基于矿物溶解理论的砂岩化学损伤动态模型

酸腐蚀环境下岩石物理力学性质的劣化本质上由岩石矿物的溶解引发的孔隙微裂隙的扩展贯通所致。为研究酸性环境下砂岩矿物的溶解特性,选择pH=1、3的盐酸溶液为腐蚀环境,借助X射线衍射试验鉴定砂岩矿物成分及含量,测试不同浸泡周期下溶液的pH值、阳离子浓度、岩样的质量及其纵波波速,并通过矿物溶解理论与化学动力学原理,建立反映整个腐蚀过程的砂岩化学损伤动态模型。研究结果表明:酸性环境下砂岩的损伤主要由长石和方解石的溶解所致,矿物溶解反应分为界面吸附、界面交换、解吸附三个步骤,且步骤最慢者对整个反应起控制作用。矿物溶解速率与H+浓度的n次幂成正比,且0<n≤1,其数值与矿物自身特性和溶液pH值有关。酸-岩反应具有较强的时间依赖性,其速率随腐蚀时间的延长逐渐减小而后趋于稳定,且溶液pH值越小,腐蚀时间越长,砂岩劣化越严重。pH=1、3的盐酸溶液作用下,通过化学损伤模型得到的砂岩孔隙度与通过纵波波速得到的孔隙度随腐蚀时间的变化规律具有较好的一致性,验证了模型的有效性与合理性。研究结果可为酸化学环境下岩体工程的安全性评估与灾害防治提供理论参考。

面容比对酸蚀砂岩溶解特性与力学性能的影响

为研究静态酸−岩反应体系中,面容比对砂岩溶蚀及劣化特性的影响,选择pH=2、5的盐酸与硫酸溶液为腐蚀环境,通过改变砂岩表面积以设置不同面容比,研究其对砂岩物理化学及力学性质的影响规律,并通过酸岩反应理论,分析面容比对砂岩腐蚀过程中扩散−溶解机制的影响。研究结果表明:在不同面容比条件下,砂岩质量损失率、总阳离子析出量与腐蚀时间均呈幂函数关系,且面容比与溶解速率常数呈正相关,对反应级数影响较小。不同环境下反应级数均小于1,砂岩腐蚀速率随时间逐渐减小。在pH=2、5的盐酸和pH=2硫酸溶液中,不同阳离子析出量N呈现N(Ca^(2+))>N(Na^(+))>N(Mg^(2+))>N(K^(+)),在pH=5硫酸溶液中,则N(Na^(+))>N(Ca^(2+))>N(Mg^(2+))≈N(K^(+))。酸岩反应可概括为扩散控制和化学反应控制2种机制,控制参数均与面容比呈负相关,与溶液pH呈正相关,硫酸溶液中各参数稍大于盐酸溶液中相对应的数值。不同环境下酸岩作用过程均由化学反应主导,且面容比对扩散作用的影响强于化学反应。酸蚀砂岩的力学性能发生劣化,单轴压缩下其破坏过程分为压密、弹性变形、塑性屈服、峰后4个阶段,砂岩峰值强度、弹性模量降低,峰值应变增加,脆性减弱,延性增强,面容比越大,其劣化越严重。整体上,溶液pH越小,面容比对砂岩溶解特性与力学性能的影响越显著,且盐酸溶液对面容比的敏感程度稍强于硫酸溶液。研究结果可为酸化学环境下岩体工程的安全性评估与灾害防治提供理论参考。