干湿循环及化学溶蚀作用下灰岩的劣化机理研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jacker0001
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持续性的化学溶蚀和干湿循环作用,将加剧库区“消落带”岩体的风化程度,使其宏观力学性能随之劣化,严重威胁着库区岩体工程的长期稳定性及耐久性。灰岩作为西南地区众多水电工程的主要建基岩体之一,由于复杂的成岩作用和灰岩矿物中的方解石性质较活跃易于发生化学溶蚀或水解电离反应,致使灰岩内部结构中出现广泛发育的各类微裂隙,这也为水化学溶液的进入提供了良好的先决条件。鉴于上述问题,本文以灰岩为研究对象,分别开展了HCl溶液(p H=3.0)、去离子水(p H=7.0)、Na OH溶液(p H=11.0)条件下的干湿循环试验和持续浸泡试验。探究了灰岩在各溶液环境下宏观性能、微观形貌的变化以及溶蚀机制。主要研究工作及成果如下:(1)对不同化学溶液环境下各循环阶段的灰岩试样进行了吸水率测试,试验结果表明:随循环次数的增加各化学溶液环境中灰岩试样的吸水率均出现不同程度的增加,酸性溶液环境下试样吸水率的增加幅度相对最大,中性环境中第二,碱性环境下最小。而灰岩试样吸水率要远远小于同一试验条件下的玄武岩,表明灰岩试样的致密性要好于玄武岩试样,其内部结构均质性也更高于玄武岩。(2)对各循环次数或持续浸泡时段的试样进行单轴压缩试验,得到不同化学溶液环境下各试验周期段试样的应力-应变曲线、单轴抗压强度值以及破坏形态。发现灰岩和玄武岩的破坏形式均以脆性张拉破坏为主,随试验周期的推移,各溶液环境下试样的延性得到增强,且单轴抗压强度总体呈下降趋势。(3)通过对各试验周期段浸泡溶液p H值和主要离子浓度进行检测,得到各溶液p H值和主要离子浓度与循环次数或持续浸泡时间的对应关系,发现酸性溶液p H值在第一次试验周期段结束就已近似达到相对稳定值,而碱性溶液p H值的变化最为缓慢,在试验中后期才出现明显变化,同样酸性溶液环境中溶出的Ca2+浓度最大,碱性中最小,以此也可得到酸性溶液对灰岩试样的劣化效应最强,中性第二,碱性溶液的劣化效应最弱。并且对比相对应循环次数和持续浸泡时间下Ca2+、Mg2+浓度值的大小,发现在预设试验周期段内,干湿循环与持续浸泡引起的溶蚀作用基本无差异。(4)基于矿物成分检测、主要离子释放速率以及数字图像处理技术量化的扫描电镜观测结果,对灰岩在酸性、中性、碱性溶液环境中的化学溶蚀机理进行分析,得到灰岩宏观力学强度的劣化主要受控于Ca2+,酸性溶液环境中H+会与方解石在短时间内就发生剧烈的化学反应使得Ca2+大量溶出,而碱性溶液环境中的OH-会与白云石在反应界面形成Ca CO3沉淀阻碍Ca2+的溶出,因而碱性溶液环境中Ca2+的溶出量最少。
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