，孔隙率變化幅度較小造成。波速是鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)的宏觀反映，浸泡后縱波波速普遍降低，充分說(shuō)明由于長(zhǎng)時(shí)間的浸泡，鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)有明顯的損傷劣化。

3 分析與討論

水熱作用下的鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的衰減過(guò)程是復(fù)雜的，影響因素也比較多，包括內(nèi)部因素和外部因素。內(nèi)部因素為鈣芒硝鹽巖的礦物成分及結(jié)構(gòu)構(gòu)造的變化，外部因素為浸泡時(shí)間和浸泡溫度，從這4點(diǎn)因素進(jìn)行討論，可得出鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的衰減規(guī)律。

3.1 礦物成分對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度的影響

礦物成分是鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度的物質(zhì)基礎(chǔ)。鈣芒硝是由Na2SO4和CaSO4組成的復(fù)鹽，鈣芒硝遇水反應(yīng)，分解為CaSO4和Na2SO4，最終變?yōu)镹a2SO4溶液和石膏類晶體，若是Na2SO4溶液達(dá)到飽和，還可以析出芒硝晶體。

由于鈣芒硝礦物的可溶性、結(jié)晶膨脹性等性質(zhì)，在長(zhǎng)期的浸泡過(guò)程中，鈣芒硝等可溶成分持續(xù)不斷地溶解。在浸泡16d以前，鈣芒硝鹽巖的主要礦物鈣芒硝與水發(fā)生物理化學(xué)作用，部分鈣芒硝晶體被交代成為石膏類晶體，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度急劇降低；在浸泡16d以后，鈣芒硝鹽巖的孔隙增大，結(jié)構(gòu)致密性降低，這時(shí)鈣芒硝鹽巖的主要礦物不再是致密的鈣芒硝礦物，而是充滿孔隙的石膏類晶體礦物。鈣芒硝鹽巖中剩余的少量鈣芒硝晶體也逐漸被交代成石膏類晶體，溶蝕交代區(qū)域大為減小，溶蝕交代的規(guī)模已經(jīng)不大，所以鈣芒硝鹽巖的強(qiáng)度降低的幅度較小。鈣芒硝鹽巖主要礦物的變化決定了鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度的變化。

3.2 微觀結(jié)構(gòu)對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度的影響

鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)反映的是礦物成分溶解、溶蝕、結(jié)晶膨脹等微觀物理化學(xué)作用對(duì)礦物顆粒之間連接關(guān)系、連接強(qiáng)度、孔隙等性能的綜合影響。

鈣芒硝鹽巖為結(jié)晶結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)較致密(圖6a)。鈣芒硝被浸入水中后，鈣芒硝鹽巖表面的硫酸鈉成分與水接觸溶解，導(dǎo)致該處的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，鈣芒硝鹽巖表面開始生成一些細(xì)小裂紋，浸泡溶液隨裂紋擴(kuò)大鈣芒硝鹽巖溶解交代的區(qū)域，在晶體連接處形成多個(gè)溶蝕孔洞，鈣芒硝鹽巖的孔隙率大為增大。鈣芒硝鹽巖中鈣芒硝礦物交代而形成石膏類晶體(圖6b)(石膏性能不穩(wěn)定，受溫度和浸泡影響會(huì)在石膏、半水石膏、硬石膏之間轉(zhuǎn)化)，取代之前鈣芒硝晶體的位置，但由于礦物中硫酸鈉成分的流失，會(huì)在新生成的礦物晶體內(nèi)形成多個(gè)晶內(nèi)孔隙，繼續(xù)增加鈣芒硝鹽巖的孔隙體積。

鈣芒硝鹽巖礦物之間的膠結(jié)物流失及礦物內(nèi)部由于鈣芒硝的溶解溶蝕形成大片孔隙，鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)疏松，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度在溶解階段下降十分明顯。隨著浸泡時(shí)間的增加，石膏類晶體礦物含量增加(圖6b)。鈣芒硝鹽巖未溶蝕交代的區(qū)域縮小，溶解、溶蝕作用逐漸減弱，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度下降幅度減小，逐漸趨于穩(wěn)定。

3.3 浸泡時(shí)間對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的影響

鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的變化具有明顯的時(shí)間效應(yīng)。隨著浸泡時(shí)間的增加，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)逐漸衰減，具體表現(xiàn)(如表1所示)在鈣芒硝鹽巖破壞模式逐漸從脆性破壞轉(zhuǎn)向塑性破壞，單軸抗壓強(qiáng)度(圖3a)、彈性模量(圖4a)、縱波波速(圖5a)都隨著浸泡時(shí)間的增加，表現(xiàn)出明顯的降低。浸泡時(shí)間反映的是鈣芒硝等可溶成分在水溶液中持續(xù)的溶解、溶蝕、結(jié)晶膨脹等微觀物理化學(xué)作用的積累，導(dǎo)致鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)連接減弱、孔隙增加、強(qiáng)度降低。單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、縱波波速是鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)性能及礦物強(qiáng)度等的綜合反映，浸泡時(shí)間的增加導(dǎo)致鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度、彈性模量、縱波波速的降低，充分說(shuō)明在浸泡過(guò)程中，鈣芒硝礦物在水中的溶解、溶蝕、結(jié)晶膨脹等作用，使鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)損傷和劣化，耐久性降低。鈣芒硝鹽巖長(zhǎng)期浸泡的過(guò)程是鈣芒硝鹽巖中可溶成分持續(xù)溶解流失的過(guò)程，是微細(xì)觀水巖相互作用導(dǎo)致鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)性能的衰減。

3.4 浸泡溫度對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的影響

浸泡溫度的主要作用是影響鈣芒硝等礦物成分的溶解。鈣芒硝、硬石膏、石膏等礦物成分的溶解度受溫度影響較大。如圖7所示，隨著溫度的升高，鈣芒硝(Na2SO4·CaSO4)和硬石膏(CaSO4)的溶解度逐漸增加，到40℃左右溶解度達(dá)到峰值，然后隨著溫度的增加溶解度逐漸降低。在實(shí)驗(yàn)溫度(30～70℃)范圍內(nèi)，鈣芒硝、硬石膏、石膏等礦物的溶解過(guò)程大致經(jīng)歷了溶解度先增大后減小的過(guò)程。

鈣芒硝鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度的變化曲線(圖3b和圖4b)，大致都在40℃附近，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度和彈性模量都有先降低然后再逐漸升高的變化。這說(shuō)明溫度對(duì)可溶成分的溶解作用產(chǎn)生了一定的影響，促進(jìn)了鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)的變化。但是相較浸泡時(shí)間對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的影響，浸泡溫度(30～70℃)對(duì)鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的影響就小得多。在同浸泡時(shí)間下，各浸泡溫度間強(qiáng)度差值小于初始強(qiáng)度的10%，所以相對(duì)整體的鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度而言，在相同浸泡時(shí)間條件下，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度隨溫度變化不顯著。

4 結(jié) 論

以西南白堊系灌口組鈣芒硝鹽巖為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的方法，采用多種方法測(cè)試鈣芒硝鹽巖在浸泡前后的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、縱波波速、破壞模式等參數(shù)，研究了水熱綜合作用下鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的衰減規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)在水和溫度共同作用下，鈣芒硝鹽巖可溶性成分流失，鈣芒硝晶體轉(zhuǎn)化為石膏類晶體，鈣芒硝鹽巖礦物強(qiáng)度降低，晶體結(jié)構(gòu)變疏松、連接變?nèi)?，使得鈣芒硝鹽巖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，反映在力學(xué)上就是鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度等參數(shù)的劇烈衰減。鈣芒硝鹽巖單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、縱波波速、破壞模式4個(gè)參數(shù)表現(xiàn)出一致的變化，相互印證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性與可靠性。

(2)在不同的浸泡溫度下，鈣芒硝鹽巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量都隨浸泡時(shí)間的增加衰減劇烈。浸泡7d，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減為初始強(qiáng)度的50%～72%。浸泡16d，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減為初始強(qiáng)度的21%～47%。浸泡30～40d，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度衰減至初始強(qiáng)度的10%以下。

(3)在實(shí)驗(yàn)溫度(30～70℃)范圍內(nèi)，鈣芒硝、硬石膏、石膏等礦物的溶解過(guò)程大致經(jīng)歷了溶解度先增大后減小的過(guò)程，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度存在先減小后增大的變化，但同浸泡時(shí)間下各浸泡溫度間強(qiáng)度差值小于初始強(qiáng)度的10%，鈣芒硝鹽巖強(qiáng)度隨浸泡溫度(30～70℃)變化不顯著。