粉砂质泥岩的强度衰减与黄静效应施验研究.pdf

第 26 卷 第 12 期 岩石力学与工程学报 Vol.26 No.12 2007 年 12 月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2007 收稿日期收稿日期2007–04–19；修回日期修回日期2007–10–23 基金项目基金项目国家自然科学基金资助项目50478072 作者简介作者简介杨振峰1982–，男，2005 年毕业于合肥工业大学资源与环境工程系勘察技术与工程专业，现任硕士研究生，主要从事岩石力学试 验方面的研究工作。E-mailyangzhenfeng1study 粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究 粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究 杨振峰，缪林昌 东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210096 摘要摘要在不同质量百分比1，5及 10的 2 种酸H2SO4，HNO3溶液和 1 种碱NaOH溶液、1 种有机质腐植酸 钠溶液、1 种无机盐KCl溶液和自来水中，对粉砂质泥岩的水–岩作用进行静态长时120 d加速浸泡试验模拟， 并测定其单轴抗压强度、微观结构、氧化物成分，研究岩样单轴抗压强度随时间对酸、碱、有机质和盐的敏感性 和衰减机制。研究结果表明，在静水环境下，岩样强度衰减、腐蚀速率与 H浓度、酸根离子、无机盐浓度及浸泡 时间成非线性关系，岩样的强度变化正比于岩样的质量变化；认为在水–岩作用过程中，溶解与沉淀、氧化与还 原作用同时发生，共同影响岩样强度的衰减规律；水–岩作用的不同时期，导致岩样强度衰减的主要因素是不同 的；在化学风化作用下，岩样的强度与铁离子、钙离子等二价离子的变化密切相关。 关键词关键词岩石力学；化学风化；水–岩相互作用；强度衰减；环境效应 中图分类号中图分类号TU 45 文献标识码文献标识码A 文章编号文章编号1000–6915200712–2576–07 EXPERIMENTAL STUDY ON SILTY MUDSTONE STRENGTH ATTENUATION AND ENVIRONMENTAL EFFECT YANG Zhenfeng，MIAO Linchang Institute of Geotechnical Engineering，Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China AbstractAimed to understand how rocks get deteriorated under different conditions，accelerated simulations of water-rock interaction for silty mudstone have been carried out continuously in static water surroundings with two acid solutionsH2SO4 and HNO3， a sodium hydroxide solutionNaOH， a sodium humate solution， and a inorganic saltsolutionKCl with different mass contents1，5 and 10 for 120 days. The unconfined compressive strengthUCS，microscopic characteristic changes，oxides component changes of silty mudstone are monitored during the simulation. And then the sensitivities of the UCS to solutions types and deterioration mechanism are analyzed. The results show that strength attenuation and eroded rate will nonlinearly increase with the concentration of H，acid atom，concentration of inorganic salt and soak period；the change of UCS is direct proportional to the change of rock mass. It is verified that dissolution and precipitation，oxidation and reduction present simultaneously in the course of water-rock interaction； and the rule of strength attenuation is effected by all of them；the main reason of strength attenuation is different in different water-rock interaction stages. UCS is closely related to the change of divalent iron ion and calcium ion under chemical weathering. Water quality will be deteriorated because of the much metal stripping during water-rock interaction. However，the results show that long-term water-rock interaction also has its beneficial aspect to the rock UCS；and the environmental effects of water-rock interaction have dual characters. Key wordsrock mechanics；chemical weathering；water-rock interaction；strength attenuation；environmental effects 第 26 卷 第 12 期 杨振峰，等. 粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究 2577 1 引引 言言 岩土工程中岩体材料强度与稳定性的时间效应 是一个不容忽视的重要因素，它直接影响重大岩体 工程的服务年限与投资效益。环境化学因素对岩体 的长期作用使岩体发生化学变化，进而影响岩体的 力学特性已是一个众人皆知的客观事实。岩石在化 学风化作用下，结构和矿物成分等均发生了变化， 使得岩石的力学性质发生转变，同时岩石中金属矿 物离子的析出对环境也会造成污染。 水作为强大的地质营力，参与各种地质作用和 生态–环境过程，整个地球的历史可以说就是一部 水–岩相互作用的历史[1]。水–岩反应，一般是指 水溶液与岩石体之间的相互作用，对于岩石力学 则是指水溶液与岩石体在岩石固相线下的温度、 压力范围内进行的所有化学反应和物理化学作用[2]。 由于水溶液含有不同的化学成分，岩体长期浸泡在 这些溶液中产生水化学反应，水化学作用不仅破坏 了岩石粒间连接，而且破坏了晶粒本身，最终导致 岩石强度的降低。水化学作用对岩石这种聚合体[3] 的作用是一种复杂的物理化学过程，也是一种从微 观结构的变化导致其宏观力学性质改变的过程，其 影响因素多且复杂，而这种复杂作用的微观过程是 岩体变形破坏的关键所在。因此，深入研究岩石水– 岩作用力学效应的机制必须从微观领域开始。 目前，对水–岩化学作用的力学效应研究主要 集中在对不同水溶液浸泡后岩石力学性质的研究， 水–岩作用引起的岩石微观结构与矿物成分的转 变，以及不同水–岩作用时期、不同的水化学环境 引起的岩石力学性质转变主要因素还缺乏系统的研 究。陈四利等[4 ，5]对经水溶液浸泡 200 d 饱和、化学 腐蚀下岩样受力时裂纹的发展以及其破裂特征进行 了研究。谭卓英等[6]对 3 种酸和 3 种 pH 值下 2 种岩 样的抗压强度、抗拉强度及劈裂法抗拉强度等进行 了研究。李 宁等[7]也对受酸腐蚀 5，9，14，21 d 的 砂岩的抗压强度试验及 CT 扫描试验结果进行了分 析与总结，发现砂岩中主要胶结物 CaCO3的溶解是 岩样强度和变形衰减的主要原因。汤连生等[8 ～10]研 究了在流动水溶液中水–岩化学作用对岩样力学 性质的影响，试验结果表明，在流动的水溶液中， 岩样的强度随时间增长持续降低。丁梧秀和冯夏 庭[11]分析了化学溶液对岩样细观结构的腐蚀损伤 效应，建立了化学腐蚀下岩样细观结构化学损伤变 量计算公式。 本文对粉砂质泥岩在不同环境静止的水溶液中 进行长时间的浸泡，测定其 pH 值、质量、强度等 指标随时间的变化，定量研究环境、时间因素对岩 样强度的影响；通过观察水–岩作用后岩样表面的 微观形貌和分析溶液中沉淀物的氧化物成分，对水 化学环境对岩石力学效应的影响机制、环境效应进 行研究。 2 模拟试验模拟试验 模拟采用常温常压静水浸泡法。岩石材料选 用粉砂质泥岩，主要化学成分见表 1，其中烧失指 氧化物分析过程中 C，H，O 三种元素的损失。岩样 制成 50 mm50 mm50 mm 的立方体。考察的指标 有岩样的单轴抗压强度 c σ、应力–应变关系以及质 量 m，考察的主要对象为 2 种酸H2SO4，HNO3溶 液、1 种碱NaOH溶液、1 种有机酸盐腐植酸钠 溶液、 1 种无机盐KCl溶液、 自来水及其浸泡时间 t。 每种溶液选择 1，5，10三个质量百分比 浓度，以考虑不同 pH 值、同种溶液水–岩作用对 岩样造成的影响。试验分为 60，90，120 d 三个浸 泡阶段，浸泡过程采用密闭法，与外界环境隔绝， 每个阶段测定浸泡后岩样的质量和抗压强度。其中， 质量m和抗压强度指标均在岩样样品取出后在室内 自然风干 15 d 后测定，溶液的 pH 值采用精密 pH 试纸和酸碱滴定法测定。 3 试验结果及分析试验结果及分析 3.1 不同环境的影响不同环境的影响 岩样在自然状态下，其平均峰值强度为 36 MPa 表 1 粉砂质泥岩氧化物组成 Table 1 Oxides composition of silty mudstone 氧化物含量 CaO Fe2O3 K2O Na2O MgO Al2O3 SiO2 P2O5 TiO2 MnO 烧失量 合计 10.04 2.65 2.04 1.90 1.30 9.96 60.57 0.12 0.35 0.07 11.17 100.00 2578 岩石力学与工程学报 2007年 钙质平均强度为 53.24 MPa，经浓度为 1的 KCl 溶液、HNO3溶液pH 值为 1.0、H2SO4溶液pH 值为 1.0、腐植酸钠溶液、NaOH 溶液、自来水中侵蚀 60 d 后，峰值应力分别降低了 3.94，63.31， 72.11，82.25，91.02，48.44。1.00浓度的 各溶液中，水–岩化学作用对岩样强度衰减大小依 次为NaOH 溶液＞腐植酸钠溶液＞H2SO4溶液＞ HNO3溶液＞自来水＞KCl 溶液。 3.2 有机酸盐溶液和无机酸盐浓度的影响有机酸盐溶液和无机酸盐浓度的影响 对经 1，5，10的腐植酸钠溶液分别侵蚀 60， 90， 120 d 后所测得的岩样单轴抗压强度与质量 变化结果表明，腐植酸钠溶液的质量百分比浓度对 岩样的强度变化几乎没有影响。图 1，2 分别为经不 同浓度腐植酸钠溶液浸泡后岩样强度和质量变化。 图 1 粉砂质泥岩在不同浓度腐植酸钠溶液中浸泡后强度随 时间的变化未经浸泡时强度为 100，下同 Fig.1 Strength changes of silty mudstone with time after eroded in sodium humate solutions with different concentrationsthe strength of silty mudstone before soak is 100 图 2 粉砂质泥岩在各浓度腐植酸钠溶液中浸泡后质量随 时间的变化未经浸泡时质量为 100，下同 Fig.2 Mass changes of silty mudstone with time after eroded in sodium humate solutions with different concentrations the mass of silty mudstone before soak is 100 岩样在浓度为 1，5，10的 KCl 溶液pH 值均为 7.0中浸泡后，浸泡初期岩样的强度衰减比 较小。图 3，4 为岩样在 KCl 溶液中浸泡后强度和 质量随时间的变化。 图 3 粉砂质泥岩在 KCl 溶液中浸泡后强度随时间变化 Fig.3 Strength changes of silty mudstone with time after eroded in KCl solutions 图 4 粉砂质泥岩在 KCl 溶液中浸泡后质量随时间变化 Fig.4 Mass changes of silty mudstone with time after eroded in KCl solutions 3.3 pH 值的影响值的影响 岩样在 pH 值为 0.75 的 HNO3，H2SO4溶液中浸 泡 60 d 后其强度衰减分别为 86.06，63.11；在 pH 值为 0.5 的 HNO3，H2SO4溶液中浸泡 60 d 后其 强度衰减分别为 91.39，65.56。岩样在 1.32， 2.70 mol/L 的 NaOH 溶液中浸泡 60 d 后其强度衰减 分别为 64.83，32.94。试验结果表明，静水浸泡 条件下，水–岩化学作用对岩样强度的影响表现出 与 pH 值成非线形的关系，如图 5～9 所示，其中 图 5 为 H2SO4溶液浸泡岩石在不同浓度和不同时间 的应力–应变曲线。 3.4 岩样强度衰减的时间效应岩样强度衰减的时间效应 静水密闭环境下，岩样在溶液中浸泡侵蚀，强 度并不随时间的增加完全地持续降低。除在 1 HNO3溶液、10NaOH 溶液浸泡侵蚀外，岩样的强 度随时间增加持续降低外，岩样强度随时间出现先 减小后增加的趋势，并随时间增加再次降低；岩样 的强度变化正比于岩样的质量变化。 0 20 40 60 80 100 120 0 30 6090 120 时间/d 相对强度/ 1腐植酸钠溶液 5腐植酸钠溶液 10腐植酸钠溶液 95.0 96.0 97.0 98.0 99.0 100.0 101.0 0 30 60 90 120 时间/d 相对质量/ 1腐植酸钠溶液 5腐植酸钠溶液 10腐植酸钠溶液 98.0 98.5 99.0 99.5 100.0 100.5 03060 90 120 时间/d 相对质量/ 1 KCl 溶液 5 KCl 溶液 10 KCl 溶液 0 20 40 60 80 100 03060 90 120 时间/d 相对强度/ 1 KCl 溶液 5 KCl 溶液 10 KCl 溶液 120 第 26 卷 第 12 期 杨振峰，等. 粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究 2579 a 3 种浓度浸泡 60 d 岩样的应力–应变曲线 b 1 H2SO4溶液浸泡岩样在 3 个时间段的应力–应变曲线 图 5 H2SO4溶液浸泡岩样在不同浓度和不同时间的 应力–应变曲线 Fig.5 Stress-strain curves of silty mudstone after eroded in H2SO4 solutions with different concentrations and times 图 6 粉砂质泥岩在 HNO3溶液中浸泡后强度随时间的变化 Fig.6 Strength changes of silty mudstone with time after eroded in HNO3 solutions 图 7 粉砂质泥岩在 HNO3溶液中浸泡后质量随时间的变化 Fig.7 Mass changes of silty mudstone with time after eroded in HNO3 solutions 图 8 粉砂质泥岩在 NaOH 溶液中浸泡后强度随时间的变化 Fig.8 Strength changes of silty mudstone with time after eroded in NaOH solutions 图 9 粉砂质泥岩在 NaOH 溶液浸泡后质量随时间变化 Fig.9 Mass changes of silty mudstone with time after eroded in NaOH solutions 3.5 水–岩作用水–岩作用 60 d 岩样微观结构变化岩样微观结构变化 如图 10 所示，经水–岩作用后，岩样微观形态 与未风化新鲜岩样微观形态相比较，表面充填于黏 土矿物间的铁质结核消失；经不同的溶液作用后， 岩样的表面形态变化各有其特点。H2SO4溶液作用 后，岩样的表面出现大量结晶颗粒，黏土矿物变得 松散；HNO3溶液作用后，成片状的黏土矿物转变 为散粒状，岩样表面遍布由于矿物的溶解形成的孔 隙；腐植酸钠溶液作用后，岩样表面堆积了大量的 沉淀物；经 NaOH 溶液作用后，岩样表面有大量成 松散状的堆积物。 a 未经溶液浸泡 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 20 25 应变/ 应力/MPa 1 H2SO4溶液 5 H2SO4溶液 10 H2SO4溶液 0 20 40 60 80 100 0 30 6090 120 时间/d 相对强度/ 1 HNO3溶液 5 HNO3溶液 10 HNO3溶液 50 60 70 80 90 100 0 30 6090 120 时间/d 相对质量/ 1 HNO3溶液 5 HNO3溶液 10 HNO3溶液 0 20 40 60 80 100 120 03060 90 120 时间/d 相对强度/ 1 NaOH 溶液 5 NaOH 溶液 10 NaOH 溶液 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 03060 90 120 时间/d 相对质量/ 1 NaOH 溶液 5 NaOH 溶液 10 NaOH 溶液 2580 岩石力学与工程学报 2007年 b 经 5 H2SO4溶液浸泡 c 经 5 HNO3溶液浸泡 d 经 5腐植酸钠溶液浸泡 e 经 5 NaOH 溶液浸泡 图 10 粉砂质泥岩微观特征变化 Fig.10 Microscopic characteristic changes of silty mudstone 3.6 水–岩作用岩样沉淀物氧化物分析水–岩作用岩样沉淀物氧化物分析 岩样在溶液中的沉淀物质来源于水–岩作用过 程中岩样与水溶液作用的产物和部分岩样结构疏松 后岩样的脱落物，因此对新鲜岩样结果见表 1、经 水溶液侵蚀后的岩样及溶液中的沉淀物进行成分分 析结果见表 2。分析发现，与新鲜岩样相比较，经 5 NaOH 溶液侵蚀的粉砂质泥岩溶液中沉淀物中， K2O，Na2O 的含量之和减少了约 29，CaO，MgO 含量之和减少了约 36；经 5 H2SO4溶液侵蚀的粉 砂质泥岩溶液中沉淀物中，K2O，Na2O 含量之和减 少了约 24，CaO，MgO 含量之和变化较小减少 约 7。分析认为，岩样中富含 K，Na等离子的 矿物，如钾长石和钠长石在水解作用下，将分别形 成随水流失的 KOHK与OH结合、NaOHNa与 OH结合，SiO2胶体以及残留原地的高龄石，因此 不管是在酸性溶液还是碱性溶液中，沉淀物中 K， Na等一价离子氧化物的含量都明显减少；而在粉砂 质泥岩中，Ca2，Mg2等主要存在于其胶结矿物中， 如方解石、白云石等，碱性条件下其溶解的速率远 远低于酸性条件下，并且在 H2SO4溶液中，方解石、 白云石等胶结矿物迅速溶解，新生的矿物在岩样内 部沉淀结晶，最终致使岩样成块状的崩解剥落，沉 淀物中 Ca2，Mg2离子的氧化物含量几乎没有变化， 而碱性溶液中以富含 K，Na等离子的矿物的水解 作用进入溶液，并最终以 KOH，NaOH 的形式沉淀 于溶液中，Ca2，Mg2等氧化物含量将很低。 4 水–岩作用的特点水–岩作用的特点 静水密闭条件下，岩样的强度随时间的变化除 与浸泡后岩样中矿物溶解的速度密切相关外，水– 岩化学作用的产物的沉淀作用和矿物的吸附作用对 长时间浸泡侵蚀后岩样强度的影响不容忽视。 4.1 水–岩化学作用的特点水–岩化学作用的特点 岩样在各溶液中浸泡，水–岩化学作用后岩样 强度衰减与水溶液的性质、水–岩化学反应的强度 表 2 溶液中沉淀物的氧化物组成 Table 2 Oxides compositions of precipitate in different solutions 氧化物含量 溶液类型 CaO Fe2O3 K2O Na2OMgOAl2O3SiO2 P2O5TiO2MnO SO3 烧失量合计 5 NaOH 6.42 2.16 1.21 1.59 0.80 7.45 31.090.10 0.27 0.07 0.04 48.84100.00 5 H2SO4 9.86 1.93 2.09 0.89 0.65 7.83 52.530.08 0.43 0.02 16.39 23.69100.00 第 26 卷 第 12 期 杨振峰，等. 粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究 2581 岩样的单轴抗压强度结果均比浸泡 60 d 时高；随着 时间的推移， 水–岩作用产生的盐晶体会不断增长， 并产生一定的结晶压力，从而改变岩样的结构，这 也可能削弱了岩样的强度。从试验结果来看，各岩 样浸泡侵蚀 120 d 后，单轴抗压强度均出现不同程 度的下降。 同时，水–岩化学作用对岩样强度的衰减大小 与新生成盐是否水解密切相关。对经 pH 值为 1.0， 0.75，0.5 的 H2SO4溶液浸泡 60 d，pH 值为 1.0 的 H2SO4溶液浸泡 60，90，120 d 后所得单轴抗压强 度分析结果表明，虽然岩样在酸性条件下溶解速率 均随 pH 值的降低而增大，但是岩样的强度衰减并 非随 pH 值的降低而成正比例的增大。岩样在 H2SO4 溶液中浸泡时，溶解作用与沉淀结晶作用同时发生， 使得岩样的强度变化变得比较复杂。岩样在 NaOH 溶液中浸泡侵蚀时也得到类似的结果。 4.2 有机质对水–岩作用的影响有机质对水–岩作用的影响 在试验中选用的有机溶液为有机酸盐腐植 酸钠溶液。腐植酸钠是一种复杂的无定形高分子化 合物的混台物[12]。试验中选用 3 种不同浓度的腐 植酸钠溶液1，5，10，溶液的pH值为8～9。 岩样在浸泡后，其质量变化与单轴抗压强度的变化 整体上成正比关系，但是各时间段60，90，120 d 岩样在不同浓度的溶液中浸泡时，其强度大小与岩 样质量大小不成正比；岩样在3种浓度的溶液中浸泡 60，90，120 d时的强度平均值分别为22.29， 14.23，21.04未经浸泡时强度的百分比。 4.3 中性的无机盐溶液对岩样强度的影响中性的无机盐溶液对岩样强度的影响 试验选用 3 种浓度的 KCl 溶液研究。岩样在中 性溶液中更容易吸附溶液中的 SiO2，使之沉淀于岩 样表面，尤其是裂隙尖端，使岩样溶蚀作用减弱。 岩样在 1的 KCl 溶液中，其强度随时间的增加逐 渐降低，并且衰减值远远小于岩样在其他溶液中的 强度衰减。其原因可能是由于在高浓度的无机盐溶 液中浸泡时，大量的结晶盐残留在岩样的孔隙和矿 物表面，增大了岩样的颗粒间的摩擦力，使得岩样 的强度衰减比较小，另外黏土矿物类型的转变也是 其强度降低较小的原因之一。 4.4 水–岩化学作用与环境效应水–岩化学作用与环境效应 岩样中部分金属元素的溶出及长时间水–岩作 用沉淀于岩样造岩矿物表面和岩样孔隙间的各种盐 类，剧烈地影响着岩样的力学性质。同时，由于金 属离子等大量溶出，将对水体水质产生不利的影响； 尽管这种作用是非常缓慢和长时间尺度的，但是由 于环境污染的区域分异性和局部排放地段的奇异 性，其对环境的影响是不可忽视的。 试验结果表明，长时间的水–岩化学作用对岩 石的强度也有其有益的一面。例如丁梧秀等[13]利用 有机硅和无机硅溶液对红砂岩进行加固，以提高其 强度和抗风化能力。 对水–岩作用下岩石金属离子的析出引起的环 境效应，应着重对其中二价离子氧化物如钙、铁、锰 以及磷氧化物析出的防治与利用。 5 结结 论论 抗风化设计是未来岩土工程设计的一个重要内 容[14]，本文通过对各种溶液环境中长时间浸泡的粉 砂质泥岩进行试验，研究水–岩化学作用对岩样强 度的衰减规律。对试验结果分析可得出以下结论 1 静水条件下，经水–岩作用后，岩样的强 度随时间的增加并非是持续降低的，而是与岩样中 某些二价离子的析出溶解、沉淀、氧化，以及可 溶盐的结晶沉淀、吸附密切相关；岩样的强度变化 与时间、pH 值成非线形关系。 2 水–岩作用初期，随岩样矿物的金属离子 的析出，岩样的强度将出现较大幅度的降低。造岩 矿物的溶解作用是岩样强度降低的主要原因。对岩 体而言此时的承载能力下降。 3 水–岩作用的不同时期，导致岩样强度衰 减的主要因素不同。初期，造岩矿物的溶解是岩样 强度衰减的主要原因，而沉淀结晶作用此时对岩样 的力学性质有利；水–岩作用后期，强烈的沉淀结 晶作用将导致岩样出现裂纹。 4 不同的水溶液对岩样的强度影响不同，1 浓度的各溶液在浸泡侵蚀初期对岩样强度影响大 小依次为NaOH 溶液＞腐植酸钠溶液＞H2SO4溶 液＞HNO3溶液＞自来水＞KCl 溶液。 5 有机质对矿物的溶解具有显著的催化作用。 6 经水–岩作用后岩样的微观形貌结构与 矿物成分均发生转变；水化学溶液不同，水–岩作 用对岩样的主要侵蚀方式不同。水–岩作用后，水 溶液中沉淀物的氧化物成分一价碱金属离子的含量 均大量减少，而钙、镁等二价离子的含量的变化与 2582 岩石力学与工程学报 2007年 水化学溶液的性质有关。 参考文献参考文献References [1] 沈照理， 王焰新. 水–岩相互作用研究的回顾与展望[J]. 地球科 学中国地质大学学报， 2002， 272 127–133.SHEN Zhaoli， WANG Yanxin. 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