水泥混凝土是当今土木建设工程中广泛使用的建筑材料,而建设工程质量受混凝土性能的好坏影响重大。含酸溶液可使以砂浆、混凝土和灰砂砖为主的非金属类建筑材料其表面硬化水泥出现溶解、空洞和裂缝,造成材料力学强度降低,进而导致建筑物毁坏。黑色页岩由于含有硫化矿物和富含有机质,在氧化环境下易与水溶液反应,形成具有强侵蚀性的酸性溶液。由黑色页岩化学风化引起的工程建筑材料酸性腐蚀问题,已出现多起案例,严重者甚至会影响工程建筑安全以及生命财产安全。因此本项目拟对黑色页岩水岩化学特征及其对水泥混凝土的酸性侵蚀作用展开研究。本文以广西三江地区清溪组黑色页岩作为研究对象,对研究区黑色页岩矿物化学成分特征进行了分析;选取了三江地区清溪组研究区黑色页岩进行半浸泡条件下的不同岩体体积反应溶液与混凝土相互作用实验,得到黑色页岩与混凝土与水相互作用后的水质变化、矿物及混凝土成分变化、裂隙分布和力学强度变化特征;运用热力学理论分析黑色页岩水岩作用对混凝土的氧化酸蚀热力学特征;利用Phreeqc软件对不同浸没高度黑色页岩水岩作用对混凝土酸蚀效应过程中矿物饱和指数进行数值模拟。通过研究,取得了如下几点主要成果和认识:(1)对广西三江黑色页岩研究区进行工程地质特性调查,对研究区样品矿物及风化产物使用X射线衍射仪(XRD)进行测定。研究结果表明,黑色页岩中含有的部分矿物极易在酸性水环境中溶解、分解(主要包括伊利石、白云母、高岭石、方解石以及石英等),造成黑色页岩内部结构松释,且黑色页岩在氧化酸蚀的不同阶段也会形成不同的风化产物(主要包括白铁矾、叶绿矾、针铁矿、黄钾铁矾以及高铁叶绿矾等),生成的产物会产生体积膨胀,使得黑色页岩沿结构面膨胀破坏,最终导致黑色页岩强度急剧下降;广西三江黑色页岩研究区岩样主要化学组分为:石英(67.0%⁷4.5%),方解石(12.0%¹4.0%)、白云石(4.2%⁵.1%)以及黄铁矿(0.5%².6%),其它物质化学组分含量较低;并检测研究区环境水特征,其环境水pH值较低呈强酸性,为硫酸盐型酸性水。(2)通过半浸泡条件下不同岩体体积黑色页岩反应溶液与混凝土相互作用试验分析,研究结果表明:黑色页岩水岩化学作用主要受水岩反应面积、水、空气的共同影响,毛细水在该过程中起到重要作用;而水岩作用在水、气、固三相交界面上反应最为明显。水岩作用产生的酸性溶液会使混凝土表面腐蚀严重,同时生成的硫酸盐是影响混凝土物理力学性质的主要因素,可造成混凝土内部膨胀腐蚀,但在短期内表现为混凝土表面形成酸性腐蚀,生成的硫酸盐物质充填内部孔隙裂隙后,导致混凝土抗压强度总体略有提高。(3)选择水岩作用氧化-酸蚀过程中的主要化学反应作为研究对象,运用焓,熵和吉布斯自由能等热学理论分析研究水岩作用氧化-酸蚀过程中相关反应物和产物的热力学。研究结果表明:黑色页岩中的黄铁矿的氧化酸蚀受温度影响较大,其氧化酸蚀的产物有利于促进岩样进一步的氧化分解,在寒冷地区黑色页岩的氧化酸蚀反应发生的趋势更强;温度越高,硫酸盐对混凝土的腐蚀趋势越严重,而温度越低,硫酸盐对混凝土的腐蚀次生产物二水石膏对混凝土的二次腐蚀越趋势严重,两者呈相互促进关系,即腐蚀产生二水石膏的反应吸热会给混凝土的二次腐蚀带来更有利的温度环境;黑色页岩氧化酸蚀作用的次生产物反应中,白铁矾、针铁矿、黄钾铁矾以及高铁叶绿矾的反应的发生易受外部条件影响。(4)利用Phreeqc软件对不同浸没高度黑色页岩水岩作用对混凝土酸蚀效应过程进行数值模拟。研究结果表明:黑色页岩中金属阳离子(K⁺,Mg²⁺,Na⁺,Fe²⁺,Ca²⁺)、SO₄^2-以及黄铁矿其物质质量摩尔浓度和饱和指数受pH影响较大,溶液的酸性程度越强,越有利于黄铁矿的溶解;针铁矿更容易赋存于pH值更低的环境,说明黄铁矿的在酸性环境下更容易氧化分解,即酸性环境对黑色页岩的氧化分解是起递进作用;混凝土在酸性环境下其水化作用更加的强烈,黑色页岩中的硫酸盐对腐蚀作用的物理效应(即膨胀腐蚀),在酸性条件不明显,即短期内其膨胀效应低,且其酸蚀生成的具有膨胀效应的盐(水石膏和钙矾石为主)对于混凝土内部孔隙的填充,导致短期内其单轴抗压强度不降反升,而长期来看,随着酸蚀效应的减少(产生酸蚀效应的黑色页岩消耗减少),混凝土所处的环境溶解pH值升高,混凝土在酸性条件下受硫酸盐腐蚀生成的具有膨胀效应的盐(水石膏和钙矾石为主)的饱和指数的不断升高,具有膨胀效应的盐不断沉淀析出,混凝土将会膨胀开裂。