凍融循環作用下砂巖力學特性與電鏡掃描試驗研究

方若進，朱珍德，色麥爾江·麥麥提玉蘇普，曹松華

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇 南京 210098)

凍融循環作用下砂巖力學特性與電鏡掃描試驗研究

方若進1，2，朱珍德1，2，色麥爾江·麥麥提玉蘇普1，2，曹松華1，2

(1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.江蘇省巖土工程技術工程研究中心，江蘇 南京 210098)

通過對取自新疆阿勒泰某隧道的砂巖開展凍融循環試驗，在-25℃下凍結9 h，(20±2)℃下融解5 h，為一個凍融循環過程，對巖樣分別進行0、5、10、20、30、40、50、60、80次凍融循環。然后，進行單軸壓縮試驗和電鏡掃描試驗，得到經歷不同次數凍融循環后的飽和砂巖破壞特征、應力-應變曲線、彈性模量、泊松比，并分析該砂巖物理力學特性和破壞斷口微裂紋演化與凍融條循環次數之間的關系。結果表明：隨著循環次數的增加，該砂巖巖樣彈性模量呈不同程度降低趨勢，峰值應變呈逐漸增大趨勢，而泊松比呈先增加后減小趨勢，微裂紋長度、寬度及面積不同程度呈增大趨勢，使砂巖損傷劣化不斷加劇。

砂巖；凍融循環；電鏡掃描試驗；力學特性；微裂隙

我國的西北地區屬于季節性凍土區，地層中的巖石易受到凍融作用的影響。由于裂隙中含水的原因，在熱脹冷縮的作用下，裂隙中水在凍結后，體積增大，產生凍脹力，正是凍脹力作用在巖石內部，巖石的裂隙得以不斷擴展。隨著凍融損傷的持續影響，局部損傷中的裂隙貫通，漸而形成連通的破壞性裂隙，巖石發生破壞。在凍融方面，目前You-Liang Chen[1]對花崗巖進行不同融化溫度的凍融循環試驗，得到了不同的融化溫度下花崗巖峰值應變、彈性模量及單軸抗壓強度隨著凍融次數的增加而減小的結論。張慧梅等[2-4]研究了凍融后巖石的損傷特性，并推導出了凍融損傷模型。朱珍德等[5-7]通過對損傷巖石進行電鏡掃描試驗，得到了損傷后巖樣的裂隙發展情況。在以上的研究成果基礎上，把寒區氣候條件與工程實際緊密結合，針對新疆阿勒泰某隧道圍巖的典型砂巖巖樣開展凍融循環試驗研究，對經歷不同凍融循環次數后飽和砂巖進行巖樣的室內單軸壓縮試驗和掃描電鏡試驗，得出其基本力學參數及巖石斷口微裂紋信息，進一步對該砂巖主要物理力學特性及微裂紋演化隨凍融循環的變化情況進行了分析。本文研究成果對該地區巖體工程在凍融循環條件下的穩定性分析及工程設計具有一定的參考價值。

1 單軸壓縮試驗

1.1 試驗及試驗方案

本試驗選取新疆阿勒泰某隧道砂巖制取標準巖樣。巖樣呈灰白色，礦物成份主要由石英和長石組成，局部含有夾絲炭條帶及泥質包體。巖樣根據規范要求，統一制成為徑為50 mm，高為100 mm的標準圓柱形巖樣。消除巖樣宏觀上明顯的差異性，所有巖樣制取完畢后，對巖樣外觀進行觀察，篩選出外形完整，表面無明顯節理及裂紋的27塊巖樣。

巖石單軸壓縮試驗使用 RMT-150B多功能全自動剛性巖石伺服試驗機，其軸向最大荷載為1 000 kN。

清理所有巖樣表面后，根據巖性和循環次數，把27塊巖樣分成9組，每組3塊巖樣，并進行編號。凍融循環試驗前將27塊巖樣置于溫度為105℃～110℃的烘干箱中進行烘干。要求烘干時間48 h以上，且達到恒重(兩次的質量變化不超過0.1%)。之后使所有巖樣冷卻至室溫，然后統一飽和處理。將飽和后巖樣在-25℃下凍結9 h，(20±2)℃下融解5 h，為一個凍融循環過程，對9組巖樣分別進行0、5、10、20、30、40、50、60、80次凍融循環。所有巖樣在室溫(20℃)條件下開展單軸壓縮試驗，采用軸向位移速率0.001 mm/s控制。試驗結束后，記錄好單軸抗壓強度、峰值應變、彈性模量和泊松比。

1.2 巖樣單軸荷載作用下破壞特征

單軸壓縮曲線破壞后階段巖石內部應力超過其單軸抗壓強度，內部急速破壞。由于內部發育程度及存在的原生缺陷的不同，隨著凍融次數增加，單軸壓縮試驗破壞形態宏觀表現為四種破壞類型。分別是縱向劈裂破壞，斜剪破壞，楔形劈裂破壞，擠壓脆性破壞。其中縱向劈裂破壞以張拉為主，破壞時除了產生平行于軸向方向的一條主裂紋以外，還存在少量豎向裂紋，如圖1(a)；斜剪破壞時產生一條主滑動面貫穿整個巖樣，由該滑動面上的剪切應力大于其極限值所致，如圖1(b)；楔形劈裂破壞時出現楔形狀裂紋，整個巖樣瞬間被劈開發生脆性破壞，如圖1(c)；發生擠壓脆性破壞的巖樣，在加載過程中出現應力突然下降，然后繼續上升現象，破壞時平行于軸向的裂紋終止于巖樣中部泥質包體即軟弱夾層帶，且巖樣側面被擠壓粉粹，是以張拉為主的擠壓破壞形式，如圖1(d)。

隨著凍融循環次數的增加，前30次凍融循環過程中，試樣的單軸壓縮破壞形態表現出縱向劈裂破壞和斜剪破壞形式。第30次凍融循環以后，試樣表面泥質包體及夾絲碳條帶的軟化影響單軸壓縮破壞形態，表現出楔形劈裂破壞和擠壓脆性破壞形式。

圖1 砂巖巖樣單軸壓縮試驗破壞形態Fig.1 Uniaxial compression test failure morphology of sandstone rock specimen

1.3 不同凍融次數下應力-應變曲線特性

不同凍融循環后的飽和砂巖典型應力 應變全程曲線如圖2所示。巖樣從加載到完全變形破壞大致經歷了裂隙孔隙壓密、彈性變形、累積破壞及破裂后區等4個階段。隨著凍融循環次數的增加，峰值應力明顯下降，曲線斜率逐漸減小，峰值應變除了第50次減小以外整體上增大。前10次凍融過程中巖石的峰值應力降幅較大，但從第10次凍融循環開始峰值應力降幅較小。該現象表明：前期凍融循環使該砂巖產生明顯的損傷，后期凍融作用對巖樣的損傷程度逐漸減弱，這與砂巖顆粒比較細，結構比較致密，凍融作用對巖石內部結構影響相對較小有關。隨著凍融次數的增加，巖樣整體上表現出脆性破壞特點，巖樣破壞后區曲線由較陡直逐漸變緩，巖樣應變逐漸變大，巖樣最終破壞形式由以張拉為主的脆性破壞逐漸表現為張拉為主的擠壓脆性破壞。

圖2 凍融循環后的砂巖應力-應變曲線Fig.2 Stress - strain curve of sandstone after circulation

1.4 不同凍融次數下彈性模量的分析

隨著凍融次數增加，砂巖彈性模量的變化趨勢如圖3所示。由圖3可知，隨著凍融循環次數的增大，巖石的彈性模量逐漸降低；前10次凍融循環過程中彈性模量降幅大，降低了18.36%，后期彈性模量降速變慢，呈指數下降趨勢。經歷80次凍融循環時彈性模量損失了59.34%，表明凍融作用不僅對砂巖強度損傷大，對砂巖彈性模量的損傷也很大。由下式可知，彈性模量與凍融次數呈指數分布，驗證了凍融后的巖樣的變化速率變化規律。這是由于前期巖樣受凍融損傷較大，后期的巖樣裂隙在此凍融條件下已發展全，再繼續凍融會對巖樣的彈性模量影響較小。彈性模量與凍融循環次數的擬合關系如式(1)，其相關系數R=0.972。

E(n) = 16.129exp(-n/56.866) + 7.719

式中：E(n)為砂巖受n次凍融循環后的彈性模量。

圖3 彈性模量與凍融循環次數的關系Fig.3 Relationship between elastic modulus and freeze - thaw cycle

1.5 不同凍融次數下泊松比的分析

由圖4可知，泊松比隨著凍融次數的增加整體上呈先增后減趨勢。經歷20次凍融循環后泊松比增大了47.62%，經歷50次凍融循環后泊松比減小了61.91%，其為最小值。凍融次數的進一步增大出現泊松比值小范圍上下波動。前期凍融作用對夾絲炭條帶的損傷不是很明顯，凍融損傷作用比較均勻，從而泊松比表現出增大趨勢；隨著凍融次數增大，水份向夾絲炭條帶部位滲透，裂隙水水冰相變體積膨脹產生凍脹，凍脹力作用導致環向夾絲炭條帶孔隙變大，形成空洞，變松剝蝕，橫向形成軟弱帶，軟弱帶在后期凍融循環過程中損傷大于巖樣其他部位，進行單軸壓縮試驗時該軟弱帶的軸向應變增量遠超過橫向應變，泊松比出現減小趨勢。

圖4 泊松比與凍融循環次數的關系(試驗數據)Fig.4 The relationship between Poisson 's ratio and the number of freeze - thaw cycles

2 電鏡掃描試驗

2.1 試驗方案

選取砂巖破壞斷口三個不同典型部位制取切片進行電鏡掃描。試樣采用Quante-250型掃描電子顯微鏡的高真空模式進行試驗，需要在試驗前對試件進行清洗、干燥和鍍金。結合砂巖細觀結構特征，SEM圖像放大率采用1 000、2 000倍為主，采用區域分割算法提取不同放大倍數的SEM圖像中存在的微裂紋信息，步驟如下：輸入圖像標尺信息；基于空間域增強方法圖像增強；基于區域生長法圖像分割；微裂隙信息獲取(長、寬、面積)。下面從圖像中選出具有代表性，不同凍融次數的圖像，見圖5。

圖5 不同凍融循環次數對應的巖樣斷口形貌特征Fig.5 Morphological characteristics of rock fractures corresponding to the number of freeze - thaw cycles

2.2 砂巖斷口微裂紋演化分析

由圖5可知，凍融0、10、20、30次巖樣的斷口主要是平面滑移，試樣主要是劈裂和斜剪破壞。凍融40、50、60、80次巖樣的斷口主要是貝紋狀滑移面，主要破壞形式是楔形劈裂和擠壓脆性破壞。根據不同巖樣斷口觀察分析可知，隨著凍融次數的增加，巖樣的斷裂方式由穿晶斷裂為主發展為穿晶和沿晶擦斷為主。巖樣的細觀花樣也由根狀臺階狀發展為蜂窩狀，說明了破壞形式的發生了變化。

這是由于不斷的凍融循環，使得巖樣中的裂隙不斷張開和閉合，這就引起了裂隙兩邊不斷摩擦，導致巖樣變脆。由于凍融循環時間較長，巖樣礦物顆粒有足夠時間調整到合適位置于，所以碎屑的楔入很連貫，裂隙發展越來越長，這與圖5相吻合。

2.3 砂巖斷口微裂紋演化規律

通過SEM試驗掃描凍融0、10、20、30、40、50、60、80次的單軸壓縮破壞斷口，并選取具有代表性的SEM圖片，其斷口形貌特征如圖5所示。隨著凍融循環次數的增大，微裂紋的長、寬、面積發生顯著的變化。

通過基于區域分割算法提取單軸壓縮破壞斷口巖石微裂紋的信息，并利用統計學原理對得到的砂巖微裂隙長度、寬度、面積等信息進行統計和分析，得到平均參數隨著凍融次數的變化關系如圖6—圖9所示。凍融初期出現微裂紋長度、寬度、面積小幅突增，隨著凍融循環次數的進一步增大，整體上呈增加趨勢。由圖9可知，微裂隙面積比隨著凍融次數的增大，而呈指數增加趨勢，表明隨著凍融次數增加，微裂隙面積占巖樣切片面積的比例增大，使巖石的損傷逐漸加劇。凍融循環初始階段，產生大量的長度較小的微裂紋，微裂紋的數目增加，隨著凍融次數進一步增加，水冰相的膨脹力作用在裂隙壁導致微裂紋沿長度和寬度兩個方向增大，凍融后期凍融循環對巖石裂隙的作用進一步加劇，導致了微裂紋長度的迅速增加，微裂紋的平均寬度緩慢增加，裂紋面積逐漸增大。這里除了有凍融循環的作用，在試驗過程中還有豎向荷載的作用，豎向荷載加劇部分裂隙的張開和部分裂隙的閉合，產生荷載和凍融作用的耦合效應，導致微裂紋長度、寬度及面積與凍融作用，外荷載作用及凍融荷載耦合之間的復雜關系。

圖6 微裂紋平均長度與凍融次數關系(試驗曲線)Fig.6 The relationship between the average length of microcracks and the number of freeze - thaw cycles

圖7 微裂紋平均寬度與凍融次數關系(試驗曲線)Fig.7 The relationship between the average width of microcrack and the number of freeze - thaw cycles

圖8 微裂紋平均面積與凍融次數關系(試驗曲線)Fig.8 Relationship between average area of microcracks and freeze - thaw times

圖9 微裂紋面積比與凍融次數關系Fig.9 Relationship between micro - crack s area ratio and freeze - thaw time

3 結論

1）巖隨著凍融次數增加，單軸壓縮試驗破壞形態宏觀表現為四種破壞類型。分別是縱向劈裂破壞，斜剪破壞，楔形劈裂破壞，擠壓脆性破壞。

2）砂巖在不同凍融次數下的應力-應變曲線不重合，隨著凍融次數的增加，砂巖的峰值應力也逐漸減小。砂巖的彈性模量隨著凍融次數增加呈降低趨勢，而泊松比隨凍融次數開始增加，隨后減少，呈M狀。

3）砂巖的電鏡掃描可知，裂隙的長度、寬度、面積、面積比都隨著凍融次數的增加而逐漸增加。

[1] CHEN Y，NI J，JIANG L，et al.Experimental study on mechanical properties of granite after freeze-thaw cycling[J].Environmental Earth Sciences，2014，71(8)：3349-3354.

[2] 張慧梅，楊更社.凍融與荷載耦合作用下巖石損傷模型的研究[J].巖石力學與工程學報，2010(3)：471-476.

[3] 張慧梅，謝祥妙，彭 川，等.三向應力狀態下凍融巖石損傷本構模型[J].巖土工程學報，2017(8)：1-9.

[4] 張慧梅，楊更社.巖石凍融力學實驗及損傷擴展特性[J].中國礦業大學學報，2011(1)：140-151.

[5] 倪驍慧，李曉娟，朱珍德.不同頻率循環荷載作用下花崗巖細觀疲勞損傷特征研究[J].巖石力學與工程學報，2011(1)：164-169.

[6] 色麥爾江·麥麥提玉蘇普，朱珍德，倪驍慧，等.缺圍壓條件下砂巖變形破壞特性試驗研究[J].河北工程大學學報：自然科學版，2015，32(3)：14-18.

[7] 朱珍德，孫林柱，王明洋.不同頻率循環荷載作用下巖石阻尼比試驗與變形破壞機制細觀分析[J].巖土力學，2010(Z1)：8-12.

Experimental study on mechanical properties and scanning electron microscopy of sandstone under freeze - thaw cycles

FANG Ruojin1，2，ZHU Zhende1，2，SEMERJAN Memetyusup1，2，CAO Songhua1，2
(1. Key Laboratory for Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，210098，China；2.Jiangsu Research Center for Geotechnical Engineering Technology，Hohai University，Nanjing，210098，China)

Freeze-thaw cycle test is carried out using sandstone taken from a tunnel in Altay. The sandstone specimen are frozen for 9 hours at minus 25 degrees，and melted for 5 hours at (20±2)degrees，which is the process of a freeze-thaw cycle. We take seperately this kind of cycle for 0，5，10，20，30，40，50，60，80 times for the rock samples. Then by taking the uniaxial compression test and the scanning electron microscopy，we obtain saturated sandstone’s failure character、stressstain curve、elastic module、poisson ratio under different times of freeze-thaw cycle，and analyze the physical and mechanical properties、the relationship between the fracture micro crack evolution and the times of freeze-thaw cycle. It turns out that with the increasing time of the cycle，the elastic module of the sandstone samples decrease on different extends，the peak stain becomes increasingly large，while the Poisson ratio increases fi rstly and then decreases，the area、length and width of micro crack increase on different extends，and the damage and failure of sandstone is continuously accelerating.

sandstone；freeze-thaw cycle；uniaxial compression test；electron microscopy scanning test；mechanical properties；microfracture

TU45

A

1673-9469（2017）04-0042-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.04.010

2017-07-29

國家自然科學基金資助項目(51579081，51379065)；國家自然科學基金青年基金資助項目(51409122)；江蘇省自然科學基金資助項目(BK20161508)

方若進(1992-)，男，安徽樅陽人，碩士，主要從事巖石力學與地下工程方面的研究工作。