岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

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为了研究水-岩化学作用对岩石的宏观力学效应,在常温常压、不同循环流速条件下,对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩、红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验,取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后,3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：(1) 水溶

第21卷 第4期 汤连生等. 水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究 527

件分别在同一均匀的岩块上切割而成，尺寸均采用2.2 水溶液的配制

70 mm×70 mm×70mm的立方体，表面磨光。

根据所选岩性的特点，如花岗岩、红砂岩矿物中K+，Na+含量较多，而灰岩的主要阳离子为Ca2+离子，配置了3种中高矿化度型水溶液作为试验水溶液的初始水溶液(表2)，其中与花岗岩、红砂岩反应的水溶液1、水溶液2的主要阳离子为Mg2+，Ca2+，与灰岩反应的水溶液3的主要阳离子为Na+。考虑到花岗岩分布区，F–的作用广泛，其中水溶液2中

致单轴抗压强度的变化定义为化学损伤:

D(t)=1－Sc(t) /Sc(0) (1)

式中：D(t)，Sc(t)分别为水-岩反应t时间后的化学损 伤和单轴抗压强度；Sc(0)为岩石单轴抗压强度的初始值。D(t)=0为无损伤，D(t)=1为完全化学损伤。

将花岗岩、灰岩和红砂岩各自的天然单轴抗压强度142.3，143.1，45.4 MPa作为初始值，再根据反应后岩石单轴抗压强度的试验结果，得到了3种岩石在不同反应条件下岩石的水化学损伤值，可称之为A型化学损伤，见图1(A型)。A型化学损伤还可能包括一定的(仅因为饱水对岩石的)物理损伤值。若以岩石在纯净水浸泡48 h饱和后的单轴抗压强度作为初始值，则此时计算得到的损伤值应完全是由化学作用所导致，可称之为C型化学损伤，见图1(C型)。岩石在纯净水浸泡48 h饱和后产生的损伤(初始损伤)包括物理损伤和化学损伤两部分。由图1(A型)可知，花岗岩和灰岩的初始损伤很小，这说明水对岩石的纯物理损伤很小；而红砂岩的初始损伤很大，说明其初始损伤中已包含了较大的化学损伤。显然，在同一条件下，，完全由化学作用产生的岩石化学损伤的总值显然大于C型化学损伤值而又小于A型化学损伤值。

据图1的分析可看出，岩石的化学损伤(以下的分析主要是针对C型化学损伤)具有如下几个特点： 3.1.1 岩石的化学损伤显著且具时间效应

水-岩化学作用对岩石的力学效应显著且具很强的时间依赖性。若化学损伤速率rD为单位时间dt内的化学损伤值dD(t)，即

rD= dD(t) / dt (2)

则根据试验结果(图1(C型))可看出，总体上，无论何种水-岩反应条件，3种岩石的rD均随着反应时间的增长而减小，但对于花岗岩，在整个水-岩反应的过程中也有其特殊性。

加入了一定量的F–离子。试验中，水-岩反应未被完全密封，与外界是连通的，即反应系统是半开放系统，空气中CO2等气体与水溶液的HCO3–，CO32–达到自然的动态平衡。 2.3 试验方法

为研究不同流速水溶液的化学作用导致岩石力学效应的差异性，选定3种水溶液流动速率：静止、低速循环渗流速率Ｖ＝0.951 m/d(相当于容器中全部水溶液每天循环渗流1.5次)，高速循环渗流速率

Ｖ＝9.51 m/d。岩石中矿物溶解和沉淀的速率及分布

随着时间而变化，这应当使得水-岩化学作用及其岩石宏观力学效应具时间依赖性。例如，岩石的内摩擦角受环境水溶液流速的影响具有时效性[5]。因此，试验采取3个时间点(时间分别累计至t1=560 h，t2= 2 426 h，t3=4 855 h)的样品进行单轴抗压强度试验及水质测试分析。

3 试验结果及分析

3.1 水-岩反应的宏观力学效应

由于水化学作用导致岩石力学性质的劣化过程称为岩石的化学损伤[12]。本文则是指水-岩化学作用导致岩石的单轴抗压强度降低，并以水化学作用导

表2 配制的3种水溶液成分、浓度、pH值的分析结果

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

水 样 纯 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

游离CO2

总矿化度

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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