在湿热循环与Na2SO4溶液耦合作用下砂岩孔隙结构演化机制

崩解岩石为何重要

表面看来，砂岩山丘与悬崖坚固且经久不变。然而在许多山谷、水库与路堑中，这些岩石在仅数年内就会变弱，诱发滑坡与落石，威胁人员与基础设施。本研究探讨一个安静却强大的元凶：在含盐水存在下反复的润湿与加热循环。通过观测砂岩内部微小孔隙在这些条件下的变化，研究者揭示了为何某些边坡会逐渐失去强度，以及工程师如何更好地加以防护。

雨、阳光与盐的协同作用

在许多山区，砂岩边坡暴露于规律的降雨、日晒与再降雨节律中。这类环境中的水很少是纯净的：常含溶解盐类，包括硫酸钠。团队选取来自中国重庆万州区一处边坡的砂岩样品，制备成小圆柱体样本，并将其浸泡在三种不同浓度的硫酸钠溶液中，同时以蒸馏水作对照。每个样品反复循环：室温浸泡一小时、60 °C烘干一小时（类似曝晒下的岩石表面），然后冷却回室温。

从内部观察岩石的变化

每十个循环后，研究者测量砂岩的变化。他们记录由于微小颗粒脱落导致的质量损失、检测表面硬度、用声波探测内部刚度，并应用低场核磁共振描绘孔隙结构。在50次循环内，盐溶液中的样品比纯水样品损失更多质量，最高浓度溶液约产生4.5%的质量损失。表面硬度下降幅度达10%，尤其在约20个循环后更明显，表明岩石表层变得更松散、更易磨损。

从微小孔隙到较大空洞

孔隙尺度的测量揭示了这种劣化的展开过程。起初，当含盐水渗入后蒸发，硫酸钠会在最小的孔隙内结晶。早期结晶有时会填充空隙，使岩石看起来略为致密，声波传播速度也变快。但随着湿干反复，晶体反复生长与溶解，对孔壁施加压力，最终破坏相邻孔隙间的隔膜，将许多微孔转化为更少但更大的孔隙甚至微裂缝。总体孔隙率上升，尤其在较高盐浓度下明显；声波速度在约20个循环时达到峰值，随后随着损伤积累而下降。

盐：边坡损伤的隐形推动力

综合实验结果表明，含硫酸钠的湿度循环是岩石损伤的高效推动力。盐水先渗入既有孔隙，随后结晶与再结晶逐步撬开并将孔隙连通。当微小孔隙群向中等与大孔隙转变时，砂岩变得更轻、更软、且波速传递能力下降——这些都是内部结构弱化的信号。对于在水库、道路或文化遗产附近设计或维护边坡的工程师来说，结论明确：并非所有水都是一样的。含盐量与气候驱动的湿–干循环可以在不显山露水中把看似坚固的砂岩转变为更脆弱的材料，随着时间推进增加侵蚀与失稳的风险。

引用: Geng, J., Li, X., Wu, Y. et al. Evolution mechanism of pore structures in sandstone under coupled effect of hygrothermal cycles and Na₂SO₄ solution. Sci Rep 16, 10554 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46746-w

关键词: 砂岩风化, 盐类结晶, 孔隙结构, 边坡稳定性, 湿干循环