水_岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究_汤连生
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由图 1，可推测任何岩石在同一水化学环境条 件下，当时间 t 趋于某一长时间 t∞，rD 趋于零，即 化学损伤将随着时间的推移到某一时间点时，趋于 一极限。可如此解释：根据地球化学反应动力学原 理，随着水-岩化学反应的进行，溶液中矿物离子成 分的浓度不断增大，在一定的水化学环境条件下， 各种矿物溶解达到饱和状态，最终趋于化学反应的 动态平衡，直到外界水化学环境条件的再一次改变。 3.1.2 不同岩性岩石的化学损伤存在差异性
20 世纪 60 年代，有学者注意到水对岩石的作 用不能仅从有效应力原理简单地考虑水对受力岩石 的力学效应，而且还是一种复杂的应力腐蚀过程。 长期以来都认为化学环境对摩擦变形具有相当重要 的作用[2～6]。一些研究者曾对含水岩石的强度[7]及水 对岩石具时间效应的变形特性[8，9]和水对岩石的弹 性模量、单轴抗压强度的影响程度[10]进行了实验研 究，但却未从具时间效应的水-岩化学作用方面进行 研究。总之，对水-岩化学作用导致岩石的力学效应 还缺乏较系统的实验研究和认识[11]。本文选取了 3 种岩石，在不同化学性质的水溶液和不同水流动速
SO42－ 4 692.2 4 745.5 4 784.5 12 883.0 12 953.2 13 041.5 10 290.0 11 008.4 11 134.7 11 137.9 12 230.8 13 012.6 12 020.0 13 370.1 14 121.2
第 21 卷 第 4 期
汤连生等. 水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究
• 529 •
试件 岩性 初始水 溶液 水溶液 循环 速率
成份
表 3 反应后水溶液成分、浓度、pH 值的分析结果 Table 3 Analytical results of chemical composition，concentration of aqueous solution
摘 要 为了研究水-岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压、不同循环流速条件下，对不同化学性质的水 化学溶液作用下的花岗岩、红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化
学作用后，3 种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：(1) 水溶液对岩石的力学效应与水-岩化学作用 密切相关；(2) 岩石的化学损伤与水-岩化学反应强度成正比；(3) 水-岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时
1前言
地质环境中的活跃因素是地下水，它是一种成 分复杂的化学溶液，即使是纯水，它与岩体相互作 用，除了物理上的以外，还有更为复杂的水-岩化学 作用或水-岩反应，往往对岩石(体)的力学效应比单 纯的物理作用产生更大的影响。对遇水后强度降低 的岩石，水是造成其损伤的一个重要原因，有时它 比力学因素造成的损伤更为严重[1]。
(3) 影响岩石化学损伤及其时间效应的主要因 素有：岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学 性质、岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性、 水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历 史 5 个因素。
(4) 水-岩化学作用力学效应的时间效应的特点 意味着，水 -岩反应是一个动态系统，在研究岩石的 化学损伤如地质灾害时，不仅要分析水-岩反应的力 学效应的现状及变化趋势，而且要弄清其发展历史。
水-岩化学作用所产生的断裂力学效应及宏观 上的强度力学效应，在诸如地震、构造断层活动、 岩质滑坡、围岩破坏等地质灾害中广泛存在[11]。因 此，开展水化学作用对岩石的宏观力学效应及断裂 力学效应的试验研究，不仅能探讨水-岩相互作用导 致受力岩石(体)变形破坏的机理，而且可为地质灾 害的预测和防治提供新思路。
of the samples
岩石 试件
矿物含量 /%
颗粒尺寸 密度 孔隙度 胶结物质
/ mm / g·cm－3 / %
花岗岩 45 An，29 Or，25 Q，1 oth 硅质 0.2～5.0 2.65 0.784
灰岩
95 Clc，5 oth
亮晶 ＜0.03 2.69 0.671
红砂岩 35 Fsp，60 Q，5 oth 钙质+铁质 0.25～0.6 2.02 6.930
注：矿物名称 An — 斜长石，Or — 正长石，Q — 石英，Fsp — 长石， Clc — 方解石，oth — 其他。
2000 年 6 月 5 日收到初稿，2000 年 8 月 9 日收到修改稿。 * 国家自然科学基金资助项目(59779019)和广东省自然科学基金资助项目(970127)。 作者 汤连生 简介：男，1963 年生，博士，毕业于中国地质大学环境科学与工程学院水文工程地质专业，现任副教授，主要从事地质工程、水-岩相互 作用方面的教学和研究工作。
水溶液作用后的花岗岩、灰岩和红砂岩的化学 损伤比纯水作用的明显地要大。同一种岩石在相同 流速条件下，不同性质的水化学溶液对其化学损伤 明显不同，例如，对于花岗岩，在静泡条件下，不 同水溶液的化学损伤值明显不同：水溶液 1＞水溶 液 2＞纯净水。总体来说，对于花岗岩，水溶液循 环渗流速率越低，水溶液化学性质对化学损伤的影 响越大。这说明，水流动速率越低，越要重视水溶 液化学性质对岩石损伤的影响。
4 结论及讨论
通过试验对水-岩反应特点及其岩石水化学损 伤的力学效应的分析，可得出以下结论。
(1) 水-岩化学作用对岩石的化学损伤显著并与 水-岩化学反应强度相关，水 -岩化学反应强度越高， 岩石的化学损伤值愈大。
(2) 水-岩反应对岩石的力学效应具有很强的时 间依赖性，而且对于不同岩性岩石，其时间效应不 相同。
花岗岩
花岗岩
灰岩
灰岩
水溶液 1
水溶液 2
水溶液 3
水溶液 3
高速
高速
低速
高速
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
时间 / h
t1=
t2=
ຫໍສະໝຸດ Baidut3=
560 2 426 4 855
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
mg/L
红砂岩 水溶液 1
高速
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
pH
3.29 3.38 3.41 2.52 2.53 2.56
7.54 8.46 8.73
7.34 8.34 8.56 7.06 7.52 7.72
Cl－ 8 540.0 9 028.0 9 034.1 4 290.0 4 705.0 5 003.2 1 180.0 1 484.0 1 504.2 1 280.0 1 384.0 1 461.3 8 670.0 8 800.0 8 901.8
• 528 •
岩石力学与工程学报
2002 年
图 1 不同条件下岩石化学损伤 D(t) Fig.1 Chemical damage D(t) of rock under different conditions
例如，对于在静泡条件下纯净水和水溶液 1 作 用后，花岗岩的 rD 在 t1 时间点均很小，这意味着在 此种情况下，初期的水-岩反应对花岗岩的水化学损 伤很小，主要是物理损伤，而在 t2 变大，在 t3 又变 小。但同样是在静泡条件下水溶液 2 的作用，或在 渗流条件下任何水溶液的作用就无此特点。据此可 知，产生此特点的前提条件是水溶液必须是静止 的，而水溶液的化学性质对其有很大的影响。此方 面值得进一步深入开展研究。
间效应；(4) 影响岩石化学损伤的主要因素有：岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学性质、岩石的结构或 物质成分空间分布的非均匀性、水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等 5 个因素。
关键词 水溶液，岩石，化学作用，力学效应，化学损伤
分类号 TU 451，TU 458+.3
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2002)04-0526-06
红砂岩的化学损伤值最大，约为 15.02%～ 29.55%；而灰岩和花岗岩相对较小，分别为 15.32% 和 25.30%；这与水-岩化学作用的特点(见后叙)较为
一致。根据 3 种岩石的成因和表 1 的基本数据，认 为这种岩石化学损伤的差异性是岩石的微结构及非 均匀性、孔隙度、胶结物质、矿物成分综合影响的 结果。例如，比起花岗岩，虽然红砂岩中的石英含 量高，而长石含量低，但红砂岩的孔隙度要大很多， 结构的均匀性要差，胶结物质为较易被水溶液腐蚀 的钙质和铁质，因而水化学作用比较容易损伤红砂 岩的力学性质。 3.1.3 水溶液化学性质对岩石化学损伤的影响显著
率条件下，测试水-岩化学作用导致岩石单轴抗压强 度的变化，以探讨水-岩化学作用的宏观力学效应及 其机理。
2 材料与方法
2.1 岩石试件 试验选用花岗岩、红砂岩和灰岩 3 种岩石，岩
石的矿物组成和显微结构参数见表 1。3 种岩石的试
表 1 岩石试件的矿物组成、颗粒大小、密度和孔隙度 Table 1 Composition，grain size，density and porosity
(6) 显然，根据试件的岩性(表 1)，在岩石性质 方面，可看出导致反应强度的差异及其对化学损伤 的影响的主要因素包括岩石的成因、孔隙度(包括孔 隙和裂纹)、吸水性、透水性、胶结物的性质、结构 及物质成分的均匀性等几方面。例如，成因决定岩 石矿物及胶结物的化学活性，火成结晶硅质胶结的 花岗岩、沉积的亮晶胶结的灰岩及泥质(钙质、铁质) 胶结的红砂岩，是很不相同的。又如，岩石的透水 性影响着水溶液透过岩石的速率，结构性或物质成 分空间分布的非均匀性影响着化学作用对岩石的差 异性损伤作用。
从图 1、表 3 可看出：水化学作用对红砂岩力 学性质的影响有两个特点：(1) 红砂岩试件的力学 性质主要被离子浓度所控制，其次才是 pH 值。(2)
• 530 •
岩石力学与工程学报
2002 年
方解石和红砂岩中的胶结物与 H+发生反应，消耗水 溶液中大量的 H+。
(2) 随着反应的不断进行，水溶液的总矿化度 增大。但这种增加的趋势随时间的延续逐渐减小， 这表明水-岩反应将趋于平衡状态。
在偏光显微镜下观察试件表面和薄片，也可说 明上述的分析。将与溶液反应过的花岗岩对比天然 的花岗岩，薄片中它们的矿物成分几乎看不出明显 的变化，但经低速或高速流动水溶液反应过的红砂
岩，对比天然的红砂岩，在镜下观察到出现微空洞， 表明其中某些矿物与水溶液发生水解作用。天然灰 岩的方解石脉的纹理较为圆滑、平整，而经循环流 动水溶液反应的灰岩，其方解石脉的纹理显得较为 凹凸不平。
(3) 同一岩性岩石，在同一化学性质的水溶液 作用下，水-岩反应强度随水溶液的流速变化而呈这 种趋势：高速循环的＞低速循环的＞静止的。同一 流速的水溶液作用下，同一岩性岩石，在不同化学 性质的水溶液作用下，水 -岩反应强度明显不同：水 溶液的＞纯水的。
(4) 不同岩性的水-岩反应强度不同。总体上，3 种岩石的水溶液反应前后离子成分及矿化度的历时 变化(见表 3，图 2)，说明红砂岩与水溶液的反应强 度最高，而灰岩的比花岗岩的稍大，但各时段的水岩反应强度特点是：在 t1 时间，水与红砂岩反应的 强度最大，而水与花岗岩的和灰岩的较小且较接近； 在 t2 时间，红砂岩的稍大于灰岩的，花岗岩的最小； 在 t3 时间，出现明显的变化：灰岩的＞红砂岩的＞ 花岗岩的。
图 2 岩石化学损伤值 D(t)与反应后水溶液 pH 值、矿化度 M 的变化趋势对比
Fig.2 Contrast of the chemical damage D(t) with pH value and M under different conditions
(5) 根据岩石化学损伤值与上述水-岩反应特点 及反应后水溶液的 pH 值、矿化度 M 变化的趋势对 比分析(图 2)，可得出结论：岩石的化学损伤与水岩化学反应强度成正比关系。
第 21 卷 第 4 期 2002 年 4 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
21(4)：526～531 April，2002
水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究*
汤连生 1 张鹏程 1 王思敬 2
(1 中山大学地球科学系 广州 510275) (2 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学开放实验室 北京 100029)
20 世纪 60 年代，有学者注意到水对岩石的作 用不能仅从有效应力原理简单地考虑水对受力岩石 的力学效应，而且还是一种复杂的应力腐蚀过程。 长期以来都认为化学环境对摩擦变形具有相当重要 的作用[2～6]。一些研究者曾对含水岩石的强度[7]及水 对岩石具时间效应的变形特性[8，9]和水对岩石的弹 性模量、单轴抗压强度的影响程度[10]进行了实验研 究，但却未从具时间效应的水-岩化学作用方面进行 研究。总之，对水-岩化学作用导致岩石的力学效应 还缺乏较系统的实验研究和认识[11]。本文选取了 3 种岩石，在不同化学性质的水溶液和不同水流动速
SO42－ 4 692.2 4 745.5 4 784.5 12 883.0 12 953.2 13 041.5 10 290.0 11 008.4 11 134.7 11 137.9 12 230.8 13 012.6 12 020.0 13 370.1 14 121.2
第 21 卷 第 4 期
汤连生等. 水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究
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试件 岩性 初始水 溶液 水溶液 循环 速率
成份
表 3 反应后水溶液成分、浓度、pH 值的分析结果 Table 3 Analytical results of chemical composition，concentration of aqueous solution
摘 要 为了研究水-岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压、不同循环流速条件下，对不同化学性质的水 化学溶液作用下的花岗岩、红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化
学作用后，3 种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：(1) 水溶液对岩石的力学效应与水-岩化学作用 密切相关；(2) 岩石的化学损伤与水-岩化学反应强度成正比；(3) 水-岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时
1前言
地质环境中的活跃因素是地下水，它是一种成 分复杂的化学溶液，即使是纯水，它与岩体相互作 用，除了物理上的以外，还有更为复杂的水-岩化学 作用或水-岩反应，往往对岩石(体)的力学效应比单 纯的物理作用产生更大的影响。对遇水后强度降低 的岩石，水是造成其损伤的一个重要原因，有时它 比力学因素造成的损伤更为严重[1]。
(3) 影响岩石化学损伤及其时间效应的主要因 素有：岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学 性质、岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性、 水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历 史 5 个因素。
(4) 水-岩化学作用力学效应的时间效应的特点 意味着，水 -岩反应是一个动态系统，在研究岩石的 化学损伤如地质灾害时，不仅要分析水-岩反应的力 学效应的现状及变化趋势，而且要弄清其发展历史。
水-岩化学作用所产生的断裂力学效应及宏观 上的强度力学效应，在诸如地震、构造断层活动、 岩质滑坡、围岩破坏等地质灾害中广泛存在[11]。因 此，开展水化学作用对岩石的宏观力学效应及断裂 力学效应的试验研究，不仅能探讨水-岩相互作用导 致受力岩石(体)变形破坏的机理，而且可为地质灾 害的预测和防治提供新思路。
of the samples
岩石 试件
矿物含量 /%
颗粒尺寸 密度 孔隙度 胶结物质
/ mm / g·cm－3 / %
花岗岩 45 An，29 Or，25 Q，1 oth 硅质 0.2～5.0 2.65 0.784
灰岩
95 Clc，5 oth
亮晶 ＜0.03 2.69 0.671
红砂岩 35 Fsp，60 Q，5 oth 钙质+铁质 0.25～0.6 2.02 6.930
注：矿物名称 An — 斜长石，Or — 正长石，Q — 石英，Fsp — 长石， Clc — 方解石，oth — 其他。
2000 年 6 月 5 日收到初稿，2000 年 8 月 9 日收到修改稿。 * 国家自然科学基金资助项目(59779019)和广东省自然科学基金资助项目(970127)。 作者 汤连生 简介：男，1963 年生，博士，毕业于中国地质大学环境科学与工程学院水文工程地质专业，现任副教授，主要从事地质工程、水-岩相互 作用方面的教学和研究工作。
水溶液作用后的花岗岩、灰岩和红砂岩的化学 损伤比纯水作用的明显地要大。同一种岩石在相同 流速条件下，不同性质的水化学溶液对其化学损伤 明显不同，例如，对于花岗岩，在静泡条件下，不 同水溶液的化学损伤值明显不同：水溶液 1＞水溶 液 2＞纯净水。总体来说，对于花岗岩，水溶液循 环渗流速率越低，水溶液化学性质对化学损伤的影 响越大。这说明，水流动速率越低，越要重视水溶 液化学性质对岩石损伤的影响。
4 结论及讨论
通过试验对水-岩反应特点及其岩石水化学损 伤的力学效应的分析，可得出以下结论。
(1) 水-岩化学作用对岩石的化学损伤显著并与 水-岩化学反应强度相关，水 -岩化学反应强度越高， 岩石的化学损伤值愈大。
(2) 水-岩反应对岩石的力学效应具有很强的时 间依赖性，而且对于不同岩性岩石，其时间效应不 相同。
花岗岩
花岗岩
灰岩
灰岩
水溶液 1
水溶液 2
水溶液 3
水溶液 3
高速
高速
低速
高速
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
时间 / h
t1=
t2=
ຫໍສະໝຸດ Baidut3=
560 2 426 4 855
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
mg/L
红砂岩 水溶液 1
高速
t1=
t2=
t3=
560 2 426 4 855
pH
3.29 3.38 3.41 2.52 2.53 2.56
7.54 8.46 8.73
7.34 8.34 8.56 7.06 7.52 7.72
Cl－ 8 540.0 9 028.0 9 034.1 4 290.0 4 705.0 5 003.2 1 180.0 1 484.0 1 504.2 1 280.0 1 384.0 1 461.3 8 670.0 8 800.0 8 901.8
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岩石力学与工程学报
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图 1 不同条件下岩石化学损伤 D(t) Fig.1 Chemical damage D(t) of rock under different conditions
例如，对于在静泡条件下纯净水和水溶液 1 作 用后，花岗岩的 rD 在 t1 时间点均很小，这意味着在 此种情况下，初期的水-岩反应对花岗岩的水化学损 伤很小，主要是物理损伤，而在 t2 变大，在 t3 又变 小。但同样是在静泡条件下水溶液 2 的作用，或在 渗流条件下任何水溶液的作用就无此特点。据此可 知，产生此特点的前提条件是水溶液必须是静止 的，而水溶液的化学性质对其有很大的影响。此方 面值得进一步深入开展研究。
间效应；(4) 影响岩石化学损伤的主要因素有：岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学性质、岩石的结构或 物质成分空间分布的非均匀性、水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等 5 个因素。
关键词 水溶液，岩石，化学作用，力学效应，化学损伤
分类号 TU 451，TU 458+.3
文献标识码 A
文章编号 1000-6915(2002)04-0526-06
红砂岩的化学损伤值最大，约为 15.02%～ 29.55%；而灰岩和花岗岩相对较小，分别为 15.32% 和 25.30%；这与水-岩化学作用的特点(见后叙)较为
一致。根据 3 种岩石的成因和表 1 的基本数据，认 为这种岩石化学损伤的差异性是岩石的微结构及非 均匀性、孔隙度、胶结物质、矿物成分综合影响的 结果。例如，比起花岗岩，虽然红砂岩中的石英含 量高，而长石含量低，但红砂岩的孔隙度要大很多， 结构的均匀性要差，胶结物质为较易被水溶液腐蚀 的钙质和铁质，因而水化学作用比较容易损伤红砂 岩的力学性质。 3.1.3 水溶液化学性质对岩石化学损伤的影响显著
率条件下，测试水-岩化学作用导致岩石单轴抗压强 度的变化，以探讨水-岩化学作用的宏观力学效应及 其机理。
2 材料与方法
2.1 岩石试件 试验选用花岗岩、红砂岩和灰岩 3 种岩石，岩
石的矿物组成和显微结构参数见表 1。3 种岩石的试
表 1 岩石试件的矿物组成、颗粒大小、密度和孔隙度 Table 1 Composition，grain size，density and porosity
(6) 显然，根据试件的岩性(表 1)，在岩石性质 方面，可看出导致反应强度的差异及其对化学损伤 的影响的主要因素包括岩石的成因、孔隙度(包括孔 隙和裂纹)、吸水性、透水性、胶结物的性质、结构 及物质成分的均匀性等几方面。例如，成因决定岩 石矿物及胶结物的化学活性，火成结晶硅质胶结的 花岗岩、沉积的亮晶胶结的灰岩及泥质(钙质、铁质) 胶结的红砂岩，是很不相同的。又如，岩石的透水 性影响着水溶液透过岩石的速率，结构性或物质成 分空间分布的非均匀性影响着化学作用对岩石的差 异性损伤作用。
从图 1、表 3 可看出：水化学作用对红砂岩力 学性质的影响有两个特点：(1) 红砂岩试件的力学 性质主要被离子浓度所控制，其次才是 pH 值。(2)
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方解石和红砂岩中的胶结物与 H+发生反应，消耗水 溶液中大量的 H+。
(2) 随着反应的不断进行，水溶液的总矿化度 增大。但这种增加的趋势随时间的延续逐渐减小， 这表明水-岩反应将趋于平衡状态。
在偏光显微镜下观察试件表面和薄片，也可说 明上述的分析。将与溶液反应过的花岗岩对比天然 的花岗岩，薄片中它们的矿物成分几乎看不出明显 的变化，但经低速或高速流动水溶液反应过的红砂
岩，对比天然的红砂岩，在镜下观察到出现微空洞， 表明其中某些矿物与水溶液发生水解作用。天然灰 岩的方解石脉的纹理较为圆滑、平整，而经循环流 动水溶液反应的灰岩，其方解石脉的纹理显得较为 凹凸不平。
(3) 同一岩性岩石，在同一化学性质的水溶液 作用下，水-岩反应强度随水溶液的流速变化而呈这 种趋势：高速循环的＞低速循环的＞静止的。同一 流速的水溶液作用下，同一岩性岩石，在不同化学 性质的水溶液作用下，水 -岩反应强度明显不同：水 溶液的＞纯水的。
(4) 不同岩性的水-岩反应强度不同。总体上，3 种岩石的水溶液反应前后离子成分及矿化度的历时 变化(见表 3，图 2)，说明红砂岩与水溶液的反应强 度最高，而灰岩的比花岗岩的稍大，但各时段的水岩反应强度特点是：在 t1 时间，水与红砂岩反应的 强度最大，而水与花岗岩的和灰岩的较小且较接近； 在 t2 时间，红砂岩的稍大于灰岩的，花岗岩的最小； 在 t3 时间，出现明显的变化：灰岩的＞红砂岩的＞ 花岗岩的。
图 2 岩石化学损伤值 D(t)与反应后水溶液 pH 值、矿化度 M 的变化趋势对比
Fig.2 Contrast of the chemical damage D(t) with pH value and M under different conditions
(5) 根据岩石化学损伤值与上述水-岩反应特点 及反应后水溶液的 pH 值、矿化度 M 变化的趋势对 比分析(图 2)，可得出结论：岩石的化学损伤与水岩化学反应强度成正比关系。
第 21 卷 第 4 期 2002 年 4 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
21(4)：526～531 April，2002
水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究*
汤连生 1 张鹏程 1 王思敬 2
(1 中山大学地球科学系 广州 510275) (2 中国科学院地质与地球物理研究所工程地质力学开放实验室 北京 100029)