酸性干湿循环作用灰岩腐蚀过程及强度劣化特性试验研究
作者单位：桂林理工大学
学位级别：硕士
导师姓名：张研
授予年度：2020年
学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）]
摘 要：长期以来,水-岩相互作用是岩土工程领域热门的研究课题。岩土体崩塌、滑坡等地质灾害的形成,均与水的长期作用密切相关。近年来,迅猛发展的工业带来环境恶化等问题。酸性降雨属其中一种影响。自然界日照及降雨往往交替进行,这种循环作用将加剧岩石物理力学性质的劣化,导致地质灾害频发。为深入研究日照及降雨交替对岩石的劣化影响,设计并进行了石灰岩的干湿循环试验,并借助核磁共振、电感耦合等离子体原子发射光谱法等技术追踪试件的物理化学指标。通过对干湿循环后的单轴压缩试验、巴西劈裂试验的结果分析,得到各物理力学参数与干湿循环次数及作用环境间的关系。具体研究工作及成果如下:1.进行了两种规格灰岩试件的干湿循环试验。在pH为3、5的硫酸-硝酸混合液及蒸馏水（pH=7）环境下,对规格为Φ×H为48mm×30mm及48mm×100mm的灰岩试件进行0（自然烘干）、1、5、10次干湿循环试验。通过称量各干湿循环节点试件的质量并进行核磁共振试验分析灰岩质量损失、饱和吸水率及孔隙度变化与干湿循环次数n、pH之间的关系。结果表明:酸性作用环境可较明显地改变试件质量和吸水能力,反映在酸性作用环境的pH越小,质量阶段损失率及吸水率愈高,且随干湿循环次数n的增加,二者阶段改变幅度有所降低。核磁共振T2谱随n的增加明显右移,T2谱面积也显著增大。横向弛豫时间与T2谱面积表征的孔隙度与n正相关,在数值上与pH负相关。2.进行了干湿循环后的单轴压缩试验。将干湿循环后烘干的试件分批进行单轴压缩试验,形成应力-应变曲线,计算各试件的弹性模量及单轴抗压强度,描述灰岩试件受荷变形过程及最终破坏形式。多数灰岩试件的应力-应变曲线呈齿状上升,同一干湿循环节点时,溶液pH越小,弹性模量及单轴抗压强度愈小。同种pH下,干湿循环次数越多,弹性模量及单轴抗压强度的降幅也越大。表明酸性作用环境对弹性模量及单轴抗压强度的影响是明显的,试件的弹性模量及单轴抗压强度与干湿循环次数n呈对数关系,与pH呈正相关关系。3.进行了干湿循环后的巴西劈裂试验。通过采集试验数据得到灰岩试件的抗拉强度。属脆性岩石的灰岩,其单轴抗拉强度随干湿循环次数n降低,其降低幅度逐渐减小。拟合抗拉强度与浸泡溶液pH间的曲线,表明抗拉强度与溶液的pH具有正相关关系,同时也反映n越大,抗拉强度越低。4.进行了干湿循环后溶液元素质量浓度检测试验。对干湿循环浸泡后的溶液稀释100倍再进行元素质量浓度检测。检测元素中,Ca元素质量浓度最高,其次是Fe元素和Mg元素。通过分析Ca元素质量浓度与干湿循环次数n及pH的关系,表明Ca元素质量浓度随n的增长速率基本呈倍数增加。表明持续维持溶液pH,Ca元素的析出速率较为稳定。此外,Ca元素质量浓度与试件的单轴抗压强度及抗拉强度呈负相关关系。5.对各试件物理力学参数的劣化效果进行了对比。通过对各作用环境下物理力学参数随n的劣化函数归一化及求导,对比各物理力学参数随干湿循环次数的劣化程度。不同作用环境下,各参数的劣化效果为:pH=3时,单轴抗压强度弹性模量孔隙度单轴抗拉强度吸水率;pH=5时,单轴抗压强度弹性模量单轴抗拉强度孔隙度吸水率;pH=7时,单轴抗压强度弹性模量吸水率孔隙度单轴抗拉强度。6.干湿循环是岩石质量损失、孔隙增大、各元素质量浓度上升、物理力学性质指标劣化的重要条件,酸性作用环境进一步加速了各项指标的劣化进程。而干湿循环过程质量的损失、孔隙率的增加、元素质量浓度上升与岩样腐蚀阶段后的各物理力学指标具有对应关系:浸泡化学反应过程试件质量的损失即造成孔隙的增大,析出离子增多,整个岩样表层骨架支撑减弱,加之干湿循环造成的软化效应,最终物理力学指标劣化。以上各指标变化趋势中,酸性愈强,各项指标随干湿循环次数变化愈明显。
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