酸腐蚀作用下岩石剪切强度特性研究

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矿产资源作为国民经济的支柱产业,矿产资源安全开采有利于促进国民经济稳定快速的发展。在开采矿产资源的过程中,安全问题是首要的,因此,研究岩石材料的变形和破坏特征就尤为重要。矿物是岩石的砌块,最常见的造岩矿物都是各向异性的,而且往往含有由矿物组成的杂质。矿物颗粒由相互交嵌的颗粒边界,矿物胶结物,以及粘结性颗粒集合体连接在一起。岩石,作为矿物的集合体,其物理力学性质与岩石的矿物成分以及其颗粒之间的联结有着不可分割的关系。而矿区的水环境十分复杂,水环境中的化学物质会与岩石产生化学反应,这种化学腐蚀会引起岩石的矿物成分及岩石的内部结构的改变,进而改变岩石的力学性质,造成岩石力学性质的劣化,从而对岩体工程的安全性造成很大的威胁。因此,研究化学溶液对岩石强度和变形的腐蚀效应就有很重要的工程意义。本文依托自然科学基金项目:高湿环境高应力裂隙矿柱水化侵蚀与流变损伤破坏机制,对取自安徽太平前常铜铁矿的岩石试件在草酸腐蚀作用下的岩石剪切强度特性进行研究。本文主要研究结果如下:1、对该岩石试件进行不同法向应力条件下的直剪试验,发现全应力应变曲线分为四个阶段:压密阶段(OA段)、弹性变形阶段(AB段)、剪切破坏阶段(BC段)和破坏后阶段(CD段)。2、全应力应变曲线各个阶段特征如下:(1)压密阶段(OA段):剪应力-应变曲线的斜率非常小,位移大幅增加,剪应力增量非常小;(2)弹性变形阶段(AB段):剪应力-应变曲线近似直线且斜率大于OA段,B点应力为弹性极限;(3)剪切破坏阶段(BC段):B点之后很短的一段时间内剪应力-应变曲线的斜率大幅度减少,应变持续增加,而剪应力基本保持不变,之后剪应力-应变曲线的斜率大幅增加,其斜率大于弹性变形阶段AB段,直到试件发生剪切破坏;(4)破坏后阶段(CD段):剪切力在C点达到峰值,岩石试件发生破坏,剪切力大幅度减少。3、将该岩石试件置于不同pH的弱酸溶液中浸泡之后再进行直剪试验,直剪试验各特征量变化规律:在相同的pH条件下,随着法向应力的增加,岩石试件的抗剪强度也随之增加;在相同的法向应力条件下,随着浸泡溶液pH的减小,岩石试件的抗剪强度也随之减小。各pH组的岩石试件在相同的法向应力条件下进行直剪试验,浸泡6天组的岩石试件的抗剪强度均比浸泡3天组的岩石试件小。内聚力:随着浸泡溶液的pH值的减小内聚力随之减小。内摩擦角:随着浸泡溶液的pH值的减小内摩擦角随之减小。4、在浸泡的过程中用pH计测量浸泡溶液的pH可以发现,各组浸泡溶液的pH最后均呈现出弱碱性。5、在不同的浸泡溶液中,浸泡溶液对岩石试件的腐蚀程度不同,腐蚀的作用方式也不一样。在pH为7的浸泡溶液中可以发现,浸泡溶液主要腐蚀的是岩石试件表面的附着物质和岩石矿物晶体之间的胶着物质,孔隙裂隙发育。在pH为4的浸泡溶液中,浸泡溶液不仅腐蚀了岩石试件表面的附着物质和矿物晶体之间的胶结物质,而且腐蚀了矿物晶体,使得矿物晶体的粒径变小,颗粒与颗粒间的接触方式发生改变,孔隙裂隙大量发育,出现溶蚀孔洞。由于岩石试件矿物颗粒之间的这些变化,最终导致了岩石试件的力学性质的改变。
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