【摘 要】
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随着人类工程活动规模的不断扩大以及工业现代化进程的快速发展,环境污染问题日益加重,进而引发的酸雨问题对岩体工程的长期稳定性产生极大的影响。论文以长石砂岩为研究对象,开展一系列酸性溶液腐蚀下的岩石宏细观试验,分析了在不同酸性环境作用下岩样的物理化学和力学性质及微细观结构特征变化规律,建立了基于孔隙率变化的砂岩细观结构化学损伤变量和基于化学反应原理的酸-岩反应动力学模型。本文主要研究内容及成果为:(1
【基金项目】
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国家自然科学基金项目(41172337)《酸雨环境下砂岩的腐蚀机理及其物理力学特性劣化规律研究》;
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随着人类工程活动规模的不断扩大以及工业现代化进程的快速发展,环境污染问题日益加重,进而引发的酸雨问题对岩体工程的长期稳定性产生极大的影响。论文以长石砂岩为研究对象,开展一系列酸性溶液腐蚀下的岩石宏细观试验,分析了在不同酸性环境作用下岩样的物理化学和力学性质及微细观结构特征变化规律,建立了基于孔隙率变化的砂岩细观结构化学损伤变量和基于化学反应原理的酸-岩反应动力学模型。本文主要研究内容及成果为:(1)借助于静态浸泡加速腐蚀试验,分析了pH=2,5 HCl和H2SO4溶液浸泡过程中岩样的质量、酸液的阳离子浓度以及pH值的变化规律,结果表明:随着酸性的减弱和腐蚀时间的延长,湿岩样的质量增长速率呈现先减小后增大再减小的趋势,烘干岩样的质量损失率呈现逐渐增大的趋势;各个阶段溶液中Na+、K+、Mg2+、Ca2+的溶蚀速率呈现逐渐减小的趋势;酸性溶液pH值总体呈现逐渐增大的趋势,及pH=5的酸性溶液,呈现出向中性转化的趋势,pH=2的HCl溶液呈现出向弱酸转化的趋势,pH=2的H2SO4溶液呈现出向中强酸转化的趋势。(2)通过电镜扫描和能谱分析对砂岩微细观结构特征进行研究,分析表明:砂岩经酸性溶液腐蚀浸泡后,矿物颗粒磨圆度逐步增大,矿物颗粒间的连接方式逐渐演变为疏松的多孔状态,孔隙连通度逐渐增大。HCl溶液作用下岩样的微观结构表面溶蚀现象较H2SO4溶液明显,岩样Na、K、Mg、Ca、Al、Fe等元素的重量百分比和原子百分比,随着溶液酸性的增强及浸泡时间的延长而逐渐减小。(3)通过对单轴压缩试验结果的分析表明,受酸腐蚀砂岩的应力-应变曲线可分为压密、弹性、塑性和破坏四个阶段。随着腐蚀溶液pH值的减小和浸泡时间的延长,曲线压密阶段逐渐增长,弹性阶段变短,轴向峰值应力、弹性模量逐渐减小,轴向峰值点应变逐渐增大。在酸性溶液作用下,砂岩的脆性特征随着腐蚀时间延长逐渐减弱,而延性特征逐渐增强。(4)以孔隙率的变化为基础,构建受酸腐蚀岩石微细观结构的化学损伤变量,给出了基于纵波波速的损伤测量参数的计算公式,分析了损伤变量和单轴抗压强度及弹性模量的函数关系,得出随着损伤变量的增大,砂岩岩样的单轴抗压强度和弹性模量均呈现逐渐减小的趋势。(5)分析了砂岩在不同酸性溶液中的溶解特性,研究表明砂岩溶解速率常数k随着溶液pH值减小而增大,即酸性越强,溶解速率越大,HCl溶液中的反应速率均快于H2SO4溶液。基于酸-岩化学反应原理和酸-岩反应动力学模式,构建砂岩酸-岩反应动力学模型,建立的模型较好的反映化学腐蚀作用下砂岩的质量损失率和时间的函数关系。
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