文獻(xiàn)解讀|青海大學(xué)王青志教授團(tuán)隊(duì)《Bulletin of Engineering Geology and the Environment》：青海紅砂巖在溶液侵蝕下的宏觀力學(xué)與微觀特性變化

摘要：

本研究探討了青海省紅砂巖在不同化學(xué)溶液（酸性、中性、堿性鹽溶液及蒸餾水）侵蝕下的宏觀力學(xué)特性與微觀結(jié)構(gòu)變化。研究通過實(shí)驗(yàn)分析了紅砂巖在不同溶液中的質(zhì)量變化、波速變化、核磁共振（NMR）孔隙結(jié)構(gòu)、單軸壓縮力學(xué)性能及X射線衍射（XRD）礦物組成變化。研究發(fā)現(xiàn)，不同溶液對(duì)紅砂巖的侵蝕作用顯著，表現(xiàn)為質(zhì)量增加、彈性模量下降、孔隙結(jié)構(gòu)變化及礦物溶解與沉淀。酸性溶液顯著降低彈性模量（最高達(dá)29.20%），堿性溶液促進(jìn)礦物溶解，中性鹽溶液加速水巖反應(yīng)。研究揭示了水巖反應(yīng)中離子交換、溶解、沉淀及鹽結(jié)晶的復(fù)雜機(jī)制，為理解水巖相互作用及工程中巖石穩(wěn)定性提供了理論依據(jù)

背景：

該研究的背景源于水巖相互作用（water-rock interaction）在地質(zhì)工程、環(huán)境科學(xué)及工程災(zāi)害防治中的重要性。水巖相互作用是巖石在自然或人為環(huán)境中（如酸性、堿性或鹽類溶液）發(fā)生物理和化學(xué)變化的過程，其影響巖石的力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性。例如，在酸性環(huán)境中，巖石可能溶解或發(fā)生離子交換；在堿性環(huán)境中，可能促進(jìn)礦物溶解或沉淀；鹽類溶液可能加速水巖反應(yīng)，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破壞或穩(wěn)定性降低。這些過程在工程（如隧道、大壩、邊坡）和環(huán)境（如酸雨、鹽堿地）中具有重要影響。

然而，現(xiàn)有研究存在以下不足：

1）研究范圍有限：多數(shù)研究聚焦單一化學(xué)環(huán)境（如酸性或堿性溶液），缺乏對(duì)復(fù)雜化學(xué)環(huán)境（如酸性、堿性及鹽類共存）下巖石響應(yīng)的系統(tǒng)研究。

2）方法局限：現(xiàn)有研究多依賴宏觀力學(xué)測(cè)試（如單軸壓縮）或單一微觀分析（如XRD），缺乏多尺度、多方法的綜合分析。

3）機(jī)制不明確：水巖反應(yīng)中離子交換、溶解、沉淀及鹽結(jié)晶的復(fù)雜機(jī)制尚未被系統(tǒng)揭示。

本研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于：

1）多方法綜合分析：結(jié)合核磁共振（NMR）、X射線衍射（XRD）、單軸壓縮測(cè)試等方法，揭示水巖反應(yīng)的微觀機(jī)制。

2）復(fù)雜環(huán)境模擬：通過酸性、中性、堿性及鹽類溶液的侵蝕實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究不同化學(xué)環(huán)境對(duì)紅砂巖的宏觀力學(xué)與微觀結(jié)構(gòu)變化。

3）理論與工程結(jié)合：為工程中巖石穩(wěn)定性評(píng)估、災(zāi)害防治及環(huán)境治理提供理論依據(jù)。

該研究填補(bǔ)了水巖反應(yīng)機(jī)制研究的空白，為理解巖石在復(fù)雜化學(xué)環(huán)境中的行為提供了科學(xué)支持。

實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)論

1.實(shí)驗(yàn)方法

1.1樣品信息

來源地：青海紅砂巖

樣品采集：采集紅砂巖樣品，經(jīng)風(fēng)干、粉碎至粒徑1-2 mm，制備成標(biāo)準(zhǔn)尺寸的圓柱體（直徑50 mm，高50 mm），用于力學(xué)測(cè)試。

樣品編號(hào)：每組實(shí)驗(yàn)取3個(gè)平行樣品，編號(hào)為S1-S3

1.2樣品制備

巖石樣品是從同一均勻巖塊切割和加工而成，采用直徑為Φ50mm×100mm的圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試件。通過X射線衍射分析其基本礦物成分，詳細(xì)信息見表1。

表1 礦物成分

1.3 實(shí)驗(yàn)儀器與目的

  1）PH計(jì)：用于測(cè)量溶液pH值，精度為0.05，用于監(jiān)測(cè)水巖反應(yīng)中的化學(xué)環(huán)境變化。

2）X射線衍射儀：用于分析巖石的晶體結(jié)構(gòu)和礦物組成。

3）核磁共振設(shè)備：用于分析巖石的微觀結(jié)構(gòu)和損傷特征。（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司。型號(hào)：MesoMR12-060H-I）

4）單軸壓縮測(cè)試設(shè)備：用于評(píng)估巖石的宏觀力學(xué)性能。

圖1 測(cè)試儀器

2.核磁T₂弛豫時(shí)間分析

圖2顯示了紅砂巖在四種不同溶液中浸泡40天后的NMR橫向弛豫時(shí)間T₂分布曲線，而表2則展示了與T₂分布曲線對(duì)應(yīng)的NMR譜面積的變化。

圖2 紅砂巖在不同溶液浸泡時(shí)間下T₂譜分布變化

圖2展示了不同溶液浸泡時(shí)間下紅砂巖的T₂譜分布變化，反映了孔隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化。根據(jù)相關(guān)研究，T₂弛豫時(shí)間與孔隙半徑密切相關(guān)，通過T₂譜分析可推斷孔隙大小和分布。具體而言：

1）孔隙結(jié)構(gòu)變化：不同溶液（如酸性、中性、堿性鹽溶液）和浸泡時(shí)間（如10、20、30、40天）會(huì)導(dǎo)致孔隙數(shù)量、大小和連通性變化。例如，酸性溶液可能促進(jìn)溶解和沉淀，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜化；而堿性溶液可能促進(jìn)礦物溶解和孔隙擴(kuò)展。

2）T₂譜分析：T₂譜分布的變化反映了孔隙大小分布的變化。例如，T₂譜面積的相對(duì)變化率（如微孔、中孔、大孔比例的變化）可量化孔隙結(jié)構(gòu)的演變。例如，酸性溶液可能增加微孔比例，而堿性溶液可能促進(jìn)中孔和大孔的形成。

3）力學(xué)特性關(guān)聯(lián)：孔隙結(jié)構(gòu)的變化直接影響巖石的力學(xué)特性，如彈性模量和強(qiáng)度。例如，酸性溶液處理的紅砂巖彈性模量顯著降低（29.20%），而堿性溶液處理的彈性模量降低24.63%。

圖2通過T₂譜分析揭示了不同溶液和時(shí)間對(duì)紅砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響，進(jìn)而揭示了其力學(xué)特性的變化機(jī)制。

表2 不同化學(xué)溶液下T₂譜的信號(hào)變化

表2展示了不同溶液和浸泡時(shí)間（如0天、10天、20天、30天和40天）下T₂譜面積的變化率，以及這些變化如何反映孔隙結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，有以下分析：

1）譜與孔隙結(jié)構(gòu)的關(guān)系：T₂譜的面積和變化率與孔隙半徑密切相關(guān)。根據(jù)核磁共振（NMR）原理，弛豫時(shí)間與孔隙半徑成正比，較長(zhǎng)的T₂時(shí)間對(duì)應(yīng)較大的孔隙，較短的T₂時(shí)間對(duì)應(yīng)較小的孔隙。酸性鹽溶液可能促進(jìn)孔隙的溶解和擴(kuò)展，而堿性鹽溶液可能促進(jìn)新礦物沉淀和孔隙填充

2）酸性鹽溶液：酸性環(huán)境可能加速礦物溶解和孔隙擴(kuò)展，導(dǎo)致T₂譜面積減少；堿性鹽溶液：堿性環(huán)境可能促進(jìn)新礦物沉淀和孔隙填充，導(dǎo)致T₂譜面積減少；中性鹽溶液：鹽的存在可能加速水-巖反應(yīng)，導(dǎo)致孔隙結(jié)構(gòu)變化。

    3）時(shí)間效應(yīng)：隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，水-巖相互作用增強(qiáng)，孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步發(fā)展和連通性增加。例如，蒸餾水中微孔和小孔比例在浸泡初期和末期變化較小，而中孔和大孔比例略有增加

3.核磁孔徑分布分析

圖3展示了紅砂巖在不同溶液浸泡下孔隙分布隨時(shí)間變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。表4展示不同化學(xué)溶液中不同孔徑的百分比。

圖3 紅砂巖在不同溶液浸泡時(shí)間下孔徑分布的變化

根據(jù)圖3紅砂巖在不同溶液浸泡時(shí)間下孔徑分布的變化，不同溶液有以下影響：

    1）酸性鹽溶液：微孔比例顯著增加（從41.70%增至45.68%），中孔比例減少（從57.95%降至54.31%）。這主要由于酸性環(huán)境促進(jìn)鈣硫酸鹽沉淀（如CaSO?）的形成，填充部分孔隙，同時(shí)酸性離子加速礦物溶解，擴(kuò)大孔隙空間。

2）中性鹽溶液：微孔比例略有下降（39.74%），但中孔和大孔比例增加（中孔增至60.26%，大孔增至0.73%）。鹽離子加速溶解和沉淀，但孔隙連通性增強(qiáng)。

3）堿性鹽溶液：微孔比例減少（28.91%），中孔和大孔比例顯著增加（中孔增至71.09%，大孔增至4.12%）。堿性環(huán)境促進(jìn)礦物溶解和鹽結(jié)晶，形成新孔隙。

表3 不同化學(xué)溶液中不同孔徑的百分比

表3展示了不同化學(xué)溶液（如蒸餾水、酸性鹽溶液、中性鹽溶液和堿性鹽溶液）浸泡后，紅砂巖中不同孔徑（微孔、小孔、中孔、大孔）的百分比變化。具體分析如下：

1）孔隙分布變化：在酸性鹽溶液中，微孔和小孔的百分比顯著增加（如從0天的41.70%增加至40天的45.68%），而中孔和大孔減少。這表明酸性環(huán)境促進(jìn)了礦物溶解和孔隙擴(kuò)展。

2）孔隙結(jié)構(gòu)演變：不同溶液的浸泡時(shí)間（0天、10天、20天、30天、40天）顯示，孔隙結(jié)構(gòu)隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，可能與礦物溶解、沉淀和結(jié)晶過程相關(guān)（如鈣硫酸鹽沉淀）。

化學(xué)溶液通過溶解、沉淀和結(jié)晶過程顯著改變紅砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，揭示了水-巖反應(yīng)的復(fù)雜機(jī)制。這些變化對(duì)工程應(yīng)用（如巖土工程、環(huán)境治理）具有重要參考價(jià)值。

推薦設(shè)備

中尺寸核磁共振成像分析儀

參考文獻(xiàn)

[1] Zhang X, Wang Q, Fang J, et al. Macroscopic mechanical and microscopic characteristics variations of red sandstone from Qinghai Province with solution erosion[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 2024, 83(8):1-18.DOI:10.1007/s10064-024-03838-z.