摘要
化学腐蚀可以对岩体力学性能产生劣化作用,实际工程中的岩体也往往面临钻爆开挖、机械破岩等动态冲击荷载,而岩体的破坏本质上是能量的吸收与耗散过程,研究化学腐蚀后岩体承受冲击荷载作用时的能量演化具有重要的现实意义。利用分离式霍普金森压杆(SHPB)测试系统对两种不同pH值(3和5)的KHSO4溶液浸泡后的花岗岩试样进行动态冲击试验,设定腐蚀时间为30、60 d,另设一组无腐蚀过程的原状试样作为对照,考察0.15 MPa气室压力下酸性环境腐蚀后花岗岩的能量演化效应,得到试样的动态应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、能量吸收率随环境pH值和腐蚀时间的变化规律。结果表明,随着溶液pH值的降低和腐蚀时间的增长,动态应力-应变曲线的非线性段被压缩,峰值应力和峰值应变都在降低。在pH值为3的溶液中腐蚀60 d后,试样的能量吸收率从37.39%上升到52.11%,表明随着化学腐蚀的增强,花岗岩强度降低,变形能力变差,应力波在其内部传播时消耗掉了更多的能量,试样更易破坏。
关键词
岩体赋存于含有大量离子的水-化学溶液中,如
苗胜军
在冲击荷载作用下,岩石内部裂纹增加、扩展、贯通,这一系列过程都伴随着能量的吸收与消耗。能量耗散会导致岩石内部缺陷的不断演化,导致宏观层面岩石动态力学性能的改变。因此,试样动态破坏过程中的吸收能占比是衡量岩石动态力学性能的重要参数。吕晓聪
笔者利用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)对受过60 d酸性环境腐蚀后花岗岩试样的动力学性能进行研究,给出峰值强度、峰值应力和能量吸收率的劣化程度,为建立水-化学腐蚀环境下花岗岩的损伤本构模型和相关工程实践提供数据资料。
在SHPB试验中,试样的尺寸设计应能够体现系统整体的尺寸匹配要求。假定试样均匀变形,在高应变率的试验条件下,试样质点的纵向和径向惯性会造成应力-应变曲线的试验误差。美国金属学会(ASM)推荐的长径比为0.5~1.0,笔者选择的长径比为0.5。为了尽可能减少试样与SHPB杆端面积的不匹配,试样尺寸与杆端尺寸一致,直径为50 mm,得到试样长度为25 mm。对试样两端进行打磨,保证平行度小于0.02 mm,平整度小于0.05 mm。加工好的花岗岩试样如

图1 典型试样
Fig. 1 Typical sample
根据中华人民共和国生态环境部公布的《2020中国生态环境状况公报》,全年降水的pH值年均范围为4.39~8.43,其中,主要的阴离子为硫酸根,当量浓度比例达到18.2%。据此,选用的腐蚀试剂为KHSO4的水溶液,由99%的KHSO4固体溶解于水得到。配置成pH值为3和5两种酸度,分别腐蚀30、60 d,并另设一组无腐蚀的完好花岗岩试样进行对比。之后将试样放入配置好的腐蚀液中,随着反应的进行,溶液会逐渐向中性靠近,使得后续腐蚀效果较差。因此,为了更好观察花岗岩试样在给定酸度下的腐蚀效果,每72 h对溶液的pH值进行测量,并对pH值、实验室温度、实验室湿度进行记录,记录完毕后重新加入固体溶剂,使得溶液达到预设的pH值(3和5)。结果显示,整个腐蚀过程中,实验室的温度稳定在13 ℃~24 ℃之间,湿度稳定在55%~70%之间,可以近似认为环境处于恒温恒湿状态。
试验采用的SHPB测试装置见

图2 SHPB测试装置
Fig. 2 SHPB testing apparatus
经过激发装置释放气室压力后,弹头撞击入射杆并形成应力波,即入射波(incident wave,i)。当入射波沿着前进方向以一维进行传播时,在与试样接触的瞬间,因为杆件和花岗岩试样的波阻抗存在较大差距,一部分应力波继续向前传播至透射杆,形成透射波(transmitted wave,t),在透射杆中形成的应变由透射杆应变片的电压变化计算得到;另一部分应力波沿着相反的方向返回入射杆,即反射波(reflected wave,r),入射波和反射波在入射杆中形成的应变均由入射杆应变片的电压变化计算得到。当杆件的直径不太大时,一维传播的假设可以得到自动满足。当试样中的应力、应变沿着长度方向均匀分布时,试样中的应变可以直接用试样两端的位移差求得,此假定为均匀性假定。冲击荷载直接作用会形成矩形波,使得试样在应力波上升时间内难以达到应力平衡,应力不满足均匀分布的假定。为使均匀性假定得到满足,采用直径10 mm、厚度1 mm的超轻黏土进行波形整形。该材料塑性较好,通过其塑性变形来有效地平缓加载波的上升。试验时将其粘贴于入射杆撞击端的中心位置,如

图3 超轻黏土用于波形整形
Fig. 3 Ultra-light clay used for wave shaping

图4 应力平衡示意图
Fig. 4 Schematic diagram of stress equilibrium
试样的应变为两杆之间的位移差,根据弹性波的线性叠加原理,试样的应变、应变率和应力分别为
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式中:Ce为弹性波波速;Ed为杆件的动态弹性模量;ls为试样的长度;As为试样的横截面面积;εi(t)、εr(t)和εt(t)分别为入射波、反射波和透射波各自在杆件中形成的应变,由应变片的实时电压计算而来,故三者均为时间t的函数。

图5 应变率-时间曲线
Fig. 5 Strain rate-time curve
根据

图6 pH值为5环境下试样动态应力-应变曲线
Fig. 6 Dynamic stress-strain curves of samples under pH=5

图7 pH值为3环境下试样动态应力-应变曲线
Fig. 7 Dynamic stress-strain curves of samples under pH=3

图8 峰值应力随腐蚀时长和pH值的变化
Fig. 8 Variation of peak stress with corrosion time and pH value
从
1)pH值为5环境中的试样在同样的冲击荷载作用下,30 d后,试样的平均峰值应力从148.65 MPa下降到141.86 MPa,降幅为4.57%,60 d后,试样的平均峰值应力从148.65 MPa下降到了139.97 MPa,降幅为5.84%;
2)pH值为3环境中的试样在同样的冲击荷载作用下,30 d后,试样的平均峰值应力从148.65 MPa下降到137.60 MPa,降幅为7.43%,60 d后,试样的平均峰值应力从148.65 MPa下降到132.97 MPa,降幅为10.55%。
由试验结果可得,对于同一pH值环境下的花岗岩试样,其峰值应力随着腐蚀天数的增加而降低;对于腐蚀时间相同的花岗岩试样,在酸性环境范围内,其峰值应力随pH值的下降而降低。

图9 峰值应变随腐蚀时长和pH值的变化
Fig. 9 Variation of peak strain with corrosion time and pH value
从
1)在同样的冲击荷载作用下,pH值为5环境中的试样30 d后试样的平均峰值应变从0.008 99下降到0.008 87,降幅为1.33%,60 d后试样的平均峰值应变从0.008 99下降到0.008 38,降幅为6.79%;
2)在同样的冲击荷载作用下,pH值为3环境中的试样30 d后试样的平均峰值应变从0.008 99下降到0.008 81,降幅为2.00%,60 d后试样的平均峰值应变从0.008 99下降到0.008 28,降幅为7.90%。
由试验结果可得,对于同一pH值环境下的花岗岩试样,其峰值应变随着腐蚀天数的增加而降低;对于腐蚀时间相同的花岗岩试样,在酸性环境范围内,其峰值应变随pH值的下降而降低。
在SHPB测试中,试样两个端面均涂抹凡士林进行润滑,因此,在整个应力波传播过程中摩擦做功导致的能量损失可以忽略不计。根据能量守恒原理,弹头给予系统的入射能(incident energy,Win)用于3种途径:对试样做功、透射能(transmitted energy,Wtr)和反射能(reflected energy,Wre)。另试样做功为U,该值等于应力波在试样内部传播过程中耗散掉的能量,宏观上也等于试样在整个破碎过程中的能量吸收值(absorbed energy,Wab),故也称吸收能或耗散能。则有
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当一维应力波假定和均匀性假定都被满足时,根据弹性波理论,
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式中:A、Ce和Ed分别为杆件的面积、弹性波波速和杆件的动态弹性模量;σi(t)、σr(t)和σt(t)分别为入射波、反射波和透射波在杆件中形成的应力,均为时间t的函数。

图10 SHPB测试中的典型能量演化
Fig. 10 Typical energy evolution in SHPB testing
理论上,入射能的大小仅与气室压力有关,但因为实际的试验操作过程中偶然误差不可能避免,包括弹头在轨道中滑动时摩擦力做功、波形整形器放置位置不会每次都严格一致等,均会导致同样气室压力下试样计算后得到的入射能有细微差别,因此,使用吸收能在入射能中的占比表征试样能量吸收情况,要比直接使用吸收能的绝对数值更有参考价值。即能量吸收率η
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图11 能量吸收率随时间的变化
Fig. 11 Variation of energy absorption rate with time
从
1)在同样的冲击荷载作用下,pH值为5环境中的试样30 d后,试样的平均能量吸收率从37.39%上升到42.43%,60 d后试样的平均能量吸收率从37.39%上升到46.51%;
2)在同样的冲击荷载作用下,pH值为3环境中的试样30 d后,试样的平均能量吸收率从37.39%上升到了44.39%,60 d后,试样的平均能量吸收率从37.39%上升到52.11%。
由试验结果可得,对于同一pH值环境下的花岗岩试样,能量吸收率随着腐蚀天数的增加而升高;对于腐蚀时间相同的花岗岩试样,在酸性环境范围内,其能量吸收率随pH值的下降而升高。
利用SHPB测试系统,考察了受到pH值为3和pH值为5两种环境下腐蚀30、60 d后花岗岩试样的动力学性能,试验得到了动态应力-应变曲线,关注了峰值应力、峰值应变和能量吸收率的变化。得到以下主要结论:
1)随着腐蚀时间增长,试样动态应力-应变曲线的非线性硬化阶段逐渐缩短,峰值应力和峰值应变都在降低,试样的脆性变强。
2)矿物参与反应生成离子溶解于溶液中,造成内部结构的破坏,峰值应力随着腐蚀时间增长而下降,随着环境pH值下降而下降;峰值应变随着腐蚀时间增长而下降。
3)能量吸收率随着腐蚀时间增长而上升,随着环境pH值下降而上升,可以认为是化学损伤使得应力波传播路径更加复杂,从而导致能量耗散增加。
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