酸性环境下砂岩的腐蚀损伤及其宏细观力学特性分析

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酸性环境下岩石的损伤研究是目前环境岩土工程领域极为重要的课题。岩石受酸腐蚀后,由于酸溶液腐蚀作用削弱了岩石内部矿物颗粒间联结作用并侵蚀矿物颗粒晶格而使其物理力学性质发生显著地变化,对岩石工程的长期稳定性产生威胁。本文选取砂岩为试验材料,采用pH=1和pH=3的硫酸溶液模拟室内加速腐蚀试验。通过对不同腐蚀阶段硫酸溶液的pH值、阳离子浓度、砂岩的质量和含水率等的变化进行监测,并结合腐蚀岩样的单轴压缩试验和CT扫描试验,对砂岩受酸腐蚀过程中表现出的物理、化学及力学性质进行了分析,揭示了砂岩受酸腐蚀过程中的物理化学性质变化和损伤演化规律,从细观角度分析验证了CT数与腐蚀岩样的质量及密度变化量之间的关系。得到以下研究成果:(1)砂岩岩样在不同浓度的硫酸溶液中浸泡的不同阶段,其质量变化、含水率变化以及溶液的pH值变化都呈现出明显的阶段性特征。浸泡后硫酸溶液pH值呈现增长的趋势,且随着浸泡时间的增加,溶液pH值变化逐渐平稳;质量变化率在整个腐蚀阶段呈现增长趋势,但在90天以后增长幅度降低;含水率呈现先增大后减小的变化趋势。(2)对不同浓度硫酸溶液中的Na+、K+、Mg2+、Ca2+等阳离子浓度监测表明,阳离子溶蚀速率均在反应初期达到最大值,且Ca2+溶蚀速率最快。在pH=1硫酸溶液中Ca2+的溶蚀速率最大值为8.07mg/d,是pH=3硫酸溶液中Ca2+溶蚀速率的3倍。相比Na+和Ca2+的溶解速率,K+和Mg2+的溶解速率要小很多,试验过程中变化都较平稳。相同浸泡阶段,硫酸溶液浓度越强其阳离子的溶蚀速率越大。(3)通过单轴压缩试验得到不同腐蚀阶段砂岩岩样的应力-应变曲线,发现随着浸泡时间的延长,砂岩单轴抗压强度减小,岩样从弹塑性阶段到破坏阶段的过程延长;通过对腐蚀阶段的分析,建立了不同腐蚀阶段岩样的渗透深度与单轴抗压强度之间的关系式。(4)CT扫描结果发现,砂岩在受酸腐蚀过程中,由于酸性溶液扩散作用使得岩样的CT数增大,且随着浸泡时间的延续,岩样的CT数降低。同时推导出受酸腐蚀岩样CT数和密度的关系式,得到了不同腐蚀阶段砂岩岩样的密度变化量和质量变化量,计算了不同腐蚀阶段的损伤变量,发现随着腐蚀时间的延长,岩样的损伤变量呈增大趋势。
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