高明明， 祝艷波， 苗帥升， 田王慧， 龔政豪， 巨之通

(長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，西安 710054)

近年來，隨著中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)不斷加快，所遇到的巖土工程問題越來越多，而石膏巖的溶蝕性及軟化性導(dǎo)致的隧道工程問題時(shí)有發(fā)生[1-2]。石膏巖是蒸發(fā)巖的一種，主要成分為CaSO4·2H2O或CaSO4，石膏質(zhì)巖具有遇水軟化、吸水膨脹等特殊的物理化學(xué)性質(zhì)，會(huì)誘發(fā)一系列巖土工程問題。因此，需要對(duì)石膏巖這些特殊性質(zhì)進(jìn)行研究，根據(jù)其在不同溶液下的變化，探討其溶蝕性及強(qiáng)度特性，為工程建設(shè)提供參考依據(jù)。

目前，中外學(xué)者針對(duì)不同溶液下巖石的溶蝕特性及軟化性質(zhì)進(jìn)行了研究，成果頗豐。范維等[3]通過溶蝕試驗(yàn)來研究白云巖，認(rèn)為其質(zhì)量的降低主要是水與碳酸鹽作用過程中Ca2+、Mg2+等離子的丟失所造成的。安波等[4]開展了白云巖與草酸的靜態(tài)溶蝕實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)草酸的濃度對(duì)溶蝕量影響顯著，當(dāng)其濃度較高時(shí)，由于反應(yīng)生成的白色沉淀物附著于巖石表面，阻止內(nèi)部溶蝕反應(yīng)的繼續(xù)發(fā)生，Mg2+等離子溶出量不會(huì)增加。蘇小虎等[5]通過偏光顯微鏡觀察對(duì)比溶蝕前后的礦物組合和孔隙變化，研究凝灰質(zhì)砂巖溶蝕作用機(jī)理。張紹云等[6]從化學(xué)成分的角度出發(fā)，對(duì)某典型的石膏晶洞內(nèi)的水分、土壤進(jìn)行了研究。林艷等[7]研究了醋酸銨溶液的濃度對(duì)磷石膏溶蝕量的影響，發(fā)現(xiàn)溶蝕量與醋酸銨溶液的濃度并不是線性關(guān)系，而是先增加后減小的。黃英華[8]開展了自然狀態(tài)下和飽水條件下硬石膏的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)水對(duì)硬石膏的強(qiáng)度影響較大，飽水條件下的強(qiáng)度遠(yuǎn)低于自然狀態(tài)下。梁衛(wèi)國等[9]將石膏置于不同濃度的鹽(NaCl)溶液中浸泡，發(fā)現(xiàn)飽和鹽溶液對(duì)于石膏的溶蝕強(qiáng)度小于半飽和鹽溶液。Kurger等[10]、Rinaudo[11]、Badens等[12]、Pan等[13]從離子微觀角度分析離子對(duì)于石膏結(jié)構(gòu)與形貌的影響。張鳳娥等[14]研究發(fā)現(xiàn)鹽溶液濃度為7%時(shí)，石膏在鹽溶液中的溶解度約為水中的2倍，但當(dāng)鹽溶液濃度升高時(shí)，石膏的溶解度又發(fā)生減小。吳銀亮[15]對(duì)石膏巖進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)含水率對(duì)其強(qiáng)度影響很大，其強(qiáng)度、彈性模量、變形模量與含水率呈負(fù)相關(guān)，而泊松比與含水率則呈現(xiàn)正相關(guān)。李亞等[16]對(duì)不同干-濕循環(huán)次數(shù)的石膏進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，得出干-濕循環(huán)次數(shù)與石膏巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量呈負(fù)相關(guān)。高紅波等[17]從溫度和濃度出發(fā)，對(duì)溶蝕后的石膏巖進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)溫度越高，鹽分越大，溶蝕時(shí)間越大其強(qiáng)度越低；黃明等[18]研究了pH對(duì)泥頁巖的溶蝕影響，認(rèn)為堿性溶液會(huì)抑制其溶解，而酸性溶液會(huì)促進(jìn)其溶解。

以上研究均是研究單一溶液環(huán)境對(duì)石膏巖試樣的影響，但對(duì)于石膏巖在不同的酸堿鹽溶液中的溶蝕特性及軟化性質(zhì)的對(duì)比研究則相對(duì)較少。基于石膏在不同的溶液中的靜態(tài)溶蝕實(shí)驗(yàn)，結(jié)合微觀電鏡掃描及單軸壓縮試驗(yàn)、聲發(fā)射試驗(yàn)來研究石膏的溶蝕特性及強(qiáng)度性質(zhì)，從而更為有利地指導(dǎo)工程施工。

1 試樣制備

試驗(yàn)所取巖樣為湖北某隧道出露的圍巖，其石膏含量為89%，含膏成分較高，呈灰白色，粒狀晶質(zhì)，加氯化氫不起泡，抵抗其他物體在其表面刻劃的能力即硬度為2～3 MPa，3組互相垂直的解理。主要的組成成分為石膏，還混有白云石等。

試驗(yàn)中試樣均為底面積相同、密度相同、高度相同的加工樣，石膏巖試樣如圖1所示。為避免所取巖樣的離散性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果帶來影響，在位置接近、出露情況一致處鉆取巖心，按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)建議的實(shí)驗(yàn)室規(guī)范要求，加工成φ50 mm×100 mm的圓柱體試樣。經(jīng)過初步篩選，將自然位置臨近的試件分為同一組，然后稱重，并用油彩筆對(duì)分組試件進(jìn)行編號(hào)。

圖1 石膏巖試樣Fig.1 Samples of gypsum rock

環(huán)境掃描電鏡試樣制備：分別在各溶蝕后的試樣相同位置切割加工成厚度近似相同的試樣，盡量保持其原有形狀。

2 試驗(yàn)方法及過程

將制備好的試樣分別在蒸餾水、鹽溶液(氯化鈉溶液)、酸溶液(冰醋酸溶液)、堿溶液(氫氧化鈉溶液)中進(jìn)行靜態(tài)溶蝕試驗(yàn)，并在電子顯微鏡下觀察不同溶液下石膏巖的結(jié)構(gòu)變化，之后進(jìn)行強(qiáng)度與變形特性試驗(yàn)，共4組試驗(yàn)。

2.1 靜態(tài)溶蝕試驗(yàn)

分別將制備好的4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)石膏巖試樣置于純水(蒸餾水)、氯化鈉溶液(濃度為0.5 mol/L)、冰醋酸溶液(濃度為0.058 mol/L、pH=3)、NaOH溶液(濃度為0.01 mol/L、pH=12)中，在連續(xù)的29 d內(nèi)每天12：00測量試樣質(zhì)量。

2.2 單軸壓縮與聲發(fā)射試驗(yàn)

把加工好的試樣分為4組并標(biāo)記編號(hào)，用真空泵對(duì)巖樣進(jìn)行抽飽和，先干抽8 h，然后在此負(fù)壓下浸水12 h，然后在大氣壓下浸泡12 h后準(zhǔn)備試驗(yàn)。在進(jìn)行加載試驗(yàn)的同時(shí)同步開展聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn)。本次聲發(fā)射測試中設(shè)定的主要參數(shù)包括分析系統(tǒng)主放為40 dB、門檻值為45 dB、傳感器諧振頻率為20～400 kHz、采樣頻率為106次/s。

2.3 石膏巖微觀電鏡試驗(yàn)

為更好地研究試樣在不同溶液中的微觀結(jié)構(gòu)、形貌特征，從微觀上分析試樣的溶蝕軟化特點(diǎn)，采用電子顯微鏡掃描經(jīng)不同溶液浸泡后的試樣，觀察對(duì)比其微觀形態(tài)、孔隙特征。將經(jīng)4種溶液浸泡過的試樣敲碎，選取具有新鮮斷面的小塊試樣，利用液氮冷凍裝置進(jìn)行脫水處理后用電子顯微鏡觀察新鮮斷面。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 靜態(tài)溶蝕試驗(yàn)結(jié)果

各溶液中石膏巖試樣的質(zhì)量隨時(shí)間變化明顯，經(jīng)過29 d溶蝕后，石膏巖試樣在純水中浸泡后溶蝕總量為3.12 g，在氯化鈉溶液中溶蝕總量為6.4 g，與盧耀如等[19]所發(fā)現(xiàn)的石膏巖試樣在鹽溶液中溶解度是純水中的2倍較為相似。冰醋酸溶液中溶蝕總量為2.91 g，氫氧化鈉溶液中溶蝕總量為2.73 g。圖2所示為石膏巖試樣質(zhì)量占初始質(zhì)量百分比隨時(shí)間變化，可以發(fā)現(xiàn)：紅色曲線變化幅度最大，由100%降到最低的94.77%；純水、氫氧化鈉溶液、冰醋酸溶液中的試樣變化曲線較為相近，相差不大?？傮w上以氯化鈉溶液對(duì)石膏巖溶蝕最為嚴(yán)重，其次為純水、冰醋酸溶液、氫氧化鈉溶液。

為了觀察溶蝕后試樣微觀結(jié)構(gòu)特征，對(duì)溶蝕后的石膏巖試樣進(jìn)行電鏡掃描(scanning electron microscope, SEM)，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，在氯化鈉溶液中浸泡后的圖3(a)試樣遭到溶蝕破壞最為嚴(yán)重，而圖3(b)及圖3(c)為純水、冰醋酸溶液中浸泡后的試樣，兩者較圖3(a)溶蝕較輕，但三者微觀晶體均遭到溶蝕破壞，解理面不再明顯，晶間孔隙度增加，晶格間的物質(zhì)被溶蝕、崩解掉；而圖3(d)浸泡在氫氧化鈉溶液中的試樣，可見明顯的解理，晶面平整、光滑，具有完整性的特點(diǎn)，也從微觀方面驗(yàn)證了圖2中各個(gè)試樣的溶蝕百分比。

圖2 石膏巖試樣質(zhì)量百分比與時(shí)間的關(guān)系Fig.2 Relations between percentage and time of gypsum rock sample

圖3 石膏巖溶蝕后SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of gypsum rock after dissolution

3.2 聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果

裂紋的發(fā)展演化通常伴隨著材料內(nèi)某一位置處能量積聚與釋放、彈性波的傳播。聲發(fā)射技術(shù)就是捕捉這些聲發(fā)射信號(hào)并加以記錄、分析。用于分析內(nèi)部損傷的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)主要包括振鈴計(jì)數(shù)、撞擊數(shù)、事件計(jì)數(shù)、能量計(jì)數(shù)、幅度、持續(xù)時(shí)間等。聲發(fā)射內(nèi)容均采用振鈴計(jì)數(shù)為例進(jìn)行分析。

經(jīng)各溶液溶蝕以后，在進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與溶蝕量大致呈正比，即溶蝕量越大，試樣內(nèi)部裂隙越多，聲發(fā)射次數(shù)就多。從單獨(dú)振鈴計(jì)數(shù)可以總結(jié)出，冰醋酸和氫氧化鈉溶液溶蝕后的試樣聲發(fā)射主要發(fā)生在試驗(yàn)的后半程，而水與氯化鈉聲發(fā)射活動(dòng)主要發(fā)生在試驗(yàn)初始階段。

圖4所示為石膏巖試樣浸泡在冰醋酸中表現(xiàn)出的壓力性質(zhì)及聲發(fā)射信息，可見前期振鈴計(jì)數(shù)大，聲發(fā)射信號(hào)相對(duì)強(qiáng)烈，之后振鈴計(jì)數(shù)少而弱，在300～350 s試樣破壞后振鈴計(jì)數(shù)陡增，且存在滯后現(xiàn)象，而其累計(jì)的振鈴數(shù)前期增加較快，之后緩慢，在試樣破壞后則突然增加，這是由于前期的積累應(yīng)變能在后期突然釋放，內(nèi)部微裂紋貫通呈宏觀裂紋展布，從而使聲發(fā)射信息突變密集、強(qiáng)烈。

圖4 冰醋酸中試樣壓力、聲波參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系Fig.4 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in aceticacid

圖5 氫氧化鈉溶液中試樣壓力、聲波參數(shù)與時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationsamong sample pressure, acoustic parameters and time in sodium hydroxide solution

圖5所示為石膏試樣浸泡在氫氧化鈉溶液中表現(xiàn)出的壓力性質(zhì)及聲發(fā)射信息，可見前期振鈴計(jì)數(shù)大，信號(hào)相對(duì)強(qiáng)烈，之后振鈴計(jì)數(shù)少而弱，期間存在幾個(gè)峰值，在350 s后試樣壓力曲線有下降趨勢，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)高峰，而其累計(jì)的振鈴數(shù)前期增加較快，之后緩慢，在350 s后則突然陡增，這同圖4存在相同現(xiàn)象，這可能是由于試樣在350 s時(shí)發(fā)生破壞，但是由于試驗(yàn)量程有限，故未能測到其破壞時(shí)的現(xiàn)象。

圖6 純水中試樣壓力、聲波參數(shù)與時(shí)間關(guān)系Fig.6 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in pure water

圖6所示為石膏巖試樣浸泡在純水所表現(xiàn)出的壓力性質(zhì)及聲發(fā)射信息，可見前期振鈴計(jì)數(shù)大，聲發(fā)射信號(hào)較為強(qiáng)烈，之后振鈴計(jì)數(shù)少而弱，在270 s試樣破壞后振鈴計(jì)數(shù)陡增，且存在滯后現(xiàn)象，而其累計(jì)的振鈴數(shù)前期增加較快，之后緩慢，在試樣破壞后則突然增加，這是由于前期的積累應(yīng)變能在后期突然釋放，內(nèi)部微裂紋貫通呈宏觀裂紋展布，從而使聲發(fā)射信息突變密集、強(qiáng)烈。

圖7所示為石膏巖試樣浸泡在氯化鈉溶液中所表現(xiàn)出的壓力性質(zhì)及聲發(fā)射信息，可見前期振鈴計(jì)數(shù)大，聲發(fā)射信號(hào)較為強(qiáng)烈，之后振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)較少而有所減弱，在200 s時(shí)試樣破壞后振鈴計(jì)數(shù)有所增加但不明顯，同樣存在滯后現(xiàn)象，而其累計(jì)的振鈴數(shù)前期增加較快，之后平緩，甚至出現(xiàn)水平曲線，這是由于局部受到孔隙水作用，含水率改變了試樣的破壞過程，甚至短時(shí)間內(nèi)減弱了波的傳播，舊裂紋緩慢擴(kuò)展[20]，在試樣破壞后的150 s后才突然增加。

圖7 氯化鈉溶液中試樣壓力、聲波參數(shù)與時(shí)間關(guān)系Fig.7 Relations among sample pressure, acoustic parameters and time in sodium chloride

3.3 單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

為對(duì)比不同溶液環(huán)境下試樣的抗壓強(qiáng)度，現(xiàn)將不同溶液溶蝕后的試樣抗壓強(qiáng)度、彈性模量、泊松比列于表1中。從表中可以看出，氫氧化鈉溶液中浸泡的試樣強(qiáng)度最大，氯化鈉溶液中最小，冰醋酸與純水中試樣處于中間。這與溶蝕質(zhì)量變化一致。溶蝕質(zhì)量越多，試樣破壞越嚴(yán)重，強(qiáng)度降低的越多。

表1 不同溶液環(huán)境下試樣的抗壓強(qiáng)度與變形指標(biāo)Table 1 Compressive strength and deformation index of specimens under different solution conditions

泊松比大說明試樣受力之后，橫向變形量較縱向變形量要大。泊松比的變化也從一定程度上體現(xiàn)了試樣在溶液中浸泡之后的塑形與脆性的變化。浸泡后試樣的泊松比總體上表現(xiàn)為溶蝕量越大，泊松比越大，試樣塑性越明顯，但氫氧化鈉溶液中浸泡后的試樣不符合這一規(guī)律，這是因?yàn)樵跉溲趸c溶液中浸泡后生成氫氧化鈣覆蓋在試樣的表面，有所差異。

同時(shí)作出單軸壓縮試驗(yàn)軸向應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系曲線(圖8)。從中可以看出:在冰酸溶液環(huán)境下石膏巖試樣塑性變?nèi)?，脆性變?qiáng)，強(qiáng)度較純水環(huán)境下高；在氯化鈉溶液環(huán)境下，石膏巖試樣塑性增大，脆性降低，抗剪強(qiáng)度最小，彈性模量最小，破壞在標(biāo)準(zhǔn)純水中的石膏巖試樣破壞之前；在氫氧化鈉溶液中，塑性最強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度最高。

圖8 石膏巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.8 Stress-strain curve of gypsum rock sample

4 討論

通過對(duì)表1、圖2及圖8的分析發(fā)現(xiàn)，以純水中的石膏巖試樣為參照物，堿溶液環(huán)境下的石膏巖試樣溶蝕量較少，在強(qiáng)度試驗(yàn)量程內(nèi)試樣沒有破壞，其塑性變強(qiáng)，強(qiáng)度變大，這是由于石膏巖在堿溶液中反應(yīng)生成Ca(OH)2，反應(yīng)方程式如下：

在前期，溶液中Ca2+與OH-反應(yīng)生成Ca(OH)2絡(luò)合物，但由于前期Ca2+含量相對(duì)較少，反應(yīng)生成的氫氧化鈣較少，OH-與Na+促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行，之后隨著反應(yīng)的進(jìn)行，生成的氫氧化鈣固體開始增加，包絡(luò)在石膏巖試樣表面形成硬質(zhì)表層，阻止NaOH溶液繼續(xù)溶蝕石膏巖，所以在圖3(d)中，試樣表面為絡(luò)合物，使試樣強(qiáng)度增加，約9.358 MPa，強(qiáng)度變大，石膏巖在試驗(yàn)量程范圍內(nèi)僅有少許的破壞趨勢，沒有發(fā)生完整破壞。

在酸溶液中，據(jù)吳銀亮[15]、祝艷波等[1]研究發(fā)現(xiàn)，石膏巖溶蝕后溶液呈弱酸性，溶液中含有游離的氫根離子，而冰醋酸中游離氫根離子較多，其會(huì)抑制石膏的水解，減小其溶蝕量，所以在冰醋酸溶液環(huán)境下的石膏巖的溶蝕受到游離的氫根離子的抑制，溶蝕程度低于純水，強(qiáng)度大約為8.656 MPa，較純水中試樣強(qiáng)度有所增大，使試樣脆性更明顯。

在鹽溶液中的石膏巖試樣，曲線較為特殊，強(qiáng)度變得很低，僅為3.311 MPa左右，這是由于溶液中的Na+會(huì)降低石膏體硬化體強(qiáng)度[21-22]，使得其表層軟化，溶蝕量增加，強(qiáng)度降低，塑性變強(qiáng)，脆性變?nèi)酢?/p>

5 結(jié)論

(1)不同性質(zhì)的溶液對(duì)石膏巖的影響不同。與純水相比，NaCl溶液增加石膏巖的溶蝕量，冰醋酸減少石膏巖的溶蝕量，氫氧化鈉溶液減少石膏巖的溶蝕量。

(2)與純水中浸泡的試樣相比：浸泡在氫氧化鈉溶液中石膏巖試樣強(qiáng)度變大，塑性變強(qiáng)；經(jīng)冰醋酸溶液溶蝕后，試樣強(qiáng)度少許增加，塑性變?nèi)?，脆性變?qiáng)；經(jīng)過氯化鈉溶液溶蝕，試樣強(qiáng)度降低到純水溶蝕后試樣強(qiáng)度的40%，塑性變強(qiáng)，脆性減弱。

(3)不同溶液環(huán)境對(duì)石膏巖的溶蝕程度不同，溶蝕量越大，內(nèi)部裂隙越多，聲發(fā)射活動(dòng)主要發(fā)生在試驗(yàn)初始階段，累計(jì)發(fā)生次數(shù)總體增加。

(4)不同溶液環(huán)境對(duì)石膏巖的溶蝕及軟化作用不同，為了防止工程問題的發(fā)生，在工程建設(shè)過程中，應(yīng)注意工程所處的溶液性質(zhì)，及時(shí)做好排水工作，或改變?nèi)芤旱男再|(zhì)，減少或抑制其溶蝕及軟化，同時(shí)應(yīng)及時(shí)做好工程防護(hù)措施。