花崗巖超低溫凍融循環后力學特性研究

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(上海理工大學 環境與建筑學院,上海 200093)

花崗巖超低溫凍融循環后力學特性研究

張牡丹,王蘇然,曾健霜,徐超,王玥晗

(上海理工大學 環境與建筑學院,上海200093)

對花崗巖進行-20,-30,-40,-50℃條件下的凍融循環處理,再進行單軸壓縮試驗,觀察花崗巖經歷不同凍結溫度的凍融循環后的破壞模式,并分析彈性模量變化規律、應力應變曲線變化規律、單軸抗壓強度和峰值應變變化規律以及凍融系數的變化.根據凍融處理后花崗巖的損傷數據,推廣了花崗巖凍融循環后的總損傷變量的公式.研究結果表明,凍融循環后花崗巖的破壞模式主要為錐形破壞模式和柱狀劈裂模式,揭示了花崗巖凍融循環后的力學特性與凍結溫度的關系.根據總損傷變量與應變的關系可以預測,隨著凍結溫度的下降,應變存在一個臨界值,超過臨界值時試塊破壞.

花崗巖; 凍融循環; 單軸壓縮試驗; 總損傷變量

隨著我國大力發展寒區經濟,寒區的土木工程建設也越來越多.寒區的巖石由于經歷低溫凍融循環,巖石的穩定性與耐久性將會遭受很大影響,從而嚴重影響了寒區的工程建設.因此,研究巖石經歷不同溫度凍融循環后的力學特性具有重大的工程意義.目前,國內外學者對此問題的研究已經獲得了一定的成果.Tan等[1]分析了花崗巖在不同凍融循環次數下的單軸和三軸力學性質,發現抗壓強度、圍壓和凍融循環次數間的關系可利用莫爾-庫侖強度準則進行描述.文獻[2]對西班牙Laspra白云巖細觀孔隙結構在不同凍融循環次數下的凍融破壞特征和細觀缺陷演化機制進行了研究.Mutlutürk等[3]通過研究發現,巖石在經過循環凍融后,完整性大受影響,不同的巖石類型,巖石的受損速率不同,提出了巖石經過凍融循環后的損傷數學模型.Pellet等[4]研究了時間效應對巖石蠕變損傷的影響,通過對P波波速的測量來監測長期蠕變試驗過程中巖石的損傷.Bayram[5]對寒區自然巖石經歷凍融循環后的強度損失進行了研究,建立了適合特定石灰石凍融循環后單軸抗壓強度的預測方程式.Huang等[6]通過卸荷試驗指出,卸荷過程中初始圍壓和卸荷速率會影響巖樣的破壞和應變能轉換模式.周科平等[7]研究巖石在凍融循環作用下微觀結構的變化特征,對凍融循環后的花崗巖進行核磁共振測量,得到了不同凍融循環次數后巖樣的橫向弛豫時間T2分布及核磁共振成像圖像.袁小清等[8]通過對節理巖體的研究,提出了凍融細觀損傷、受荷細觀損傷和節理宏觀損傷的概念,推導出了復合損傷變量,并且用試驗進行驗證.吳安杰等[9]對飽水狀態下的泥質白云巖進行了不同凍融循環條件下的單軸壓縮試驗,建立了以凍融循環次數和應變為控制變量的本構模型.吳剛等[10]將大理巖分成飽水、干燥和對比組,對其進行凍融循環處理后再進行單軸壓縮試驗,歸納出凍融循環后大理巖的主要物理力學特性.劉紅巖等[11]通過循環凍融和相似材料試驗,研究了節理巖體在凍融條件下的損傷破壞機制及其相應的力學特性.徐光苗等[12]對紅砂巖和頁巖進行了單軸和三軸壓縮試驗,研究巖石力學特性與溫度、巖石含水率的關系.

雖然國內外對于巖石凍融循環后的力學特性的研究已經取得了一定的成果,但是,總結前人的成果發現,大部分學者研究時都將凍融循環的次數作為變量研究,而忽視了-40 ℃以下溫度對巖石力學特性的影響.本文將凍融循環的溫度作為變量,通過試驗來研究隨著溫度降低花崗巖的力學特性的變化.這一問題的研究結果對解決寒區巖石類材料損傷問題具有一定的指導意義.

1 試驗概況

1.1試樣制作

花崗巖試塊取自于福建寧德,從現場取得一塊完整的花崗巖大巖塊,然后將其加工成若干直徑50 mm、高度100 mm的圓柱形試塊,加工完以后先將表面有缺陷的試塊剔除,然后通過動彈模儀測出試塊的波速,選擇波速相近的試塊,從而減小誤差.花崗巖的主要礦物質成分有石英、長石和云母,測得其密度為2.7 g/cm3.

1.2試驗方案

將花崗巖試塊分為5組,對應凍融循環最低溫度為-20 ,-30,-40,-50 ℃和對照組各5塊,共25塊.試驗前先測出彈性模量,然后將除對照組以外的4組試塊放入水中浸泡48 h以上,浸泡完畢取出后開始進行凍融循環試驗.在高低溫試驗箱進行凍融循環試驗,設置程序,最低溫度分別為-20,-30,-40,-50 ℃,凍結4 h,融化4 h,循環30次,待試驗結束后取出試塊,測出試塊的彈性模量,然后再對所有試塊進行單軸壓縮試驗.

1.3試驗儀器

試驗采用的儀器分別為混凝土超聲波測試儀、建恒儀器的高低溫試驗箱WGD501以及西安力創的電液伺服混凝土三軸流變試驗機,如圖1～3所示.

圖1 混凝土超聲波測試儀Fig.1 Ultrasonic concrete tester

圖2 高低溫試驗箱Fig.2 High-low temperature test chamber

圖3 電液伺服混凝土三軸流變試驗機Fig.3 Electro-hydraulic servo concrete triaxial rheological testing machine

2 試驗結果分析

2.1破壞模式

凍融循環后的花崗巖經過單軸壓縮試驗后,主要的破壞模式有兩種,分別為柱狀劈裂模式和錐形破壞模式[13],如圖4和圖5所示.經多個試塊破壞模式的分析發現,不管花崗巖凍融循環的最低溫度為多少,花崗巖單軸壓縮破壞時柱狀劈裂模式和錐形破壞模式都有可能出現,因此,本文認為花崗巖凍融循環后的單軸壓縮破壞模式與溫度無關.

圖4 柱狀劈裂模式Fig.4 Columnar fracturing mode

圖5 錐形破壞模式Fig.5 Tapered damage mode

2.2彈性模量變化規律

通過對混凝土超聲波測試儀測出的彈性模量數據的分析可得[13],當凍結溫度為-20 ℃時,彈性模量降低了0.95 GPa,相對彈性模量降低了2.4%;當凍結溫度為-30 ℃時,彈性模量降低了5.04 GPa,相對彈性模量降低了12.53%;當凍結溫度為-40 ℃時,彈性模量降低了7.22 GPa,相對彈性模量降低了17.95%;當凍結溫度為-50 ℃時,彈性模量降低了7.68 GPa,相對彈性模量降低了19.09%.由此分析可知,彈性模量隨著凍結溫度的降低而呈不同程度的降低,并且花崗巖彈性模量的劣化速度隨著凍結溫度的降低先快速降低而后逐漸緩慢降低.彈性模量降低值與溫度的關系曲線如圖6所示.ΔE表示彈性模量降低值,T表示凍結溫度.

圖6 彈性模量降低值與溫度的關系曲線圖Fig.6 Curve of the reduced value of elastic modulus versus the temperature

2.3應力應變曲線變化規律

凍融循環后花崗巖的單軸壓縮應力應變曲線大致可以分為3個階段[14]:a.孔隙裂隙壓密階段,巖石中的微裂隙逐漸被壓密,形成非線性變形;b.彈性變形階段,應力應變曲線大致呈直線型,為彈性變形,并且該階段曲線的末端為峰值應力,即該巖石的單軸抗壓強度;c.破壞階段,巖石達到破壞荷載后,內部結構完全破壞,應變也迅速增長.

如圖7所示,σ表示應力,ε表示應變,由此應力應變曲線圖分析可知:a.凍融循環后花崗巖的單軸壓縮應力應變曲線形狀比較類似,都為脆性材料應力應變曲線,而且隨著凍融循環溫度的降低,花崗巖的單軸壓縮應力應變曲線趨于平緩,這是由于在相同的循環次數下,凍結溫度越低,花崗巖的內部裂隙越多,所以,壓密階段越長.b.峰值應力和峰值應變分別隨著凍結溫度的降低而呈線性下降趨勢.

圖7 凍融循環后花崗巖的單軸應力應變曲線圖Fig.7 Uniaxial stress-strain curves of granite after freeze-thaw cycles

2.4單軸抗壓強度變化規律

在表1中,σc表示單軸抗壓強度,ε表示峰值應變.由表1可知,當凍結溫度為-20 ℃時,花崗巖單軸抗壓強度降低了46.2 MPa,相對峰值應力降低了30.8%;當凍結溫度為-30，-40，-50 ℃時花崗巖單軸抗壓強度分別降低了68.1,86.8,102 MPa,相對峰值應力分別降低了45.4%,57.7%,68%.

表1 凍融循環后花崗巖的單軸抗壓強度及峰值應變

經分析可知,凍結溫度越低,花崗巖的單軸抗壓強度降低得越多,并且大致呈現線性關系,與文獻[12]中飽和紅砂巖單軸抗壓強度和溫度的關系類似.花崗巖的單軸抗壓強度與凍結溫度的擬合曲線關系如圖8所示,對擬合曲線作趨勢預測,大致可以預測,當凍結溫度為-60 ℃時的單軸抗壓強度約為25 MPa.

2.5峰值應變變化規律

經分析發現,花崗巖的凍結溫度越低,單軸壓縮峰值應變越大,并且也是大致呈線性關系,花崗巖的單軸壓縮峰值應變與凍結溫度的擬合曲線關系如圖9所示,對凍結溫度為-60 ℃時的峰值應變作了預測,大約為0.017.

2.6凍融系數

為了研究花崗巖的抗凍性,本文根據文獻[15]中給出的巖石凍融系數的公式進行計算.

圖8 花崗巖單軸抗壓強度與凍結溫度的關系曲線Fig.8 Curve of the uniaxial compressive strength versus the freezing temperature of granite

圖9 花崗巖峰值應變與凍結溫度的關系曲線Fig.9 Curve of the peak strain versus the freezing temperature of granite Kf=

(1)

由式(1)計算出花崗巖的凍融系數,如表2所示.

由表2的數據分析可知,花崗巖的抗凍性隨著凍結溫度的降低而降低,且花崗巖的凍融系數受凍融循環凍結溫度的影響,呈線性逐漸降低.

表2 不同凍結溫度的花崗巖的凍融系數Tab.2 Freezing and thawing coefficient of granite at different freezing temperatures

2.7凍融受荷后的損傷擴展力學特性分析

張慧梅等[16]提出了凍融損傷、受荷損傷以及總損傷的概念,并且推導出巖石凍融受荷后的損傷演化方程為

(2)

式中:Dm為巖石凍融受荷總損傷變量;E0為基準損傷狀態;En為以凍融循環次數為變量的凍融損傷狀態的彈性模量;εf,σf分別為應力峰值和所對應的應變;m為表征材料損傷演化特征的材料參數.

在文獻[16]中,是以凍融循環的次數為變量,而本文是以凍結溫度為變量,因此,可將式(2)推廣為

(3)

式中,Et為以凍結溫度為變量的凍融損傷狀態的彈性模量.

將本文試驗所得到的數據代入推廣的式(3)中,再將結果繪制成曲線圖,如圖10所示.

圖10 損傷變量與應變的關系曲線Fig.10 Curves of the damage variables versus the strain

由圖10可知,在相同的應變情況下,花崗巖的總損傷變量隨著凍結溫度的降低而增大,當凍結溫度為-50 ℃時,峰值應變值大約是0.015,總損傷變量約為0.95,接近于1,表明花崗巖受凍融循環損傷的影響比較大,特別是凍結溫度的影響;花崗巖的總損傷變量隨著應變的增大而增大,并且呈現先快速增大而后趨于平緩的趨勢.可以預測,即使溫度再低,峰值應變也不會超過0.017,而且花崗巖將直接破壞.

3 結 論

a. 凍融循環后的花崗巖經過單軸壓縮試驗后,主要的破壞模式有兩種,分別為柱狀劈裂模式和錐形破壞模式,隨著花崗巖凍結溫度的降低,花崗巖單軸壓縮的破壞模式不會改變.

b. 凍融循環后花崗巖的單軸壓縮應力應變曲線形狀比較類似,都為脆性材料應力應變曲線,而且隨著凍融循環凍結溫度的降低,花崗巖的單軸壓縮應力應變曲線也趨于平緩.

c. 凍融循環凍結溫度越低,花崗巖的單軸抗壓強度降低得越多,單軸壓縮峰值應變越大.

d. 花崗巖的抗凍性隨著凍融循環凍結溫度的降低而降低,并且花崗巖的凍融系數受凍融循環凍結溫度的影響,呈線性逐漸降低.

e. 根據總損傷變量公式得出花崗巖的凍融受荷損傷演化模型,即損傷變量與應變關系曲線.分析得出,當應變相同時,花崗巖總損傷變量隨著凍結溫度的降低而不斷增大,可以預測,即使凍結溫度不斷下降,應變都存在一個臨界值,一旦超過臨界值,試塊將破壞.

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MechanicalPropertiesofGraniteUnderUltra-lowTemperatureFreeze-ThawCycles

ZHANG Mudan,WANGSuran,ZENGJianshuang,XUChao,WANGYuehan

(SchoolofEnvironmentandArchitecture,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Freeze-thaw cycles tests on granite under different freezing temperatures were conducted,and then uniaxial compression tests were followed.The damage modes,stress-strain curves,uniaxial compressive strength,peak strain and freeze-thaw coefficients after different temperatures freeze-thaw cycles were analyzed.In addition,a total damage variable after freeze-thaw cycles was promoted.The results show that two kinds of damage modes of granite are found,including the columnar fracturing mode and the tapered damage mode.The relationship between the mechanical properties and freezing temperature under freeze-thaw cycles of granite was revealed.According to the relationship between the total damage variable and strain,it can be predicted that the strain has a limited value with the decrease of freezing temperature.Rock will break when the strain exceeds the limited value.

granite;freeze-thawcycle;uniaxialcompressiontest;totaldamagevariable

1007-6735(2017)05-0484-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.05.012

2017-04-27

張牡丹(1993-),女,碩士研究生.研究方向:巖土工程.E-mail:1193952064@qq.com

TU521.2

A

(編輯:石 瑛)