DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.033

化学腐蚀下花岗岩三轴压缩力学特性试验

王伟^{1, 2}，刘桃根^{1, 2}，李雪浩^{1, 2}，王如宾^{1, 2}，徐卫亚^{1, 2}

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京，210098；

2. 河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京，210098)

摘要：利用岩石三轴测试系统对3种不同pH化学溶液浸泡后的花岗岩进行三轴压缩试验，探讨不同pH化学溶液对花岗岩力学特性的腐蚀效应，获得不同化学溶液对花岗岩强度和变形特性的影响规律。并通过测量3种溶液浸泡过程中各溶液的pH变化以及浸泡岩样的质量变化分析化学溶液对岩石的腐蚀程度。研究结果表明：不同pH化学溶液对花岗岩力学性质的影响不同，pH为10溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最高，pH为13溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度次之，pH为7溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最低，且花岗岩的凝聚力随差浸泡溶液的pH增加而增加，而内摩擦角随着pH增加而减少，并进一步分析化学溶液对花岗岩强度的腐蚀机理。室内试验结果可为构建花岗岩化学腐蚀条件下本构模型提供重要的试验资料。

关键词：花岗岩；化学腐蚀；三轴压缩试验；应力-应变曲线；腐蚀机理

中图分类号：TU443             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)10-3801-07

Mechanical behaviour of granite in triaxial compression under chemical corrosion

WANG Wei^{1, 2}, LIU Taogen^{1, 2}, LI Xuehao^{1, 2}, WANG Rubin^{1, 2}, XU Weiya^{1, 2}

(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering,

Hohai University, Nanjing 210098, China;

2. Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Abstract: A rock triaxial testing was used to conduct triaxial compression tests on the granites samples which were soaked in three chemical solutions with different pH. The effect of chemical solutions on the mechanical properties of granites was studied. The influence of chemical solutions on strength and deformation properties of granites was investigated. The corrosion degree was evaluated by measuring the variation of pH for three solutions and the variation of mass of soaked samples. The results show that the effects of three solutions on the mechanical properties of granite are different. The triaxial strength of granite is the highest in the case of pH=10, followed by that of pH=13 and it is lowest with pH=7. The cohesion of granite increases with the increase of pH of the solution, and the friction angle decreases with the increase of pH. Furthermore, the chemical erosion mechanism on the strength of granite was analyzed. Results obtained from laboratory tests could provide experimental data for the constitutive modeling of granite with chemical corrosion.

Key words: granite; chemical corrosion; triaxial compression test; stress-strain curve; corrosion mechanism

岩石的物理力学性质除了与应力条件、自身结构成分有关，岩石赋存环境也是重要的影响因素。水溶液环境对岩石变形力学特性影响很大。对于水溶液环境存在时，岩石力学特性不仅需要考虑附加外荷载引起的孔隙水压力及水溶液的软化弱化作用，还需要考虑水化学溶液与岩石之间的水-岩化学反应导致的岩石结构及矿物成分的变化。水岩相互作用即水岩反应，一般是指水溶液与岩石(岩体)之间的相互作用，一方面改变着岩石的物理、化学及力学性质，另一方面也改变着地下水自身的特性。化学腐蚀下裂隙岩石的室内试验表明，水岩相互作用对裂隙岩石裂纹搭接方式、破坏形式以及强度损伤变形特性产生影响^[1-4]。对水岩相互作用下岩石单轴瞬时强度^[5-8]，以及岩石内部微细观结构、模量、蠕变特性^[9-11]，腐蚀机理^[12-14]等进行了试验研究。一些学者通过研究水相及基质相中钙离子浓度的变化，研究水化学溶液对水泥胶结类材料的力学强度及变形特性的影响效应，初步分析了水化学溶液对此类材料的腐蚀效应^[15-17]。王士天等^[18]开展了大型水域水岩相互作用及其环境效应的研究，归纳了水库区水岩相互作用的类型及特征。考虑化学腐蚀作用下的岩石及类岩石材料力学特性数值模型和数学模型研究也取得了一定的进展^[19-21]。化学腐蚀对岩石物理力学性质的影响，近年来越来越受到国内外研究者的重视，尤其是对高放射性核废料、二氧化碳深埋地质处理以及石油地下存储等大型岩土工程问题的研究，并取得了大量的研究成果^[22-25]。从已有的研究成果可以看出，多数试验研究针对的是岩石单轴压缩条件下的强度变形特性，对于水化学溶液腐蚀条件下的岩石三轴压缩试验的研究成果并不多见。本文作者在前人研究的基础上，结合常规三轴压缩试验，对不同pH化学溶液浸泡腐蚀后的硬脆性花岗岩进行试验研究，研究化学腐蚀对花岗岩三轴压缩条件下强度变形及相关参数的影响规律，探讨水岩化学作用的宏观力学效应及其机理，为建立水化学环境下硬脆性岩石破坏过程的本构关系以及相关工程实践提供数据资料。

1  试验材料、设备与方法

1.1  岩石试件及试验设备

试验岩样取自某水电工程的坝基，为质地较好的花岗岩。花岗岩为肉红色、灰白色中细粒二长花岗岩、中细粒钾长花岗岩，具等粒半自形结构，块状构造，局部见晶洞和晶腺，主要矿物成分为钾长石、斜长石、石英及少量云母和角闪石。根据SL 264-2001“水利水电工程岩石试验规程”、GB/T 50266—99“工程岩体试验方法标准”以及国际岩石力学学会(ISRM)推荐的标准，制备花岗岩标准圆柱形试样，其直径×高为5 mm×100 mm。

岩样化学溶液浸泡过程中pH的测量采用上海雷磁pHs-25型pH计测量，测量精度为0.01，并且采用纪铭电子天平测量试样质量的变化，测量精度为0.1 g。

常规三轴压缩试验在河海大学岩土力学研究所流变试验室进行。该设备是法国TOP INDUSTRIE公司研制的全自动三轴渗流流变伺服仪，由加载系统、计算机控制系统、三轴压力室、数据采集装置、渗透装置等部分组成。岩石全自动三轴渗流流变伺服仪(Triaxial Cell V3)具有单轴压缩、三轴压缩、渗透试验、流变试验等功能。试验设备具有应力控制、应变控制、流量控制3种加载方式。围压和轴向偏压由2个液压泵控制，其精度为0.1 MPa。轴向应变通过LVDT(linear variable differential transformer，即线性可变差动变压器)测量，环向应变由贴有应变片的环向应变计测量。

1.2  化学溶液配制

溶液配制考虑了地下水溶液中含有的常见离子，以研究不同pH的Na₂SO₄溶液对花岗岩力学特性腐蚀效应为主要目的。由于试验时间的限制，采用加大离子浓度和增加溶液pH的方式，以便能够在较短的时间内反映水化学溶液对花岗岩的腐蚀效应。试验采用3种化学溶液，表1所示为3种水化学溶液Na₂SO₄浓度及pH。

1) 纯净水溶液主要离子为Na⁺和SO₄^2-，pH=7。

2) 碱性水溶液的主要离子为Na⁺和SO₄^2-，pH=10溶液中通过加入微量Na₂HCO₃达到目标pH，pH=13溶液中通过加入适量的NaOH达到目标pH。

表1  3种水化学溶液Na₂SO₄浓度及pH

Table 1  Concentration of Na₂SO₄ and pH of three chemical solutions

1.3  试验方法

花岗岩浸泡试验采用半开放式^[8]浸泡，即与外界联通，模拟岩石的实际赋存环境。按照表1的要求配置3种溶液，称量天然状态下各花岗岩的质量及几何尺寸。每种化学溶液中放入4个标准试件，在浸泡腐蚀过程中测量溶液pH及各个岩样质量 的变化。根据溶液pH变化速率确定测量时间间隔。当溶液pH及相应岩样质量的变化在一段时 间内趋于稳定，即认为水岩相互作用达到了稳定状态。三轴压缩试验采用流量控制式加载，先施加一定的围压(依据实际工程地应力，采用2，6和10 MPa)，然后施加轴向偏压至试样破坏。试验方案见表2。

表2  常规三轴压缩试验方案

Table 2  Conventional triaxial compression test plan

2  结果与分析

2.1  化学腐蚀浸泡试验结果及分析

2.1.1  水化学溶液pH变化

浸泡初始时间开始计时，分不同时段对水化学溶液的pH进行测定，得到各种水化学溶液pH随着时间变化规律，浸泡45 d左右，溶液的pH趋于稳定。各溶液浸泡过程中pH随着时间的变化如图1所示。

1) 中强碱溶液(pH=10)pH随浸泡时间增长有趋于中性的趋势，而中性溶液(pH=7)pH随浸泡时间的增长逐渐升高，强碱溶液(pH=13)pH浸泡过程中略有下降。45 d后，水岩相互作用趋于稳定状态。

2) 水岩相互作用的初期阶段，各水化学溶液pH变化显著。随后，溶液pH变化逐步变缓并趋于稳定。表明水岩相互作用速率随时间的推移不断下降并最终趋于稳定。

3) 中性pH=7和中强碱性pH=10环境条件下，化学溶液pH变化幅度较大；强碱性pH=13环境条件下，化学溶液的pH变化幅度较小。说明前者环境条件下水岩化学作用对化学溶液环境影响显著，对于后者而言，水化学作用对化学溶液环境影响相对较弱。

4) pH=7的中性溶液随着水岩相互作用的进行，溶液的pH偏于碱性。其主要原因是花岗岩所含钾长石等硅酸盐矿物的溶解所致。

2.1.2  浸泡过程岩样质量变化

不同水化学溶液环境下，部分试样浸泡前质量和水岩化学相互作用稳定后试样质量见表3。图2所示为水化学溶液作用下，测量各种水化学溶液中某试样相对质量差△m(岩样某浸泡时刻饱和质量与初始质量之差)随着浸泡时间的变化规律。取出岩样，考虑到花岗岩质地坚硬，表面光滑无碎屑或粉末状物质附着，可以用棉布拭去表面的水分，使表面无明显小水滴，用电子秤称其质量。所测量的岩样质量为对应时刻饱和岩样质量(包括岩石和孔隙水的质量)。通过与浸泡初始时刻岩样质量对比，可以间接反映水岩化学作用变化过程。

从图2可以看出：岩样相对质量差在浸泡初始阶段变化幅度较大，浸泡时间大于36 h后，△m基本趋于稳定。通过对比各种溶液浸泡岩样质量变化可以看出，强碱、碱溶液岩样质量差△m变化规律及幅度类似，中性溶液岩样质量差△m变化规律与前者类似，但大小有些差异。说明岩样质量差△m变化与溶液pH有一定程度的相关性。

图1  溶液pH随着时间的变化

Fig. 1  Variations of pH solutions with time

图2  不同水化学环境下岩样质量差随着时间的变化

Fig. 2  Variations of relative mass of rock samples with time under different chemical solutions

表3  花岗岩岩样初始质量(m_o)及化学腐蚀稳定后的质量(m_f)

Table 3  Initial mass and final mass after stability of chemical erosion for granite samples

2.2  三轴压缩试验结果与分析

图3~5所示为不同pH下Na₂SO₄溶液浸泡后花岗岩不同围压下应力-应变曲线。每种化学溶液中浸泡4个岩样，用来做围压分别为2，6和10 MPa的三轴压缩试验。围压加载采用应力控制式加载，加载到预定值后稳定一段时间；再施加轴向偏应力荷载，采用流量控制式加载，流量为0.5 cm³/min。三轴压缩试验结果如表4所示。同种化学溶液腐蚀后的岩石不同围压条件下的应力应变曲线如图5~7所示。图6所示为2 MPa围压下不同水化学溶液浸泡后岩石的应力-应变曲线，其他围压下应力-应变曲线的变化规律与之类似，限于篇幅不再列举。由表4及图3~6可知：

1) 相同水化学溶液腐蚀浸泡作用后，随围压的增大，破坏峰值强度、塑性变形、初始弹性模量总体呈增大的趋势，岩样有从脆性转变为延性的趋势。

2) 相同围压条件下，比较不同水化学溶液浸泡腐蚀后花岗岩试样的三轴压缩强度，对应可得pH=10溶液浸泡后岩样强度最高，pH=13溶液浸泡后岩样强度次之，pH=7的溶液浸泡后岩样强度最低。并且在碱性溶液中随着pH的增加，岩样的塑性变形变大，岩石亦有从脆性转变为延性的趋势。

表4  三轴压缩试验结果

Table 4  Results of triaxial compression tests

3) 三轴压缩试验结果表明，水化学溶液对试样造成不同程度的腐蚀。以pH=7中性溶液为参照，碱性的水化学溶液对花岗岩强度表现出一种正效应^[8]，中强碱的这种效应最强，强碱次之，中性最弱。

水岩相互作用对花岗岩造成的损伤微细观上表现为其矿物成分及结构的变化，宏观上表现为力学性质的劣化。从浸泡试验和三轴压缩试验结果分析表明：水化学溶液对花岗岩三轴压缩强度的影响是显著的，造成不同程度的腐蚀效应基于以下几方面的原因：

1) 岩石的主要矿物成分为钾长石和微斜长石，二氧化硅的质量分数超过65%。矿物中一部分的离子能够与溶液中的OH^-离子结合，改变原有矿物的结构和组分。岩石中一部分的矿物能够溶解于水化学溶液。当溶液中某种物质的浓度超过其溶解度时，又会发生沉淀反应，附着与岩石颗粒表面，形成胶结物质。

2) 岩石的化学成分不同，花岗岩主要成分为SiO₂(≥65%)，Al₂O₃，CaO，K₂O，Na₂O，Fe₂O₃等，水化学溶液对不同化学成分作用的效果是不相同的。

3) 中性和弱碱性条件下，长石的溶解度最小；强碱性条件下，随着pH的增加，溶解度增加^[26-27]。根据长石溶蚀过程的2个主要步骤：氢离子与长石表面碱性阳离子发生交换反应；水解作用形成偏铝酸而溶出；表面形成富硅的络合物，并进一步解体进入水化学溶液。在其他条件相同情况下，pH越高，溶液中H⁺溶度越低，阻碍长石溶蚀过程第一步的进行。因此，pH=7中花岗岩比其他2种pH溶液更容易发生腐蚀，表现出强度最低。当pH大于9时，pH越高，长石、高岭石溶解度越大，表现为pH=10溶液中长石溶解度小于pH=13的溶液。pH=13溶液中岩石所生成的次生孔隙率较大，因此pH=10溶液浸泡的岩样强度高于pH=13浸泡岩样的强度。在水岩相互作用中，溶蚀和溶解共同作用，影响着岩石的强度。

图3  pH=7的Na₂SO₄溶液浸泡后花岗岩不同围压下应力-应变曲线

Fig. 3  Deviatoric stress vs axial strain relations under different confining pressures for Na₂SO₄ solution with pH=7

图4  pH=10的Na₂SO₄溶液浸泡后花岗岩不同围压下应力-应变曲线

Fig. 4  Deviatoric stress vs axial strain relations under different confining pressures for Na₂SO₄ solution with pH=10

图5  pH=13的Na₂SO₄溶液浸泡后花岗岩不同围压下应力-应变曲线

Fig. 5  Deviatoric stress vs axial strain relations under different confining pressures for Na₂SO₄ solution with pH=13

图6  不同水化学溶液条件下的应力-应变曲线对比 (围压为2 MPa)

Fig. 6  Comparison of deviatoric stress-axial strain curves under different chemical solutions for confining pressure of 2 MPa

3  水化学腐蚀对花岗岩抗剪强度参数的影响

同种化学溶液浸泡腐蚀后三轴压缩试验的σ₁-σ₃关系如图7所示。采用摩尔-库伦强度准则，计算不同水化学浸泡腐蚀后花岗岩的强度参数c和φ，计算公式见式(1)，计算结果如表5所示。从图5可见：c随着溶液的pH增加而增加，φ则随着pH增加而减小。

          (1)

式中：m为拟合直线的斜率；b为拟合直线的截距。

表5  不同水化学溶液浸泡腐蚀后的岩石强度参数

Table 5  Strength parameters of rocks with different chemical erosions

不同水化学环境对岩石的腐蚀效应是不相同的。腐蚀程度与化学溶液的pH、岩石本身的特性有关。从表5可以得出：不同pH的情况下，水岩相互作用的效果是不相同的，对岩石强度参数c和φ的影响也存在一定的差异。pH=7的Na₂SO₄溶液浸泡后的岩石的凝聚力最小，pH=13的Na₂SO₄溶液浸泡后的岩石凝聚力最大，pH=10的Na₂SO₄溶液浸泡后岩石的凝聚力介于两者之间。3种溶液浸泡后岩石的内摩擦角差异并不显著。中性溶液中，长石的溶蚀速率较快，并且溶解度较低^[26]，所以析出的新矿物较多，新的矿物填补了由于溶蚀形成的孔隙，所以次生孔隙较少，而碱性溶液中，随着pH的增加，溶解度会增大，析出矿物变少，次生孔隙较多，使得内摩擦角降低^[6]，但由于新生矿物对孔隙的填充，内摩擦角的变化并不明显。此外，花岗岩的胶结物质主要是硅质胶结，化学性质相对稳定，长石溶解产生新的矿物包括高岭石、二氧化硅胶体和富含硅的络合物附着在胶结处，使得胶结物质增加，内凝聚力增强。

图7  不同化学溶液浸泡后的花岗岩三轴试验曲线

Fig. 7  σ₁-σ₃ curves of granite obtained from triaxial compression tests for different chemical solutions

4  结论

1) 不同水岩相互作用下，岩石的变形特性表现出不同程度的差异。这种变化与pH及岩石自身特性有关。从岩石破坏模式上看，除围压影响着岩石的变形破坏模式外，破坏模式还受水化学溶液对岩石试件腐蚀效应影响。围压越大和化学腐蚀效应越强，岩石的塑性变形越大，岩石有从脆性向延性的转变趋势。

2) 化学腐蚀作用后岩石的凝聚力c随着溶液的pH增加而增加，而内摩擦角随溶液的pH增加而减少。

3) 不同pH的碱性水化学溶液相对于中性溶液而言，其对花岗岩水化学作用是一种正效应。具体而言，经pH=10的溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最高，经pH=13的溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度次之，经pH=7的溶液浸泡后的花岗岩三轴压缩强度最低。

4) 本试验研究仅考虑了碱性化学溶液对岩石短期力学特性的影响，而实际工程的岩石处在各种复杂的水化学环境之中。因此，开展酸性、碱性及其他水化学溶液环境下岩石短、长期应力-化学-渗流多场耦合研究是下一步研究的重点。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2015-01-01；修回日期：2015-03-19

基金项目(Foundation item)：国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2011CB013504)；国家科技支撑计划项目(2013BAB06B01)；国家自然科学基金资助项目(51209075)；中央高校基本科研业务费专项资金资助(B15020060)(Project (2011CB013504) supported by the National Basic Research Program of China (973 Program); Project (2013BAB06B01) supported by the National Key Technology R&D Program of China; Project (51209075) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (B15020060) supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities)

通信作者：王伟，博士，副教授，从事岩石力学与工程研究；E-mail：wwang@hhu.edu.cn