水水巖化學作用對巖石的力學效應(yīng)的研究

水水巖化學作用對巖石的力學效應(yīng)的研究

巖化學在自然界廣泛使用。作為地質(zhì)環(huán)境中的一個活躍因素，它是由復(fù)雜的化學劑組成的化學溶液。即使是淡水，也它與巖石的相互作用不僅是物理的，而且是復(fù)雜的水-巖化學和水-巖反應(yīng)。水—巖化學作用不僅導致化學元素在巖石與水之間重新分配,而且導致巖石細微觀結(jié)構(gòu)的改變,這二者的變化都將導致巖石力學性質(zhì)的改變。因此,研究水—巖化學作用對巖石的力學效應(yīng)具有十分重要的意義。水—巖化學作用對巖石的力學效應(yīng)是相當復(fù)雜的,是一個廣闊的研究領(lǐng)域,其未知問題很多。在國內(nèi)外,此領(lǐng)域的研究都剛剛起步。本文系統(tǒng)的總結(jié)了水—巖化學作用對巖石力學效應(yīng)的作用特點、影響因素及其作用機理,并對其做出了展望。1水化學作用對巖石力學性質(zhì)影響的研究早在20世紀60年代,就有學者注意到水對巖石的作用不能僅從有效應(yīng)力原理簡單地考慮,水對巖石還有復(fù)雜的化學應(yīng)力腐蝕作用。近年來隨著研究的深入和學科的交叉,水—巖化學作用對巖石的力學效應(yīng)越來越被重視。一些研究者對含水巖石的強度、水對巖石彈性模量的影響及抗壓強度的影響進行了研究,也有一些學者研究了水化學環(huán)境對摩擦變形的影響及水對巖石具時間效應(yīng)的變形特性。這些研究表明,水化學作用對巖石的力學性質(zhì)影響很大,具有明顯的時間效應(yīng)。除了這些對水—巖化學作用與宏觀變形的研究外,不少學者通過室內(nèi)實驗越來越認識到水—巖作用對巖石微觀力學的破裂機理及內(nèi)部損傷動態(tài)演化過程研究的重要性。Atkinson開展了化學溶液對裂隙擴展速率、應(yīng)力強度因子和應(yīng)力強度系數(shù)影響的研究;Peak初步考慮了石英巖的應(yīng)力腐蝕及裂隙擴展特點;馮夏庭、陳四利、王泳嘉等[15,16,20,21,22,23,24]從水化學腐蝕效應(yīng)的角度研究了水—巖作用對巖石的力學效應(yīng);湯連生則主要從水—巖化學反應(yīng)及水化學損傷的角度研究了水—巖的力學和環(huán)境效應(yīng),并對巖石水化學損傷機制及定量分析方面進行了研究和探討;顏玉定則探討了飽水時間對巖石動態(tài)參數(shù)的影響。以上這些研究都是對一般巖類、一般成分與水化學溶液的相互作用,而對特殊巖類則缺乏研究。一些學者則從工程應(yīng)用的角度認識到室內(nèi)實驗應(yīng)與工程實踐相結(jié)合,提出應(yīng)對工程巖體穩(wěn)定性形成重要影響的特殊巖類——軟巖與水的相互作用給予重視,加強軟巖與水的化學腐蝕規(guī)律和力學效應(yīng)的研究。目前,對于強度腐蝕的化學作用過程的機理研究則已涉及到的有:①水的pH值作用;②溶解作用;③水解作用;④離子交換作用;⑤溫度的影響;⑥壓力的影響。2水-巖化學對巖石力學性質(zhì)的影響2.1水化學作用基本效應(yīng)水—巖化學作用對巖石宏觀力學性質(zhì)的影響主要是指巖石的抗壓強度、彈性模量、應(yīng)力應(yīng)變以及斷裂力學指標等。通過實驗研究表明,水—巖化學作用對巖石宏觀力學性質(zhì)的影響具有以下幾個特點:(1)水—巖化學作用對巖石的力學效應(yīng)具有明顯的時間效應(yīng),對于不同巖性的巖石,其時間效應(yīng)不同。(2)水化學作用降低了巖石的抗壓強度、彈性模量,其影響顯著。(3)水化學作用對巖石力學性質(zhì)的改變具有差異性,即不同巖性、不同水化學成分,其改變程度不同。對于花崗巖、砂巖和灰?guī)r三種巖石在同一水溶液時,砂巖的單軸抗壓強度降低值明顯大于另外兩種巖石;而對于同種巖石在不同化學成分的水溶液中時,除了對砂巖影響相差不是很大外,另外兩種巖石的影響相差都很明顯。(4)水—巖化學作用對巖石的斷裂力學效應(yīng)也是顯著的。試驗表明,不同巖性、不同浸泡方式及不同水溶液流動速率對巖石斷裂力學指標的影響存在著較大差異?？傮w上,水化學作用對斷裂力學指標的影響程度與水—巖反應(yīng)的強度成正比。2.2巖石及其產(chǎn)物的性質(zhì)(1)水溶液的成分及化學性質(zhì)。(2)水的流動狀態(tài)。水巖化學作用的活躍性要受水的活動狀態(tài)控制,處于地下水徑流越強烈的巖石(體),其所受的水化學侵蝕就越強。(3)巖石的成因,如巖石形成的條件、溫度、時間以及地質(zhì)構(gòu)造作用和風化作用等。(4)巖石礦物與膠結(jié)物的成分。研究表明,巖石中的含鐵離子或鈣離子的礦物及膠結(jié)物成分是水—巖化學作用力學效應(yīng)的一些關(guān)鍵離子或物質(zhì)成分,尤其是含鐵離子的礦物對水—巖反應(yīng)具有正反兩方面的力學效應(yīng)。(5)巖石的本身物理性質(zhì)和結(jié)構(gòu),比如親水性、孔隙度、裂隙裂紋的發(fā)育情況及透水性。(6)溫度。(7)壓力。3配置機制水化學作用對巖石的力學效應(yīng),其機理十分復(fù)雜,對其有各種解釋,其中也有以能量的觀點來解釋水化學作用對巖石力學性質(zhì)改變的機理。3.1巖石強度侵蝕的作用機制3.1.1hcl、naoh溶液對石英應(yīng)力強度的影響Wiederhorn等早在1973年就研究了pH值對玻璃裂隙擴展的影響,Atkinson等則研究了HCl、NaOH溶液對石英裂隙擴展速率、應(yīng)力強度因子和應(yīng)力強度系數(shù)的影響。實驗研究表明pH值對巖石力學性質(zhì)的改變非常顯著,影響很大,pH值越小(酸性)和越大(堿性),其對巖石的腐蝕效應(yīng)就越大。3.1.2化學作用的影響水解作用一直是一些難溶礦物風化溶蝕的主要機制,對巖石礦物的后生變化有著重要的作用。如作為許多巖石主要成份的硅酸鹽、鋁硅酸鹽在水解作用下會產(chǎn)生粘土礦物的沉淀析出。對于二氧化硅,有學者認為在裂隙尖端初變形的Si—O鍵比未變形的要更容易與環(huán)境因素發(fā)生作用,從而使鍵出現(xiàn)了弱化現(xiàn)象,在應(yīng)力作用下比未變形鍵更容易產(chǎn)生破壞。二氧化硅玻璃和石英在水環(huán)境下弱化的一般表達式為:強Si—O鍵的水解作用能使更弱的氫鍵氫氧團與硅原子相聯(lián)。許多學者通過實驗則假定了此方程是二氧化硅礦物的應(yīng)力腐蝕作用的關(guān)鍵所在,其應(yīng)力腐蝕作用的根據(jù)就是:≡Si—O—Si≡+OH-=Si—O-+≡Si—OH。目前,對于硅酸鹽玻璃臨界斷裂的關(guān)鍵因素是離子水還是分子水仍存在爭論,Freiman認為水分子中的氫核和電子促進了裂隙尖端Si—O—Si鍵的水解作用,而Atkinson等發(fā)現(xiàn)改變氫氧根離子的活度也能明顯地改變水環(huán)境中的石英的裂隙擴展速率,即使在試驗的整個過程中分子的活度基本上維持常數(shù),氫氧根離子濃度的提高也可以導致裂隙擴展速率的提高?？梢?控制化學作用對斷裂擴展的影響的關(guān)鍵因素可能是環(huán)境的化學活性。然而,作為多相集合體的地殼巖石不像常用于實驗室測試的理想單礦物材料,而且長石、云母、輝石、角閃石和橄欖石等礦物比起石英也要復(fù)雜得多,因而研究確定每種巖石或礦物的強度腐蝕中的關(guān)鍵因素將是一項艱巨而重要的工作。3.1.3影響巖石裂隙擴展的因素巖石中許多礦物都能溶解于水,如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等氯化物和碳酸鹽以及Fe3+、Al3+等氧化物和硅酸鹽,當這些易溶礦物隨水流失,難溶礦物殘留原地時,巖石的孔隙度增加,裂隙擴展,從而巖石變得松散脆弱。影響水化學溶解作用對巖石裂隙的擴展作用的因素很多,如環(huán)境濕度、溫度及壓力等。例如,影響地下水中SiO2含量高低的因素中就有水溫。3.1.4堿離子液體裂隙的制備離子交換作用對改變裂隙尖端溶液的化學性質(zhì)起著重要作用。實驗表明,對于水—玻璃系統(tǒng),氫離子與堿離子的交換甚至在室溫條件就會迅速進行,并在裂隙尖端產(chǎn)生一基本溶液。由于裂隙尖端處溶液空間的限制,其pH值會迅速提高,一旦pH>9,二氧化硅晶絡(luò)就會與溶液起化學反應(yīng)。這些離子的交換作用對于臨界斷裂擴展具有重要作用,其作用強度則取決于裂隙尖端處溶液與外界環(huán)境擴散交換的難易程度。3.1.5巖石力學性質(zhì)的改變溫度的升高一般會促進水—巖化學反應(yīng),從而加速水—巖化學作用對巖石力學性質(zhì)的改變。據(jù)砂巖、灰?guī)r等在不同溫度(如20℃、40℃、60℃)的實驗表明,不同水溫環(huán)境下巖石的斷裂韌度不一樣,一般斷裂韌度隨溫度增高而增大。3.1.6裂隙張量和裂隙速度的影響壓力對裂隙擴展的影響是很難估計的,這主要是因為很難分辨壓力對臨界應(yīng)力腐蝕斷裂擴展所具有的4個方面的作用:①固體斷裂擴展的應(yīng)力張量;②隙中流體的力學特性;③微裂隙的擴展過程和微裂隙的影響帶;④裂隙液體與裂隙尖端固體介質(zhì)之間的化學作用(化學勢和作用強度)。如果應(yīng)力腐蝕作用或環(huán)境因素的化學勢動力學和裂隙尖端處反應(yīng)物受到壓力的作用,則可看到壓力對斷裂速率的影響。壓力影響裂隙塑性區(qū)和裂隙尖端過程帶的水化學作用,則需運用細觀損傷力學或考慮損傷的斷裂力學進行研究。3.2巖石的水化學作用能量觀點認為,水—巖的化學作用實際上也是巖石礦物能量平衡變化的過程,利用巖石礦物由于水化學的作用而產(chǎn)生相應(yīng)的能量變化可解釋并定量分析水—巖反應(yīng)的力學效應(yīng)。例如,Dunning等(1984),Boozeretal(1963)和Swolfs(1971)等在對石英的裂隙滲透實驗與砂巖的抗壓實驗中發(fā)現(xiàn),水化學環(huán)境的作用會造成被測礦物表面自由能的減少。又如,斷裂力學中的Griffith(1920)能量方法及Orowan(1949)塑性變形能的分析方法,就取得了很成功的結(jié)果,具有重要的理論和實際意義。而Westwood(1974)通過對固-液體系的研究,則建立了靜電ζ勢差模型,用靜電作用來解釋應(yīng)力腐蝕,發(fā)現(xiàn)當被測礦物上單層吸收的靜電勢為零時,玻璃和石英的壓縮硬度最大,當靜電勢變高時,其壓縮硬度就變小。水化學作用在巖石的腐蝕過程中,會使巖石的內(nèi)聚能不斷減少,最終達到巖石最低的能量狀態(tài)。巖石之所以發(fā)生這一過程,是因為它遵循了這樣的自然規(guī)律,即獲得與周圍環(huán)境相適應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。巖石在外部能量(化學、機械和生物過程等)的不斷作用下,總是通過各種反應(yīng)向著與周圍環(huán)境相適應(yīng)的平衡態(tài)調(diào)整。礦物表面對活躍的化學成分的吸收將導致固體表面能的減少,當達到一個臨界值時,礦物的晶格能就要被破壞并釋放出來。由于上述作用,受力巖石裂隙尖端的化學鍵就要被打破,如此又產(chǎn)生新的表面能區(qū)域,微觀裂隙也就得到擴展。另外,表面化學活性水溶液對巖石表面具有較大的親和力,覆蓋的表面愈大,巖石表面的比表面能就愈低,從而能自動入滲到微細裂紋并向深處擴展,好像在裂紋中打入一個“楔子”,不僅起著劈裂作用,而且防止新裂縫愈合或顆粒粘聚。在此過程中,水溶液的化學性質(zhì)(如親水性)起著重要作用。4研究方法和理論水—巖化學作用是一種基本的地球化學作用,它對巖體的力學效應(yīng)是動態(tài)的。其研究方法主要有實驗方法、歷史演化分析法、數(shù)學模擬分析法和工程地質(zhì)地球化學方法及類比法。在水—巖化學作用對巖體力學效應(yīng)實驗研究的基礎(chǔ)上,定量模擬水—巖相互作用中的一些化學過程,恢復(fù)或回溯水—巖化學作用的演化歷程以及人類工程活動影響后的演化趨勢,則是研究水—巖化學作用對巖體變形破壞力學效應(yīng)的主要方法。5宏觀環(huán)境分析和定量關(guān)系重視水—巖化學作用對巖石的力學效應(yīng)研究無疑具有重要的理論與實踐指導意義,它將以往的工程地質(zhì)學放在一個更加微觀、更加細致的角度去考慮,這也是現(xiàn)代工程地質(zhì)學走向更精細的一個標志。它為工程巖體穩(wěn)定性的評價、地質(zhì)災(zāi)害的防治及相應(yīng)參數(shù)的選擇與分析都提供了一個新觀點。水化學作用對巖石力學效應(yīng)的研究是多學科、多領(lǐng)域的結(jié)合,涉及到工程地質(zhì)學、巖土力學、水文地球化學、地球化學、損傷力學以及斷裂力學等學科?，F(xiàn)實中的巖體都是歷史巖體的發(fā)展,賦存于一定的地質(zhì)環(huán)境中,要受到周圍介質(zhì)場、應(yīng)力場、溫度場以及化學場的相互作用,這就涉及到多場耦合作用:應(yīng)力場、溫度場和化學場之間的相互作用要受到巖體介質(zhì)場的制約;同時,后者又會受到前者的作用而變化,他們之間的耦合關(guān)系如圖1所示。這種多重耦合的相互作用是動態(tài)的演化及逐漸變異和協(xié)調(diào)的過程。因此,研究水化學作用的巖石力學效應(yīng)應(yīng)考慮溫度場、應(yīng)力場以及滲流場的相互作用,不能簡單地從化學場的角度分析其力學效應(yīng),工程上許多破壞現(xiàn)象及地質(zhì)災(zāi)害等都是滲透與水化學綜合作用的結(jié)果。因此,這方面的研究應(yīng)給于足夠的重視。巖石的宏觀力學效應(yīng)是一種從微觀結(jié)構(gòu)的變化導致其宏觀力學性質(zhì)改變的過程,這種復(fù)雜作用的微觀過程是自然界巖體變形破壞的關(guān)鍵所在。因此,研究水化學作用對巖石的細微觀破裂特征和腐蝕機理