化学溶液和干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化试验及化学热力学分析

 为研究化学溶液和干湿循环共同作用下砂岩抗剪强度的劣化机制,在不同pH环境下,通过不同干湿循环次数后的单轴、三轴试验,计算出砂岩的黏聚力和内摩擦角,同时得到其与循环次数的关系式,进而获得砂岩在浸泡环境下抗剪强度随干湿循环次数的变化公式。根据砂岩的组成矿物及其百分含量,得到各种主要组成矿物在中性、碱性、酸性溶液中溶解的化学反应方程式,利用化学热力学的基本原理,确定各主要矿物在中性、碱性、酸性溶液浸泡下能否稳定。为了验证分析的正确性,对浸泡溶液中的部分离子(Ca2+,SiO2,Na+,K+)浓度进行测试。结果表明,酸性环境下,砂岩抗剪强度劣化最为严重,碱性次之,中性最轻。在酸性环境中,对抗剪强度影响较大的胶结物主要组成成分(长石、方解石)的性质不稳定,溶解反应能自发进行,而碱性环境中,对强度影响较小的骨料主要组成成分(石英)的性质不稳定,溶解反应能自发进行。酸性浸泡液中,方解石、钾长石、钠长石溶解出的Ca2+,K+,Na+的浓度明显高于中性和碱性液中Ca2+,Na+,K+的浓度,而碱性溶液中,石英溶解出的SiO2的浓度明显高于中性和酸性液中SiO2的浓度,与热力学分析结果一致。     

酸碱环境干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化规律研究

为研究酸碱环境中砂岩在干湿循环作用下抗剪强度的劣化规律,在浸泡溶液p H值分别为7,9,4的环境中,对砂岩试件进行次数为1,3,6,10次的干湿循环试验。通过不同循环次数后的单轴和三轴试验,计算得到每个阶段循环后砂岩的黏聚力和内摩擦角及其与干湿循环次数N的变化关系式,从而获得砂岩在不同p H值干湿循环作用下抗剪强度随循环次数的变化公式。结果表明,砂岩的抗剪强度随着循环次数的增加而降低,在干湿循环作用前期,受影响较为显著,抗剪强度降幅很大,而后,强度降幅相对较小;酸性环境下,砂岩抗剪强度劣化最为严重,碱性次之,中性最轻;干湿循环后的干燥试件抗剪强度劣化幅度远不如湿状态下的劣化幅度。     

酸性环境干湿循环作用对泥质砂岩力学参数的劣化研究

针对降雨和库水位升降对库岸边坡消落带岩体力学参数的劣化问题,选取泥质砂岩进行不同p H水环境干湿循环作用下的单轴与三轴压缩试验,结合室内试验结果,应用广义Hoek–Brown准则求得不同地质强度指标评分(GSI)下岩体的单轴抗压强度、弹性模量、材料常数和黏聚力。研究表明:破碎程度越大的泥质砂岩受浸泡的溶液酸性越强、干湿循环次数越多,其力学参数劣化程度就越高;在同一个GSI评分下,泥质砂岩各个力学参数随p H值和干湿循环次数n的劣化效应排序有所差异,综合劣化效应最大为弹性模量,累积劣化效应最明显为黏聚力,其劣化系数与浸泡溶液的p H值、干湿循环次数的对数ln(n)成线性相关。基于上述研究提出了泥质砂岩力学参数与p H值、干湿循环次数n的三维劣化方程,为酸性环境干湿循环作用下现场岩体力学参数的获取以及边坡稳定性寿命的预测提供了理论依据。     

基于核磁共振技术的弱胶结砂岩干湿循环损伤特性研究

为研究岩石在干湿循环作用下的损伤演化规律,采用核磁共振技术对不同干湿循环条件下的弱胶结砂岩进行测试,得到岩石的T2谱分布曲线、谱峰面积及孔隙度。结果表明,随着干湿循环次数的增加,岩石T2谱曲线逐渐向右移动,但移动幅度逐渐减小;T2谱面积及孔隙度随干湿循环次数的增加逐渐增大,但其增长速率不断降低。采用孔隙度定义岩石损伤度,分析孔隙度与岩石损伤度之间的量化关系,并建立不同干湿循环次数与损伤度之间的函数关系。发现干湿循环作用对岩石的损伤程度随循环次数的增大而增加,但随着循环次数的持续增加,损伤速率不断降低,干湿循环作用对岩石的损伤程度趋于定值。     

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。     

不同溶液渗透溶蚀作用下碳酸盐岩渗透特性研究

为了研究不同溶液渗透溶蚀作用下碳酸盐岩渗流特性演化规律,选择Na_2SO_4溶液和蒸馏水作为渗透流体,使用岩石高压耦合渗透实验装置,对碳酸盐岩试样分别进行长达15 d的渗透溶蚀实验研究,得到对应工况下的渗透率和渗出液中矿物离子浓度随时间变化曲线,分析实验中各种影响因素与渗透率、矿物质溶解变化规律之间的有机联系。结果表明:实验初期岩样渗透率的较大改变是由应力条件引起的,应力的影响随实验的进行逐渐减小。当围压和渗压等量增大时,渗透率受围压的影响较大,而由于应力的变化较小,渗透率变化趋势所受的影响较小。在稳定阶段,岩石渗透率变化则是渗透溶液的溶蚀作用和矿物沉淀共同作用的结果。Na_2SO_4溶液的溶解作用相对较强,CaCO_3在岩样上游段产生较强的溶解,当溶解的Ca~(2+)浓度达到最高后,在下游段产生CaCO_3沉淀,造成溶解过程中的不均匀性,最终表现为渗透率降低;蒸馏水溶液对碳酸盐岩的溶解能力较弱,在上游段溶解少量Ca~(2+),下游段的溶解速率变低,并且沿程难以使Ca~(2+)达到过饱和状态,不易产生沉淀,最终渗透率保持稳定。     

不同溶液及干湿循环作用下砂岩宏细观损伤效应试验与模型研究

云冈石窟在降雨的反复作用下处于干湿循环的状态，其力学性质受到不同程度的劣化，将直接影响到石窟区砂岩的强度变形。以砂岩为研究对象，设计并进行不同溶液及干湿循环试验，建立宏观损伤统计本构模型，并结合SEM扫描电镜对细观结构损伤进行研究。研究表明：砂岩在干湿循环作用下，酸性环境对砂岩的劣化作用相对于中性环境更大；干湿循环初期发生劈裂破坏，后期逐渐演变为劈裂破坏和剪切破坏的结合；微观结构上均遭到一定程度的破坏，但酸性环境更明显。此研究为不同环境干湿循环作用下砂岩类文物的保护修复指导工作提供了理论依据，对于深入认识云冈石窟劣化损伤机理具有十分重要的意义。     

硫酸盐溶液对CFRP-混凝土黏结性能的影响

随着CFRP外贴加固混凝土结构技术的应用,CFRP-混凝土黏结界面的耐久性问题也突显出来.为了研究和分析CFRP-混凝土在恶劣条件下的黏结性能,进行了硫酸钠溶液的浸泡及干湿循环试验,并考察CFRP-混凝土拉伸剪切强度随劣化时间的变化特性.研究表明,硫酸钠溶液浸泡对CFRP-混凝土的黏结强度影响不大;但混凝土在受到硫酸盐溶液浸泡后再粘贴CFRP片材,其黏结强度比未经劣化的CFRP-混凝土的黏结强度均有不同程度降低;硫酸盐溶液干湿循环对CFRP-混凝土黏结强度影响较大.     

冻融循环下钙质砂岩力学特性及其损伤劣化机制的试验研究

通过室内试验的方法,研究了水化学溶液和冻融耦合作用下砂岩的损伤劣化机制和物理力学特性。对浸泡在不同的化学溶液条件下的砂岩分别开展冻融循环试验研究,并对不同冻融循环次数下砂岩的物理力学特性进行量测。研究发现:不同水化学溶液和冻融循环耦合作用下,砂岩试样损伤劣化模式不同,2种主要模式为颗粒剥落、片落模式和裂纹模式。强酸性环境下(pH=3.0),砂岩物理力学特性的冻融循环损伤劣化程度最大,强碱性环境(pH=12.0)次之;在中性至弱碱性环境下,其冻融损伤劣化程度虽然有一定的缓解,但仍随着循环次数的增加而不断加剧。Na_2SO_4溶液的浓度越大,砂岩试样冻融系数的降低速率越大;0.01 mol/L NaHCO_3 pH=9.0下砂岩试样的冻融循环劣化程度相对0.01 mol/LNa_2SO_4 pH=9.0下小;岩石的冻融损伤劣化与其所处的水化学环境密切相关,水化学溶液对砂岩有一定的化学腐蚀作用,水化学溶液与冻融循环的耦合作用对岩石的损伤劣化是相互促进的,共同影响着砂岩的损伤劣化程度。     

不同条件下贺兰口岩画载体变质砂岩干湿损伤特征与机制研究

干湿与化学损伤作用是继冻融和化学损伤又一种导致与加速贺兰口岩画载体变质砂岩风化进程的重要原因。研究通过对岩画载体岩石在不同溶液下进行15,30,45,60,90,120,150及180次的干湿循环,以此来探索岩画载体岩石在干湿和化学溶液共同作用下的损伤特征。研究表明:试样的质量、纵波波速、单轴抗压强度、应力–应变特征总体呈现随干湿循环次数的增加而逐渐差异性衰减的规律,且变化速率呈现3个阶段,具有15和60次2个明显的拐点。结合SEM和XRD分析试验对试样的微观结构和成分进行定性分析,并以孔隙率为中间基础建立了损伤变量与宏观试验指标的定量联系。最后通过分析内部损伤机制得到试样由不同干湿条件导致的水解、化学溶蚀以及盐结晶和溶解3种作用差异性组合而造成岩石内部线性孔隙和孔洞数量和连接情况出现了不同而形成的,这为岩画科学的保护提供了必要的理论与支撑。     

水库运行期岸坡消落带红砂岩抗拉强度劣化机制

红砂岩广泛分布于三峡库区,弄清岸坡消落带红砂岩的抗拉强度在水库运行期周期性"湿干"交替作用下的劣化机制,是科学进行水库运行期红砂岩岸坡稳定性分析与评价的重要前提。以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,自主研发能模拟水压力和"湿干"交替共同作用的岩石抗拉强度测试系统,进行消落带红砂岩在水压力和"湿干"交替共同作用下的劈裂试验;同时,基于扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及吸水率的测试分析,探讨消落带红砂岩抗拉强度的劣化机制。试验结果表明:在水压力和"湿干"交替的共同作用下,消落带红砂岩的抗拉强度随着"湿干"交替作用次数的增加逐渐劣化,劣化幅度逐渐减小最终趋于0;在"湿干"交替作用前期,红砂岩抗拉强度的劣化幅度较大,第1次"湿干"交替作用后,劣化程度最为明显;2~4次"湿干"交替时,劣化幅度相对较大;4次"湿干"交替作用后,劣化幅度逐渐减小为0;红砂岩抗拉强度的劣化是一个不断累积的过程,是内部黏土矿物湿化过程的水化溶解与膨胀、干燥过程的失水收缩,以及水压力作用下微裂隙的增加、扩展等综合作用的结果,且黏土矿物的水化作用引起的碎屑矿物与胶结物之间的胶结变弱效应在其抗拉强度的劣化过程中起主导作用。研究成果可为合理评价红砂岩岸坡的稳定性提供科学依据。     

酸雨作用下碳酸盐岩类文物的溶蚀过程与机理

通过模拟硫酸型酸雨加速侵蚀石灰岩的室内试验,监测了试验过程中试样的质量变化、Ca~(2+)释放量、酸雨pH值变化、计算了H~+消耗速率及试样的表面硬度变化率,对试样的微观结构进行了观察和测量,对比分析了酸雨的淋蚀作用和浸泡作用,根据试验结果讨论了酸雨溶蚀石灰岩的机理,并分析了孔隙特征对石灰岩溶蚀过程的影响。试验结果表明:酸雨的淋蚀作用会溶解石灰岩中的碳酸盐并剥离岩石表面,造成新鲜岩石继续与酸雨作用,加速了石灰岩的质量损失和Ca~(2+)的释放,同时试样的表面硬度和表层微观结构发生相应的改变,但是,溶蚀产物会部分填充石灰岩内的微孔隙和微裂隙,可以有效减缓小尺寸孔隙(0.01μm)的破坏;孔隙特征对酸雨侵蚀石灰岩的过程有重要影响,孔隙率越高,酸雨越容易进入岩石内部并造成破坏;孔隙率一定的情况下,孔隙尺寸越大,酸雨作用的时间和程度会越充分,对石灰岩的破坏也越严重;在相同的试验条件下,试验选取的3种石灰岩中南响堂山石窟石灰岩的抗酸雨侵蚀能力最弱。     

皖南红层软岩崩解特性试验分析

采用皖南地区3种红层软岩开展了室内“饱水-干燥” 循环(湿-干循环)条件下的崩解试验。研究了不同湿-干循环次数下岩石的崩解现象和特征;分析崩解物的颗粒粒径分布随湿-干循环次数的变化规律;对浸泡岩样的水溶液离子浓度进行测试,同时对经历不同湿-干循环次数的岩样开展扫描电镜(SEM)试验;探讨软岩的崩解机理,比较分析不同岩石崩解特性的差异。试验结果表明:3种岩样的耐崩解能力大小依次为岩屑砂岩、钙质细砂岩、砂质泥岩;随着湿-干循环次数增加,砂质泥岩和钙质细砂岩耐崩解指数逐渐下降,岩屑砂岩的耐崩解指数基本不变;浸泡水溶液中Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等离子浓度随着湿-干循环次数增大有不同程度的变化,水-岩化学作用的剧烈程度与崩解性之间存在一定的对应关系;湿-干循环对不崩解的砂岩的微观形貌影响不大,而易崩解的砂岩容易形成裂缝或者颗粒剥落。不同岩石崩解性的差别与所含矿物成分及含量密切相关,也与岩石结构特征有关,颗粒粒径小且填隙物胶结强度低的岩石更容易崩解。     

Durability of soft clay soil stabilized with recycled Bassanite and furnace cement mixtures

This study examines the wetting–drying durability of soft clay soil stabilized with recycled Bassanite, produced from gypsum waste. Specifically, this study focuses on an investigation of the effects of the moisture conditions on the strength performance and durability of very soft clay soil stabilized with Bassanite and furnace cement mixtures during the wetting–drying cycles, referred to as weathering conditions in this study. Cylindrical stabilized soil specimens were produced and then cured for 28 days. The cured specimens were subjected to different numbers of wetting–drying cycles, and then tested for unconfined compressive strength. The results show that the compressive strength increased with an increase in the Bassanite content for the different wetting–drying cycles investigated. The increase in the Bassanite content is associated with the increase in the dry unit weight, as well as in the decrease in the moisture content of the stabilized specimens for the different wetting–drying cycles investigated. The compressive strength of the soil stabilized with the Bassanite and furnace cement mixtures gradually decreases with an increase in the number of wetting–drying cycles, and the earlier cycles are seen to have a more negative effect on durability than the later cycles. Generally, the influence of the wetting–drying cycles on changes in the strength, durability and volume of the soft clay soil stabilized with Bassanite and furnace cement mixtures is not significant. This is evidence that the use of recycled Bassanite, produced from gypsum waste to stabilize soft clay soil, achieves acceptable durability, raises the strength performance and improves the engineering properties of soft clay soil in a wet environment. In addition, the effective use of gypsum waste contributes to the development of a sustainable society by reducing the huge quantity of solid waste and establishing a sound environment.     

炎热多雨气候影响下残积土小应变刚度特性试验研究

根据炎热多雨地区轨道交通周边土体的实际工程状态,开展经历不同干湿循环过程的花岗岩残积土的共振柱试验,研究炎热多雨气候影响下残积土小应变下的刚度特性。结果表明,受反复干湿循环效应影响,在10~(-6)~10~(-4)小应变范围内,残积土G_(max)随干湿循环次数n的衰变规律与常应变下黏性土强度特性衰减规律有较大差异,最大衰减出现在干湿循环中期;经历多次循环后,小围压下残积土的G–γ关系曲线出现直线下降和骤降阶段;利用Martin–Davidenkov模型和经验关系能较好地反映G/G_(max)和D随γ的变化规律,发现不同干湿循环次数后,G/G_(max)–γ关系随围压增大逐渐出现"两极分化"现象。研究还从微观角度对残积土小应变刚度特性的干湿循环效应给与解释,说明炎热多雨气候下残积土刚度的力学行为是由于结构强度减损、微观结构重塑引起。研究可为轨道交通工程动力参数的选取,类似工程场地的设计、施工及抗震分析提供技术参考依据。     

酸性干湿循环对泥质砂岩强度特性劣化影响研究

 为了研究酸性干湿循环对泥质砂岩强度特性劣化的影响,以重庆三峡地区某边坡的泥质砂岩为研究对象,对不同酸性(pH = 3)干湿循环次数n(0,1,5,10,15,20)作用的泥质砂岩试件进行室内单轴、三轴压缩试验及电镜扫描观察,并借助离散元软件PFC2D对三轴压缩试验峰值强度状态时试件的颗粒接触、裂纹分布进行模拟。研究发现,泥质砂岩的单轴抗压强度?、弹性模量E、黏聚力c、内摩擦角?和三轴抗压强度?′都随n的增加而降低。n = 1时?,E,c和?的阶段劣化度最大,酸性干湿循环作用对c的劣化影响要大于对?的劣化影响。泥质砂岩微细观形态随n的增加大致经历整齐致密、多孔团絮和开裂紊流3个阶段。此外,在三轴压缩试验峰值强度时,n的增加对泥质砂岩试件颗粒接触网络,微裂纹的发育、试件破坏模式等都影响显著。     

盐渍土地区输电线路基础混凝土抗硫酸盐腐蚀试验研究

为研究输电线路基础混凝土在硫酸盐腐蚀作用下的劣化规律,以盐渍土地区输电线路不同强度等级混凝土为研究对象,采用硫酸盐干湿循环的试验方法,测试了不同混凝土在标准养护条件和硫酸盐腐蚀条件下混凝土强度变化规律。研究结果表明:标准养护条件下,混凝土强度随龄期增长而提高;硫酸盐腐蚀条件下,混凝土强度随着干湿循环次数增加,表现为先提高后降低的规律,且混凝土强度等级越低,强度出现降低的转折点越早。