水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

 以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

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）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

盐水浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

 为研究盐岩溶腔油气储库建造过程中,盐溶液对石膏夹层的侵蚀效应,在实验室对自然状态(干试件)、饱和与半饱和盐溶液中浸泡20 d的石膏(湿试件)进行单调单轴压缩与小幅反复加卸载作用方式下的单轴压缩试验,初步揭示石膏在这一特殊条件下的力学特性。研究结果表明：反复加卸载使石膏单轴抗压强度由单调加载条件下的14.6 MPa降至12.3 MPa,降幅15.8%,而峰值强度所对应轴向应变也从0.39%降为0.19%,反复加卸载使得石膏的强度与变形均有所降低,但弹性模量基本不变。在反复加卸载作用方式下,与干试件强度相比,在饱和与半饱和盐水中浸泡20 d之后的石膏强度并未降低,说明盐水对石膏侵蚀作用不明显。在盐溶液中浸泡之后试件变形能力增强,与干试件情形相比,增幅高达73%～147%,相应弹性模量也从干试件的6.6 GPa分别降为4.5和2.8 GPa。由于结构致密、孔隙率低,加之化学成分为难溶物质,在常温及酸性化学溶液作用下,石膏晶体在细观结构上未受到盐溶液的侵蚀损伤,强度并不随溶液浸泡作用而降低。但是,20 d浸泡作用下有少量溶液由表及里的浸入,从而使石膏变形呈软化趋势,且随溶液浓度不同而不同。在层状盐岩矿床油气储库建造及运营过程中,对石膏夹层的这一力学特性变化应予以考虑。所获得的结果对揭示石膏力学特性及指导层状盐岩溶腔油气储库建造具有重要意义与价值。     

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。     

酸腐蚀下粉砂质泥岩力学特性及细观机理研究

为探究酸性环境下粉砂质泥岩宏观力学性质变化规律与孔隙变化规律及其内在联系,对不同pH值条件下不同腐蚀时间的粉砂质泥岩试样开展单轴压缩试验、电镜扫描试验及能谱分析试验,得到了不同溶液pH值与不同腐蚀时间对粉砂质泥岩试样宏观力学性质及细观损伤特性的影响规律。结果表明:(1)随着溶液pH值的减小及腐蚀时间的增加,试样的单轴抗压强度及弹性模量显著降低;(2)孔隙率及次生孔隙率显著增大,断口表面越来越粗糙;(3)粉砂质泥岩试样受酸溶液腐蚀机制主要是岩体内Al₂O₃等化合物与酸性溶液中的H⁺发生化学反应,从而引起试样的宏观力学性质劣化。     

复合盐侵-冻融环境下混凝土的应力-应变关系试验研究

对混凝土在3.5%、10.5%、17.5%复合盐(NaCl、Na_2SO_4、NaHCO_3、Na_2CO_3)溶液的侵蚀作用下,研究了在复合盐侵蚀和冻融循环作用下C30混凝土的应力-应变关系的变化规律,对6组42个尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的混凝土立方体试件进行了冻融循环,并利用SEM扫描电镜观察冻融作用后混凝土内部显微结构的变化。试验结果表明:(1)复合盐溶液侵蚀作用下,浸泡冻融的冻融循环次数相同时,混凝土的峰值应力随溶液浓度的增加而有所增大,峰值应变随之左移,应力-应变曲线逐渐趋于平缓;相对于养护冻融,浸泡冻融条件下,随着侵蚀溶液浓度的增加,试件的峰值应力降低的少;(2)进行150次冻融循环试验后,随着复合盐侵蚀溶液浓度的增加,经浸泡冻融试验的混凝土试件的抗压强度分别降低了36.1%、35.9%、34.3%,而经养护冻融试验的混凝土试件的抗压强度分别降低了55.6%、59.9%、57.6%;(3)经扫描电镜(SEM)分析,随着复合盐侵蚀溶液浓度的增加,混凝土损伤程度减弱。     

化学环境对灰岩力学性能影响的纳米压痕试验研究

为探求盐渍土等化学环境下混凝土力学性能变化规律及细观机制,以西北地区混凝土常用粗骨料灰岩为研究对象,开展灰岩浸泡在pH值为2,5,7,9,12的CaCl₂溶液和Na₂SO₄溶液中的化学腐蚀试验。利用纳米压痕力学试验和扫描电镜观测技术,开展化学溶液侵蚀下的灰岩细观力学试验研究。研究结果表明：经过化学腐蚀的灰岩试样,其弹性模量及硬度均有不同程度的降低,表现出一定的时效性。对灰岩试样的腐蚀性表现为CaCl₂溶液>Na₂SO₄溶液;同时,对灰岩试样的影响程度为酸性环境>碱性环境。溶液中pH值及离子浓度的变化与试样的损伤密切相关,表现为酸碱度越高及离子浓度越大,试样的力学参数降低越明显。灰岩对溶液的p H值最为敏感,对灰岩化学腐蚀起主要作用的是溶液中的H⁺和OH^-。最后,引入以弹性模量定义的新损伤变量描述化学损伤后灰岩的力学性质劣化程度,并分析灰岩的损伤变量与其他力学参数之间的关系,研究发现损伤变量与硬度密切相...     

酸性环境中钙质胶结砂岩的化学损伤模型

针对大部分工程中常见的砂岩最可能、最不利的化学环境---酸性环境中的力学性质的衰变、弱化问题,对钙质胶结长石砂岩进行了室内不同pH值溶液的模拟试验,对所得到的抗压强度试验及CT扫描试验结果进行了分析与总结,发现砂岩中主要胶结物CaCO3的溶解是岩石强度和变形衰减的主要原因,在此基础上利用化学动力学理论和损伤力学理论提出了可应用于酸性溶液的岩石化学损伤强度模型,并用室内实验结果对所提模型进行了检验与验证。     

水化学腐蚀对砂岩力学特性影响的试验研究

通过砂岩在不同水化学溶液中浸泡后的常规三轴压缩试验,对比分析受不同 pH 值、不同浓度和不同化学成分的化学溶液腐蚀后砂岩的变形特性、强度特性及其微细观结构特征,并监测化学溶液中Ca2+,Mg2+离子浓度的变化规律,初步探讨砂岩试样的水化学腐蚀机制。试验结果表明：化学腐蚀后,砂岩试样有从脆性向延性转化的趋势;砂岩的力学参数均有不同程度的降低,并且,砂岩力学参数的劣化程度与其物理化学参数之间存在密切的关系,试样的孔隙率或纵波波速变化越大,或溶出的离子浓度越多,其力学参数的降低程度越大。引入新的损伤参量来定量地表达试样力学参数随水化学损伤的演化过程。     

土中与溶液中硫酸盐侵蚀试验对混凝土破坏的对比

为了研究埋置在土中与浸泡在溶液中两种侵蚀环境下硫酸盐对混凝土试件侵蚀破坏程度的差别，通过设置3种水胶比，侵蚀环境为土壤埋置和溶液浸泡的6组对照试验，分析混凝土试件在不同环境下的破坏情况，得到了埋置土中与浸泡溶液中对混凝土试件侵蚀破坏的差异。结果表明：在侵蚀龄期达到300 d时，浸泡在硫酸钠溶液中的试件质量损失量是埋置于土中试件的2倍，而埋置于土中试件的抗压强度减少量是浸泡于溶液中试件的2.5倍，埋置于土中的试件在遭受硫酸盐侵蚀破坏时，不仅仅只是受单一的硫酸盐侵蚀破坏，还包括干湿循环等破坏，其破坏程度要远远大于硫酸盐溶液浸泡下的侵蚀破坏程度。这对于研究硫酸盐溶液侵蚀试验得出的破坏规律和实际处于硫酸盐侵蚀环境下建筑物的侵蚀破坏规律的相关性具有重要的参考意义，更有效的将试验结果应用于实际工程。     

腐蚀混凝土损伤特征的声发射试验研究

为研究受酸腐蚀混凝土在受压过程中的损伤演变规律,用pH值为2.5的硫酸和硝酸混合溶液对混凝土棱柱体试件进行侵蚀,采用单调加载和循环加载两种方式对腐蚀前后的混凝土试件进行单轴抗压试验.通过对试件受力变形、凯塞效应和声发射速率过程参数进行对比分析,研究了酸性腐蚀对混凝土性能的影响;在损伤力学和声发射速率过程理论的基础上建立了考虑初始损伤的混凝土损伤因子及本构关系计算方法,实现了利用声发射事件数对腐蚀混凝土的损伤大小进行定量评估.     

酸性环境下砂浆、砂岩材料的受酸腐蚀过程及其基本特性劣化规律的试验研究

选择目前环境岩土工程中最基础的科学问题,即酸性环境下砂浆及砂岩材料的基本性质问题开展室内试验研究,分析材料受酸腐蚀过程中物理、化学及力学特征,揭示其性质变化的规律,建立受酸腐蚀过程中材料的宏、细观模型,提出以氢离子浓度变化为主要影响因素的岩石及混凝土结构使用寿命预测模型和方法,主要创新性成果为：（1）采用室内试验,模拟强酸环境,研究加速腐蚀过程中类砂岩材料——砂浆的物理化学性质变化,揭示不同时段酸液中氢、钙离子浓度变化规律与砂浆受酸腐蚀的微细观机制。发现在腐蚀的初始阶段,试样受扩散作用控制,随着时间的增加,化学反应速率加快,溶解过程起到主导作用,反映出腐蚀过程呈现明显的阶段性特征。（2）对不同形状和尺寸的砂浆试样进行对比试验,用定义的质量变化率、波速变化率、氢离子溶解速率和钙离子溶出速率,对反应的不同阶段进行定量描述。试验过程中研究了浸泡试样的波速特征,比较并发现在不同浓度盐酸溶液中,不同浸泡时段对纵波速度变化规律不尽相同;结合溶液中氢、钙离子浓度变化和胶体化合物的形成过程,孔隙中固、液、气三相比例变化等因素进行全面分析,建立了受酸腐蚀等效体砂浆试样波速-孔隙率预测模型。（3）通过对浸泡不同时段砂浆试样被酸液浸入深度的测量,溶液浓度的监测及抗折断后破裂面的观察发现：随着浸泡时间的延长,盐酸浓度减小,氢氧化铁、氢氧化铝等胶体化合物形成的阻隔作用加强是氢离子扩散速率和钙离子溶出速率减慢的原因。通过对试验结果的归纳分析,提出了基于考虑腐蚀过程中试样孔隙率增大和承载面积减小的概化模型。由初步验证结果发现,模型计算值与试验结果具有良好的一致性。（4）对砂岩材料,剖析钙质胶结长石砂岩试样在不同浓度盐酸溶液浸泡过程中的强度特性、破坏模式、应力-应变关系和割线模量等力学特征,建立了氢离子扩散的常、变系数扩散模型。借助于无扰动CT扫描技术和化学动力学分析,对受酸腐蚀的细观损伤机制进行量化分析,建立试样单轴抗压强度、渗透破坏深度、CT数与岩石密度之间的关系表达式,实现宏、细观力学性质的有机结合。（5）以快速试验对扩散规律的认识为基础,考虑化学反应造成酸液浓度降低对腐蚀的阻滞作用,建立了在大体积岩石及混凝土材料中考虑化学反应影响时溶质的扩散控制方程,开发相应的二维有限元分析程序。结合一水利工程受酸雨影响的使用寿命问题,提出一种预测大体积岩石及混凝土中酸液浓度扩散范围随时间变化及强度劣化规律的思路与方法。     

水化学溶液对灰岩力学特性的影响分析

采用蒸馏水及pH=2溶液对灰岩浸泡80d后开展单轴及三轴压缩试验,研究不同溶液对灰岩力学特性的影响规律,并采用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察浸泡前、后灰岩微观形态的变化特征,同时结合灰岩微观结构特征分析水岩作用对灰岩力学特性的劣化机制。试验结果表明:蒸馏水和pH=2溶液均与灰岩发生了化学反应,浸泡溶液中溶蚀有大量的Ca~(2+)、Mg~(2+)、Fe~(2+)(Fe~(3+))等阳离子;相同围压条件下,经过蒸馏水与pH=2溶液浸泡80d后的灰岩试样峰值应力、弹性模量相对于原始试样均有所降低,而泊松比增大,其中pH=2溶液浸泡的试样峰值应力降幅最大,泊松比增幅最高;单轴试验条件下试样表现出剪切破坏、张-剪复合破坏、张拉破坏,而在施加10 MPa围压条件下,试样均为剪切破坏;水溶液浸泡后试样表面发生溶蚀,孔隙增加。此外,水化学溶液对灰岩内部微裂隙的溶蚀和润滑作用也是导致灰岩力学性质劣化的原因。     

恶劣环境下水灰比对机制砂混凝土性能的影响

对不同水灰比的机制砂混凝土进行冻融循环试验,并测得冻融后的抗压强度、质量损失和动弹性模量。对冻融后的试件进行酸溶液和盐溶液环境的侵蚀试验,并测试抗压强度。对试验结果分析发现,随着水灰比的增高,机制砂混凝土的抗冻性能呈下降趋势;侵蚀后混凝土的力学性能出现明显下降,其中酸环境对混凝土的破坏程度更强;不同水灰比的混凝土,在冻融试验的不同阶段进行侵蚀试验,抗压强度和动弹模量的劣化机理存在差异。     

干湿循环与化学溶蚀作用下玄武岩传质-劣化过程的试验研究

库区消落带岩体受持续干湿循环作用,导致岩体风化加剧,力学性质随之劣化。以玄武岩为研究对象,分别开展pH=3,7,11溶液条件下的干湿循环试验,探讨溶液pH值及循环次数作用下玄武岩单轴抗压强度的劣化规律。通过溶液化学成分检测,分析3种pH条件下的水岩传质过程。基于玄武岩溶解动力学机制,研究非平衡态与平衡态时的强度劣化与传质过程。研究结果表明:3种溶液环境下试件单轴抗压强度均随循环次数的增加而降低,不同pH溶液环境中,其劣化效应在前期存在显著差异,酸性劣化程度最大,中性次之,碱性最弱,这种差异性在后期逐渐减小,最终3种溶液环境下的劣化程度相当;酸、碱溶液中的水岩化学反应经历了从非平衡态到平衡态的转变,中性溶液中的水岩化学反应始终处于非平衡态;不同pH值溶液中的非平衡态反应过程一致,玄武岩中元素释放顺序为:Ca,Al,Si,平衡态反应过程中Al在固相表面发生沉淀与置换,沉淀将抑制Si元素的释放,而置换将促进Si元素的释放;中性溶液中的岩石强度劣化程度受控于非平衡态的全等溶解反应,酸性与碱性溶液中,岩石强度劣化在前期受到Al沉淀形成速度的影响,后期受到Al置换作用影响。研究成果可为合理评价玄武岩库岸边坡长期稳定性提供科学依据。     

粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究

在不同质量百分比(1%,5%及10%)的2种酸(H2SO4,HNO3)溶液和1种碱(NaOH)溶液、1种有机质(腐植酸钠)溶液、1种无机盐(KCl)溶液和自来水中,对粉砂质泥岩的水–岩作用进行静态长时(120d)加速浸泡试验模拟,并测定其单轴抗压强度、微观结构、氧化物成分,研究岩样单轴抗压强度随时间对酸、碱、有机质和盐的敏感性和衰减机制。研究结果表明,在静水环境下,岩样强度衰减、腐蚀速率与H 浓度、酸根离子、无机盐浓度及浸泡时间成非线性关系,岩样的强度变化正比于岩样的质量变化;认为在水–岩作用过程中,溶解与沉淀、氧化与还原作用同时发生,共同影响岩样强度的衰减规律;水–岩作用的不同时期,导致岩样强度衰减的主要因素是不同的;在化学风化作用下,岩样的强度与铁离子、钙离子等二价离子的变化密切相关。     

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。     

干–酸侵蚀下深地白砂岩动静态损伤特性研究

保证地下开采作业的安全性，事关工程人员生命财产重大问题。以岩体损伤为研究立足点，提出“三试一模”多方位岩体损伤机制研究方法：从干–酸侵蚀、一维冲击、单轴压缩三个试验角度探讨白砂岩损伤过程中岩体的能量、物理力学参数等演化劣化规律，并构建岩体损伤统计本构模型，以进行损伤劣化验证。结果表明：(1)干–酸侵蚀环境中，岩体损伤率由初期反应平缓到初中期、中后期反应加剧，后期反应逐渐殆尽，损伤反应基本与氢离子浓度指数成正比。(2)冲击后，岩体的峰值应力、弹性模量随着干–酸侵蚀次数的增加呈降低趋势，整体上损伤表现为软化现象；侵蚀后期2项力学指标整体上的变化速率呈上升趋势，岩体损伤劣化加剧。(3)单轴压缩下，岩体随着轴向荷载的加重，弹性势能随之增大，其能量增长速率不明显，在轴向荷载80 kN左右处，弹性势能占总能量的比例最小；岩体塑性耗散能呈非线性增长趋势：在早期的3个阶段，塑性耗散能占总能量的比例变小，到后期塑性阶段即临近损伤破坏时，塑性耗散能占比呈增长趋势。(4)假定白砂岩的岩体强度遵循Weibull分布，构建可较好地反映白砂岩残余强度的岩体损伤统计本构模型，并借助单轴压缩试验结果对该模型的准确性进...     

岩石在酸化环境下的强度损伤及其静态加速模拟

在不同质量百分比(1.0%,5.0%及10.0%)的3种酸溶液(H2SO4,HNO3和HCl)中,对大理岩和辉绿岩的水岩作用进行了静态长时(900d)加速浸泡试验模拟,分析了岩石单轴抗压强度、劈裂法抗拉强度和表面肖氏硬度的损伤对酸的敏感性和损伤机制。研究结果表明,在静水环境下,岩石强度损伤、硬度损伤及腐蚀速率与H 浓度及浸泡时间成非线性关系,岩石腐蚀所产生的环境效应不仅与岩性、酸种和H 浓度有关,而且与新成盐是否发生水解有关。     

水化学作用对砂岩力学性质影响试验研究

水化学作用对岩体工程稳定性具有重要影响。本文简要综述了水化学作用对砂岩单轴、三轴、直剪试验力学参数的影响和对砂岩破裂及裂纹扩展过程的影响。综合分析表明:不同水化学溶液对砂岩力学参数影响程度顺序如下:pH值1~3的酸性溶液> pH值11~13的碱性溶液> pH值4~6的酸性溶液> pH值8~10的碱性溶液>中性溶液>蒸馏水;经过不同水化学作用后,砂岩的单轴抗压强度下降程度均在24%以上,蒸馏水对砂岩弹性模量的影响要大于碱性溶液;随着围压增大,水化学作用下砂岩三轴抗压强度下降程度呈减小趋势;水化学作用下,通过三轴压缩试验得到的砂岩粘聚力下降范围为8.96%~38.05%,内摩擦角的下降范围为1.26%~6.51%,直剪试验得到的砂岩粘聚力下降范围为9.52%~17.23%,内摩擦角的下降范围为3.52%~14.90%;水化学作用提高了裂纹的扩展速度并使其扩展方式趋于复杂化。