岩石温度-化学耦合作用下力学性能及实验研究

摘要：目前，裂隙岩石的温度-化学耦合过程研究已成为国际岩土工程领域最前沿的课题之一。

在地下处理及边坡工程中，裂隙岩石所赋存的地质条件十分恶劣，所涉及的物理-化学过程复杂，主要有热传输过程（T）、介质应力变形（包括断裂、损伤）过程（M）、化学反应（C）等几个过程。一方面裂隙岩体受地热、水化学溶液侵蚀作用后，使其物理化力学性质发生很大变异，另一方面，水溶液通过溶蚀岩体而将溶蚀物质带走，使岩体性状变差，严重影响岩土工程的长期稳定性。因此耦合过程研究是相关的岩石工程的最基础性研究之一，具有十分重要的科学意义和工程意义。

关键词：力学性能 腐蚀 损伤 变量 单轴试验

中图分类号：C33 文献标识码：A 文章编号：

一、化学损伤变量的定义

（1）损伤机理岩石被浸泡在各种化学溶液里发生的化学作用，主要有溶解作用、水解作用和碳酸化作用等。而且岩石中有很多矿物能溶解于水，如K+、Na+等氯化物，Ca2+

,Mg2+等氯化物和碳酸盐以及Fe3+ ,A13+等氧化物和硅酸盐，所以岩石受到化学作用后，其中岩石中胶结物质反应掉而使剩余难溶矿物丧失相互胶结能力，使岩石变得松散脆弱，有效承载面积降低。

（2）化学损伤变量根据有效承载面积定义化学损伤变量：

DC==（1）

其中,R,V0, 分别是岩石初始有效承载面积，承载体体积,及质量。，，，分别是化学腐蚀后岩石没有承载能力部分的面积，体积及质量。

二、化学损伤变量的计算

设化学溶液与岩石反应的一般化学反应方程式为：

（2）

其中A为与岩石反应的溶质，B为岩石中参与反应的成份，G，H为化学反应生成物

由化学动力学方程得：

（3）

其中是A物质化学反应速率，是化学反应速率常数，,分别为A物质与B物质的浓度，，是反应级数。

由Arrhenius (阿仑尼乌斯)公式[1]可得

其中为前置因子，Ea 为反应活化能，R为气体常数取8.314，T为反应温度。

故 化学反应速率方程为

单位：（4）

设岩石在化学溶液中浸泡的时间为t,从0~t时间，温度变化函数为T(t),浓度变化函数为

，溶液体积为V则经过时间t, A物质的消耗量为

N1= （5）

B物质的消耗量为 N2= （6）

设岩石中每种成份都是均匀分布的，反应消耗掉的B物质的摩尔质量为MB ，B物质质量占岩石总质量的比重为p，则化学腐蚀导致岩石结构破坏丧失承载能力部分的质量为

（7）

则化学-温度作用下的化学损伤变量为

DC= = （8）

三、试验验证

本文取文献[4~5]（“均质砂岩酸腐蚀的力学性质分析”霍润科等著）中的实验数据验证常温下本文本构模型。

原文实验数据如下

岩石成份：Φ50 mm×100 mm的标准钙质砂岩试件。岩样的天然密度为2.47 g/cm3,孔隙率4.43%,其主要矿物成分为石英(450 g/kg)、长石(350 g/kg)、岩屑(=100 g/kg)，钙质 CaCO3

(40 g/kg)和泥质胶结率(

胶结。实验温度:恒温20 单个试件浸泡盐酸溶液体积 2L，盐酸浓度0.1mol/L

表1

不同溶液中岩石各阶段的单轴抗压强度值(MPa)

主要化学反应方程式：

2HCL+CaCO3=CaCL2+CO2+H2O

T=293K时，

化学反应速率方程为 (13) [6~7]

表 2

时间t（天） 0 5 9 14

0.776 0.7498 0.7338 0.711

根据表2数据 利用牛顿插值法求得盐酸浓度随时间变化函数为

由(5)式，（13）式可得

浸泡 5天后消耗的HCl 量为

= =2.270mol

浸泡 9天后消耗的HCl 量为

=4.0385mol

浸泡 14天后消耗的HCl 量为

=6.2024mol

将上述数据分别代入（6）(7)(8)式可得

浸泡 5天后=28.375g

同理求得浸泡 9天后

浸泡 14天后

代入（11）式得

同理可求得浸泡 9 天后

浸泡 14天后

当时峰值损伤，抗压强度计算值与实验值对比见下表

时间t（天） 抗压强度（Mpa)

时间t（天） 峰值应变（%)

浸泡5天时的本构模型

同理可得浸泡14天岩石的本构模型：

）

）

应力-应变对比图形见下图

文献实验曲线图[5]：

浸泡5天应力-应变曲线图 浸泡14天应力-应变曲线图

本文计算模拟曲线图：

浸泡5天应力-应变模拟图浸泡14天应力-应变模拟图

四、结论

本文在损伤理论的基础上，利用化学动力学原理，建立了温度-化学作用下下的岩石本构模型，并利用文献，中的已有实验数据对本构理论进行了常温下验证，从实验和理论对比可以发现：

峰值应力前，实验数据与计算值吻合较好，峰值应力，应变预测值与实验值基本吻合。岩石破坏后，实验曲线与理论曲线有所出入。

对于水的物理作用对岩石力学性能的影响，比如溶解作用，水流作用，本文暂未考虑。

不同温度环境下岩石力学性能实验正陆续展开，其计算结果尚需大量试样的进一步分析和验证,以便对模型进行修正和完善。

参考文献

[1] 董元彦，李宝华等，物理化学。科学出版社，2004

[2] 余寿文，冯西桥。损伤力学。清华大学出版社，1997

[3] 钱济成，周建方，岩石混凝土的两种损伤模型及其应用。河海大学报，1989，3，40~47

[4] 霍润科，李 宁，刘汉东，均质砂岩酸腐蚀的力学性质分析西北农林科技大学学报(自然科学版)，2005.8，8(33)

[5] 朱运明，李宁，酸性环境中砂岩强度、变形性质的实验研究，中国优秀硕士学位论文，西安理工大学2001

[6] 彭永伟，梁冰，水化学作用对岩石损伤的实验研究，采矿工程学新论——北京开采所研究生论文集，第一部分-矿山岩石力学基础理论及应用，2005

[7] 彭永伟, 岩石水化学损伤的机理及模型研究 中国优秀硕士学位论文，辽宁工程技术大学，2005