酸碱环境干湿循环下砂岩动态力学性能试验

方江华， 倪苏黔， 王凤瑶， 姜平伟

(1.安徽理工大学土木建筑学院， 淮南 232001； 2.北京住总集团有限责任公司， 北京 100101)

随着中国煤炭资源开采技术的不断发展，煤炭深部开采进入新时期，深部煤系主要以孔隙式钙质胶结和泥质胶结的砂岩和泥岩为主，而地下水在溶解深部地下矿物的过程中往往会呈现碱性或酸性，砂岩和泥岩软化现象较明显，这种现象使围岩的自承能力降低，巷道围岩膨胀、顶板掉落以及底臌变形频发，严重威胁巷道支护安全[1-3]。

井下巷道或山岭隧道使用过程中，由于高温蒸发、通风等原因，对围岩含水率造成了干湿反复交替的状态，所以碱性或酸性地下水的应力-化学-干湿循环耦合作用下，岩石的力学性能进一步劣化，研究其力学参数的变化及内部损伤规律更具科学与工程意义[4-6]。罗垚等[7]提出“变排量、分阶段多压裂液组”重复压裂方法，将变排量压裂与分阶段压裂两种方式进行组合重复试验，产生了与单一压裂方式下3倍裂缝条数不同的复杂裂缝，具有工程应用参考价值。王帅等[8]借助室内三轴试验探究了干湿循环下水泥改良红砂岩土的弹性模量、破坏面形式、峰值强度、应力-应变曲线的变化规律，表明水泥是红砂岩土由塑性转变为脆性的重要影响因素，对峰值强度和弹性模量进行多元非线性的拟合效果理想。杨有贞等[9]利用干湿循环试验研究砂岩的力学特征发现，干湿循环后砂岩强度明显弱化，并结合扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)观察岩体微观特性得到，岩石微观结构随着循环次数的增加，其微观结构松散程度加深，颗粒排布越不均匀，这与宏观试验强度变化结果相吻合。韩铁林等[10]将砂岩分别浸泡在酸性、中性及碱性溶液中，进行侵蚀后冻融试验，研究表明：随冻融循环次数的增加，砂岩损伤劣化程度逐渐增加，并且酸性溶液损伤最大、中性次之、碱性最小；袁文[11]将酸碱环境干湿循环后的砂岩进行单轴、三轴压缩等力学性能试验得到，砂岩的整体力学强度及物理参数随着干湿循环次数的增加，其损伤幅度呈现出先增后减的趋势，并且在酸性环境下劣化程度最大、碱性次之、中性最小；刘新荣等[12]对多次干湿循环作用下的泥质砂岩进行单轴、三轴压缩试验，研究表明该作用下使得泥质砂岩的峰值应力、内摩擦角以及弹性模量均出现了不同程度的劣化；傅晏等[13]对砂岩进行酸性环境下的干湿循环力学性能试验，基于强度准则对砂岩劣化参数进行分析得到，各强度准则参数随循环次数的增加呈现逐渐降低的趋势。邓华锋等[14]对岩体节理面进行了重复剪切试验，研究发现，随着循环次数的增加，试件的剪切屈服点的切向位移增大、抗剪强度降低，劣化的主要原因与软化和溶解作用有关；徐志华等[15]对红砂岩进行干湿循环处理，并提出了以黏聚力为指标的损伤变量，分别对砂岩的单轴、三轴力学参数的劣化规律进行了研究，通过与试验值和波速损伤变量的对比，验证了黏聚力指标的合理性。对于深部围岩回采巷道、铁路隧道等动压巷道、隧道，围岩岩体承受冲击荷载的能力直接威胁结构安全。

由此，现以深部围岩回采以及动压巷道受酸碱循环作用下的砂岩为背景，对酸碱环境干湿循环作用下砂岩试件的物理、力学参数进行了试验研究，分别进行了不同酸碱环境下和不同干循环次数耦合作用下砂岩试件的物理、力学试验，并借助红外热成像技术进一步评定砂岩的损伤具体表现。同时结合孔隙率变化情况、试件动态抗压强度、峰值应力和弹性模量总劣化度，阐述砂岩试件物理、力学特性变化规律，为隧道掘进、巷道开挖、地铁和水下工程等施工作业提供参考和借鉴。

1 试验方案

1.1 试验材料

自安徽省淮南矿区朱集煤矿东侧一条埋深-965 m的动压回采巷道采取试验样品，该巷道受地下水长期的循环浸润作用。岩样主要表观为灰白色，结核少，伴有少量深褐色斑点。通过X射线衍射测得砂岩的主要成分为高岭石(41.7%)、石英(35.8%)、云母(19.6%)、其他(2.9%)，如图1所示。

图1 X-射线衍射定性分析图谱

为了能够更好地体现在酸碱环境干湿循环作用下不同pH环境砂岩动态力学性能的损伤劣化过程，选取pH跨度大的3、7、11溶液进行分组、分期侵蚀，按照标准对岩体进行取样钻孔、切割断面、打磨、清洗、烘干后，制成高度25 mm、直径50 mm的圆柱体试件，通过超声波检测分析仪测定砂岩试件的纵波波速，对波速差异较大的试件进行剔除并补缺，将岩样分成A、B、C三组，A组为pH=3的溶液进行干湿循环，B组为蒸馏水(pH=7)进行干湿循环，C组为pH=11的溶液进行干湿循环，如图2所示。

图2 干湿循环溶液浓度

1.2 试验设备及试验方法

采用干湿循环试验、孔隙率试验、冲击试验、热成像试验，试验方法如下。

1.2.1 干湿循环试验

在pH=3、7、11溶液中，将3组试件分别浸泡，每组按干湿循环次数划分为4个阶段，第1阶段(浸泡5 d，循环0次)、第2阶段(0～5次循环)、第3阶段(5～10次循环)及第4阶段(10～15次循环)；在不同pH溶液中将各组试件侵蚀12 h，再放入烘干箱12 h，即视为一次干湿循环。首次循环烘干箱设定温度105 ℃，以后每次保持60 ℃。

1.2.2 孔隙率试验

用排水法将试块烘干，12 h后测得质量m0，然后放入真空保水仪3 h，待试件内空气完全排出，再保水9 h，确保充分饱和，称得其质量mw，计算试件内水的体积V0、孔隙率p，计算公式为

(1)

(2)

式中：ρw是水的密度，ρw=1 g/cm3；r为试件底面半径，cm；h为试件高度，cm。

1.2.3 冲击试验

采用φ50 mm钢质分离式Hopkinson压杆(split Hopkinson pressure bar，SHPB)试验系统，纵波波速为5 190 m/s，密度为7.8 g/cm3，弹性模量为210 GPa，长度分别为0.6、2.4、1.2 m。试验时试件两端均匀涂抹凡士林润滑，待气压达到0.4 MPa，打开开关，一次冲击试验完成。结合文献[16-17]研究，采用简化三波法对低抗阻岩石材料的原始数据进行处理。

1.2.4 热成像试验

采用美国FLIR公司便携式FLIR ONE热像仪，冲击试验开始前，将红外热成像仪架到冲击试件旁，对扫描角度、焦距进行设置，岩体在发生冲击破坏的瞬间，快速取出岩样，进行热成像试验，为保证精度，试件移取过程中佩戴隔热手套。

2 试验结果及分析

2.1 溶液pH变化

利用ATC(automatic temperature compensation)数值pH对各组试件浸泡5 d、干湿循环15次后的溶液pH进行测量，利用溶液pH变化，从侧面反映砂岩受溶液侵蚀的程度，如图3所示。

图3 溶液pH的变化

从图3中可以看出，随着试块干湿循环次数和侵蚀时间的增加，溶液pH在酸性环境下均逐步上升，并且在干湿循环第5次之后开始快速上升，循环11次之后溶液开始趋于中性，这主要是由于前期试件在酸性环境中，溶液中的H+与试块逐渐发生反应，离子浓度降低，循环5次之后，试件内部裂隙开始发育、反应加剧，循环11次之后，试件内可被反应的物质几乎殆尽，若需进一步反应，需提高溶液浓度或展露更多反应界面；溶液pH中性环境下呈弱碱性，这主要是由于试件在pH=7的溶液中，内部物质溶解，试件逐渐转化为弱碱性；随侵蚀时间的增加，pH=11的碱性溶液中砂岩矿物中的有效离子会进入到溶液中，所以在浸泡前期，溶液pH上升，随着后期干湿循环次数的增加，离子或沉淀从岩石骨架中剥离出来，强碱环境OH-与岩石骨架反应，逐渐降低溶液pH。

2.2 砂岩孔隙率变化

根据式(1)、式(2)得到不同pH溶液浓度下，砂岩孔隙率p的劣化过程，如表1所示。

表1 不同状态下砂岩孔隙率变化情况

如图4所示，试验中砂岩的孔隙率随着干湿循环的进行逐渐增加，其均经历了三个阶段：浸泡5 d时，试件的孔隙率处于初始稳定阶段，试件孔隙率增长量较小，pH=3、7、11时，孔隙率增长幅度依次为0.60%、0.15%、0.29%；干湿循环0～10次为迅速增长阶段，孔隙率增长幅度依次为10.06%、2.83%、4.16%；10～15次为缓慢增长阶段，孔隙率增长幅度依次为12.01%、6.25%、5.31%。对比三个阶段的变化可看出，由于试件初期裂隙发育不完全，试件的腐蚀主要发生在试件表面，内部孔隙率基本未发生明显变化，为基本孔隙率；干湿循环开始后，由于浸泡的溶解和烘干的高温导致试件内的可溶性颗粒大量流失，在烘干过程中剩余颗粒发生膨胀，重新调整位置，加之酸碱性溶液腐蚀，更加加剧了裂纹的发育，使得试件内部颗粒在酸碱性溶液进入后被腐蚀，从而试件孔隙率增加；待干湿循环后期，试件内部可溶性物质溶解殆尽，干湿循环次数不足以激发新的裂纹产生，导致孔隙率增长速度放缓。

图4 各阶段孔隙率变化

2.3 一维冲击试验结果及分析

2.3.1 应力-应变曲线分析

根据在不同pH的溶液中经历0、5、10、15次干湿循环试验结果，绘制砂岩试件应力-应变曲线，如图5所示。

图5 砂岩试件应力-应变曲线

描绘砂岩试件在pH=3的硫酸溶液、pH=7的水溶液和pH=11的碱溶液中经历5 d浸泡和干湿循环5、10、15次的应力-应变曲线如图5所示，可看出随着试件干湿循环的进行，其峰值应力逐渐降低，弹性阶段的斜率(即弹性模量)也在不断减小，同时，随着试件干湿循环次数和酸性浓度的增加，其峰值应变也在不断增加，表现出软化的现象，根据图示曲线，动态抗压强度值，并对峰值应力前的直线进行拟合，计算试件的动弹性模量值，试件力学参数值分别如表2所示。

表2 不同状态下砂岩动态抗压强度值

2.3.2 动态力学参数分析

前几年，我跟一个朋友的妹妹F合租房子。F是个能言善辩，又略带负能量的女孩。她常说的一句话是：“我只是一个姑娘家，为啥要过得像男人那样艰辛？让我嫁个有钱人吧，我就不用过得这么狼狈了。”

根据邓华锋等[18]对岩石试件力学参数降低程度的定义方式，定义砂岩在酸碱性干湿循环条件下的冲击力学参数总劣化程度Pi为

(3)

式(3)中：T0表示岩石自然状态下的力学参数值，包括弹性模量(GPa)、峰值应力(MPa)；Ti表示第i次干湿循环后的力学参数值。

如图6所示，随着干湿循环次数的增加，试件峰值应力的总劣化度逐渐增大。pH=3、11时，试件峰值应力的总劣化度随干湿循环次数的增加而逐渐增大；pH=7时，干湿循环5次，试件峰值应力的总劣化度略显增幅，干湿循环10次，试件峰值应力的总劣化度增幅不明显，干湿循环15次，试件峰值应力的总劣化度明显增加。但对于弹性模量，pH=3时，试件峰值应力的总劣化度不断增长；pH=7、11时，在试件弹性模量不同程度增长的同时均在循环次数达到10次左右时出现起伏，其原因是试件内的层理导致的试验误差，但整体上砂岩试件的总劣化度均呈现正值，表明在酸碱干湿循环作用下试件受到的损伤在不断累积叠加。

图6 砂岩试件冲击荷载下的力学参数劣化曲线

2.3.3 冲击后砂岩破碎情况

砂岩试件冲击后岩体表面和内部发生了不同程度的破损和碎裂，各组试件冲击后的形态如图7所示，每组3个岩样分别为pH=7、11、3的岩体破碎情况。

图7 砂岩冲击试验后破碎情况

由图7可知，随着pH的降低，干湿循环次数相同时，砂岩试件的破碎程度也越来越严重，碎块颗粒变得细小。随着干湿循环次数的增加，酸碱性浓度相同时，岩石的碎裂块数增加，碎块体积减小。由此可知，砂岩试件在酸碱性溶液和干湿循环作用下均会导致砂岩的粘结程度和动态抗压强度降低。

将各个砂岩试件的碎块依次通过标准筛中，其孔径分别为40.0、31.5、26.5、19.0、10.0、5.0、4.75、2.5 mm，将试件分为8个等级，并将每级标准筛上试块放在精度为0.001 g的电子天平上进行称量记录，记录后进行块度分析，经历不同浓度酸碱溶液和不同干湿循环次数的砂岩的破碎块度分布规律如图8所示。

图8 不同pH时干湿循环次数与砂岩破碎块度分布曲线

如图8所示，试件在不同pH条件下的块度分布曲线的斜率均随着干湿循环次数的增多而增大，表明试件碎块中的小粒径碎块数量增多，大粒径的碎块数量相应减少，且与自然状态下砂岩试件块度分布曲线相比较，曲线斜率随着pH的降低增长的速率逐渐增大，当pH=3时，岩石的破碎情况最为严重，干湿循环15次时，碎块粒径主要集中在2.5～31.5 mm范围内。

2.4 红外热成像试验

岩石受到冲击入射杆所携带的冲击能发生破坏的过程，实际上也是一种能量的吸收与透射过程，而试件在吸收冲击能发生破坏时，又是动能转化为内能的过程，所以试件在发生破坏的瞬间，试件热能的分布情况也进一步表征了砂岩受酸碱循环作用下的损伤情况。选取自然状态下以及不同侵蚀溶液干湿循环15次后冲击破坏试件的热成像照片，如图9所示。

图9 热成像照片

从图9中可以看出，自然状态下，试件破碎后整体的热量分布均匀、其次为中性溶液、碱性、酸性溶液；并且还可以看到，冲击破坏试件的热量集中区域主要为较小破碎块，结合前文所述，在受酸、碱溶液干湿循环后的试件，其内部微裂隙发展，损伤严重，冲击能量作用于试件时，最先在其损伤严重区域发生冲击破坏，吸收冲击能量，进而转化为热能；而自然状态下，试件整体性好，共同吸收冲击能量，热能表现为整体均匀。由此佐证了砂岩在受酸碱循环作用下试件内部发生的损伤，其主应力面与破裂面的夹角逐渐增大，并根据热成像技术可进一步评定砂岩损伤表现。

3 结论

(1)酸性溶液和中性溶液的pH随着干湿循环的进行均呈上升趋势：酸性溶液的pH随着溶液浓度的增加，其变化幅度增大，其中，中性溶液的pH变化幅度较小。同时，浸泡后各组试件溶液的pH变化存在相同特征，即在干湿循环10～15次阶段，酸性溶液的pH增量均有降低。

(2)试件的孔隙率变化随着酸碱干湿循环的进行呈曲线变化，酸性溶液和干湿循环的耦合作用使试件孔隙的发育得到加速；经历15次循环之后，试件内的可溶性物质在干湿循环作用下溶解殆尽，干湿循环次数的增加则不足以促使新的裂纹产生，导致试件孔隙率的增长速度放缓。

(3)砂岩的峰值应力与弹性模量随着干湿循环次数的增加不断减少，表现为软化现象；两项力学指标各阶段的变化速率均在干湿循环10次时发生转折，在干湿循环10～15次阶段，其变化速率整体上呈上升趋势。

(4)随着干湿循环次数的增加，砂岩一维冲击破坏程度增加，主应力面与破裂面的夹角逐渐增大，试件破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变，红外热成像技术佐证了砂岩在受酸碱循环作用下试件内部发生的损伤，并根据热成像技术可进一步评定砂岩损伤表现。