本文關(guān)鍵詞：水-巖化學(xué)作用的巖石宏觀力學(xué)效應(yīng)的試驗研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

為了研究水-巖化學(xué)作用對巖石的宏觀力學(xué)效應(yīng),在常溫常壓、不同循環(huán)流速條件下,對不同化學(xué)性質(zhì)的水化學(xué)溶液作用下的花崗巖、紅砂巖和灰?guī)r進行了單軸抗壓強度試驗,取得了時效性的定量結(jié)果。結(jié)果表明：水化學(xué)作用后,3種巖石的強度均出現(xiàn)了不同程度的下降。分析發(fā)現(xiàn)：(1) 水溶

第21卷 第4期 湯連生等. 水-巖化學(xué)作用的巖石宏觀力學(xué)效應(yīng)的試驗研究 527

件分別在同一均勻的巖塊上切割而成，尺寸均采用2.2 水溶液的配制

70 mm×70 mm×70mm的立方體，表面磨光。

根據(jù)所選巖性的特點，如花崗巖、紅砂巖礦物中K+，Na+含量較多，而灰?guī)r的主要陽離子為Ca2+離子，配置了3種中高礦化度型水溶液作為試驗水溶液的初始水溶液(表2)，其中與花崗巖、紅砂巖反應(yīng)的水溶液1、水溶液2的主要陽離子為Mg2+，Ca2+，與灰?guī)r反應(yīng)的水溶液3的主要陽離子為Na+�？紤]到花崗巖分布區(qū)，F(xiàn)–的作用廣泛，其中水溶液2中

致單軸抗壓強度的變化定義為化學(xué)損傷:

D(t)=1－Sc(t) /Sc(0) (1)

式中：D(t)，Sc(t)分別為水-巖反應(yīng)t時間后的化學(xué)損 傷和單軸抗壓強度；Sc(0)為巖石單軸抗壓強度的初始值。D(t)=0為無損傷，D(t)=1為完全化學(xué)損傷。

將花崗巖、灰?guī)r和紅砂巖各自的天然單軸抗壓強度142.3，143.1，45.4 MPa作為初始值，再根據(jù)反應(yīng)后巖石單軸抗壓強度的試驗結(jié)果，得到了3種巖石在不同反應(yīng)條件下巖石的水化學(xué)損傷值，可稱之為A型化學(xué)損傷，見圖1(A型)。A型化學(xué)損傷還可能包括一定的(僅因為飽水對巖石的)物理損傷值。若以巖石在純凈水浸泡48 h飽和后的單軸抗壓強度作為初始值，則此時計算得到的損傷值應(yīng)完全是由化學(xué)作用所導(dǎo)致，可稱之為C型化學(xué)損傷，見圖1(C型)。巖石在純凈水浸泡48 h飽和后產(chǎn)生的損傷(初始損傷)包括物理損傷和化學(xué)損傷兩部分。由圖1(A型)可知，花崗巖和灰?guī)r的初始損傷很小，這說明水對巖石的純物理損傷很��；而紅砂巖的初始損傷很大，說明其初始損傷中已包含了較大的化學(xué)損傷。顯然，在同一條件下，，完全由化學(xué)作用產(chǎn)生的巖石化學(xué)損傷的總值顯然大于C型化學(xué)損傷值而又小于A型化學(xué)損傷值。

據(jù)圖1的分析可看出，巖石的化學(xué)損傷(以下的分析主要是針對C型化學(xué)損傷)具有如下幾個特點： 3.1.1 巖石的化學(xué)損傷顯著且具時間效應(yīng)

水-巖化學(xué)作用對巖石的力學(xué)效應(yīng)顯著且具很強的時間依賴性。若化學(xué)損傷速率rD為單位時間dt內(nèi)的化學(xué)損傷值dD(t)，即

rD= dD(t) / dt (2)

則根據(jù)試驗結(jié)果(圖1(C型))可看出，總體上，無論何種水-巖反應(yīng)條件，3種巖石的rD均隨著反應(yīng)時間的增長而減小，但對于花崗巖，在整個水-巖反應(yīng)的過程中也有其特殊性。

加入了一定量的F–離子。試驗中，水-巖反應(yīng)未被完全密封，與外界是連通的，即反應(yīng)系統(tǒng)是半開放系統(tǒng)，空氣中CO2等氣體與水溶液的HCO3–，CO32–達到自然的動態(tài)平衡。 2.3 試驗方法

為研究不同流速水溶液的化學(xué)作用導(dǎo)致巖石力學(xué)效應(yīng)的差異性，選定3種水溶液流動速率：靜止、低速循環(huán)滲流速率Ｖ＝0.951 m/d(相當(dāng)于容器中全部水溶液每天循環(huán)滲流1.5次)，高速循環(huán)滲流速率

Ｖ＝9.51 m/d。巖石中礦物溶解和沉淀的速率及分布

隨著時間而變化，這應(yīng)當(dāng)使得水-巖化學(xué)作用及其巖石宏觀力學(xué)效應(yīng)具時間依賴性。例如，巖石的內(nèi)摩擦角受環(huán)境水溶液流速的影響具有時效性[5]。因此，試驗采取3個時間點(時間分別累計至t1=560 h，t2= 2 426 h，t3=4 855 h)的樣品進行單軸抗壓強度試驗及水質(zhì)測試分析。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 水-巖反應(yīng)的宏觀力學(xué)效應(yīng)

由于水化學(xué)作用導(dǎo)致巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化過程稱為巖石的化學(xué)損傷[12]。本文則是指水-巖化學(xué)作用導(dǎo)致巖石的單軸抗壓強度降低，并以水化學(xué)作用導(dǎo)

表2 配制的3種水溶液成分、濃度、pH值的分析結(jié)果

Table 2 Analytical results of chemical composition，concentration of compound aqueous solution mg/L

水 樣 純 水 水溶液1 水溶液2 水溶液3

pH

Cl－ SO42－ NO3－

Na+

K+ Ca2+

0.100.310.150.13

Mg2+ Fe3+

F－

SiO2

游離CO2

總礦化度

7.23 5.70 3.10 0.15 2.63 0.123.18 2.49 3.67

5 960.00 3 485.00 1 210.00

4 330.00 10 018.30 9 713.80

0.18 0.17 0.19

3 000.00 5 550.00 5 600.00

0.220.180.13

1.78 0.13 0 0.34 3.32 17.371 150.80 1 005.30

5.70

0.15 0.21 0.15

0 29.50 0

0.94 0.51 0.73

116.12 514.23 36.49

14 558.7020 598.6016 567.30

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