本文是一篇土木工程论文，本文在酸性（pH=3.0）、中性（pH=7.0）、碱性（pH=11.0）三种溶液环境下，开展了灰岩的干湿循环和持续浸泡试验，为凸显灰岩性能在试验过程中的变化规律在部分测试分析中还加入了相同干湿循环试验条件下玄武岩的变化进行对比。试验前首先对灰岩试样进行了矿物成分分析，随后对各试验周期段结束后的灰岩试样进行了吸水率测试、单轴压缩试验、浸泡溶液 pH 值和主要离子浓度的跟踪监测、SEM 扫描电镜观测，分析了灰岩试样吸水率、单轴抗压强度、受压破坏形态、溶液 pH 值、主要离子浓度以及试样微观形貌，在各溶液环境中分别随循环次数或持续浸泡时间的变化规律。最后，结合 X-衍射的矿物测试结果和对各溶出离子的释放速率进行计算分析，从化学反应及矿物结构破坏解体的角度探讨了灰岩在各溶液环境下的溶蚀劣化机理。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
岩石作为一种由多种矿物结晶及胶结物质，在漫长地质作用下形成的天然材料集合体，具有取材方便、抗压、抗剪、承载能力等宏观力学性能较好、经济实惠等众多优点，当前已被视为工程建设中必不可少的基础材料之一。然而，成岩过程中，由于外界环境因素的干扰、组成矿物的多样性以及各矿物质在组合过程中不可能完美无瑕的拼接在一起。因此，大多天然岩体内部不可避免的存在众多风化节理、微裂纹、微裂隙和孔洞等缺陷区域，当岩体处于水溶液环境时，这部分缺陷区域为水溶液进入岩体内部提供了良好的先决条件。已有研究表明[1]，水-岩化学腐蚀作用往往是从岩体的微裂隙部位开始的，许多奇特的喀斯特景观的形成，均始于岩体内部矿物的溶蚀以及不规则结构面的发育。
岩石宏观物理力学性能的强弱与岩体矿物成分及矿物结构的完整性、稳定性息息相关。由于风化或溶蚀作用引起岩石内部风化节理的发育，裂隙、裂纹、孔洞等缺陷区域的扩展、汇集、连接和贯穿，必将导致岩体宏观力学性能的降低，甚至会对大量土木工程建设的安全稳定性造成威胁。然而，随着社会生活水平的不断提高，工业化和城市化进程的不断加速推进，环境污染问题日益严重，人类活动早已严重打破自然生态系统的平衡，如：地下水中离子浓度和酸碱度的日益复杂化、部分地区常年遭受酸雨或旱涝灾害。因此，当前很多岩土工程建设不仅需要面对，成岩过程中地质作用所带来的岩石力学问题，还必须考虑复杂多变的自然环境中水化学溶液的溶蚀作用，温度变化带来的干湿循环作用或冻融循环作用，以及风化作用。并且这些自然环境因素大多数时候并非单一存在，时常为多个因素耦合在共同影响岩石宏观性能的变化。其中，水溶液（如地表水、地下水、降雨、雪水等）作为自然界中最活跃的影响因素之一，除了为地球上动植物提供生命基础之外，也是大量化学反应作用的关键溶剂，为水岩化学作用过程中岩体矿物溶解和沉淀反应提供主要介质。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 水-岩化学溶蚀作用研究现状
实际自然状态下赋存的水溶液，大多是由多种成分组成的化学溶液，即酸碱度较接近中性的纯净地下水，其实质也是由不同种离子组分和浓度混合组成的复杂水化学溶液。在岩石材料的众多组成矿物中，还包含了大量可溶性矿物，此类可溶性矿物与水化学溶液较容易会发生离子交换、水解溶蚀、溶解、氧化还原等一系列化学反应，导致岩体微细观结构中胶结物的溶解、矿物颗粒间粘结力的减弱和排列方式的改变、部分裂隙及孔隙的扩张连通，且可溶性矿物溶解留下的“缺陷区域”，将被更多的水化学溶液充填，助长水-岩化学作用的进一步发展，进而导致岩体宏观物理、力学性能的不断降低，严重的将引发滑坡、泥石流、库岸边坡的崩塌等自然灾害，带来巨大的财产损伤和人员伤亡。
为此，近些年来，针对水-岩作用问题，国内外大量学者已进行了大量的研究工作，取得了较为丰富的研究成果，并搭建了较完善的研究系统。Hawkins.A.B 等[20]对 35 种英国砂岩单轴抗压强度损失进行了研究，发现在加载过程中孔隙压力对整个岩石强度的影响作用是微不足道的，进而得到试样单轴抗压强度的变化与其含水量并无之间联系，主要取决于砂岩内部黏土矿物和石英等矿物含量占比，当岩体受外界环境因素的影响，其内部黏土矿物颗粒抗剪性能不断被削弱，最终影响砂岩宏观力学性能。M. L. Lin 等[21]为研究分析第三纪砂岩在水溶液环境下的润湿弱化微观机理，以两种矿物成分含量不同的第三纪砂岩为试验研究对象，结果表明当处于干燥状态时，两种砂岩的破坏均主要由微观结构内的裂缝、裂纹等缺陷区域引起，而当处于水溶液环境中时，绿泥石含量较高的砂岩孔隙度增加更明显，岩石的被软化程度更严重，因为绿泥石相比伊利石、高岭石矿物，在水溶液环境中最容易被溶解和浸出，从而导致岩体基质孔隙率的增加。
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第二章 试验材料与方法
2.1 引言
大多数岩石的劣化过程均有水溶液的参与，当岩石浸泡于水溶液中时，其物理力学等宏观性能的劣化程度与浸泡时间息息相关，浸泡时间越长岩石的宏观性能就越差。但在实际工程中，受库区水位随汛期和非汛期的周期涨落或地下水位季节性涨落的影响，使得大部分岩体工程（如水库坝体消落带区域）长期处于干湿交替环境中，加之云南地处高原地区，属于典型的高原气候，气候变化层出莫穷，雨季持续时间长且降雨量大，由于雨水的蒸发，使得岩体处于一个不断循环吸水失水的物理劣化状态。因此，简单研究水溶液持续浸泡下岩石物理力学性能的变化已远远不够模拟现实自然环境下岩石的劣化环境，应对干湿循环作用下岩石的物理力学性能劣化进行试验研究分析，以此还原真实岩石劣化自然环境。另外，由于污染现象的不断严重，当前自然环境中几乎不存在完全中性（pH=7）的水溶液，一般为弱酸性或弱碱性。
西南地区灰岩广泛分布，由于其取材方便，资金耗费低、强度大等特点已被视为各类建筑施工中必不可少的基础材料。水化学溶液中岩石的受腐蚀程度主要取决于组成矿物对该溶液的敏感程度，同种矿物在不同溶液环境中的反应依然存在巨大差异。
为揭示灰岩在不同溶液环境下的劣化机制，本章分析了灰岩矿物成分，并制定了相应酸性、中性、碱性三种溶液环境下的干湿循环和持续浸泡试验方案。
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2.2 试验材料
试验所选用的灰岩试样以钻芯取样的方式取自云南省昆明市长水机场旁，取样区位图分别如图 2.1 所示。
图 2.1 灰岩试样取样点区位图
2.2.1 灰岩矿物成分分析 为方便后期对各溶液环境下灰岩腐蚀作用机制的研究，将部分现场取回的天然试样送至云南省地质矿产勘查开发局中心实验室进行矿物成分检测。根据《土工试验方法标准》GB/T 50123-2019，采用 X-衍射仪利用 X 射线在矿物晶体物质中的衍射效应对灰岩试样的矿物组成进行分析。X-衍射技术一般不可准确测定被测试样品的组成矿物含量，其检测结果存在小范围误差，并且若被检测试样中某种原生矿物含量本身就较小，该矿物在检测过程中也不一定能够被准确识别，但X-衍射 技术 可 对 被 检测对象 进 行定性 分析得到影 响该检 测对象性能 的主要 矿物成分及其含量。根据表 2.1 中检测结果数据可知，本次用于试验的灰岩为典型的碳酸类岩石，其矿物成分较单一，主要矿物成分为方解石和白云石，相对矿物含量分别约为 80%-90%，10%-20%。
表 2.1 灰岩原样主要矿物成分含量
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第三章 灰岩宏观物理力学性能规律研究 ....................... 25
3.1 引言 ................................. 25
3.2 试验步骤 ................................. 25
第四章 浸泡溶液 pH 值变化及离子析出规律研究 ............................. 47
4.1 引言 ................................ 47
4.2 溶液 pH 值测试方法 ........................... 47
第五章 灰岩的溶蚀效应机制分析 ............................... 61
5.1 引言 ................................... 61
5.2 灰岩化学作用机制分析............................... 61
第五章 灰岩的溶蚀效应机制分析
5.1 引言
当岩石处于溶液环境中时，水化学溶液环境对其既有物理方面又有化学方面的损伤劣化效应。针对于物理损伤劣化方面，岩石在外界因素的影响下，其部分矿物颗粒会吸水膨胀和失水收缩，在这样的反复膨胀收缩作用下，原本紧密连接的矿物颗粒之间出现裂痕或裂缝，使得水溶液可进入岩石内部区域，润湿岩体内部结构面上的矿物颗粒，导致矿物颗粒间的摩擦力和连接性减弱，加之进入岩体的水溶液带来的孔隙压力会对缺陷区域产生劈裂作用，使其进一步扩展；对于化学作用方面，一些化学性质活跃的矿物在与水溶液接触后，会在短时间内发生一系列的复杂化学反应，造成矿物成分的转变和矿物晶体颗粒形状、大小的改变，改变岩体微观形貌，最终影响岩石宏观性能。
从以上章节中单轴抗压强度、浸泡溶液 pH 值和离子浓度的变化规律发现，在本次试验周期内干湿循环作用和持续浸泡作用对灰岩造成的损伤劣化作用无明显差异。因此本章节主要从溶液环境的角度出发，对比分析灰岩分别在酸性、中性、碱性溶液环境下的化学作用机理。且借助 SEM 扫描电镜
