基于酸雨环境下砂岩腐蚀过程及物理力学特性的分析

基于酸雨环境下砂岩腐蚀过程及物理力学特性的分析

张泽琰&nbsp,

关键词：酸雨环境；砂岩腐蚀；物理力学特性

前言：岩石是一种内部含有很多微裂隙与微孔隙的天然介质，具有相对复杂的力学性质。PH<5.6酸性降水总称为酸雨，这种降水包含多种形式，如霜雾、雨雪等，酸雨会对社会、经济以及生态系统造成很大损失。在酸雨环境中，应用砂岩的工程会受到腐蚀破坏，因此，环境岩石力学和化学融合是现阶段的热点问题。

一、酸雨环境下砂岩腐蚀过程及物理特性试验概述

对酸雨环境下砂岩腐蚀过程及物力特性进行模拟试验，本文选择的砂岩岩样来自我国某处水利工程中，岩样共有七组，每组岩样均为同一岩块切割而成，多为为5cm或10cm的圆柱体。矿物成分含量包含了石英、长石、岩屑、方解石、粘土质、硅质以及绿泥石等矿物。岩样天然密度范围在2.45g/cm3到2.48g/cm3之间，质量处于476.5g到483.2g之间，孔隙率在1.52%到1.68%之间，纵波波速在2467m/s到3000m/s之间。针对我国一些城市降水成分进行分析，发现酸雨的产生主要是煤烟污染，其主要成分包含了CI-、SO42-。利用H2SO4溶液、HCI溶液以及蒸馏水对其进行配制，共配制而成PH值为2、3.5、5、2、3.5、5、7这七组溶液，前六种为酸性溶液。每天都需要对酸性溶液中氢离子浓度变化进行监测，每隔10天都需要对酸性溶液中阳离子K+、Mg2+、Na+、Ca2+浓度进行测定，同时，每隔10天需要对岩样纵波波速进行测定，测波岩样来源于第六组酸溶液与第七组蒸馏水。为让腐蚀速度得到增快，在试验过程中，溶液为每30天换一次，在更换过程中，会取出相关浸泡岩样进行波速测量，并拿出三个进行单轴压缩试验，从六组酸性溶液中取出三个岩样，在没有浸泡之前、浸泡3个月之后和浸泡6个月之后进行CT扫描试验[1]。

二、酸雨环境下砂岩腐蚀过程及物理力学特性分析

（一）砂岩腐蚀过程中物理特性及波速

1.物理性质变化

对HCL溶液中浸泡砂岩岩样饱和质量、烘干质量和差异化的腐蚀阶段纵波波速进行测量，可以对质量损失率、岩样溶蚀速率和孔隙率随着浸泡腐蚀时间变化关系进行分析。在质量损失率方面，在受酸腐蚀过程中，具有阶段性特点，在0~30天时，砂岩的岩样质量损失相对较大，在第40天时，在PH为2时，质量损失率为0.432%，在PH为3.5时，质量损失率为0.405%，在PH为5时，质量损失率为0.281%，而在30~60天时，质量损失率有所减少，在70天以后，岩样的质量损失有所增加；在溶蚀速率方面，在10~30天时，为缓慢减小趋势，在PH为3.5酸溶液中，其溶蚀速率为2.70g/d·m2，在40~60天时，PH为2的酸溶液中，溶蚀速率为3.12g/d·m2,在70~90天时，在PH为2的酸溶液中，溶蚀速率为3.66g/d·m2；在孔隙率方面，在0~30天时，其呈增加趋势，在30~90天内，孔隙率出现减小又增加的变化，在PH为3.5HCI溶液中，其孔隙率变化最大[2]。

2.波速特性

在HCI溶液中，浸泡湿岩样波速为增大趋势，波速增长率在12%以上，最大波速增长率超过16.2%，在HCI溶液中，烘干岩样波速变化相对较小，且为负值，波速的最大降低为2.5%，在0~30天，浸泡湿岩样会产生较为明显的孔隙，纵波波速变化率相对较大，而在30~60天时，其波速增长与孔隙率增加均变得更为缓慢。在PH为5的HCI溶液中，砂岩岩样孔隙率处于1.6%~2.0%的孔隙率变化范围内，在PH为3.5的HCI溶液中，孔隙率变为2.8%。

（二）砂岩腐蚀过程中化学性质变化

对浸泡岩样的HCI溶液中氢离子浓度变化进行跟踪监测，可以对岩样受到溶液酸性强度的腐蚀程度予以了解，对浸泡岩样溶液中阳离子含量与种类进行测定，可以对阳离子变化规律、溶解速率进行分析。经过试验分析，发现在时间的推移下，PH为2的HCI溶液最后转化为中酸性溶液，而PH为5的HCI溶液在反应后转化为弱碱性溶液，PH为3.5的HCI溶液最后转化为中性环境或弱碱性溶液。

在浸泡初期阶段，腐蚀速率与溶液酸性强度成正比关系，在反应速率相对稳定后，腐蚀具有阶段性特点，在0~30天、30~60天时，PH为2与PH为3.5的HCI溶液具有剧烈的化学反应，在岩样表面，溶出众多微细颗粒物，且有气泡出现，在60天以后，化学反应相对迟缓。在10~30天时，在PH为2的HCI溶液中，Na+溶解速率最大是264.78mol/d，Ca2+的溶解速率为489.50mol/d，远远大于PH为3.5和PH为5的HCI溶液。在PH为3.5的HCI溶液中，Na+溶解速率最大是102.28mol/d，在PH为5的HCI溶液中，Na+溶解速率最大是79.67mol/d。K+、Mg2+溶解速率要远远小于Na+和Ca2+的溶解速率，在反应初期，PH为2和PH为5的K+溶解速率最大，为91.03mol/d与23.21mol/d，在Mg2+溶解速率方面，在10~30天时，PH为2的HCI溶液中最大为61.1mol/d，PH为3.5的HCI溶液中最大为19.4mol/d，在PH为5HCI溶液中，溶解速率为13.9mol/d，在30天以后，溶解速率出现减小趋势。

（三）砂岩宏观细观性质

1.单轴压缩试验岩样破坏

在0.02mm/s静态加载速率的条件下对岩样进行单轴抗压强度试验，结晶程度、矿物组成部分、结晶大小以及胶结情况等因素都会影响到单轴抗压强度，在PH为3.5的HCI溶液中进行浸泡，对其岩样受压破坏图像和破裂形式进行分析。岩样受压状态下的应变曲线可以分为四个不同阶段，即线性阶段、非线性阶段、峰值阶段与残余应力阶段，在PH为3.5的HCI溶液中，岩样在30天后应力发生突变，其产生原因是微裂缝的发育贯穿；在90天以后，岩样单轴加载破坏的峰值应力是45.23MP，有非线性段增加。

对其弹性模量变化进行分析，在应力-应变曲线上，其加载最大值是0.2倍与0.8倍，利用这两点可以做割线，其斜率是弹性模量，设加载最大值0.8倍时岩样应力（MPa）是，加载最大值是0.2倍时岩样应力（MPa）是，二者的轴向应变（%）分别为、，那么弹性模量为：

结合公式对其进行观察计算，原始且没有腐蚀的岩样弹性模量是33.61GPa，在30天后，为31.79GPa，在60天后，为28.07GPa，在90天后，为21.36GPa。腐蚀时间的增加让岩样弹性模量逐渐减小。

2.受酸腐蚀砂岩细观CT扫描

CT技术可以对岩石损伤特性进行多方位且无扰动的识别，将岩石损伤特性与CT数的分布直观定量、CT图像分析进行联系，可以得到在酸性溶液中岩样化学损伤。在此种CT扫描技术的使用下，随着腐蚀时间的延长，发现岩样CT图像渐渐变暗，CT数逐渐变小。PH为2的HCI溶液岩样细观CT图像具有代表意义，沿着岩样可长度方向可以分别选取截面进行细观分析，经过观察，发现在腐蚀90天后，干湿岩样损伤变量在93mm处最大，在51mm处最小，而烘干岩样CT数和初始状态有所减小，岩样的内部矿物结构具有一定改变，岩样密度有所减小。

结论：综上所述，对腐蚀阶段不同情况下砂岩岩样和不同浓度HCI溶液反应快慢程度进行分析，对浸泡时段不同情况下HCI溶液中砂岩纵波波速变化规律与孔隙率进行分析，对单轴抗压强度和弹性模量等方面进行分析，可以得出基于酸雨环境下砂岩腐蚀过程中物理化学性质的变化规律，砂岩密度和化学损伤会受到其物理力学参数变化的影响，对此，业内学者需要对此方面进行深入研究，我国相关部门需要加大环境问题整治力度。

参考文献：

[1]韩铁林,陈蕴生,师俊平.化学腐蚀后砂岩三轴压缩力学特性及其能量机制的试验研究[J].实验力学,2016,31(05):694-706.

[2]韩铁林,师俊平,陈蕴生.砂岩在化学腐蚀和冻融循环共同作用下力学特征劣化的试验研究[J].水利学报,2016,47(05):644-655.