水水岩化学作用对岩石的力学效应的研究

水水岩化学作用对岩石的力学效应的研究

岩化学在自然界广泛使用。作为地质环境中的一个活跃因素，它是由复杂的化学剂组成的化学溶液。即使是淡水，也它与岩石的相互作用不仅是物理的，而且是复杂的水-岩化学和水-岩反应。水—岩化学作用不仅导致化学元素在岩石与水之间重新分配,而且导致岩石细微观结构的改变,这二者的变化都将导致岩石力学性质的改变。因此,研究水—岩化学作用对岩石的力学效应具有十分重要的意义。水—岩化学作用对岩石的力学效应是相当复杂的,是一个广阔的研究领域,其未知问题很多。在国内外,此领域的研究都刚刚起步。本文系统的总结了水—岩化学作用对岩石力学效应的作用特点、影响因素及其作用机理,并对其做出了展望。1水化学作用对岩石力学性质影响的研究早在20世纪60年代,就有学者注意到水对岩石的作用不能仅从有效应力原理简单地考虑,水对岩石还有复杂的化学应力腐蚀作用。近年来随着研究的深入和学科的交叉,水—岩化学作用对岩石的力学效应越来越被重视。一些研究者对含水岩石的强度、水对岩石弹性模量的影响及抗压强度的影响进行了研究,也有一些学者研究了水化学环境对摩擦变形的影响及水对岩石具时间效应的变形特性。这些研究表明,水化学作用对岩石的力学性质影响很大,具有明显的时间效应。除了这些对水—岩化学作用与宏观变形的研究外,不少学者通过室内实验越来越认识到水—岩作用对岩石微观力学的破裂机理及内部损伤动态演化过程研究的重要性。Atkinson开展了化学溶液对裂隙扩展速率、应力强度因子和应力强度系数影响的研究;Peak初步考虑了石英岩的应力腐蚀及裂隙扩展特点;冯夏庭、陈四利、王泳嘉等[15,16,20,21,22,23,24]从水化学腐蚀效应的角度研究了水—岩作用对岩石的力学效应;汤连生则主要从水—岩化学反应及水化学损伤的角度研究了水—岩的力学和环境效应,并对岩石水化学损伤机制及定量分析方面进行了研究和探讨;颜玉定则探讨了饱水时间对岩石动态参数的影响。以上这些研究都是对一般岩类、一般成分与水化学溶液的相互作用,而对特殊岩类则缺乏研究。一些学者则从工程应用的角度认识到室内实验应与工程实践相结合,提出应对工程岩体稳定性形成重要影响的特殊岩类——软岩与水的相互作用给予重视,加强软岩与水的化学腐蚀规律和力学效应的研究。目前,对于强度腐蚀的化学作用过程的机理研究则已涉及到的有:①水的pH值作用;②溶解作用;③水解作用;④离子交换作用;⑤温度的影响;⑥压力的影响。2水-岩化学对岩石力学性质的影响2.1水化学作用基本效应水—岩化学作用对岩石宏观力学性质的影响主要是指岩石的抗压强度、弹性模量、应力应变以及断裂力学指标等。通过实验研究表明,水—岩化学作用对岩石宏观力学性质的影响具有以下几个特点:(1)水—岩化学作用对岩石的力学效应具有明显的时间效应,对于不同岩性的岩石,其时间效应不同。(2)水化学作用降低了岩石的抗压强度、弹性模量,其影响显著。(3)水化学作用对岩石力学性质的改变具有差异性,即不同岩性、不同水化学成分,其改变程度不同。对于花岗岩、砂岩和灰岩三种岩石在同一水溶液时,砂岩的单轴抗压强度降低值明显大于另外两种岩石;而对于同种岩石在不同化学成分的水溶液中时,除了对砂岩影响相差不是很大外,另外两种岩石的影响相差都很明显。(4)水—岩化学作用对岩石的断裂力学效应也是显著的。试验表明,不同岩性、不同浸泡方式及不同水溶液流动速率对岩石断裂力学指标的影响存在着较大差异。总体上,水化学作用对断裂力学指标的影响程度与水—岩反应的强度成正比。2.2岩石及其产物的性质(1)水溶液的成分及化学性质。(2)水的流动状态。水岩化学作用的活跃性要受水的活动状态控制,处于地下水径流越强烈的岩石(体),其所受的水化学侵蚀就越强。(3)岩石的成因,如岩石形成的条件、温度、时间以及地质构造作用和风化作用等。(4)岩石矿物与胶结物的成分。研究表明,岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水—岩化学作用力学效应的一些关键离子或物质成分,尤其是含铁离子的矿物对水—岩反应具有正反两方面的力学效应。(5)岩石的本身物理性质和结构,比如亲水性、孔隙度、裂隙裂纹的发育情况及透水性。(6)温度。(7)压力。3配置机制水化学作用对岩石的力学效应,其机理十分复杂,对其有各种解释,其中也有以能量的观点来解释水化学作用对岩石力学性质改变的机理。3.1岩石强度侵蚀的作用机制3.1.1hcl、naoh溶液对石英应力强度的影响Wiederhorn等早在1973年就研究了pH值对玻璃裂隙扩展的影响,Atkinson等则研究了HCl、NaOH溶液对石英裂隙扩展速率、应力强度因子和应力强度系数的影响。实验研究表明pH值对岩石力学性质的改变非常显著,影响很大,pH值越小(酸性)和越大(碱性),其对岩石的腐蚀效应就越大。3.1.2化学作用的影响水解作用一直是一些难溶矿物风化溶蚀的主要机制,对岩石矿物的后生变化有着重要的作用。如作为许多岩石主要成份的硅酸盐、铝硅酸盐在水解作用下会产生粘土矿物的沉淀析出。对于二氧化硅,有学者认为在裂隙尖端初变形的Si—O键比未变形的要更容易与环境因素发生作用,从而使键出现了弱化现象,在应力作用下比未变形键更容易产生破坏。二氧化硅玻璃和石英在水环境下弱化的一般表达式为:强Si—O键的水解作用能使更弱的氢键氢氧团与硅原子相联。许多学者通过实验则假定了此方程是二氧化硅矿物的应力腐蚀作用的关键所在,其应力腐蚀作用的根据就是:≡Si—O—Si≡+OH-=Si—O-+≡Si—OH。目前,对于硅酸盐玻璃临界断裂的关键因素是离子水还是分子水仍存在争论,Freiman认为水分子中的氢核和电子促进了裂隙尖端Si—O—Si键的水解作用,而Atkinson等发现改变氢氧根离子的活度也能明显地改变水环境中的石英的裂隙扩展速率,即使在试验的整个过程中分子的活度基本上维持常数,氢氧根离子浓度的提高也可以导致裂隙扩展速率的提高。可见,控制化学作用对断裂扩展的影响的关键因素可能是环境的化学活性。然而,作为多相集合体的地壳岩石不像常用于实验室测试的理想单矿物材料,而且长石、云母、辉石、角闪石和橄榄石等矿物比起石英也要复杂得多,因而研究确定每种岩石或矿物的强度腐蚀中的关键因素将是一项艰巨而重要的工作。3.1.3影响岩石裂隙扩展的因素岩石中许多矿物都能溶解于水,如K+、Na+、Ca2+、Mg2+等氯化物和碳酸盐以及Fe3+、Al3+等氧化物和硅酸盐,当这些易溶矿物随水流失,难溶矿物残留原地时,岩石的孔隙度增加,裂隙扩展,从而岩石变得松散脆弱。影响水化学溶解作用对岩石裂隙的扩展作用的因素很多,如环境湿度、温度及压力等。例如,影响地下水中SiO2含量高低的因素中就有水温。3.1.4碱离子液体裂隙的制备离子交换作用对改变裂隙尖端溶液的化学性质起着重要作用。实验表明,对于水—玻璃系统,氢离子与碱离子的交换甚至在室温条件就会迅速进行,并在裂隙尖端产生一基本溶液。由于裂隙尖端处溶液空间的限制,其pH值会迅速提高,一旦pH>9,二氧化硅晶络就会与溶液起化学反应。这些离子的交换作用对于临界断裂扩展具有重要作用,其作用强度则取决于裂隙尖端处溶液与外界环境扩散交换的难易程度。3.1.5岩石力学性质的改变温度的升高一般会促进水—岩化学反应,从而加速水—岩化学作用对岩石力学性质的改变。据砂岩、灰岩等在不同温度(如20℃、40℃、60℃)的实验表明,不同水温环境下岩石的断裂韧度不一样,一般断裂韧度随温度增高而增大。3.1.6裂隙张量和裂隙速度的影响压力对裂隙扩展的影响是很难估计的,这主要是因为很难分辨压力对临界应力腐蚀断裂扩展所具有的4个方面的作用:①固体断裂扩展的应力张量;②隙中流体的力学特性;③微裂隙的扩展过程和微裂隙的影响带;④裂隙液体与裂隙尖端固体介质之间的化学作用(化学势和作用强度)。如果应力腐蚀作用或环境因素的化学势动力学和裂隙尖端处反应物受到压力的作用,则可看到压力对断裂速率的影响。压力影响裂隙塑性区和裂隙尖端过程带的水化学作用,则需运用细观损伤力学或考虑损伤的断裂力学进行研究。3.2岩石的水化学作用能量观点认为,水—岩的化学作用实际上也是岩石矿物能量平衡变化的过程,利用岩石矿物由于水化学的作用而产生相应的能量变化可解释并定量分析水—岩反应的力学效应。例如,Dunning等(1984),Boozeretal(1963)和Swolfs(1971)等在对石英的裂隙渗透实验与砂岩的抗压实验中发现,水化学环境的作用会造成被测矿物表面自由能的减少。又如,断裂力学中的Griffith(1920)能量方法及Orowan(1949)塑性变形能的分析方法,就取得了很成功的结果,具有重要的理论和实际意义。而Westwood(1974)通过对固-液体系的研究,则建立了静电ζ势差模型,用静电作用来解释应力腐蚀,发现当被测矿物上单层吸收的静电势为零时,玻璃和石英的压缩硬度最大,当静电势变高时,其压缩硬度就变小。水化学作用在岩石的腐蚀过程中,会使岩石的内聚能不断减少,最终达到岩石最低的能量状态。岩石之所以发生这一过程,是因为它遵循了这样的自然规律,即获得与周围环境相适应的内部结构。岩石在外部能量(化学、机械和生物过程等)的不断作用下,总是通过各种反应向着与周围环境相适应的平衡态调整。矿物表面对活跃的化学成分的吸收将导致固体表面能的减少,当达到一个临界值时,矿物的晶格能就要被破坏并释放出来。由于上述作用,受力岩石裂隙尖端的化学键就要被打破,如此又产生新的表面能区域,微观裂隙也就得到扩展。另外,表面化学活性水溶液对岩石表面具有较大的亲和力,覆盖的表面愈大,岩石表面的比表面能就愈低,从而能自动入渗到微细裂纹并向深处扩展,好像在裂纹中打入一个“楔子”,不仅起着劈裂作用,而且防止新裂缝愈合或颗粒粘聚。在此过程中,水溶液的化学性质(如亲水性)起着重要作用。4研究方法和理论水—岩化学作用是一种基本的地球化学作用,它对岩体的力学效应是动态的。其研究方法主要有实验方法、历史演化分析法、数学模拟分析法和工程地质地球化学方法及类比法。在水—岩化学作用对岩体力学效应实验研究的基础上,定量模拟水—岩相互作用中的一些化学过程,恢复或回溯水—岩化学作用的演化历程以及人类工程活动影响后的演化趋势,则是研究水—岩化学作用对岩体变形破坏力学效应的主要方法。5宏观环境分析和定量关系重视水—岩化学作用对岩石的力学效应研究无疑具有重要的理论与实践指导意义,它将以往的工程地质学放在一个更加微观、更加细致的角度去考虑,这也是现代工程地质学走向更精细的一个标志。它为工程岩体稳定性的评价、地质灾害的防治及相应参数的选择与分析都提供了一个新观点。水化学作用对岩石力学效应的研究是多学科、多领域的结合,涉及到工程地质学、岩土力学、水文地球化学、地球化学、损伤力学以及断裂力学等学科。现实中的岩体都是历史岩体的发展,赋存于一定的地质环境中,要受到周围介质场、应力场、温度场以及化学场的相互作用,这就涉及到多场耦合作用:应力场、温度场和化学场之间的相互作用要受到岩体介质场的制约;同时,后者又会受到前者的作用而变化,他们之间的耦合关系如图1所示。这种多重耦合的相互作用是动态的演化及逐渐变异和协调的过程。因此,研究水化学作用的岩石力学效应应考虑温度场、应力场以及渗流场的相互作用,不能简单地从化学场的角度分析其力学效应,工程上许多破坏现象及地质灾害等都是渗透与水化学综合作用的结果。因此,这方面的研究应给于足够的重视。岩石的宏观力学效应是一种从微观结构的变化导致其宏观力学性质改变的过程,这种复杂作用的微观过程是自然界岩体变形破坏的关键所在。因此,研究水化学作用对岩石的细微观破裂特征和腐蚀机理