水—岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

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1、第21卷第4期岩石力学与工程学报21(4)：526～5312002年4月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringApril，2002*水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究112汤连生张鹏程王思敬1(中山大学地球科学系广州510275)2(中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学开放实验室北京100029)摘要为了研究水-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

2、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。关键词水溶液，岩石，化学作用，力学效应，化学损伤+分类号TU451，TU458.3文献标识码A文章编号1000-6

3、915(2002)04-0526-06率条件下，测试水-岩化学作用导致岩石单轴抗压强1前言度的变化，以探讨水-岩化学作用的宏观力学效应及其机理。地质环境中的活跃因素是地下水，它是一种成分复杂的化学溶液，即使是纯水，它与岩体相互作2材料与方法用，除了物理上的以外，还有更为复杂的水-岩化学作用或水-岩反应，往往对岩石(体)的力学效应比单2.1岩石试件纯的物理作用产生更大的影响。对遇水后强度降低试验选用花岗岩、红砂岩和灰岩3种岩石，岩的岩石，水是造成其损伤的一个重要原因，有时它石的矿物组成和显微结构参数见表1。3种岩石的试[1]比力

4、学因素造成的损伤更为严重。20世纪60年代，有学者注意到水对岩石的作表1岩石试件的矿物组成、颗粒大小、密度和孔隙度用不能仅从有效应力原理简单地考虑水对受力岩石Table1Composition，grainsize，densityandporosity的力学效应，而且还是一种复杂的应力腐蚀过程。ofthesamples长期以来都认为化学环境对摩擦变形具有相当重要岩石矿物含量颗粒尺寸密度孔隙度[2～6][7]胶结物质－3的作用。一些研究者曾对含水岩石的强度及水试件/%/mm/g·cm/%[8，9]对岩石具时间效应的变形特性和水对岩

5、石的弹花岗岩45An，29Or，25Q，1oth硅质0.2～5.02.650.784[10]性模量、单轴抗压强度的影响程度进行了实验研灰岩95Clc，5oth亮晶＜0.032.690.671究，但却未从具时间效应的水-岩化学作用方面进行红砂岩35Fsp，60Q，5oth钙质+铁质0.25～0.62.026.930研究。总之，对水-岩化学作用导致岩石的力学效应[11]还缺乏较系统的实验研究和认识。本文选取了3注：矿物名称An—斜长石，Or—正长石，Q—石英，Fsp—长石，种岩石，在不同化学性质的水溶液和不同水流动速Clc—方解石

6、，oth—其他。2000年6月5日收到初稿，2000年8月9日收到修改稿。*国家自然科学基金资助项目(59779019)和广东省自然科学基金资助项目(970127)。作者汤连生简介：男，1963年生，博士，毕业于中国地质大学环境科学与工程学院水文工程地质专业，现任副教授，主要从事地质工程、水-岩相互作用方面的教学和研究工作。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，尺寸均采用致单轴抗压强度的变化定义为化学损伤:70mm×70mm×70mm的立方体，表面磨光。D

7、(t)=1－Sc(t)/Sc(0)(1)2.2水溶液的配制式中：D(t)，Sc(t)分别为水-岩反应t时间后的化学损根据所选岩性的特点，如花岗岩、红砂岩矿物伤和单轴抗压强度；Sc(0)为岩石单轴抗压强度的初始++2+中K，Na含量较多，而灰岩的主要阳离子为Ca值。D(t)=0为无损伤，D(t)=1为完全化学损伤。离子，配置了3种中高矿化度型水溶液作为试验水将花岗岩、灰岩和红砂岩各自的天然单轴抗压溶液的初始水溶液(表2)，其中与花岗岩、红砂岩反强度142.3，143.1，45.4MPa作为初始值，再根据2+2+应的水溶液1、水溶

8、液2的主要阳离子为Mg，Ca，反应后岩石单轴抗压强度的试验结果，得到了3种+与灰岩反应的水溶液3的主要阳离子为Na。考虑岩石在不同反应条件下岩石的水化学损伤值，可称–到花岗岩分布区，F的作用广泛，其中水溶液2中之为A型化学损伤，见图1(A型)。A型化学损伤–加入了一定量的F离