鈣芒硝中硫酸鈉的提取與滲透

鈣芒硝中硫酸鈉的提取與滲透

1鈣駁岸對(duì)鈣互溶的實(shí)驗(yàn)研究鈣芒硝是一種特殊的復(fù)合鹽。其主要成分是易溶于水的硫酸鈉和微溶于水的硫酸鈣，具有復(fù)雜的溶解特性。對(duì)鈣芒硝礦床開(kāi)采的主要目的是提取其所含的硫酸鈉成分,但不管采用哪種開(kāi)采方法,從鈣芒硝中提取硫酸鈉都會(huì)涉及鈣芒硝的溶解與滲透。對(duì)于鈣芒硝溶解特性的研究,主要集中在自然溶解、溫度溶解、化學(xué)溶解三個(gè)方面。對(duì)于自然狀態(tài)下的溶解,王志才在1988年通過(guò)試驗(yàn)初步研究了鈣芒硝溶解過(guò)程中溶液濃度,并在此基礎(chǔ)上探討了鉆井水溶法開(kāi)采鈣芒硝礦床的可能性和適用條件。劉建林在1993年通過(guò)試驗(yàn)研究了硫酸鈉含量在30%～40%之間的鈣芒硝礦石的溶解特性,研究表明了溶解程度取決于礦石在溶解過(guò)程中結(jié)構(gòu)的疏松程度,疏松程度越高,溶解性能越好,不產(chǎn)生疏松現(xiàn)象的過(guò)程溶解只能發(fā)生在礦石的表面。邱賢德、黃木坤、閻宗領(lǐng)等在2000年研究了超聲波對(duì)鈣芒硝礦石水溶浸出率的影響,研究表明了超聲波在一定程度上提高了鈣芒硝礦石水溶浸出率。隨后,劉中華、趙陽(yáng)升等通過(guò)對(duì)鈣芒硝溶解過(guò)程研究,初步從細(xì)觀的角度揭示了鈣芒硝的溶解機(jī)理,得出鈣芒硝的水溶過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程,在此過(guò)程中,既包含晶體的溶解也包含晶體的析出,且這兩種過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。嚴(yán)國(guó)超、劉中華、胡耀青等通過(guò)對(duì)鈣芒硝在靜態(tài)水中溶解后孔隙率的研究,從逾滲的角度研究了鈣芒硝原位水溶開(kāi)采的可行性和適用條件;對(duì)于不同溫度下的溶解,李志忠在1992年通過(guò)對(duì)鈣芒硝溶解度、溶解時(shí)的熱效應(yīng)、水溶后的體積膨脹效應(yīng)等研究,探討了鈣芒硝礦全液相開(kāi)采的可行性應(yīng)具備的條件。隨后徐素國(guó)、梁衛(wèi)國(guó)、趙陽(yáng)升等通過(guò)對(duì)鈣芒硝的水溶特性試驗(yàn),研究了鈣芒硝溶解速度、溶解速率隨溫度變化的規(guī)律。對(duì)于化學(xué)溶解,郭志琴、陳應(yīng)祥在1993年研究了不同添加劑對(duì)鈣芒硝中硫酸鈣溶解度的影響,得出了六偏硫酸鈉、焦磷酸鈉、三聚磷酸鈉對(duì)硫酸鈣有增溶作用,而磷酸鈉、硫脲、十二烷基磺酸鈉、硅酸鈉對(duì)硫酸鈣無(wú)增溶作用。隨后徐素國(guó)、梁衛(wèi)國(guó)、趙陽(yáng)升通過(guò)不同溶劑中的溶解試驗(yàn),得出了鈣芒硝在氫氧化鈉溶液、碳酸鈉溶液和碳酸氫鈉溶液、水溶液、鹽酸溶液中的溶解特性。目前,對(duì)鈣芒硝溶解滲透耦合方面的研究較少。為了進(jìn)一步研究鈣芒硝的溶解滲透耦合特性,本文利用高精度μCT225KVFCB顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)和MDS-200型三軸滲透試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)在孔隙壓出水口敞口狀態(tài)下的鈣芒硝進(jìn)行了溶解滲透試驗(yàn)的進(jìn)一步研究。這一研究?jī)?nèi)容對(duì)鈣芒硝礦床原位溶浸開(kāi)采的過(guò)程控制、地表沉降控制、回采率的提高、礦山可持續(xù)發(fā)展的實(shí)現(xiàn)具有非常重要的意義。2鈣地層中可溶性礦物硫酸鈉的溶解當(dāng)鈣芒硝與水接觸時(shí),組成結(jié)晶格架的可溶礦物離子被水分子帶有相反電荷的一端所吸引,若水分子對(duì)離子的引力足以克服結(jié)晶格架中離子間的引力,則鈣芒硝礦物結(jié)晶格架就會(huì)遭到破壞,可溶礦物離子就會(huì)進(jìn)入水中,此時(shí)可溶礦物被水溶解。從以上溶解過(guò)程的分析中可以看出,鈣芒硝礦物的溶解作用只能發(fā)生在固、液接觸的界面上。當(dāng)孔隙水從試件下端的注水口被注入時(shí),由于密封套的密封作用,使得孔隙水只能與試件的下端端面接觸,這樣就使得硫酸鈉的溶解首先發(fā)生在與孔隙水接觸的試件下端端面。由于試件下端端面上的可溶礦物被溶解,導(dǎo)致該處可溶礦物的缺失,這一方面空出一定的空間,形成了溶液滲流的通道,另一方面,暴露出新的可溶礦物硫酸鈉,并在孔隙水壓力的作用下,溶液順著所形成的滲流通道隨之而至,形成新的固、液接觸界面,繼續(xù)溶解鈣芒硝中新暴露出的可溶礦物硫酸鈉。如此循環(huán),溶解作用促進(jìn)了溶液的滲流,溶液的滲流反過(guò)來(lái)又加速了可溶礦物硫酸鈉的溶解,進(jìn)而使得鈣芒硝中的滲流通道逐步深入礦物內(nèi)部,使得溶解作用不斷的持續(xù)進(jìn)行,直至鈣芒硝中可溶礦物硫酸鈉全部或部分溶解。另外,由于鈣芒硝中含有大量的水不溶物硫酸鈣,且可溶礦物硫酸鈉和不溶礦物硫酸鈣交錯(cuò)存在,隨機(jī)分布,因而在整個(gè)過(guò)程中,鈣芒硝中的可溶礦物硫酸鈉被溶解之后還殘留有可以承受一定載荷的固體骨架硫酸鈣(硫酸鈣遇水變成二水硫酸鈣),且在固體骨架中形成了大量的作為滲流通道的孔隙,進(jìn)而鈣芒硝由不滲透的固體骨架變成了可滲透的多孔介質(zhì)。在軸壓、圍壓的作用下,殘留的固體骨架會(huì)發(fā)生變形,使得一部分滲流通道閉合或減小,滲透性減弱,抑制了溶液與硫酸鈉的接觸,延緩了溶質(zhì)的運(yùn)移和低濃度溶液的浸入,縮減了硫酸鈉的溶解速度,溶解速度的改變反過(guò)來(lái)又會(huì)影響滲流通道的形成和殘留固體骨架的力學(xué)性質(zhì)。這幾個(gè)因素相互作用、相互影響,所以整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程是一個(gè)溶解、滲透、力學(xué)耦合的過(guò)程。3離子含量巖樣取自四川眉山鈣芒硝礦床,其主要礦物離子含量見(jiàn)表1。按照巖石力學(xué)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),將所取鈣芒硝巖樣在巖石切割機(jī)上加工成直徑為50mm、高為100mm的圓柱體試件。4掃描鈣、上的鈣、硝試樣的分析試驗(yàn)時(shí),先利用高精度μCT225KVFCB顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)自然狀態(tài)下的鈣芒硝試樣進(jìn)行掃描。掃描后,利用MDS-200型三軸滲透試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行軸壓8.0MPa、圍壓為6.0MPa條件下的溶解滲透試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)束后再利用高精度μCT225KVFCB顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)巖樣進(jìn)行掃描。5試驗(yàn)結(jié)果的分析5.1滲透及滲透后的結(jié)果分析在本次溶解滲透試驗(yàn)的過(guò)程中,孔隙壓的出水口始終設(shè)定為敞口,即出水口衡為一個(gè)大氣壓。由試驗(yàn)的過(guò)程看,溶解滲透試驗(yàn)的初期沒(méi)有孔隙水從試件上端的出水口流出,這一方面說(shuō)明了試件與密封橡膠套的密封性較好,試驗(yàn)方法比較正確,由此所得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)、可靠;另一方面也說(shuō)明了自然狀態(tài)下鈣芒硝試件的結(jié)構(gòu)比較致密,滲透性極差,宏觀表現(xiàn)為不滲透。由于試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),鈣芒硝的滲透性極差,因而與鈣芒硝試件接觸的孔隙水較少,當(dāng)孔隙水與鈣芒硝試件接觸到一定的時(shí)間后,試件中所含的可溶礦物硫酸鈉就會(huì)使溶液的濃度上升到一定值,甚至可能會(huì)達(dá)到飽和濃度,進(jìn)而抑制鈣芒硝試件中其它部位硫酸鈉的繼續(xù)溶解。為了使與鈣芒硝試件接觸的孔隙水的濃度不至于達(dá)到飽和濃度值或較高的濃度值,所以在試驗(yàn)的過(guò)程中應(yīng)間隔一定的時(shí)間更換孔隙水,以降低孔隙水的濃度,保證鈣芒硝試件中所含的可溶礦物硫酸鈉能夠繼續(xù)溶解。在這種試驗(yàn)方式下,隨著鈣芒硝試件溶解滲透作用的持續(xù)進(jìn)行,孔隙壓的出水口開(kāi)始有水滲出,并隨著時(shí)間的推移,單位時(shí)間的出水量逐漸增大。由于孔隙水壓采用的是手動(dòng)加載裝置,因而在孔隙水不斷從出水口流出的同時(shí),孔隙水壓也在不斷的逐漸下降。為了保證孔隙水壓保持不變,我們?cè)谧鲈囼?yàn)的過(guò)程中不斷的通過(guò)手動(dòng)加載裝置適當(dāng)?shù)难a(bǔ)給一些孔隙水,使其始終為一定值。當(dāng)孔隙水壓在通過(guò)手動(dòng)加載裝置補(bǔ)給孔隙水的情況下還不能穩(wěn)定的保持在預(yù)先設(shè)定的孔隙水壓值時(shí),試驗(yàn)至此結(jié)束。圖1是孔隙水壓為3.0MPa時(shí)試驗(yàn)前后試件結(jié)構(gòu)的變化情況。從圖中可知,滲透試驗(yàn)開(kāi)始前,鈣芒硝試件顆粒較小,排列緊湊,結(jié)構(gòu)十分致密,表面比較光滑,看不到明顯的裂縫和缺陷。滲透試驗(yàn)后,鈣芒硝試件的表面出現(xiàn)了一條貫穿試件整個(gè)高度的通道,且試件表面凹凸不平,可以看到明顯的缺陷。從圖中可以看出,盡管鈣芒硝試件在滲透試驗(yàn)結(jié)束之后,其固體骨架由低滲透介質(zhì)變成了可滲透的多孔介質(zhì),但縱觀整體,其所形成的滲流通道還是較少,且所殘留的固體骨架中還含有大量的可溶礦物硫酸鈉,因而可以說(shuō)硫酸鈉并沒(méi)有被溶解充分,如果按照此方法對(duì)鈣芒硝進(jìn)行原位水溶開(kāi)采,雖然該方法減小了開(kāi)采過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的破壞,但卻難免會(huì)造成大量硫酸鈉資源的浪費(fèi)。另外,這個(gè)試驗(yàn)結(jié)果所得的固體骨架結(jié)構(gòu)與梁衛(wèi)國(guó)、徐素國(guó)、趙陽(yáng)升等于2004年所做的鈣芒硝溶解滲透試驗(yàn)所得的殘留固體骨架結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果相差也很遠(yuǎn)。經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析研究,作者發(fā)現(xiàn)梁衛(wèi)國(guó)、徐素國(guó)、趙陽(yáng)升等在試驗(yàn)研究的過(guò)程中,當(dāng)鈣芒硝試件被孔隙水溶解滲透連通之后,他們就開(kāi)始封閉孔隙壓的出水口,然后經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間間隔后再打開(kāi)孔隙壓的出水口,使溶解滲透后所得的溶液流出,當(dāng)溶液流出一定的量之后,再將孔隙壓的出水口封閉。這樣周而復(fù)始的進(jìn)行封閉、開(kāi)啟孔隙壓的出水口,直至最后溶解滲透試驗(yàn)結(jié)束。這樣做的目的就是使得鈣芒硝試件能夠在壓力作用下進(jìn)行溶解滲透,以使其所含的可溶礦物硫酸鈉得到充分溶解。5.2鈣駁岸滲透前后孔隙率及孔隙等效直徑的變化由于目前的研究大部分集中在了宏觀方面,細(xì)觀方面的研究較少,而有關(guān)二者之間關(guān)系研究的資料更少,為了進(jìn)一步研究鈣芒硝的宏觀滲透規(guī)律與細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系,在試件進(jìn)行滲透試驗(yàn)前、后分別利用了太原理工大學(xué)與中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子研究所共同研制的高精度μCT225KVFCB顯微CT試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了CT掃描,并利用太原理工大學(xué)采礦工藝研究所研發(fā)的CT圖像分析系統(tǒng)對(duì)掃描結(jié)果進(jìn)行了分析研究,鈣芒硝試件在滲透前后的結(jié)構(gòu)如圖2。由表2可以得500層的孔隙等效直徑為45.10μm,600層的孔隙等效直徑為42.97μm,700層的孔隙等效直徑為44.18μm,800層的孔隙等效直徑為56.36μm,它們的平均值為47.15μm。由表3可以計(jì)算出第500層的孔隙等效直徑為43.47μm,600層的孔隙等效直徑為56.74μm,700層的孔隙等效直徑為68.32μm,800層的孔隙等效直徑為91.52μm,它們的平均值為65.01μm。由以上計(jì)算結(jié)果可知,滲透試驗(yàn)前,試件平均孔隙率為0.02%,孔隙等效直徑平均值為47.15μm;滲透試驗(yàn)后,試件平均孔隙率為0.45%,孔隙等效直徑平均值僅為65.01μm。因而可以說(shuō),經(jīng)過(guò)滲透作用后,鈣芒硝試件的孔隙率和孔隙等效直徑均增大了。所以,在試驗(yàn)的過(guò)程中,滲流通道逐漸變得順暢了,因而鈣芒硝的滲透特性得到了不斷的改善,由原先的不滲透逐漸變成了可滲透的多孔介質(zhì)。5.3溶解時(shí)間對(duì)滲流通道的影響鈣芒硝試件在軸壓為8.0MPa,圍壓為6.0MPa,孔隙壓分別為2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa時(shí),溶解滲透試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),在孔隙壓出水口都沒(méi)有孔隙水流出,說(shuō)明此時(shí)的鈣芒硝試件都不滲透,結(jié)構(gòu)十分致密,孔隙率極低。當(dāng)孔隙壓為2.0MPa時(shí),鈣芒硝試件在溶解滲透試驗(yàn)開(kāi)始后191h被溶解貫通,進(jìn)行203h后孔隙壓不能夠穩(wěn)定保持,試驗(yàn)結(jié)束;當(dāng)孔隙壓為3.0MPa時(shí),鈣芒硝試件在溶解滲透試驗(yàn)開(kāi)始后153h被溶解貫通,進(jìn)行近154h后孔隙壓不能夠穩(wěn)定保持,試驗(yàn)結(jié)束;當(dāng)孔隙壓為4.0MPa時(shí),鈣芒硝試件在溶解滲透試驗(yàn)開(kāi)始后7h被溶解貫通,進(jìn)行8h后孔隙壓不能夠穩(wěn)定保持。為了使鈣芒硝試件中所含的可溶礦物硫酸鈉溶解充分,且孔隙壓能穩(wěn)定的維持在一個(gè)定值上,我們隨之將孔隙壓調(diào)整為1.0MPa,當(dāng)溶解滲透試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后,再將孔隙壓上調(diào)為2.0MPa,繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn),當(dāng)孔隙壓不能夠穩(wěn)定保持時(shí),試驗(yàn)結(jié)束。從圖3、4、5中可以看出,鈣芒硝試件在孔隙水壓分別為2.0MPa、3.0MPa、4.0MPa作用下,其初始階段表現(xiàn)為不滲透,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間被溶解貫通后,且滲透系數(shù)均隨著溶解時(shí)間的持續(xù)而不斷的增長(zhǎng)。由于鈣芒硝是一種特殊的復(fù)鹽,其主要組分是微溶于水的硫酸鈣和易溶于水的硫酸鈉,自然狀態(tài)下表現(xiàn)為不滲透。在試驗(yàn)過(guò)程中,鈣芒硝與孔隙水接觸發(fā)生溶解作用,在溶液飽和之前,隨著溶解時(shí)間的持續(xù),硫酸鈉會(huì)被不斷的溶解,因而在其溶解后所殘留的固體骨架中的滲流通道會(huì)不斷的形成,并且會(huì)隨著硫酸鈉的溶解而逐漸變得順暢,所以其滲透系數(shù)會(huì)隨著溶解時(shí)間的持續(xù)而不斷的增長(zhǎng)。另外,從圖3、4、5中還可以看出,在溶解貫通后的初始階段,滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化較緩,隨著溶解時(shí)間的持續(xù),滲透系數(shù)隨時(shí)間的變化逐漸增大,但當(dāng)溶解進(jìn)行到一定時(shí)間后,該變化又逐漸變小。在試件溶解貫通后的初始階段,盡管溶液的濃度相對(duì)較低,溶液溶解硫酸鈉的能力較強(qiáng),但由于自然狀態(tài)下鈣芒硝固體骨架的結(jié)構(gòu)十分致密,因而初始階段內(nèi)固、液接觸的面積相對(duì)較小,所以此時(shí)在固體骨架中產(chǎn)生的滲流通道較少,輸送流體的能力較弱,致使可溶礦物硫酸鈉在單位時(shí)間內(nèi)溶解的量較少,所以此階段鈣芒硝的滲透系數(shù)隨著溶解時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)相對(duì)緩慢。隨著硫酸鈉的不斷溶解,所形成的滲流通道不斷增多,其與溶液接觸的面積不斷的增大,盡管此時(shí)的溶液濃度不斷增高,溶液溶解硫酸鈉的能力相對(duì)減弱,但此時(shí)固、液接觸面積的增大對(duì)溶解速度的影響超過(guò)了溶液濃度對(duì)其的影響,此階段新的滲流通道不斷形成,舊的滲流通道不斷擴(kuò)大、合并,其通暢程度大幅度提高,所以此階段鈣芒硝滲透系數(shù)隨著溶解時(shí)間的持續(xù)增長(zhǎng)較快。隨著溶解的進(jìn)一步繼續(xù),鈣芒硝所含的可溶礦物硫酸鈉逐漸減少,溶液的濃度也進(jìn)一步提高,盡管此時(shí)還在不斷的產(chǎn)生新的滲流通道,但單位時(shí)間內(nèi)硫酸鈉所能夠溶解的量卻在逐漸的減少,因而其滲透系數(shù)提高的速度逐漸減緩。將圖3、4、5對(duì)比可知,當(dāng)試件在孔隙壓4.0MPa作用下,其溶解貫通所需的時(shí)間較少,僅需7h;在孔隙壓3.0MPa作用下,其溶解貫通所需的時(shí)間次之,需要153h;在孔隙壓2.0MPa作用下,其溶解貫通所需的時(shí)間最多,需要191h。當(dāng)試件被孔隙水溶解貫通之后,在孔隙壓4.0MPa作用下,試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)最大,滲透系數(shù)最高可達(dá)150.6×10-9cm/s;在孔隙壓3.0MPa作用下,試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)次之,滲透系數(shù)最高可達(dá)33.28×10-9cm/s;在孔隙壓2.0MPa作用下,試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)最小,滲透系數(shù)最高僅可達(dá)2.08×10-9cm/s。試件在溶解貫通之前,孔隙水不能經(jīng)過(guò)試件流出孔隙出水口,而孔隙水只能經(jīng)過(guò)試件才能流出,這是其唯一的出口途徑。所以,孔隙水壓越大,進(jìn)水口處低濃度的溶液就越容易進(jìn)入由于溶解可溶礦物而形成的滲流通道的里面,進(jìn)而使得通道里的溶液濃度降低較快,從而加快了與溶液接觸的硫酸鈉的溶解速度。而溶解速度的加快,使得鈣芒硝固體骨架中滲流通道形成的速度也得到了大幅度的提高,進(jìn)而使得滲流通道更加順暢,因而孔隙水壓越大,試件被溶解貫通所需要的時(shí)間也就越短,一旦試件被孔隙水所溶解貫通,其所得的滲透系數(shù)也就越大。當(dāng)試件被溶解貫通之后,孔隙水壓越大,試件中存在的壓力梯度就越大,同等條件下試件中溶液的滲流速度也就越大。當(dāng)試件中硫酸鈉成分被溶解而變成離子的時(shí)候,其離子分散的速度主要受溶液滲流速度的影響,滲流速度越大,分子分散的速度也就越大,溶液的濃度也就下降越快,進(jìn)而溶液溶解硫酸鈉的能力也就越強(qiáng),致使硫酸鈉溶解的速度也就越大,所形成的滲流通道也就越順暢,滲流通道的順暢使得試件的滲透系數(shù)增大,滲透系數(shù)的增大便利了流體在滲流通道中的運(yùn)移,而溶質(zhì)離子就是借助流體的流動(dòng)運(yùn)移的,所以此時(shí)加速了溶質(zhì)離子的運(yùn)移,進(jìn)而促進(jìn)了硫酸鈉的溶解,溶解、滲透相互影響,相互促進(jìn)。因而孔隙壓越大,試件被溶解貫通所需的時(shí)間越少,所得的滲透系數(shù)越大。圖6是鈣芒硝試件在孔隙水壓為4.0MPa作用下后調(diào)整孔隙壓為1.0MPa的滲透試驗(yàn)結(jié)果,圖7是試驗(yàn)進(jìn)行一段時(shí)間后將試件的孔隙水壓由1.0MPa又調(diào)至2.0MPa的滲透試驗(yàn)結(jié)果。從圖6、7中可以看出,滲透系數(shù)隨著溶解時(shí)間的持續(xù)而逐漸增大。這說(shuō)明試件在孔隙水壓為4.0MPa作用下,試件中的可溶礦物成分沒(méi)有被完全溶解,試件在孔隙水壓為1.0MPa的情況下又溶解了一部分可溶礦物,使得固體骨架中的滲流通道更加順暢了,進(jìn)而滲透系數(shù)也得到了提高;在孔隙水壓為2.0MPa的情況下可溶礦物又得到了進(jìn)一步的溶解,這又進(jìn)一步提高了固體骨架中滲流通道的順暢程度,進(jìn)一步提高了多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)。試件中的可溶礦物硫酸鈉被完全溶解后,如果繼續(xù)進(jìn)行滲透試驗(yàn),在不考慮試件蠕變的情況下,則此時(shí)試件滲透系數(shù)應(yīng)隨時(shí)間持續(xù)而保持一定值。但從圖7中可以看出,試驗(yàn)結(jié)束時(shí)滲透系數(shù)還在隨著時(shí)間持續(xù)而增大,這說(shuō)明其所含的可溶礦物成分還沒(méi)有被完全溶解。如果想要可溶礦物完全溶解,試驗(yàn)還需繼續(xù)進(jìn)行一定的時(shí)間。但由于試件最后滲透較強(qiáng),孔隙水壓很難保持一個(gè)定值,所以試驗(yàn)至此不能再繼續(xù)進(jìn)行。5.4鈣駁岸的溶解過(guò)程鈣芒硝試件在軸壓為8.0MPa、圍壓為6.0MPa和孔隙壓為2.0MPa時(shí)的變形結(jié)果圖8。從圖8中可以看出,在孔隙壓為2.0MPa的整個(gè)溶解滲透試驗(yàn)過(guò)程中,其應(yīng)變與溶解時(shí)間呈非線性關(guān)系。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到0～27h之間時(shí),應(yīng)變變化較快,27～189h之間時(shí)變化較慢,189h至試驗(yàn)結(jié)束之間時(shí)變化較快,且此階段的變化速度大于0～27h之間變化速度。在溶解滲透試驗(yàn)過(guò)程中,鈣芒硝試件能接觸的流體只是孔隙水,且在密封套的密封作用下,孔隙水只能通過(guò)整個(gè)試件高度由孔隙水出水口流出。由于孔隙水的進(jìn)水口設(shè)在鈣芒硝試件的下端,出水口設(shè)在鈣芒硝試件的上端,因而最先接觸孔隙水的是試件的下端,且開(kāi)始時(shí)孔隙水與整個(gè)試件的下端面接觸,也就是說(shuō)鈣芒硝下端面所含的可溶礦物硫酸鈉最先發(fā)生溶解作用。開(kāi)始時(shí),孔隙水中不含硫酸鈉離子,由于可溶物質(zhì)溶解的動(dòng)力是溶液的濃度,在溶液濃度低于飽和濃度之前,溶液濃度越低,其溶解動(dòng)力就越大,溶解速度就越快;溶液濃度越高,其溶解動(dòng)力就越小,溶解速度就越慢。因而當(dāng)與鈣芒硝試件接觸時(shí),孔隙水可以以較快的速度溶解鈣芒硝下端面所含的硫酸鈉礦物,并且由于溶解所形成的滲流通道還沒(méi)有特別深入到試件內(nèi)部,所以濃度較低的孔隙水在孔隙壓的作用下可以很容易的到達(dá)固、液接觸的端面,使得溶液繼續(xù)以較快的速度溶解所接觸的硫酸鈉礦物。由于此時(shí)與鈣芒硝接觸的孔隙水較少,溶液濃度很快上升到一定濃度值,為了降低溶液濃度,促進(jìn)可溶礦物硫酸鈉的溶解,在試驗(yàn)進(jìn)行到一定時(shí)間后要及時(shí)進(jìn)行更換孔隙水,以免溶液濃度達(dá)到飽和,抑制了硫酸鈉的溶解。在鈣芒硝試件沒(méi)有溶解貫通之前,孔隙水由于沒(méi)有出口而只能滯留在試件中。隨著溶解滲透的繼續(xù)進(jìn)行,滲流通道逐漸深入到試件內(nèi)部較遠(yuǎn)的地方,因而其孔隙水也逐漸越來(lái)越深入到試件內(nèi)部較遠(yuǎn)的地方,但由于滲流的路程較遠(yuǎn),此時(shí)低濃度的孔隙水越來(lái)越很難達(dá)到固、液接觸的界面上,固體骨架中溶液的濃度降低較慢,致使可溶礦物硫酸鈉的溶解速度逐漸變緩。當(dāng)鈣芒硝試件被孔隙水溶解貫通后,試件中孔隙水的滲流速度增大,致使溶液中硫酸鈉離子的分散速度得到很大的提高,使得低濃度的孔隙水再次很容易的到達(dá)固、液接觸的界面上,使得硫酸鈉的溶解速度得到再次提高。另外,由于鈣芒硝中的硫酸鈉成分和硫酸鈣成分是以化合物的形式存在的,因而在硫酸鈉遇水發(fā)生溶解的同時(shí),硫酸鈣也在與水發(fā)生反應(yīng),它們的化學(xué)反應(yīng)方程式為:Na2SO4?CaSO4?H2O→Na2SO4+CaSO4?2H2O+H2OΝa2SΟ4?CaSΟ4?Η2Ο→Νa2SΟ4+CaSΟ4?2Η2Ο+Η2Ο從上式可以看出,鈣芒硝在與孔隙水發(fā)生接觸時(shí),可溶礦物硫酸鈉被孔隙水溶解,變成離子進(jìn)入溶液,硫酸鈣微溶于水,與水結(jié)合形成CaSO4·2H2O,并與鈣芒硝所含的其它不溶礦物共同構(gòu)成了殘留固體骨架。因而,