化学环境对灰岩力学性能影响的纳米压痕试验研究
作者单位:西安理工大学
学位级别:硕士
导师姓名:党发宁;薛海斌
授予年度:2021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:腐蚀环境和岩体相互作用后岩体产生的变形、破坏是许多工程上难以解决的问题。岩土体长期处于腐蚀环境,对岩土体内部结构有明显损伤,从而降低其力学性能,使建筑工程遭到破坏。因此研究腐蚀环境下岩石的力学性能对实际工程有重要意义。但传统的宏观试验对岩样的完整性要求较高,且传统单轴、三轴试验属于破坏性试验,可重复性差,试样的个体差异造成测试结果的离散性大。而使用纳米压痕仪研究腐蚀环境下岩石力学性质,解决了传统试验取样的困难,并且解决了破坏性试验中试样难以重复利用的问题,为岩石类材料力学参数的获取提供了新思路。 本文选取西北地区混凝土常用粗骨料灰岩作为研究对象,对其进行化学溶液侵蚀作用下的微观试验,掌握了微观试验仪器下灰岩的力学参数,揭示了灰岩受腐蚀过程与化学溶液反应机理;分析了受侵蚀灰岩的宏细观形貌变化、微观力学劣化规律、化学损伤机理。 主要研究工作及获得认识如下: (1)通过纳米压痕试验,得到灰岩各个力学参数,经统计分析其弹性模量和硬度基本服从正态分布,力学参数分布集中,且这两种力学参数均随试验压痕深度的增加而减小,最终会趋于稳定:断裂韧度分布较集中,离散性小。 (2)通过化学浸泡试验,了解到灰岩在不同化学环境腐蚀作用下,岩样表面有不同程度的腐蚀现象,在不同的浸泡时间段,浸泡溶液和岩样的状态各不相同;灰岩与不同化学环境反应程度为:酸性环境碱性环境中性环境;化学溶液与灰岩试样接触后,酸性溶液中的H+与方解石、白云石、少量云母反应,致使矿物迅速溶解释放出Ca2+、Mg2+、Fe3+等离子,碱性溶液中的OH-与石英反应,溶解释放出Al3+、SiO2等离子。 (3)通过灰岩在化学溶液腐蚀后的纳米压痕试验,发现在不同化学条件下,灰岩的荷载-位移曲线及力学参数劣化程度不同。在不同化学成分作用下,浸泡在Na2SO4溶液较浸泡在CaCl2溶液及去离子水中灰岩的压密阶段明显、弹性阶段短、残余变形大,对灰岩弹性模量和硬度产生的腐蚀程度大小为:Na2SO4溶液CaCl2溶液去离子水;在不同浸泡时间作用下,浸泡时间越长灰岩荷载-位移曲线的压密阶段越明显,弹性阶段越短,残余变形越大,灰岩弹性模量和硬度值也越来越低;不同pH值作用下,酸性环境较碱性环境和中性环境下灰岩荷载-位移曲线压密阶段明显、弹性阶段短、残余变形大,灰岩弹性模量和硬度产生的侵蚀程度也不同,其腐蚀程度大小为:酸性环境碱性环境中性环境。 (4)分析岩石在化学环境下的纳米损伤机理,计算经化学腐蚀后灰岩的纳米损伤变量,发现灰岩的纳米损伤规律很明显,不同化学成分下,浸泡在Na2SO4溶液中的灰岩比浸泡在CaCl2溶液和去离子水中损伤明显;不同浸泡时间下,随着浸泡时间的增加,灰岩纳米损伤程度不断增加,但是增加的幅度逐渐减小,有明显的时间效应;不同化学环境下,强酸环境下灰岩损伤比强碱环境损伤大,中性环境损伤最小,总体来说,pH值越趋于中性,损伤越小。 (5)通过薄片鉴定、电镜扫描等微观试验手段,发现灰岩的主要矿物成分为方解石、白云石、石英和云母,是以方解石为主的碳酸盐岩;灰岩的微观结构表面较平整,在压痕边角部分,压棱延长线方向会产生细小微裂纹;在不同化学腐蚀环境下,其微观结构和压痕形貌腐蚀程度不同,灰岩浸泡在化学溶液中微观结构破坏程度大小为:酸性环境碱性环境中性环境。