文摘

在岩土工程的建设在寒冷的地区,岩石的稳定性必然受到冻融循环和水化学腐蚀的影响。为了研究水化学腐蚀的影响冻融岩石的动态力学性能,动态压缩试验是进行砂岩样品由四种不同浓度的盐酸腐蚀解决方案与相同数量的冻融循环使用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统。冻融循环的耦合效应与不同浓度的盐酸解决方案和应变率对砂岩力学性能探索。结果表明,应变率可以提高动态抗压强度和峰值应变但对弹性模量没有显著影响。冻融循环和酸腐蚀的耦合效应削弱了动态抗压强度,弹性模量,但提高了峰值应变。此外,x射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)被用来分析矿物组成和微观结构的变化损伤耦合效应下的砂岩样品的酸腐蚀和冻融循环。分析结果基本上是与宏观力学性能的损害特征一致。研究结果可以提供参考露天煤矿在寒冷的地区。

1。介绍

中国煤炭资源丰富,但他们不是均匀分布的。超过95%的露天煤矿位于北纬38°北部寒冷地区。通过安全增加煤炭开采的效率和稳定性,许多学者在巷道开挖等领域进行了广泛的研究(1,2)、稳定监控(3,4),和资源利用率5]。然而,由于季节性变化和昼夜周期,在煤矿冻融损伤是不可避免的。有情节的低温度低于0°C在过去8个月在新疆Beitashan牧场露天煤矿6]。在露天煤矿,阶梯式爆破生产的主要方法。爆破强度不断增加的高强度开采条件。根据实际测量,爆破产生的应力波可能会导致应变率10的范围¹-10年³年代¹在岩体7],它对应于正常高影响动态加载。一些调查表明,岩体的力学响应特性和失效规律下动态应力大大不同于静态负荷(8,9]。结果,关键是研究岩石的动态冲击试验在冻融循环下煤矿在寒冷的地区。

岩石材料是由不同的矿物颗粒,巩固了有孔和裂缝在成岩作用的过程。冻融循环的影响下,冻胀力引起的裂缝水变成冰的变换是岩石冻融循环的主要损伤机制10,11]。岩石冻融强度影响因素主要包括岩石类型、温度、含水量、冻融循环次数(12,13]。国内外学者已经做了很多研究冻融循环下的岩石静态力学性能的变化(14,15]。随着煤矿的发展在寒冷地区,一些学者已经注意到了岩石冻融循环下的动态力学性能。李等人。16]对砂岩进行了动态冲击试验冻融循环后,分析了冻融循环后孔隙结构的变化,结合核磁共振技术,并解释了动态强度退化的原因。基于动态破坏过程中能量变化的红色砂岩,王et al。17)提出了一个冻融循环后损伤演化过程的分析方法。周et al。18)进行了核磁共振(NMR)和动态压缩试验在冷冻和解冻砂岩。结果表明,砂岩的动态弹性模量和峰值强度与冻融周期的增加,减少和孔隙度之间的关系和动态峰值强度是多项式。马等。19)进行动态压缩试验砂质泥岩和泥岩与不同冻融循环。结果表明,抗压强度降低了对数增加的冻融循环。陆et al。20.)验证的影响趋势损伤对混凝土抗压强度的影响通过观察微裂纹增长趋势。目前,该领域的研究成果主要集中在冻融循环下的岩石动态压缩力学性能。然而,实际的地下环境往往是错综复杂的,水岩相互作用已成为地质工程中一个不容忽视的问题。水岩相互作用已有学者做过相关研究,例如,刘等人。21,22和玉等。23)所做的相关研究渗透率的岩石裂缝。但显然这些研究是远远不够的。地下水作为主要因素影响冻融循环,包含不同的离子组件和博士是一个复杂的水化学解决方案。冻融循环作用下,地下水产生冻胀力和腐蚀岩石在不同程度上。因此,不仅冻融循环,还应该考虑水岩相互作用在岩体工程在寒冷的地区。

近年来,岩石的力学性能在冻融循环和水岩相互作用已经被学者关注世界各地。汉et al。24]分析了砂岩的力学性能的变化在不同化学溶液和冻融循环。他们得出的结论是,强碱性溶液能抑制砂岩的冻融损伤时冻融周期不到25。汉et al。25)定量分析了砂岩的破坏程度的力学性能在冻融循环和不同的化学解决方案。杨et al。26]研究了石英砂岩的力学性能的损害效应,石英岩,四种不同化学溶液作用下的冻融循环和验证它通过分析微观结构损伤机制与扫描电子显微镜(SEM)。高et al。27]研究化学环境的影响和冻融循环耦合的红色砂岩的破坏特征。瞿et al。28和李et al。29日)建立损伤演化模型,分别对砂岩的力学性能在化学腐蚀和冻融循环。Zhang et al。30.]研究了砂岩的力学性能退化下快速冻融循环和化学腐蚀和进一步研究岩石分裂抗拉强度的变化和点荷载与冻融循环利用衰减指数函数模型。然而,目前的研究成果主要集中在静态下的岩石力学特性的研究冻融循环和水岩相互作用。很少有研究岩石冻融循环下的动态力学性能和水岩相互作用。在这样的背景下,本文将研究岩石冻融循环下的动态力学性能和水岩相互作用,希望为进一步的相关研究提供参考。

在本文中,将使用盐酸溶液模拟岩石样本的水化学环境。动态压缩测试将进行砂岩样品与不同浓度的盐酸冻融循环下的解决方案。不同浓度的盐酸溶液的影响和冻融循环对砂岩样品的强度和变形特性,将讨论以及应变速率的影响。为了准确地分析样品的微观结构的变化,x射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)将被用来分析矿物成分,变化和内部损坏样品。

2。材料和方法

2.1。测试材料和样品的制备

砂岩样品选择在这个测试是来自煤矿边坡在新疆,中国。主要成分是石英、高岭石和莫斯科。样品的纵波速度为1.7公里/秒,密度为2.14 g / m³和静态抗压强度为14.7 MPa。根据岩石力学测试规定的要求,切成岩石样本 毫米的圆柱标准的标本。之后,标本地确保端面的平行度小于0.05毫米,平面度小于0.02毫米(31日]。

为了研究地下水的酸腐蚀的影响力学性能的砂岩在寒冷地区,四个浓度的盐酸的解决方案(0 mol / L, 0.01 mol / L, 0.1 mol / L, 1 mol / L)。解决方案准备完成后,我们使用了高精度pH检测笔来测量溶液的pH值。相应的pH值是7.0,5.8,3.2,和1.1,分别。考虑初始抗压强度的时间效应和化学腐蚀,10冻融循环进行了岩石样本。首先,标本在烘箱干燥。然后,样本沉浸在盐酸的解决方案。最后,把样本和解决方案到冻融试验机如图1对冻融循环。根据中国气象局,一年一度的最低温度是−20°C,最高温度是20°C。因此,我们设置冻融循环温度为-20°C。每个周期持续了大约4个小时,周期是10倍的数量。

2.2。测试系统

分离式霍普金森压杆(SHPB)设备主要试验设备。可变截面SHPB试验装置采用直径50毫米,如图2。设备由发射机、压力棒,能量吸收装置,信号采集系统和信号处理系统。测试的原理主要是测量入射波、反射波和透射脉冲传输杆通过使用应变计。然后,基于一维应力波和应力均匀性的假设,计算试样的应力-应变关系,利用方程的三波法(1)[32]。

在哪里是酒吧的杨氏模量;压杆的弹性波速度; , ,和相对应的应变在酒吧是入射波、反射波、透射波,分别;和是原来的长度和横截面积的样本,分别;和压杆的横截面积。

2.3。测试过程

SHPB试验的过程中,准备样本从冻融试验仪器和干,然后安装在入射杆和传动杆,确保样品与事件栏和同轴传输酒吧。随后,SHPB试验进行了四个影响压力下(0.3 MPa, 0.4 MPa, 0.5 MPa, 0.6 MPa)。测试后,入射波、反射波和透射波信号由应变仪记录。

动态应力平衡的前提来验证SHPB试验的有效性(33]。它可以看到从方程(2),在入射杆的动力是成正比的和入射波和反射波,和动力传动杆与透射波。图3显示了动态应力平衡的具体测试的过程。它可以发现,菌株的总和对应于入射波和反射波是约等于相对应的应变波传播,而横截面积和酒吧的杨氏模量保持不变。因此,测试能满足动态应力平衡。

在哪里力在酒吧和事件吗力传动杆。

3所示。实验结果和分析

为了减少色散、三每个测试条件下进行有效的测试。据SHPB试验的原理,三波法用于数据处理。平均抗压强度、弹性模量、平均平均应变率,和其他力学参数的砂岩样品在不同浓度的盐酸溶液和冻融循环,如表所示1。

3.1。变化的动态应力-应变曲线

典型的砂岩试样动态应力-应变曲线如图4。冲击载荷的作用下,砂岩变形主要经历以下阶段:(I)初始压实阶段,(2)线性弹性变形阶段,(3)塑性变形阶段,阶段(IV)失败。

图5显示了砂岩样品的应力-应变曲线受到SHPB动态压缩试验HCl的耦合效应下的解决方案与各种浓度和冻融循环。相比之下,图3可以看出,应力-应变曲线的变化特征如下:(1)不同浓度的盐酸解决方案的应力-应变曲线下冻融周期有明显的压实阶段。当pH值从7.0下降到1.1,prepeak地区逐渐增加的密实度。随着pH值降低,内部腐蚀的砂岩增加。孔隙和裂缝逐渐扩大,进一步增加了压实度(2)每个浓度的盐酸溶液的应力-应变曲线有明显的线弹性阶段。prepeak地区线性弹性变形的比例下降到一定程度上与溶液浓度的增加。当pH值为1.1时,比例是最小的。因此,随着pH值的降低,影响负荷的影响砂岩的线性弹性变形较小

3.2。动态抗压强度的变化

图6显示了空间曲面描述抗压强度描述pH值的耦合效应和应变率的抗压强度。从图可以看出这一点与pH值呈正相关,还与应变率呈正相关。图7显示了砂岩的动态抗压强度之间的关系和样品pH值的耦合效应和应变率在不同浓度的盐酸和冻融循环的解决方案。它可以发现(1)砂岩样品的动态抗压强度随应变速率的增加而增加的耦合效应下相同浓度的盐酸溶液和冻融循环。在pH值为7.0,随着应变率的增加从66.2 s¹133.45年代¹,抗压强度增加了14.6%。在pH值为1.1,随着应变率的增加从75.85 s¹145.6年代¹,抗压强度增加了25.7%。方程(3)显示了抗压强度与应变率的线性拟合关系。溶液的pH值降低,线性拟合方程的斜率逐渐增加。它表明,砂岩样品的动态抗压强度对应变速率变得更加敏感的pH值下降(2)盐酸溶液的pH值降低,样品的动态抗压强度降低。具体来说,当应变率在66.2秒的范围¹75.9年代¹抗压强度增加了16.9%,随着pH值的增加从1.1到7.0。当应变速率在133.5秒的范围¹147.7年代¹抗压强度增加了6.6%,随着pH值的增加从1.1到7.0。方程(4)显示抗压强度的线性拟合关系的pH值。随着应变率的增加,线性拟合方程的斜率逐渐增加。结果表明,砂岩样品的动态抗压强度变得不那么敏感的pH值随着应变率的增加

3.3。变化的动态应变峰值

图8显示了空间表面峰值应变特征描述pH值的耦合效应和应变率峰值应变。从图可以看出这一点与应变率正相关和负相关博士图吗9显示了峰值应变与应变率之间的关系的砂岩样品在不同浓度的盐酸溶液加上冻融循环。它可以发现(1)方程(5)是线性拟合峰值应变和应变率之间的关系。可以看出,应变速率有一定影响样品的峰值应变的耦合效应下不同浓度的盐酸和冻融循环的解决方案。随着应变率的增加,每个浓度的峰值应变线性增加。当 ,随着应变率的增加从66.2 s¹133.45年代¹峰值应变增加了9.1%;当 ,随着应变率的增加从75.85 s¹145.6年代¹、峰值应变增加了11.6%。它表明,pH值降低,峰值应变与应变率的敏感性增加(2)样品的动态应变峰值的增加减少盐酸溶液的pH值。当应变速率在66.2秒的范围¹75.9年代¹应变峰值下降了26.7%,随着pH值的增加从1.1到7.0。当应变速率在133.5秒的范围¹147.7年代¹应变峰值下降了28.4%,随着pH值的增加从1.1到7.0。方程(6)显示峰值应变的线性拟合关系的pH值。随着应变率的增加,线性拟合方程的斜率逐渐增加。结果表明,砂岩样品的动态应变峰值更加敏感的pH值高应变率。此外,随着应变率的增加,增加的拟合方程的斜率逐渐减小,最后趋于-1.14

3.4。动态弹性模量的变化

为了描述pH值之间的耦合关系和应变率对弹性模量、人物10显示了空间曲面描述弹性模量 。从图可以看出这一点线性相关与pH值和显示某些非线性特性与应变率。图11显示了动态弹性模量与应变率之间的关系的砂岩样品在不同浓度的盐酸和冻融循环的解决方案。(1)pH值为7.0时,动态弹性模量先下降,然后随应变速率的增加而增加。当pH值从5.8下降到1.1,动态弹性模量变化随着应变率的增加。因此,应变率没有明显的影响的动态弹性模量的耦合效应下不同浓度的盐酸和冻融循环的解决方案(2)随着pH值的降低,动态弹性模量明显降低。方程(7)显示了弹性模量与pH值的线性拟合关系。随着应变率的增加,线性拟合方程的斜率先增加然后减少。当应变速率范围从66.2 s¹86.6到75.9 s - 1, s¹97.1年代¹,107.7年代¹120.3年代¹,133.5年代¹147.7年代¹,弹性模量增加了83.7%,67.6%,78.4%,和87.9%,增加的pH值在1.1至7.0之间。结果表明,当应变速率范围从86.6到97.1 (s - 1 s - 1, pH值的灵敏度的动态弹性模量是最低的。之后,随着应变率的增加,pH值的灵敏度的动态弹性模量增加

4所示。Mesomechanism砂岩的动态力学性能

上面的测试结果表明,砂岩的强度和变形特性发生显著变化的耦合效应下不同浓度的盐酸溶液和冻融周期,和岩石材料的损伤演化力学性能与微观结构的变化密切相关。因此,为了准确地分析水化学作用,x射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)被用来确认样品的矿物组成和微观结构损伤的变化,以验证岩石力学性能的变化规律。

4.1。砂岩组成的变化规律

为了确定盐酸溶液对砂岩的成分变化的影响,利用x射线衍射分析样本。图12显示了x射线衍射模式的砂岩侵蚀的各种浓度的盐酸的解决方案。这个测试的样品的主要成分是石英、高岭石和莫斯科。图13显示了矿物组成的变化pH值。结果如下。

溶液的pH值,溶质的组成,和岩石的内部结构是影响岩石的化学腐蚀的主要因素。摘要HCl溶液用于影响相同的砂岩的化学腐蚀后的次数相同。因此,溶液的pH值是影响岩石的化学腐蚀的主要原因。根据XRD测试结果,主要组成部分的主要可能的化学反应砂岩受盐酸溶液中各种矿物组件显示在公式(8)- (11),它可以在刘et al。34和林等。35]。(1)砂岩中石英的内容远远超出其他矿物成分、蒸馏水和78.1%。在pH值7.0至3.2的范围,石英含量相对稳定,呈现出逐渐上升的趋势。它从78.1%上升到83.7%,7.17%的增长率。当pH值下降到1.1,从83.7%急剧上升到92.4%,增加10.39%的速度。上述情况可能引起的水化学反应石英在蒸馏水和HCl的解决方案: (2)高岭石的主要矿物含量,15.2%是在蒸馏水。随着pH值的减少,高岭石含量逐渐减少。pH值7.0至3.2的范围内,它从15.2%下降到10.4%,下降率为31.58%。当pH值下降到1.1,它从10.4%下降到5.4%,下降率为48.08%。结果表明,当pH值下降到1.1,高岭石的含量显著降低。以下化学反应发生在高岭石HCl影响解决方案: (3)俄国人占领了第三位的内容的主要矿物含量,在蒸馏水和6.6%。同样,7.0到3.2的pH值范围内,莫斯科的内容没有变化,显示一个缓慢下降的趋势。当pH值下降到1.1,它明显减少从5.9%提高到2.2%,降低62.71%的速度。以下化学反应发生在莫斯科受到HCl的解决方案:

在冻融循环的操作下,对砂岩样品HCl溶液有相当大的影响。的根本原因是由于在冻结过程中,解决方案在达到冰点后毛孔扩张,导致孔隙裂缝形式,矿物颗粒的膨胀系数不同。这也是孔隙裂纹扩展的原因。HCl溶液之间的接触面积和矿物粒子增加解散后由于孔隙裂缝的扩大,加剧和化学的破坏性影响。样品主要由石英、高岭石和莫斯科。石英的化学性质相对稳定,水化学效应并不明显。用盐酸溶液的浓度的增加,石英含量的比例均呈增长趋势。因此,我们可以看到,石英的水化学反应在蒸馏水和HCl溶液并不是在其内容发生重大变化的主要因素。根据方程(10)和(11)、高岭石和莫斯科逐渐分解,产生自由SiO₂粒子在盐酸的腐蚀下的解决方案。水化学反应的进展,高岭石和莫斯科的比例逐渐减少,和自由SiO₂颗粒生产,使石英的比例增加。与水化学反应的深入,砂岩的孔隙结构样本被毁,和内部之间的胶结矿物变得虚弱。随着pH值的减少,水化学作用加强,特别是当pH值从3.2下降到1.1。它表明mesomechanism砂岩样品与机械性能的机理是相一致的。

4.2。砂岩微观结构的变化规律

矿物颗粒、胶结物和孔隙岩石的基本组件,他们也控制岩石的宏观力学特性。砂岩的微观结构特性是使用扫描电子显微镜研究砂岩样品,如图14。样品的内部微观结构明显改变了由于冻融循环的耦合效应和HCl的解决方案,如所示:(1)砂岩的微观结构在自然状态和冻融循环状态

在自然状态下,有一些毛孔砂岩样品但总体密度是密集。有许多矿物晶体颗粒大小和不规则的分布不均,但颗粒之间的胶结程度更好。同时,晶体表面粗糙的自然状态。然而,内部胶结砂岩样品在冻融循环后的削弱和毛孔扩大,表面粗糙。(2)下的砂岩微观结构冻融循环和HCl溶液腐蚀

不规则的矿物颗粒内部的样品开始降低pH值达到5.8。表面看起来是盐酸侵蚀的影响下的解决方案。同时,毛孔充满了矿物颗粒和柱状晶体边缘开始溶解。当pH值达到了3.2,表面骨折开始成长和加入。水晶颗粒沉积在孔骨折的成长,以及晶体颗粒之间的胶结逐渐减少。pH值降低到1.1时,毛孔扩大显著和晶体体积急剧萎缩。

5。结论

摘要动态压缩测试不同浓度的盐酸腐蚀砂岩样品的解决方案进行使用SHPB系统在四个不同的影响负载的情况下在相同冻融循环。材料的成分和显微组织检查使用x射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)。基于前面的分析,达成的结论是:(1)耦合效应下的冻融循环和不同浓度的盐酸的解决方案,砂岩样品的动态应力-应变曲线经历了四个阶段:初始压实阶段,线弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。随着pH值的减少,压实阶段逐步增加,线性弹性变形阶段prepeak地区逐渐减少(2)在相同的动态负载,pH值的正线性相关与动态抗压强度和动态弹性模量和动态应变峰值负线性相关。随着应变率的增加,动态抗压强度的敏感性和动态应变峰值的pH值增加。当应变速率范围从86.6 s¹97.1年代¹动态弹性模量的敏感性,pH值是最低的。在那之后,动态弹性模量随应变速率的增加而增大。在相同浓度的盐酸溶液中,动态抗压强度和动态峰值应变随应变速率的增加而线性增加。随着pH值的降低,灵敏度的动态抗压强度和动态应变峰值应变率增加。然而,弹性模量与应变率的变化是不明显的(3)x射线衍射结果表明,pH值下降时,石英的数量,主要的组件,而高岭石的含量增加,莫斯科,附属组件,降低了。的浓度石英、高岭石和莫斯科改变戏剧性地当pH值下降到3.2。盐酸溶液的腐蚀影响每个矿物成分的内容,修改砂岩的力学特性(4)晶体的粒子是影响冻融冻胀力结果的周期,和孔隙和裂缝形成的。内部矿物样本的内容和HCl溶液相互作用,导致孔隙裂缝的形成。内部结构松散,胶结恶化。最后,砂岩的力学特性是明显减少了

数据可用性

大部分的数据生成或分析在这项研究包含在这个手稿,和所有的数据从相应的作者以合理的要求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

金融支持这项工作由基础研究提供资金用于中央大学(2020号zdpyms35)。