砂巖與花崗巖在凍融循環和化學腐蝕下力學性能及斷裂韌度變化的對比

印宇澄， 陳有亮， 孟祥瑞

(上海理工大學 環境與建筑學院， 上海 200093)

1 研究背景

隨著寒冷地區基礎設施建設的深入，巖石在實際工程中往往容易受到凍融循環、荷載作用等因素的影響，研究凍融循環作用下加載巖石的損傷力學性質對寒區工程建設具有重要意義。凍融循環系指材料遭到外界環境圍繞冰點溫度一次或多次因升降而產生的內部凍結、融化交替現象，是寒區最為常見的現象，也嚴重影響著寒區工程安全與穩定性。另一方面由于城市較大的人口密度、發達的輕、重工業和水陸運輸，且工業、民用燃料以石油、煤炭為主，造成大量化石燃料燃燒產生的廢氣被排入大氣，給酸雨的產生奠定了物質基礎[1]。因而對酸性溶液溶蝕及凍融循環作用下巖石的力學特性的認識和研究，對于在酸雨影響下我國寒區的巖石、采礦和邊坡等工程建設有著重要的理論和實用價值。

國內外學者對巖石的化學腐蝕及凍融損傷分別開展了細致的研究。Li等[2]利用核磁共振技術研究了礦山巖石凍融破壞機理和凍融破壞演變規律。揭示了巖石在凍融循環過程中的損傷特征，為凍融條件下巖石力學研究提供了新的思路；Nicholson等[3]繪制的圖形詳細記錄了10種沉積巖在凍融作用后的弱化模式，表明了控制弱化模式的因素并不僅為巖石裂縫的存在與否，而在于內部裂紋、巖石強度和紋理特性的耦合作用；Muneo等[4]基于斷裂力學理論，分析了單裂紋在凍融循環中的擴展機理，根據應力強度因子準則推導了裂隙擴展后長度的表達式，還根據裂紋密度與損傷因子的關系，整合出了非均質裂紋巖體凍融破壞的本構模型；然而，該模型是基于概率統計的，不符合微觀條件下的能量守恒定律；徐光苗等[5]對經歷不同凍融循環次數后的2種飽和巖石進行單軸壓縮試驗，擬合出巖石的單軸壓縮強度、彈性模量分別與凍融循環次數的關系表達式，為今后研究巖石凍融損傷及斷裂提供了可靠的依據；Yamabe等[6]在0℃以下測定了諸如低溫抗壓強度和楊氏模量的物理性質，從圓柱形巖石試塊的凍融試驗測定膨脹系數。

巖石內部存在許多縱橫交錯、大小各異的節理面和裂隙面，其中可能存在水分。在低溫冷凍過程中，孔隙內的水凝固后體積增大，從而對周圍巖石產生擠壓，進一步擴大裂紋。在融化過程中，孔隙內的冰會融化后滲入新產生的裂隙中。反復凍融循環后，最終給巖石帶來嚴重的疲勞損傷[7]。

陳四利等[8]對砂巖在不同化學溶液腐蝕下的單軸壓裂過程進行了觀測，探討了溶液濃度、pH值和溶質種類對巖石力學特性的影響，給出了部分砂巖荷載位移變化曲線；喬麗蘋等[9]分析了不同砂巖孔隙率、pH值下微細觀層次砂巖的水物理化學損傷機制，發現在水流導致的巖石顆粒間膠結物與碎屑的運移和擴散，以及離子濃度、pH值等水環境變化此二者所誘發的次生空隙是水物理化學作用影響砂巖力學性質的主要原因；Li等[10]通過對砂巖試塊進行化學模擬試驗，研究了其中可溶性膠結材料的損耗和巖石力學性能退化的化學機理，提出了一種描述砂巖腐蝕過程、巖石變形和強度退化的化學損傷模型。

然而，化學浸泡與凍融循環耦合作用下巖石力學特性損傷的研究仍然有限。目前關于該方面的研究主要有以下一些成果：

陳有亮等[11]對不同種類化學溶液(水、NaOH和HNO3)處理后的花崗巖進行了凍融循環試驗和單軸壓縮試驗，得到了花崗巖在化學腐蝕、凍融循環和應力耦合作用下的力學性能變化；張牡丹等[12]觀察了不同凍融溫度下花崗巖凍融循環后的破壞模式，研究發現，在凍融循環溫度不斷降低時，應變存在一個臨界值，超過臨界值時試塊發生破壞；盛金昌等[13]在理論上描述巖體裂隙在滲流-應力-化學耦合作用下的滲透特性，進一步揭示了三者耦合作用機制；陳衛忠等[14]提出以現場監測、大量室內凍融試驗和單軸、三軸壓縮試驗為手段，研究了通風條件下寒冷區隧道圍巖凍脹破壞機理。同時開發了抗凍、抗裂、抗震且輕質、保溫的泡沫混凝土，作為寒區工程中保溫層和抗震層材料。

綜上所述，在研究單純凍融循環或化學腐蝕對巖石力學性能影響的領域，已經取得了一定的成果，而對凍融循環-化學溶蝕耦合作用下的探究較少。開展化學環境下巖石凍融損傷的研究有助于深化對多因素耦合作用下巖石力學特性和損傷演化機理的認識，從而更好地為復雜環境下寒區巖石工程的建設服務。

2 試驗介紹

2.1 試樣制作

砂巖試樣取自貴州省安順市產出的紅砂巖，花崗巖試樣取自山東省日照市。從現場取得巖塊，加工制作成用于單軸壓縮試驗的直徑50 mm高度100 mm的圓柱體試塊和用于三點彎曲試驗的長250 mm，寬50 mm，高 50 mm的長方體試塊，且帶有長25 mm，寬3 mm的缺口(試樣初始裂紋)，加工完成的試樣基本尺寸和精度符合《工程巖體試驗方法標準》(GB/T50266-2013)的標準：(1)試樣兩端面不平整度誤差不得大于0.05 mm；(2)沿試樣高度，直徑的誤差不得大于0.3 mm；(3)斷面應垂直于試樣軸線，最大偏差不得大于0.25°。

2.2 試驗器材及儀器

選用V-Meter III型超聲脈沖波速測試儀測量楊氏模量。凍融循環試驗部分則采用WGD-501型立式空冷凍融試驗機。在單軸壓縮試驗中，選用了最大載荷為2 000 kN的西安力創材料試驗技術有限公司出品的剛性微機伺服三軸壓力試驗儀。三點彎曲試驗部分選用SANS公司的萬能壓力試驗儀。對巖石的微觀結構，選用德國蔡司公司研發的SteREO 系列Discovery-V8智能顯微鏡進行觀察，其擁有高達120倍的最大放大倍數。試驗器材及儀器見圖1。

圖1 試驗所用器材及儀器

2.3 試驗方法

將紅砂巖和花崗巖試塊分組編號，分別放入pH=3的HCl溶液中、pH=12的NaOH溶液中和pH=7的水中，浸泡90 d。每種溶液中取出兩種巖石圓柱體試塊各5件、長方體試塊各4件，然后對其余試塊進行凍融循環試驗，每個凍融循環周期為10 h[15]，每組試塊均進行30次凍融循環，靜置至室溫后，對其彈性模量進行測試，并用智能顯微鏡對其表面微觀結構進行觀察對比，然后對巖石試塊進行單軸壓縮和三點彎曲試驗。按凍結溫度分為-20℃、-30℃、-40℃、-50℃ 4個組別，每個組別15個圓柱試塊，12個長方體試塊，其中3種化學溶液下各有5個圓柱試塊和4個長方體試塊。

3 試驗結果及分析

3.1 彈性模量

取出pH=3的HCl溶液、pH=7的水和pH=12的NaOH溶液浸泡后的巖石試樣進行干燥處理，用超聲波脈沖速度測試儀測得巖石試樣的彈性模量，并與自然狀態下巖石試樣的彈性模量進行比較，求出不同化學處理前后巖石試樣的彈性模量損失率。彈性模量損失率=(溶液溶蝕前巖石的彈性模量-溶液溶蝕后巖石的彈性模量)/溶液溶蝕前巖石的彈性模量×100%，測試與計算結果見表1。

表1 化學溶液溶蝕后砂巖及花崗巖彈性模量損失率

由表1可看出，經HCl溶液浸泡后的試樣彈性模量損失率最大，NaOH溶液浸泡后的試樣彈性模量損失率次之，而經水浸泡后的試樣彈性模量損失微乎其微。說明酸性溶液中以氫離子為主的化學離子與花崗巖內部的礦物質發生化學反應，導致巖石內部的礦物質流失或減少，巖石內部形成較多微小孔洞，使結構造成了一定損傷，從而引起宏觀上巖石試樣的彈性模量的損失。

對完成化學溶液溶蝕試驗和凍融循環試驗的巖石試件進行彈性模量測量，得到了花崗巖和砂巖在不同凍融溫度下彈性模量的損失率。其結果如表2所示。

表2 不同凍融循環溫度下巖石彈性模量損失率

表2反映了巖石彈性模量的損失率隨凍結溫度的降低而逐漸增大，其中花崗巖的彈性模量損失率在-20℃～-40℃間隨凍結溫度的下降大體呈現均勻增大的趨勢，而在-40℃后以下基本趨于穩定；而砂巖的彈性模量損失率隨凍結溫度變化的幅度逐漸減小。表明凍融溫度的變化對巖石物理性質有很大的影響。

3.2 峰值應力

對不同化學溶液浸泡后的巖石試樣進行單軸壓縮試驗，記錄下HCl溶液、NaOH溶液和水浸泡后花崗巖和砂巖的峰值應力，并與未浸泡試樣(自然狀態)進行對比，結果見圖2。

圖2 峰值應力與浸泡溶液的關系

分析圖2中試驗數據可以歸納出巖石試樣在不同化學溶液中浸泡后的峰值應力與自然狀態相比有不同的趨勢，其中中性溶液浸泡后出現微小幅度降低、酸性溶液浸泡后峰值應力顯著降低、堿性溶液浸泡后出現了提升。

對經溶液溶蝕試驗和凍融循環試驗后的花崗巖和砂巖試件進行單軸壓縮試驗，可得不同巖石試件的峰值應力，詳見表3。

表3 化學溶液溶蝕及凍融循環后花崗巖及砂巖的峰值應力σmax MPa

表3表明，巖石峰值應力的損失率隨著凍融溫度的降低逐漸增大，其中HCl溶液浸泡后的花崗巖試樣的峰值應力隨凍結溫度的降低呈現大幅下降，而在-50℃凍融循環后出現回升，其他溶液浸泡后的巖石試樣的峰值應力均隨凍結溫度的降低大體呈現較為均勻的下降趨勢。說明凍融目標溫度的變化對巖石力學性能有很大影響。

3.3 凍融系數

引入凍融系數表征巖石抵抗凍融破壞的性能。依據《水利水電工程巖石試驗規程》(SL264-2016)，巖石凍融系數的表達式如下：

(1)

凍融溫度對巖石凍融系數影響明顯，隨著凍融循環溫度的降低，巖石凍融系數逐漸減小，歸納發現巖石的凍融系數隨著凍融目標溫度的降低而減小。

3.4 應力-應變關系

將化學溶液溶蝕及凍融循環作用后的巖石試樣在單軸壓縮試驗下的應力-應變數據繪制成圖4、5和6中的曲線。

觀察分析圖4～6中的曲線，化學溶液溶蝕及凍融循環作用下巖石的應力-應變曲線大致呈現為4個具有顯著特征的階段：

第1階段，巖石的壓密階段。此階段曲線形狀較短，呈現上凹形狀，隨著應力變大，應變迅速增加，巖石變形較大，但是試驗過程中此階段時間較短。這一階段存在的原因主要是砂巖和花崗巖自身內部天然存在的微小裂縫以及化學溶液溶蝕和凍融耦合作用造成的裂縫，因外力作用而引起閉合，增強了巖石強度，導致此階段曲線的產生。除去巖石本身離散性的影響，一般酸性溶液浸泡后，凍融循環溫度越低，砂巖和花崗巖壓密階段的曲線也就越明顯。這一現象表明隨著凍融循環溫度的降低，凍融試驗給巖石試樣帶來的初始損傷越嚴重，原因是增加了巖石內部的微裂縫。HCl溶液浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現增長，砂巖所受影響更為顯著；而水浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現縮短，砂巖所受影響更為明顯。同時該段曲線長度還隨凍結溫度的降低而增長，NaOH溶液浸泡后的花崗巖試樣所受影響最為顯著。

第2階段，巖石的彈性階段。此階段曲線長度較長，大致呈直線狀，該段曲線斜率幾乎不變，應變隨應力的增長呈線性規律。近似認為此段曲線的斜率是巖石試樣的平均切線彈性模量。由圖4～6可見，在化學溶液浸泡下，隨著凍融循環溫度的降低，此段曲線斜率(即平均切線彈性模量)呈現逐漸減小的趨勢。這說明了化學溶液和凍融循環的耦合作用對砂巖和花崗巖的彈性階段產生了影響。NaOH溶液浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現增長，同時較自然狀態而言變得更陡，反映為NaOH溶液對巖石彈性模量和峰值應力的修復作用，而效果隨著凍結溫度的降低逐漸減弱；而HCl浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現縮短，同時該段曲線長度還隨凍結溫度的降低而增長，其中砂巖試樣所受影響更為顯著。

第3階段，巖石塑性屈服階段。此階段曲線長度最短，不明顯可見，呈凸起狀，應力-應變曲線從由快變慢的增長轉為減小，在應力到達峰值后迅速下落，應變增加較快出現少量塑性變形。

第4階段，巖石破壞后階段。巖石內部應力到達峰值后，應變急速增大，應力迅速降低，原因是內部裂紋的迅速擴展貫通，對結構造成嚴重破壞，導致試樣迅速炸裂開來。

圖3 不同化學溶液浸泡后巖樣的凍融系數與凍融溫度之間的關系

圖4 酸性溶液(HCL)浸泡下砂巖和花崗巖不同凍結溫度凍融循環后應力-應變曲線

圖5 堿性溶液(NaOH)浸泡下砂巖和花崗巖不同凍結溫度凍融循環后應力-應變曲線

圖6 水浸泡下砂巖和花崗巖不同凍結溫度凍融循環后應力-應變曲線

3.5 巖石表面顯微結構

為了展開對不同化學溶液溶蝕和不同凍融溫度處理后的巖石試樣表面微觀結構的觀察，從而更細致地從微觀角度分析化學溶液溶蝕機理和凍融損傷機理，采用智能立體顯微鏡觀察化學溶液溶蝕和凍融循環耦合作用后的巖石試樣表面。調試好顯微鏡放大倍數(30倍)等參數后，拍攝巖石試件表面的放大照片,如圖7、8所示。

圖7 不同化學溶液浸泡及不同凍融溫度循環后花崗巖表面顯微結構

圖8 不同化學溶液浸泡及不同凍融溫度循環后砂巖表面顯微結構

圖7、8表明，經不同化學溶液浸泡后，巖石試樣表面都出現了不同程度的孔洞式損傷。在常溫狀態下，巖石試樣表面只有較少的孔洞，即巖石初始損傷很小；在蒸餾水中浸泡60 d后的巖石試樣表面較未經過浸泡的巖石試樣的孔洞有少量增加，即水浸泡對巖石試樣造成的損傷較小；而經過酸性溶液浸泡后的巖石試樣，其表面的孔洞明顯增多、變大，且隨著凍融溫度的降低，孔洞的數量和尺寸都在增大。這說明酸性溶液溶蝕和凍融循環的耦合作用對巖石試樣造成的損傷很明顯，且凍融溫度越低，巖石試樣產生的損傷也越大。這一試驗結果與之前所述酸性溶液溶蝕對巖石宏觀力學特性的影響規律符合。同時，隨著凍融循環溫度的降低，巖石表面孔洞的數量變多、尺寸變大，這說明凍融循環溫度越低，造成的凍融損傷越嚴重。

3.6 巖石Ⅰ型斷裂韌度分析

巖石的斷裂韌度作為衡量巖石抵抗其自身裂紋發展的能力的重要力學指標之一，對巖體工程和邊坡工程的穩定性而言至關重要。對于含裂紋的材料，其應力強度因子的臨界值即為材料的斷裂韌度。在特定的溫度環境和加載速率下，斷裂韌度可視為材料的一項固有性質。

本文采用三點彎曲法測量巖石的斷裂韌度，制作砂巖和花崗巖試樣時預留缺口作為初始裂紋，三點彎曲試驗時，該處產生的拉應力垂直于裂紋面，所以將其近似按照Ⅰ型裂紋考慮，三點彎曲斷裂韌度按ASTM公式計算：

(2)

式中：KIC為巖石試樣的斷裂韌度，MPa·mm0.5，Pmax為加載在巖石上的最大荷載，N；d為底部兩支座之間的距離，即試樣的跨度，mm；b為長方體試樣的厚度，mm；h為長方體試樣的高度，mm；a為預制裂縫長度，mm。

將三點彎曲試驗直接測得的加載在巖石試樣上的最大荷載Pmax以及砂巖和花崗巖試樣的尺寸參數d、h、a、b一同代入公式(4)中，計算出不同凍融循環溫度下砂巖和花崗巖試樣的Ⅰ型斷裂韌度，計算結果見圖9。

圖9 斷裂韌度與凍結溫度之間的關系

計算結果表明，砂巖和花崗巖的斷裂韌度損失率均隨著凍融循環溫度的降低而加大，即對巖石造成的損傷越嚴重。根據圖9中的計算結果進行擬合，得出砂巖和花崗巖的斷裂韌度與凍融循環溫度之間呈現二次函數的關系。

花崗巖斷裂韌度KIC(MPa·mm0.5)與凍結溫度T(℃)的擬合關系式為：

KIC=-0.0158T2+0.2066T+60.076

(3)

R2=0.987

砂巖斷裂韌度KIC(MPa·mm0.5)與凍結溫度T(℃)的擬合關系式為：

KIC=-0.0006T2+0.0562T+21.721

(4)

R2=0.9944

4 化學溶蝕及凍融損傷機理分析

觀察試驗結果不難看出，砂巖和花崗巖的彈性模量和峰值應力因為化學溶液浸泡和凍融循環耦合作用受到了影響。巖石本身含有的大量礦物成分可以和化學溶液中的溶質發生反應，產物易溶于溶液的物質，使巖石礦物流失，導致巖石內部出現孔隙和損傷。在不同溶液中巖石的化學反應程度不盡相同。巖石內部主要礦物成分與水發生反應的機理如下：石英與水反應生成少量H4SiO4，同時少量金屬離子流失，反映在圖2中為砂巖和花崗巖峰值應力的小幅度降低；浸泡在HCl溶液中的巖石，一方面會與大量H+反應，產物包含金屬陽離子，例如紅砂巖含有較多的Fe2O3，和H+反應生成Fe3+，其大量進入溶液，破壞了巖石的力學性能，是彈性模量和峰值應力降低的主要原因；另一方面HCl溶液與砂巖和花崗巖化學反應的產物多以離子的狀態存在于溶液中，巖石內部礦物質流失，孔隙增多，裂紋加大，導致巖石結構疏松，最終在宏觀上表現為圖2和表1中砂巖和花崗巖峰值應力和彈性模量較自然狀態下有顯著降低。而浸泡在NaOH溶液中的砂巖與花崗巖由于和堿性溶液反應產生一定量的硅酸鹽，填補進巖石本身的裂隙和天然裂縫，形成了一定的補強加固作用，從而在宏觀上表現為本試驗圖2中砂巖和花崗巖峰值應力的增大。

同時，巖石的力學性質也受離子遷移的影響，巖石中含有石英、非黏土礦物和黏土礦物等酸不溶物，堿溶液中的OH-離子優先通過酸不溶物較富集的部分進入巖石內部，因為酸不溶物分布的連續性有利于OH-離子的遷移[16]。巖石的粒徑通常遠大于酸不溶物的粒徑，由于礦物粒徑越小，越容易在孔隙中產生更強的毛細孔作用，從而導致溶液中的離子在巖石孔隙中遷移速度的加快[17]。巖石浸泡溶液中的離子遷移保證和促進了化學反應的發生，從而導致巖石內部礦物成分逐漸溶解于化學溶液，進而導致巖石內部孔隙和裂紋的增多和擴大，在宏觀上則表現為本實驗表1和圖2中砂巖和花崗巖峰值應力和彈性模量等力學性能不同程度的降低。

巖石材料是由多相介質構成的，由于其內部多相介質具有不同的熱物理性能，所以凍融循環作用給巖石帶來了損傷，而此時化學溶液的參與會進一步影響巖石的力學性能。巖石內部某些膠結強度較低的礦物顆粒會在凍脹力的作用下發生顯著的破壞，最終導致巖石內部局部損傷的出現，而在融蝕的過程中，化學溶液會隨著溫度的提升更容易地滲入巖石的內部，與礦物充分發生化學反應，同時也促進了化學溶液溶蝕過程中的離子遷移作用，隨著這種凍融循環過程的往復進行，巖石內部的結構不斷受到化學溶液和凍融循環共同作用的影響，這種影響加重了巖石的凍融損傷，宏觀上表現為砂巖和花崗巖的抗壓強度的降低和力學特性的削弱。

5 結 論

(1)經化學溶液浸泡后，砂巖和花崗巖兩種巖石試樣的受影響程度不同，凍融循環后巖石試樣的彈性模量出現不同程度的降低，其中砂巖受凍結溫度的影響相較花崗巖而言更顯著。

(2)巖樣的應力—應變曲線的壓密階段長度隨著凍結溫度的降低而增長，凍融循環后的花崗巖和砂巖的單軸抗壓強度隨著凍融循環溫度的降低而降低。花崗巖和砂巖的凍融系數隨著凍結溫度的降低而降低。

(3)化學溶蝕和凍融循環的耦合作用會使得巖石的力學特性發生顯著變化， HCl在凍融循環中促進兩種巖石的損傷，而NaOH溶液對兩種巖石造成的損傷有一定程度的抑制作用，兩種巖石的斷裂韌度與凍融循環溫度之間呈現二次函數的關系。

(4)經不同化學溶液溶蝕后，砂巖和花崗巖試件表面均出現了不同程度的孔洞，并且隨著凍融循環溫度的降低，巖石表面孔洞的尺寸變大、數量增多。