凍融紅砂巖的SHPB試驗研究及細觀分析

劉少赫， 許金余,2， 王 鵬, 劉 石

(1. 空軍工程大學 機場建筑工程系， 西安 710038； 2. 西北工業大學 力學與土木建筑學院， 西安 710072)

凍融紅砂巖的SHPB試驗研究及細觀分析

劉少赫1， 許金余1,2， 王 鵬1, 劉 石1

(1. 空軍工程大學 機場建筑工程系， 西安 710038； 2. 西北工業大學 力學與土木建筑學院， 西安 710072)

使用100 mm直徑分離式霍普金森壓桿對不同凍融循環次數的紅砂巖試件進行沖擊試驗，得到了凍融紅砂巖的應力應變曲線，分析了峰值應力、峰值應變和彈性模量的變化。使用掃描電鏡對凍融后的巖樣進行檢測，分析了凍融循環對紅砂巖的影響。研究結果表明，隨凍融次數的增加，峰值應力降低，且峰值應力具有明顯的應變率效應，采用峰值應力相對損失量ξ對不同應變率作用下的試件進行歸一化處理，ξ隨凍融循環的進行近似線性變化。隨凍融循環次數的增加，峰值應變逐漸增加，試件的彈性模量逐漸降低。利用掃描電鏡對凍融試件的進行掃描，發現凍融循環后紅砂巖試件的膠結物質大量脫落，顆粒間聯接減弱。定量分析表明，孔隙面積的增加與紅砂巖強度的降低有明顯的相關關系。

凍融循環；霍普金森壓桿；沖擊力學特性；掃描電鏡

隨著我國經濟的迅速發展，在青藏高原等寒區開展了大量的工程建設，諸如青藏鐵路、大坂山隧道、青藏公路等，寒區工程在建設過程中所遇到的各種困難越來越引起學者的重視[1]。巖石是工程施工中常見的材料，寒區巖石經歷的凍融循環對巖石的力學性質有重要影響。同時，在防護工程建設、巖石爆破開挖、采礦等環境下都要考慮巖石在動載作用下的強度特性[2]。因此，研究凍融巖石的動態抗壓力學性能對寒區工程的順利開展具有重要意義。紅砂巖是一種分布廣泛的巖石，本文以其為研究對象分析凍融循環對巖石的破壞作用，具有一定的代表性。

對凍融循環巖石的相關性質分析已有學者開展了研究并取得了一些成果。Al-Omari等[3]選取了兩種不同孔隙率的石灰巖，在8種不同含水率的情況下進行50次凍融循環，試驗結果表明，當含水率達到80%～85%時，較少次數的凍融循環就會對巖石造成破壞，當飽水時，破壞會更為迅速。吳剛等[4]對飽水及干燥大理巖進行了60次凍融循環，通過聲發射試驗及力學試驗得到了凍融循環下大理巖的主要物理力學特性，發現凍融循環巖樣質量損失主要是水分散失引起的，且凍融循環后巖石強度明顯下降，隨凍融循環次數增加，巖石的動彈性模量變化逐漸趨緩。劉華等[5]對花崗巖和安山巖進行了30次凍融循環試驗，發現初期的凍融循環對裂縫的發育有較大貢獻，在后期的循環中裂縫變化不大，孔隙率較大的安山巖較花崗巖破壞嚴重，巖石的超聲波速同凍融循環的周期成指數關系下降，且凍融過程可能出現負泊松比。陳有亮等[6]對具有不同初始損傷的凍融花崗巖進行單軸抗壓試驗，得到了不同試件的應力應變曲線，并建立了損傷演化方程。張慧梅等[7]對紅砂巖進行40次凍融循環，在凍融過程中同時觀察巖石的基本物理特性變化，并進行了單軸抗壓試驗，根據試驗結果分析了凍融循環對砂巖基本物理力學特性的影響。 雖然對凍融巖石的力學性質已有較多研究，但是從之前的研究工作中可以發現，學者們大多對凍融巖石的靜態力學性能展開研究，而針對凍融巖石的動力學性質開展的研究還很不充分，較少見諸報道。本文利用直徑100 mm的霍普金森壓桿(SHPB)對凍融紅砂巖的動力學性質進行了研究，并使用掃描電鏡初步分析了凍融后紅砂巖的變化，研究結果對寒區的工程建設有一定的指導意義。

1 試驗原理及試驗方案介紹

1.1 試驗試件制備

試驗所用紅砂巖采自云南迪慶地區橫斷山脈某國防重點工程，經國土資源部西安礦產資源監督檢測中心檢測巖石的礦物成分：石英81%，斜長石10%， 鉀長石3%，方解石3%，伊利石1%，綠泥石1%，赤鐵礦1%及其他微量礦物。根據ISRM巖石力學試驗標準將紅砂巖試件加工成Φ96 mm×48 mm標準圓柱體，控制端面平行度在±0.05 mm以內，表面平整度在±0.02 mm以內。對試件進行超聲波檢測，選取超聲波波速相近的試件，以確保試件內部的均勻性。同時預制掃描電鏡觀測用長方體試件，材料與力學試驗試件相同，尺寸為10 mm×5 mm×5 mm。

由于含水率對砂巖試件的強度有明顯影響，且凍融試件均為飽水狀態開始凍融，所以為了對比研究凍融對巖石的破壞作用，消除含水率對試件強度的影響，以飽水試件作為對照組。凍融循環次數分別為0，5，10，15，25次，凍融0次組即為飽水狀態試件對照組。根據凍融次數將試件分為5組，每組9個力學試驗試件(SHPB試驗設置三種彈速等級，每個等級3個試件)和2個掃描電鏡觀測試件，所有試件在沸煮箱內沸煮6小時進行強制飽水處理，然后進行凍融循環。進行凍融循環時，試件放入凍融試驗機內降溫到-20 ℃下恒溫凍結4 h，然后注水升溫到20 ℃保溫4 h進行融化，即為一個循環。凍融循環結束后將試件取出放入水中保存。

1.2 凍融巖石的表觀形貌

紅砂巖在經歷不同次數的凍融循環后，表觀及巖石內部都發生了明顯變化，圖1為紅砂巖凍融后的圖片，每組試件只挑選一個典型試件。從圖中可見，隨凍融次數的增多，試件的破壞越來越嚴重。凍融5次時，試件邊緣出現小裂隙，上下表面有少量巖屑脫落，隨著凍融次數增多，裂隙擴展，巖石表面脫落越發嚴重，在凍融循環達到25次時，邊緣裂縫向內部發展，形成T形裂縫，同時部分試件在圓周出現橫向裂縫，試件上下表面巖屑脫落嚴重。

(a)凍融0次 (b)凍融5次 (c)凍融10次

(d)凍融15次 (e)凍融25次圖1 凍融循環后的紅砂巖試件Fig.1 Red sandstone specimens after freeze-haw cycle

1.3 試驗設備及控制條件

目前，霍普金森壓桿裝置(SHPB)是研究材料動態力學性能的主要儀器之一，廣泛的應用于巖石動態力學性能研究領域[8]，本試驗中所用的直徑100 mm SHPB試驗設備主要由發射裝置、吸能裝置、數據采集系統以及桿件等組成，設備如圖2所示。在試驗時，發射裝置對試件進行沖擊加載，吸能裝置吸收傳遞到后部的應力波，數據采集系統通過粘貼與桿件上的應變片實時采集應力波數據。

圖2 Φ100 mm霍普金森壓桿設備Fig.2 Split Hopkinson pressure bar of 100 mm diameter

SHPB試驗的基本原理是細長桿中彈性應力波傳播理論，采用三波法進行分析，根據試驗采集的數據得到動態應力-應變曲線

(1)

開展試驗時，沖擊試驗設定三種沖擊壓力，通過調整沖擊子彈的裝彈長度和沖擊氣壓對沖擊彈速進行控制，從而得到不同的入射應力波，但是由于空氣阻力、溫度和彈膛摩擦等因素的不同，即使精確控制試驗條件，入射應力波的強度也會在一個小區間內波動，經過多次試驗確定三種入射波強度，范圍為308～346 MPa；418～452 MPa；622～683 MPa。

2 SHPB試驗結果及分析

2.1 應力-應變曲線分析

使用SHPB對飽水及凍融循環5次，10次，15次，25次的五組紅砂巖試件進行沖擊試驗并對試驗數據進行記錄處理，得到了紅砂巖試件在不同沖擊強度下的應力-應變曲線，選取典型曲線進行分析，如圖3。

(a)飽水巖樣 (b)凍融循環5次 (c)凍融循環10次

(d)凍融循環15次 (e)凍融循環25次圖3 不同入射波強度沖擊下紅砂巖應力應變曲線Fig.3 Stress-strain curve of red sandstone under different impact of incident intensity

由圖3可以發現，隨凍融次數的增加，應力-應變曲線的變化有較強的規律性。經過凍融循環后，各試件的應力應變曲線大致分為壓密、彈性變形、裂紋發展及破壞4個階段。對比不同沖擊強度的曲線，可以發現低沖擊強度作用下的曲線破壞階段陡直，應變小，呈明顯的脆性破壞特征；在高沖擊強度下的曲線破壞階段下降趨緩，應變顯著增加，呈現延性破壞的特點。不同凍融循環次數的試件在沖擊破壞時有明顯的應變率效應，隨入射波強度的增大，應力-應變曲線升高，峰值應力明顯增大。同時可見，隨凍融循環次數的增加，曲線峰值點右移，峰值應變逐漸增加。

2.2 凍融次數與峰值應力的關系

根據紅砂巖試件的應力-應變曲線得到了凍融次數與峰值應力σ的關系曲線，如圖4所示。由圖可見隨凍融次數的增加，σ逐漸減小，在凍融5次后峰值應力降低最顯著，在高沖擊強度作用下，σ從377.5 MPa下降到266.5 MPa，下降了29.4%，而在中低強度的沖擊下，σ分別從211.8 MPa下降到169.1 MPa，和從154.1 MPa下降到120.8 MPa，下降了20%和21%，這說明高沖擊強度對凍融循環更為敏感。在之后的循環后，峰值應力繼續下降，但是下降幅度較小。經過了25次凍融作用，在試件的峰值應力下降了37%～53%，凍融循環顯著降低了試件的動壓強度。

圖4 峰值應力隨凍融次數的變化曲線Fig.4 Peak stress curve with number of freeze-thaw

凍融對紅砂巖的力學性質有明顯影響，同時在沖擊荷載作用下試件的強度表現出應變率效應，為了研究不同應變率下凍融次數與紅砂巖峰值應力變化的關系，引入峰值應力相對損失量ξ

(2)

式中：σt為經歷不同凍融次數后巖石的峰值應力，σ0為凍融0次巖石的峰值應力。ξ反映了凍融循環對不同沖擊強度作用下試件峰值應力的影響，根據試驗數據作圖5(a)。

(a)隨凍融循環次數的變化曲線

(b)擬合直線圖5 ξ與凍融循環的關系曲線Fig.5 Relationship between ξ and number of freeze-thaw cycle

圖中代表不同沖擊強度的三條曲線相互交叉，這說明在不同沖擊強度作用下，試件峰值應力相對損失量ξ隨凍融次數的變化具有相似性，ξ不具有應變率效應，這就可以在不考慮應變率效應的情況下研究凍融巖石動載強度的變化情況。由于三條曲線變化的相似性，對圖中各數據點進行擬合，如圖5(b)得到直線

y=0.02x+0.1

(3)

該直線在一定程度上揭示了不同沖擊強度作用下凍融循環對巖石動載峰值應力的影響，對研究凍融巖石的動力學強度具有一定參考意義。

2.3 凍融次數與峰值應變的關系

圖6為凍融循環次數與峰值應變的關系曲線，從圖中可以看出，峰值應變也具有明顯的應變率效應，不同強度的沖擊入射波所對應的峰值應變有較大不同，隨沖擊強度的提高，峰值應變增大。同時，隨著凍融循環次數的增加，峰值應變呈現上升趨勢。在凍融循環的初期，峰值應變的變化較小，凍融10次后峰值應變開始增大，在凍融15次后較飽水試件增長了12%～19%，且沖擊強度越高增速越快。凍融25次之后，峰值應變顯著增大，在低強度沖擊下，相較于飽水試件增長了19%，而高強度沖擊時增幅可達到49%。凍融循環10次后試件的峰值應變有了顯著增加，且在高沖擊強度作用下峰值應變增速更快。

圖6 峰值應變與凍融循環的關系曲線Fig.6 Relationship between peak strain and number of freeze-thaw cycle

2.4 凍融循環與彈性模量的關系

對照組28例患者行多巴絲肼治療:口服,治療第1周,125mg/次,2次/d,以后每周,日服量增加125mg,最大劑量≤1g,3~4次/d。

巖石的應力-應變曲線成非線性變化，曲線的彈性段不明顯，所以根據曲線上截取線段的不同，彈性模量E也不同，本文選取40%和60%峰值應力點的連接線段為研究對象，其斜率即為彈性模量

(4)

式中：下標1和2分別代表40%和60%峰值應力的兩點，σ和ε分別為該點對應的應力與應變。根據式(4)計算各試件的彈性模量，同組試件取平均值后，根據計算數據作圖7。

圖7 彈性模量與凍融循環的關系曲線Fig.7 Relationship between elastic modulus and number of freeze-thaw cycle

從圖7可以看出，彈性模量的變化同樣具有應變率效應，但是變化趨勢有一定的起伏，隨凍融循環次數增多，彈性模量整體下降，凍融15次～25次，下降幅度較大。從凍融0次到凍融25次，在三種沖擊強度作用下的彈性模量下降了56%～63%，且沖擊強度越高，所對應的試件彈性模量下降越多。

3 紅砂巖凍融劣化的細觀分析

3.1 凍融紅砂巖的細觀圖像

凍融循環促進巖石微裂隙的發育，對巖石的細觀形貌有明顯影響。目前，掃描電鏡是巖石細觀研究的主要儀器之一，已經廣泛應用于巖石研究領域。本文使用掃描電鏡對經歷不同凍融循環次數后的觀測用巖石試件進行觀察。圖像的放大倍數決定了一張圖像所包含的信息，如果放大倍數過小，就會有較多細節顯示不出來，丟失信息；如果放大倍數過大，則一張圖像所顯示的實際區域太小，在取樣時工作量過大。結合前人的研究成果[9-12]，確定主要采集圖像的放大倍數為300倍，部分特征區域采集更高倍數的圖像。每個試件采集圖像200張以上，由于圖像數量較多，僅挑選典型圖片如圖8所示。

(a)飽水試件(×300) (b)凍融5次(×300) (c)凍融10次(×300)

(d)凍融15次(×300) (e)凍融25次(×300) (f)巖石內部膠結物質(×1 000) 圖8 凍融巖石的細觀圖像Fig.8 Microcosmic image of freeze-thaw sandstone

由圖8可見，隨凍融循環次數的增加，紅砂巖的細觀形貌發生了較明顯的變化。凍融0次的試件礦物顆粒之間存在一些孔隙，不同顆粒之間有膠結物質連接，且膠結物質較多，黏結穩固。凍融5次后試件表面有少量膠結物質脫落，總體變化較小，凍融10次后可以發現巖石礦物顆粒間的膠結物質減少，顆粒表面裸露，凍融15次后紅砂巖表面膠結物質大量脫落，顆粒間的孔隙略有增大，有少量顆粒脫落，在凍融25次后礦物顆粒間膠結物質流失嚴重，顆粒間出現明顯裂隙，孔隙率顯著增大。

掃描電鏡的觀測結果表明：紅砂巖內部含有較多孔隙，且礦物顆粒間的膠結物質為多孔海綿狀結構，這就導致紅砂巖有很好的吸水性。在進行凍融循環時，顆粒間的水分凍結，體積膨脹，破壞了顆粒間膠結物質的完整性，使其發生流失。另一方面，紅砂巖所含的不同物質在溫度變化下有不同的體積變化率，同樣促進了巖石內部結構的破壞。在這兩方面的因素共同作用下，經過多次循環后，膠結物質大量流失，大量巖石礦物顆粒之間黏結性減弱甚至消失，從而導致宏觀力學性能大幅度下降。

巖石的細觀圖像包含大量的信息，本文使用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件對試驗采集的大量圖像進行分析。試驗采集的放大300倍的圖像分辨率為640像素×480像素，經計算可得每個像素代表實際0.666 7 μm，根據圖中像素換算到實際面積，對凍融巖石的孔隙面積進行研究。在進行圖像處理時使用irregular工具，根據區域生長算法，點選不同的孔隙區域。如圖9所示，選定區域后對指定區域進行計數即可得到孔隙面積。

圖9 選擇孔隙區域示意圖Fig.9 Schematic of choose pore region

對各孔隙面積進行計算后，將數據輸出到EXCEL表格中，對數據進行處理，得到每張圖所包含孔隙的平均面積St，根據試驗數據作圖10(a)。

(a)孔隙面積與凍融循環的關系曲線

(b)孔隙面積與凍融循環的擬合直線圖10 孔隙面積與凍融循環的關系Fig.10 Relationship between pore area and number of freeze-thaw cycle

從圖10可見，隨凍融次數的增多，紅砂巖的平均孔隙面積逐漸增多，凍融5次試件較飽水試件孔隙面積提高了40%，但是凍融5次～15次之間變化較小，凍融25次后孔隙面積又有了顯著提高，孔隙面積增大了42%。在凍融5次時紅砂巖內部松散的膠結物質脫落，但是一些聯接穩固的膠結物質影響不大。在凍融5次到15次之間，膠結物質與顆粒之間的聯結受到破壞，少量膠結物質及巖屑脫落。經歷25次凍融循環后，顆粒間聯結強度受到極大破壞，在凍脹力的多次作用下孔隙率大幅提高。

為了研究孔隙面積變化與強度變化的關系，對孔隙面積取相對值δ

(5)

式中:St為經歷不同凍融循環后的平均孔隙面積，S0為凍融0次時的孔隙面積。根據式(5)計算后做圖10(b)。對圖中數據點進行擬合可得公式為

y=0.05x+0.01

(6)

觀察式(6)與式(3)可知，凍融紅砂巖的沖擊抗壓強度隨著孔隙面積增大而降低，兩者有較好的相關性，孔隙面積在一定程度上影響紅砂巖的動態抗壓強度。但是兩者變化趨勢不盡相同，這是由于凍融循環除了增大了孔隙面積，還破壞了殘留的膠結物質，使水大量存在于顆粒之間起到了潤滑作用。多種因素的共同作用導致了試件的強度降低。

4 結 論

本文對凍融紅砂巖進行了SHPB試驗，并使用掃描電鏡研究了凍融對紅砂巖的影響，及其與紅砂巖動態壓縮強度的關系，得到以下結論：

(1)凍融循環對紅砂巖的表觀狀態有嚴重影響，在凍融25次后，巖石表面脫落大量巖屑，在邊緣處形成T形裂縫，且圓周出現橫向裂縫，紅砂巖試件破壞嚴重。

(2)凍融循環后試件在沖擊荷載作用下表現為脆性破壞，而且具有明顯的應變率效應，凍融次數較低時，在低沖擊強度作用下應力應變曲線出現回彈，且試件有大塊留芯。

(3)在不同的沖擊強度作用下，紅砂巖的峰值應力隨凍融次數的增加而降低，在凍融5次后下降幅度最大，高沖擊強度作用下試件的峰值應力降低最為明顯。引入峰值應力相對損失量ξ可以消除沖擊荷載作用時的應變率效應，反映凍融循環對不同沖擊強度作用下的試件的影響，ξ隨凍融循環近似線性變化。

(4)凍融紅砂巖的峰值應變隨凍融循環的變化具有應變率效應，而且在凍融初期峰值應變變化較小，隨凍融循環的進行，峰值應變逐漸增大。凍融紅砂巖的彈性模量也具有應變率效應，隨凍融循環的增加而降低，凍融15次后下降幅度較大。

(5)使用掃描電鏡對凍融試件進行觀察，發現隨凍融循環的進行，試件的孔隙面積增大，膠結物質減少，這是由于水冰相變，以及溫度變化時，不同物質的體積變化不同導致的。在宏觀上表現為強度降低，紅砂巖試件細觀的變化與宏觀的物理力學性質有顯著關系。定量分析表明，紅砂巖細觀孔隙面積的變化與具有近似的變化趨勢，這說明兩者具有較好的相關關系。

[1] 牛富俊,李國玉,趙淑萍,等.凍土工程與環境研究的新進展——第八屆國際凍土工程會議回顧[J].冰川凍土,2009,31(6): 1166-1177.

NIU Fujun, LI Guoyu, ZHAO Shuping, et al. New development of research on permafrost engineering and cold region environment: a review on the 8th international symposium on permafrost engineering[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2009,31(6): 1166-1177.

[2] 劉石,許金余,劉軍忠,等.絹云母石英片巖和砂巖的SHPB試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(9):1864-1871.

LIU Shi，XU Jinyu，LIU Junzhong，et al. SHPB experimental study of sericite-quartz schist and sandstone[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011,30(9): 1864-1871.

[3] AL-OMARI A, BECK K, BRUNETAUD X, et al. Critical degree of saturation: a control factor of freeze-thaw damage of porous limestones at castle of Chambord, France[J]. Engineering Geology,2015,185: 71-80.

[4] 吳剛,何國梁,張磊,等.大理巖循環凍融試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2006,25(增刊1): 2930-2938.

WU Gang, HE Guoliang, ZHANG Lei, et al. Experimental study on cycles of freeze-thaw of marble[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006,25(Sup1): 2930-2938.

[5] 劉華,牛富俊,徐志英,等.循環凍融條件下安山巖和花崗巖的物理力學特性試驗研究[J].冰川凍土,2011,33(3): 557-563.

LIU Hua, NIU Fujun, XU Zhiying, et al. Acoustic experimental study of two types of rock from the tibetan plateau under the condition of freeze-thaw cycles[J]. Journal of Glaciology and Geocryology, 2011,33(3): 557-563.

[6] 陳有亮，代明星，劉明亮，等.含初始損傷巖石的凍融損傷試驗研究[J].力學季刊,2013,34(1): 74-80.

CHEN Youliang, DAI Mingxing, LIU Mingliang, et al. Experimental investigation on freezing damage characteristics of granite with initial damage[J]. Chinese Quarterly of Mechanics, 2013,34(1): 74-80.

[7] 張慧梅，張蒙軍，謝祥妙，等. 凍融循環條件下紅砂巖物理力學特性試驗研究[J]. 太原理工大學學報,2015,46(1): 69-74.

ZHANG Huimei, ZHANG Mengjun, XIE Xiangmiao, et al. The experimental study on physical and mechanical properties of red sandstone under the action of freeze-thaw cycles[J]. Journal of Taiyuan Uneversity of Technaology, 2015,46(1): 69-74.

[8] 許金余，劉石，吳菲，等.黑云母花崗巖對沖擊荷載的動態力學響應[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2013,14(6): 77-80.

XU Jinyu, LIU Shi, WU Fei, et al. Dynamic mechanical response of biotite granite under shock loading[J]. Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition),2013,14(6): 77-80.

[9] 王鵬，許金余，劉石，等. 高溫下砂巖動態力學特性研究[J]. 兵工學報，2013,34(2): 203-208.

WANG Peng, XU Jinyu, LIU Shi, et al. Research on dynamic mechanical properties of sandstone at high temperature[J]. Acta Armamentarii, 2013, 34(2): 203-208.

[10] 劉少赫，許金余，王鵬，等. 圍壓條件下砂巖循環沖擊損傷的力學與超聲分析[J].振動與沖擊,2015,34(1)： 190-194.

LIU Shaohe, XU Jinyu, WANG Peng，et al. Mechanical and ultrasonic analysis on damage of sandstone under cyclical impact loading with confining pressure[J].Journal of Vibration and Shock, 2015,34(1)： 190-194.

[11] 倪驍慧，李曉娟，朱珍德，等.不同頻率循環荷載作用下花崗巖細觀疲勞損傷量化試驗研究[J]. 巖土力學,2012,33(2): 422-427.

NI Xiaohui，LI Xiaojuan，ZHU Zhende，et al. Quantitative test study of meso-damage of granite under cyclic load with different frequencies[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012,33(2): 422-427.

[12] 朱珍德，渠文平，蔣志堅.巖石細觀結構量化試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2007,26(7): 1313-1324.

ZHU Zhende，QU Wenping，JIANG Zhijian. Quantitative test study on mesostructure of rock[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(7): 1313-1324.

ASHPBexperimentalstudyandmicroscomicanalysisoffreeze-thawredsandstone

LIU Shaohe1， XU Jinyu1,2, WANG Peng1, LIU Shi1

(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China)

A 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) was used to perform impact testing on red sandstone specimen of different freeze-thaw cycles in the work. The dynamic properties of red sandstone, including stress-strain curves and variations of peak stress, peak strain and elastic modulus, were studied. The effects of red sandstone caused by freeze-thaw cycles were tested by an ultrasonic detector and a scanning electron microscopy. The results show that with the increase of the number of freeze-thaw cycles, peak stress reduces, and peak stress presents strain rate effect significantly. Peak stress relative lossξwas used to normalize specimen under different strain rates.ξis approximately linear with the freeze-thaw cycles. With increasing number of freeze-thaw cycles, peak strain gradually increases, and elastic modulus of specimens decreases. Scanning freeze-thaw cycle’s specimens using scanning electron microscopy shows that, after freeze-thaw the cementation material of specimens of red sandstone falls off largely, and the coupling between the particles decreases. Quantitative analysis shows that the increase of porosity area and reduce of strength of red sandstone have obvious correlation.

freeze-thaw cycle; split Hopkinson pressure bar; impact mechanical behaviors; scanning electron microscopy

國家自然科學基金(51378497)

2016-05-25 修改稿收到日期： 2016-08-28

劉少赫 男，博士生，1991年生

許金余 男，教授，博士生導師，1963年生

TU 457

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.031