摘要：

本研究探討了青海省紅砂巖在不同化學溶液（酸性、中性、堿性鹽溶液及蒸餾水）侵蝕下的宏觀力學特性與微觀結構變化。研究通過實驗分析了紅砂巖在不同溶液中的質量變化、波速變化、核磁共振（NMR）孔隙結構、單軸壓縮力學性能及X射線衍射（XRD）礦物組成變化。研究發現，不同溶液對紅砂巖的侵蝕作用顯著，表現為質量增加、彈性模量下降、孔隙結構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29.20%），堿性溶液促進礦物溶解，中性鹽溶液加速水巖反應。研究揭示了水巖反應中離子交換、溶解、沉淀及鹽結晶的復雜機制，為理解水巖相互作用及工程中巖石穩定性提供了理論依據

背景：

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

然而，現有研究存在以下不足：

1）研究范圍有限：多數研究聚焦單一化學環境（如酸性或堿性溶液），缺乏對復雜化學環境（如酸性、堿性及鹽類共存）下巖石響應的系統研究。

2）方法局限：現有研究多依賴宏觀力學測試（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）機制不明確：水巖反應中離子交換、溶解、沉淀及鹽結晶的復雜機制尚未被系統揭示。

本研究的創新點在于：

1）多方法綜合分析：結合核磁共振（NMR）、X射線衍射（XRD）、單軸壓縮測試等方法，揭示水巖反應的微觀機制。

2）復雜環境模擬：通過酸性、中性、堿性及鹽類溶液的侵蝕實驗，系統研究不同化學環境對紅砂巖的宏觀力學與微觀結構變化。

3）理論與工程結合：為工程中巖石穩定性評估、災害防治及環境治理提供理論依據。

該研究填補了水巖反應機制研究的空白，為理解巖石在復雜化學環境中的行為提供了科學支持。

實驗過程及結論

1.實驗方法

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，經風干、粉碎至粒徑1-2 mm，制備成標準尺寸的圓柱體（直徑50 mm，高50 mm），用于力學測試。

樣品編號：每組實驗取3個平行樣品，編號為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的圓柱形標準試件。通過X射線衍射分析其基本礦物成分，詳細信息見表1。

表1 礦物成分

1.3 實驗儀器與目的

  1）PH計：用于測量溶液pH值，精度為0.05，用于監測水巖反應中的化學環境變化。

2）X射線衍射儀：用于分析巖石的晶體結構和礦物組成。

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

4）單軸壓縮測試設備：用于評估巖石的宏觀力學性能。

圖1 測試儀器

2.核磁T₂弛豫時間分析

圖2顯示了紅砂巖在四種不同溶液中浸泡40天后的NMR橫向弛豫時間T₂分布曲線，而表2則展示了與T₂分布曲線對應的NMR譜面積的變化。

圖2 紅砂巖在不同溶液浸泡時間下T₂譜分布變化

圖2展示了不同溶液浸泡時間下紅砂巖的T₂譜分布變化，反映了孔隙結構的動態變化。根據相關研究，T₂弛豫時間與孔隙半徑密切相關，通過T₂譜分析可推斷孔隙大小和分布。具體而言：

1）孔隙結構變化：不同溶液（如酸性、中性、堿性鹽溶液）和浸泡時間（如10、20、30、40天）會導致孔隙數量、大小和連通性變化。例如，酸性溶液可能促進溶解和沉淀，導致孔隙結構復雜化；而堿性溶液可能促進礦物溶解和孔隙擴展。

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譜面積的相對變化率（如微孔、中孔、大孔比例的變化）可量化孔隙結構的演變。例如，酸性溶液可能增加微孔比例，而堿性溶液可能促進中孔和大孔的形成。

3）力學特性關聯：孔隙結構的變化直接影響巖石的力學特性，如彈性模量和強度。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間對紅砂巖孔隙結構的動態影響，進而揭示了其力學特性的變化機制。

表2 不同化學溶液下T₂譜的信號變化

表2展示了不同溶液和浸泡時間（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構的動態變化，有以下分析：

1）譜與孔隙結構的關系：T₂譜的面積和變化率與孔隙半徑密切相關。根據核磁共振（NMR）原理，弛豫時間與孔隙半徑成正比，較長的T₂時間對應較大的孔隙，較短的T₂時間對應較小的孔隙。酸性鹽溶液可能促進孔隙的溶解和擴展，而堿性鹽溶液可能促進新礦物沉淀和孔隙填充

2）酸性鹽溶液：酸性環境可能加速礦物溶解和孔隙擴展，導致T₂譜面積減少；堿性鹽溶液：堿性環境可能促進新礦物沉淀和孔隙填充，導致T₂譜面積減少；中性鹽溶液：鹽的存在可能加速水-巖反應，導致孔隙結構變化。

    3）時間效應：隨著浸泡時間的延長，水-巖相互作用增強，孔隙結構進一步發展和連通性增加。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間變化的實驗結果。表4展示不同化學溶液中不同孔徑的百分比。

圖3 紅砂巖在不同溶液浸泡時間下孔徑分布的變化

根據圖3紅砂巖在不同溶液浸泡時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%）。這主要由于酸性環境促進鈣硫酸鹽沉淀（如CaSO?）的形成，填充部分孔隙，同時酸性離子加速礦物溶解，擴大孔隙空間。

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。

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%）。堿性環境促進礦物溶解和鹽結晶，形成新孔隙。

表3 不同化學溶液中不同孔徑的百分比

表3展示了不同化學溶液（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。這表明酸性環境促進了礦物溶解和孔隙擴展。

2）孔隙結構演變：不同溶液的浸泡時間（0天、10天、20天、30天、40天）顯示，孔隙結構隨時間動態變化，可能與礦物溶解、沉淀和結晶過程相關（如鈣硫酸鹽沉淀）。

化學溶液通過溶解、沉淀和結晶過程顯著改變紅砂巖的孔隙結構和力學性能，揭示了水-巖反應的復雜機制。這些變化對工程應用（如巖土工程、環境治理）具有重要參考價值。

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參考文獻

[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.