酸雨环境下砂岩的腐蚀机理及其力学特性劣化规律研究

酸雨环境下岩石的物理力学特性及其时间效应是目前环境岩土工程中紧迫和基础性的研究课题，项目针对水利土木工程中经常遇到的砂岩，借助SEM/XRD分析、CT扫描、数码设备、MTS静力加载等宏细观监测技术和试验手段，对砂岩在酸性溶液中浸泡不同阶段所表现出的物理化学和力学特性进行系统的试验研究，运用化学动力学、细观力学、渗流力学、损伤力学及数字图像处理分析技术，揭示砂岩化学腐蚀过程中矿物吸附与溶解，溶液中离子的传输与扩散，孔隙的产生、扩展与演化规律，分析砂岩腐蚀破坏深度的时间效应与力学性质的关系，建立受酸腐蚀过程中砂岩细观损伤演化与宏观破坏机制本质联系的本构模型，提出以氢离子浓度变化为主要影响因素的岩体工程稳定性与安全使用寿命的预测模型和方法，通过野外实验的监测验证和完善，其成果将为酸雨地区大坝及岩质边坡工程的长期稳定性和耐久性分析提供可靠的理论依据和方法，具有重要现实意义和工程实用价值。

近年来，随着国民经济建设的快速发展，人类生产生活对环境造成了严重的损害，环境污染是目前环境岩土工程学科面临需要重点研究的课题。大气中酸性气体急剧增加，从而导致酸雨产生，酸性环境会严重影响岩石的物理力学性质和工程的耐久性和稳定性。课题选择目前环境岩土工程最基础和亟待解决的酸雨环境下砂岩力学性质开展室内试验研究，对其受酸腐蚀过程中表现出的物理、化学及力学特征进行全面地跟踪监测与分析，在概括分析的基础上，建立了砂岩的宏细观力学模型，揭示了受酸腐蚀过程中砂岩物理力学特性及其损失演化规律，取得的主要研究进展为：1.通过对不同时段酸液中氢、钙、镁、钾等离子浓度的跟踪监测发现，在腐蚀的初始阶段，岩样是受扩散作用控制，随着时间的延续，化学反应速率加快，溶解过程起主导作用，采用质量变化率和波速变化率的定量对比，揭示了腐蚀过程所表现出的阶段性特征，得到了受酸腐蚀砂岩试样波速孔隙率变化规律。2.分析了长石砂岩试样在不同浓度酸溶液浸泡过程中的强度特性、破坏模式、应力应变关系等力学特征，发现受酸腐蚀后砂岩试样的单轴抗压强度损失与腐蚀时间及酸溶液浓度成正比，随着岩样浸泡时间的增加，溶液扩散渗径加长，化学反应区扩大，腐蚀作用加强形成了较多的微孔洞，使岩样孔隙扩大，表现岩样初始压密段和屈服段相应加长，应力应变曲线由低荷载下的线性变为荷载增大条件下的非线性规律明显，破坏模式表现柔性材料破坏特征。3.借助于无扰动CT扫描技术和化学动力学分析，对受酸腐蚀的细观损伤机理进行了量化分析，建立了试样单轴抗压强度、渗透破坏深度、CT数与岩石密度之间的关系式。4.建立了考虑化学反应影响时溶质的扩散控制方程，开发了相应的有限元分析程序，提出了预测酸液浓度在岩石工程中扩散随时间变化及其强度劣化规律的方法，为酸雨地区岩质边坡的长期稳定性评价提供了重要理论依据和方法，具有重要的科学意义和现实意义。