化學(xué)溶液與凍融循環(huán)作用下粉砂巖強(qiáng)度衰減及預(yù)測(cè)模型

王魯男，尹曉萌，韓杰，王敬澤

(1.遼寧石油化工大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧撫順，113001；2.遼寧石油化工大學(xué)遼寧省石油化工特種建筑材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧撫順，113001；3.武昌理工學(xué)院城市建筑學(xué)院，湖北武漢，430223；4.信陽師范學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院，河南信陽，464000)

為推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)與西部大開發(fā)戰(zhàn)略，我國在寒冷地區(qū)建造及運(yùn)營的巖石工程項(xiàng)目日益增多。受季節(jié)變動(dòng)和晝夜循環(huán)的影響，裸露的巖石長時(shí)間地承受著周期性的凍脹荷載作用，發(fā)生不可逆的損傷劣化。這種劣化不僅受控于巖石的巖性、孔隙度、飽和度及其所處的凍融環(huán)境，還與其賦存的水化學(xué)環(huán)境息息相關(guān)[1-2]。地下水具有復(fù)雜的化學(xué)成分，不同程度地腐蝕著巖石，改變物質(zhì)組成與孔隙結(jié)構(gòu)，同時(shí)還控制著巖石內(nèi)的飽和度和結(jié)冰壓[3]，直接影響孔隙中凍脹力及其分布特征。實(shí)際上，寒區(qū)工程往往同時(shí)面臨著復(fù)雜的水化學(xué)環(huán)境和嚴(yán)峻的氣候條件，巖石長期地承受化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同引起的損傷，其強(qiáng)度性質(zhì)逐漸劣化，最終發(fā)生破壞。這極大地限制了寒區(qū)工程的使用壽命，甚至引起地質(zhì)災(zāi)害。因此，研究化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下巖石強(qiáng)度的長期衰減規(guī)律，對(duì)寒區(qū)巖石工程的使用壽命預(yù)測(cè)與安全評(píng)估具有指導(dǎo)性意義。

國內(nèi)外學(xué)者在單一水化學(xué)環(huán)境或凍融環(huán)境下巖石的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律方面取得了豐碩的成果，如水化學(xué)環(huán)境指標(biāo)(pH、離子成分與濃度等)對(duì)巖石變形、強(qiáng)度、破壞模式的影響及相應(yīng)的腐蝕作用機(jī)制[4-8]；不同凍融條件(溫度、時(shí)長及次數(shù)等)下巖石的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、動(dòng)載強(qiáng)度和長期強(qiáng)度等變化規(guī)律及其損傷機(jī)制[9-14]。但是，考慮到寒區(qū)工程面臨的復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境，單因素影響下巖石的力學(xué)特性參考價(jià)值有限，因而一些學(xué)者開始關(guān)注2種環(huán)境共同作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)及其劣化機(jī)制。張繼周等[1]提出，酸性溶液下巖石的凍融強(qiáng)度損失更明顯，若采用純水環(huán)境下的試驗(yàn)結(jié)果，將過高估計(jì)工程的安全性；丁梧秀等[15]研究不同化學(xué)溶液與凍融循環(huán)次數(shù)下灰?guī)r的力學(xué)損傷特性，指出凝結(jié)核豐度與溶液pH的重要性；韓鐵林等[16-17]對(duì)水化學(xué)腐蝕后的砂巖和花崗巖進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)酸性溶液下巖石的凍融損傷程度最大，相應(yīng)的力學(xué)性質(zhì)劣化最明顯，而堿性、中性溶液下?lián)p傷程度相對(duì)較小；俞縉等[18]研究水化學(xué)環(huán)境與凍融環(huán)境下砂巖的力學(xué)性質(zhì)劣化規(guī)律，并以核磁共振技術(shù)探究耦合作用對(duì)其細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的影響。目前，化學(xué)腐蝕與凍脹荷載耦合作用下巖石的力學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律研究還處于起步階段，可供參考的成果較少，需更全面、更深入的研究為寒區(qū)工程建造及運(yùn)營提供相關(guān)技術(shù)支持。

現(xiàn)有研究表明，化學(xué)溶液與凍融循環(huán)對(duì)巖石強(qiáng)度性質(zhì)的劣化具有重要促進(jìn)作用。但受成本和時(shí)間等諸多因素的限制，室內(nèi)試驗(yàn)無法獲取巖石工程全壽命周期下強(qiáng)度的衰減規(guī)律(現(xiàn)有文獻(xiàn)中，凍融循環(huán)次數(shù)多在100次內(nèi)，化學(xué)溶液浸泡時(shí)間多在180 d內(nèi))。借助預(yù)測(cè)模型解決現(xiàn)場環(huán)境下巖石強(qiáng)度的長期衰減問題是一種高效的手段，如MUTLUTüRK 等[19]提出衰減函數(shù)模型，以衰減常數(shù)和半衰期評(píng)價(jià)凍融作用下巖石硬度的損失規(guī)律；YAVUZ 等[20-22]利用該模型預(yù)測(cè)凍融循環(huán)或冷熱沖擊下各類巖石的物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)(波速、孔隙率、吸水率、硬度、抗壓強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度等)，驗(yàn)證了模型的可靠性與適用性；JAMSHIDI等[23]以巖石的初始強(qiáng)度與凍融后的有效孔隙率和平均孔徑構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，有效地預(yù)測(cè)凍融作用下巖石強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度及點(diǎn)荷載強(qiáng)度)的變化規(guī)律；BAYRAM[24]利用初始狀態(tài)下巖石的沖擊強(qiáng)度、彈性模量及吸水率，建立凍融作用下巖石的強(qiáng)度損失預(yù)測(cè)模型；LIU等[25]基于彈塑性理論推導(dǎo)出巖石的單軸抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型，融入凍融環(huán)境下巖石內(nèi)部的應(yīng)力分布特征，使該模型具有更好的可靠性；丁梧秀等[26-27]通過分析室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，提出化學(xué)腐蝕下巖石單軸與三軸抗壓強(qiáng)度的損傷演化方程。現(xiàn)有的預(yù)測(cè)模型為簡化試驗(yàn)條件或推導(dǎo)過程一般僅考慮單一因素，難以評(píng)估2種環(huán)境共同作用對(duì)巖石強(qiáng)度特性的影響。因此，還需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上建立合理的模型來預(yù)測(cè)復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境下巖石強(qiáng)度的長期衰減規(guī)律。

本文以粉砂巖為研究對(duì)象，通過測(cè)試其在5種不同化學(xué)溶液中浸泡并經(jīng)凍融循環(huán)作用后物理力學(xué)性質(zhì)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化，研究溶液pH與凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)粉砂巖物理力學(xué)性能劣化的影響，重點(diǎn)分析化學(xué)腐蝕與凍脹荷載耦合作用下單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的衰減規(guī)律及其機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下粉砂巖的強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型，以揭示復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中巖石工程全壽命周期下強(qiáng)度的衰減規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試樣制備

試驗(yàn)所需巖樣均取自遼西地區(qū)某巖質(zhì)邊坡場地中，屬于三疊系紅砬組粉砂巖。新鮮巖石呈紫紅色，水平層理較發(fā)育，表面無明顯的裂隙。現(xiàn)場獲取完整的大巖塊，蠟封保存后運(yùn)回室內(nèi)，經(jīng)取芯、切割和打磨加工成2種尺寸(直徑×高分別為50 mm×100 mm 和50 mm×30 mm)的圓柱巖樣，如圖1所示，精度符合文獻(xiàn)[28]中的要求。為避免層理效應(yīng)的影響，取芯時(shí)保證長柱巖樣的軸線方向垂直于層理面(用于抗壓強(qiáng)度試驗(yàn))、短柱巖樣的軸線方向平行于層理面(用于抗拉強(qiáng)度試驗(yàn))。加工好的巖樣在室內(nèi)自然晾干，并結(jié)合肉眼觀察與超聲波檢測(cè)，剔除有外觀缺陷或波速異常的巖樣。

圖1 紅砬組粉砂巖Fig.1 Hongla formation siltstone

采集的粉砂巖天然密度約為2.41 g/cm3，縱波速度范圍為2 855～2 930 m/s，平均飽和吸水率為2.85%。礦物成分以石英、黏土礦物和方解石為主，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別占59%，19%和13%；此外，還包含一定質(zhì)量的云母和長石(9%)。

1.2 試驗(yàn)方案

根據(jù)溶液pH 的差異，將巖樣劃分為5 組(S1，S2，S3，S4和S5)。強(qiáng)制飽和后，開展不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)，并查明凍融前后粉砂巖物理力學(xué)性質(zhì)及細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。具體方案如下：

1)在蒸餾水中添加適量的HNO3溶液或NaOH溶液，配置酸性(pH為2.0和4.5)、中性(純蒸餾水，pH 為7.0)及堿性(pH 為9.5 和12.0)浸泡溶液，共計(jì)5種。每組巖樣從強(qiáng)制飽和、凍融循環(huán)到后期的物理力學(xué)試驗(yàn)均采用同一種化學(xué)溶液浸泡。考慮到真實(shí)的水化學(xué)環(huán)境中，巖層內(nèi)地下水與外界環(huán)境相連通，其pH 相對(duì)穩(wěn)定。因此，利用pH 檢測(cè)計(jì)監(jiān)控浸泡溶液pH變化，并通過補(bǔ)液的方式確保其穩(wěn)定。

2)自然晾干的巖樣在電烘箱內(nèi)烘48 h，再挪入干燥皿內(nèi)冷卻。之后，對(duì)巖樣實(shí)施抽真空飽和處理，抽氣和浸泡溶液中的時(shí)間均為24 h。針對(duì)飽和后的巖樣，利用TDS-300C型凍融循環(huán)試驗(yàn)箱實(shí)施不同次數(shù)的凍融循環(huán)試驗(yàn)。首先，將試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度調(diào)整為20 ℃，盛裝巖樣及其浸泡溶液的容器放入后，立即開始降溫，溫度變化速率控制為20 ℃/h；1 h 后，溫度達(dá)到0 ℃，溶液開始凍結(jié)成冰；2 h后，溫度達(dá)到-20 ℃，維持此溫度6 h以確保巖樣內(nèi)外的溫度均勻分布。然后，試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度開始回升，變化速率依然為20 ℃/h；2 h 后，溫度重新升至20 ℃，維持此溫度6 h，以確保巖樣內(nèi)部的固態(tài)冰融化為液態(tài)。以上即為單次凍融循環(huán)溫度調(diào)控方案，循環(huán)周期為16 h。圖2所示為單次凍融循環(huán)溫度調(diào)控示意圖。由圖2可見：理論上，凍結(jié)與融化時(shí)間皆為6 h。反復(fù)循環(huán)該過程，使飽和巖樣經(jīng)歷多次的凍融循環(huán)。考慮到粉砂巖的孔隙率與膠結(jié)程度[29]，確定凍融循環(huán)次數(shù)分別為0(僅強(qiáng)制飽和)，10，20，30和60次，共計(jì)5輪。

圖2 單次凍融循環(huán)溫度調(diào)控示意圖Fig.2 Temperature schematic view of single freeze-thaw cycle

3)每輪凍融后，取出巖樣，擦干表面水分。測(cè)量凍融后巖樣的質(zhì)量，并結(jié)合試驗(yàn)前烘干巖樣質(zhì)量、凍融前飽和巖樣質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失率；利用巖石聲波參數(shù)測(cè)試儀，測(cè)量巖樣軸線方向的縱波速度，探頭與端面之間涂抹凡士林以加強(qiáng)耦合。之后，借助YAW-2000 型微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)實(shí)施單軸壓縮試驗(yàn)，獲取不同條件下飽和巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。在壓縮試驗(yàn)中，加載方式為應(yīng)變控制，加載速率為0.1 mm/min，加載方向始終垂直于巖樣的層理面。其中，抗拉強(qiáng)度采用劈裂法間接測(cè)定。最后，選取適量的巖樣進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，觀察凍融前后粉砂巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化。以上試驗(yàn)的操作規(guī)程和技術(shù)要求均參照文獻(xiàn)[28]，且相同試驗(yàn)條件下，巖樣數(shù)量不少于3個(gè)，其物理力學(xué)參數(shù)取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 物理性質(zhì)變化

在凍融作用下，粉砂巖不可避免地發(fā)生損傷劣化，引起其物理性質(zhì)改變。圖3所示為不同化學(xué)溶液與凍融循環(huán)次數(shù)下粉砂巖的質(zhì)量損失率和縱波速度變化。由圖3可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，粉砂巖的質(zhì)量損失率增大、縱波速度減小，直至60次時(shí)，內(nèi)部損傷累積到最大，2項(xiàng)指標(biāo)均發(fā)生最顯著的改變。不同化學(xué)溶液下粉砂巖質(zhì)量損失率和縱波速度對(duì)凍融作用的響應(yīng)規(guī)律基本一致，但響應(yīng)幅度有所不同：當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到最大時(shí)，pH=2 的酸性溶液下，粉砂巖的質(zhì)量損失率達(dá)3.71%，縱波速度衰減到2.62 km/s；而pH=12的堿性溶液下，質(zhì)量損失率僅為2.33%，縱波速度衰減到2.86 km/s；其余3種溶液下的指標(biāo)皆處于兩者之間，表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

圖3 粉砂巖的質(zhì)量損失率和縱波速度變化Fig.3 Variation in mass loss rate and P-wave velocity of siltstone

1)對(duì)比中性溶液，酸性溶液下粉砂巖質(zhì)量損失更大、縱波速度降低更明顯，且兩者間的差值隨著酸性溶液pH降低更大；堿性溶液則產(chǎn)生相反的作用，粉砂巖的質(zhì)量損失和縱波速度降低更小，且隨著堿性溶液pH升高這種反作用愈加明顯。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因如下：酸性溶液促進(jìn)凍融環(huán)境中粉砂巖的損傷劣化，造成礦物顆粒(主要為黏土礦物、碳酸鹽類礦物)溶蝕、裂隙加速擴(kuò)展，引起更大的質(zhì)量和縱波速度損耗；而堿性溶液對(duì)粉砂巖的凍融損傷有一定抑制作用，其化學(xué)反應(yīng)的生成物可有效地修補(bǔ)孔隙和裂隙等缺陷[17]，延緩凍脹荷載對(duì)粉砂巖的損傷劣化進(jìn)程，引起較小質(zhì)量和縱波速度損耗。2)不同化學(xué)溶液下粉砂巖的質(zhì)量損失率和縱波速度對(duì)凍融循環(huán)次數(shù)的敏感程度也不同。凍融開始后，酸性溶液下2項(xiàng)指標(biāo)迅速地改變，表現(xiàn)更加敏感；而堿性溶液下指標(biāo)的響應(yīng)則較為遲緩，直到30 次凍融后，堿性溶液與中性溶液下的指標(biāo)值才呈現(xiàn)出明顯差異(如圖3中虛線圈所示，pH=12 溶液下的縱波速度有所不同)。這也與化學(xué)溶液對(duì)凍融環(huán)境中粉砂巖損傷劣化的促進(jìn)或抑制作用有關(guān)：在試驗(yàn)初期，中性、堿性溶液下粉砂巖的損傷程度差異不大；但隨著凍融次數(shù)增加，損傷逐漸地累積，堿性溶液的抑制作用慢慢地得以體現(xiàn)，最終表現(xiàn)為堿性溶液下粉砂巖承受的累積損傷更輕微，指標(biāo)變化更小。

2.2 力學(xué)性質(zhì)變化

圖4所示為不同化學(xué)溶液與凍融循環(huán)次數(shù)下典型巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。由圖4可知：

1)不同條件下粉砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的形態(tài)基本一致，包含裂隙壓密、彈性變形、塑性屈服及破壞4個(gè)階段，呈現(xiàn)出脆性巖石所具有的變形破壞特征。且隨著溶液pH降低、凍融循環(huán)次數(shù)增加，曲線的峰值點(diǎn)逐漸向右、向下移動(dòng)，說明粉砂巖脆性降低，具有向延性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

2)軸向壓力從0 MPa 開始增加，粉砂巖內(nèi)孔隙和裂隙逐漸閉合，此時(shí)曲線表現(xiàn)出上翹的特征，即為裂隙壓密階段。從顯著程度來看，該階段在酸性溶液下最明顯，中性溶液次之，堿性溶液最模糊。另外，無論何種化學(xué)溶液下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，該階段均趨于顯著。這是因?yàn)槿芤簆H 降低、凍融循環(huán)次數(shù)增加，均有利于粉砂巖內(nèi)礦物顆粒溶蝕和裂隙發(fā)育，引起裂隙壓密階段的延長。

3)隨著軸向壓力增加，粉砂巖進(jìn)入彈性變形階段。此時(shí)，曲線近乎于直線，其斜率即為平均切線彈性模量。在堿性溶液下，粉砂巖彈性模量變化極小，直到30次凍融后，才表現(xiàn)出減小趨勢(shì)；而酸性溶液下，彈性模量變化明顯，且隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加而逐漸減小。其原因亦與化學(xué)溶液對(duì)凍融環(huán)境中粉砂巖損傷劣化的影響有關(guān)。

4)軸向壓力持續(xù)地增加，粉砂巖從塑性屈服直至發(fā)生全面破壞，其內(nèi)部裂隙經(jīng)歷了萌生、擴(kuò)展到貫通的過程。此階段應(yīng)變不斷增大，但應(yīng)力增長速率逐漸減小，直至抵達(dá)峰值點(diǎn)后應(yīng)力迅速跌落。可以看到，隨著溶液pH降低、凍融循環(huán)次數(shù)增加，粉砂巖的峰值應(yīng)力減小，而峰值應(yīng)變?cè)龃蟆Ｔ撘?guī)律與前人獲得的結(jié)論基本一致[16]。峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變反映著巖石承載能力及其破壞時(shí)的變形。承載能力減小、應(yīng)變?cè)龃螅馕吨凵皫r在化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下承受的損傷持續(xù)地累積。此外，曲線峰值點(diǎn)的移動(dòng)幅度在一定程度上受控于裂隙壓密階段和彈性變形階段的長短，2個(gè)階段分別控制著峰值應(yīng)變和峰值應(yīng)力。

圖4 典型巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Stress-strain curves of typical specimens

引入相對(duì)強(qiáng)度(凍融后飽和巖樣的強(qiáng)度除以凍融前飽和巖樣的強(qiáng)度)的概念來定量評(píng)價(jià)粉砂巖的強(qiáng)度衰減規(guī)律。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)為0時(shí)，相對(duì)強(qiáng)度等于1；隨著循環(huán)次數(shù)增加，巖石的強(qiáng)度衰減趨于顯著，相對(duì)強(qiáng)度隨之減小。圖5所示為不同化學(xué)溶液與凍融循環(huán)次數(shù)下粉砂巖的抗壓相對(duì)強(qiáng)度和抗拉相對(duì)強(qiáng)度變化。由圖5可見：凍融作用下粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均逐漸降低，但不同化學(xué)溶液下的強(qiáng)度衰減幅度有所不同。粉砂巖的抗壓和抗拉相對(duì)強(qiáng)度均在60 次凍融后達(dá)到最小。此時(shí)，pH=12的堿性溶液下，單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度分別為0.86 和0.85；而pH=2 的酸性溶液下，單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度僅為0.60和0.65；其余3種溶液下的相對(duì)強(qiáng)度介于兩者之間。這說明化學(xué)溶液的pH越小、凍融循環(huán)次數(shù)越多，粉砂巖的內(nèi)部損傷就越大，其單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度衰減越明顯。

3 強(qiáng)度衰減機(jī)制

粉砂巖強(qiáng)度的衰減可歸因于化學(xué)溶液對(duì)巖石的腐蝕作用及其固結(jié)成冰誘發(fā)的凍脹荷載對(duì)巖石結(jié)構(gòu)的破壞。一般來說，同一條件下，不同化學(xué)溶液固結(jié)成冰所產(chǎn)生的凍脹力有所差異，但影響較為輕微。然而，不同化學(xué)溶液對(duì)粉砂巖具有不同的腐蝕機(jī)制和腐蝕程度，影響著凍融損傷劣化的進(jìn)程，導(dǎo)致粉砂巖強(qiáng)度出現(xiàn)不同幅度的衰減。

具體來說，相對(duì)于中性溶液，酸性溶液加劇粉砂巖的損傷進(jìn)程，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，損傷劣化持續(xù)地累積，粉砂巖強(qiáng)度加速衰減；且溶液酸性越強(qiáng)，含黏土礦物和碳酸鹽類礦物的粉砂巖受腐蝕作用的影響越大，損傷劣化越嚴(yán)重，相應(yīng)強(qiáng)度衰減就越多。相反地，堿性溶液對(duì)粉砂巖的損傷有著一定抑制作用，水-巖反應(yīng)的生成物(主要是微溶于水的氫氧化物)可有效地修補(bǔ)孔隙和裂隙等缺陷，減緩凍脹荷載對(duì)粉砂巖的損傷劣化進(jìn)程，因而遏制強(qiáng)度衰減的趨勢(shì)。這種抑制作用在砂巖、花崗巖和石英巖等巖石中均得到證實(shí)[16-17]。溶液堿性越強(qiáng)，生成的氫氧化物就越多，對(duì)粉砂巖損傷劣化的抑制作用越明顯，相應(yīng)強(qiáng)度衰減越少。

圖5 粉砂巖的抗壓相對(duì)強(qiáng)度和抗拉相對(duì)強(qiáng)度變化Fig.5 Variation in compressive relative strength and tensile relative strength of siltstone

該強(qiáng)度衰減機(jī)制在本試驗(yàn)中得到了充分展現(xiàn)，包括細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化和補(bǔ)液次數(shù)的差異。對(duì)不同化學(xué)溶液浸泡并凍融60 次后的巖樣，開展掃描電鏡試驗(yàn)(放大1 500 倍)，獲取不同條件下粉砂巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)圖像，如圖6所示。由圖6(a)可見：天然狀態(tài)下粉砂巖的表面平整，結(jié)構(gòu)致密，無明顯的孔隙和裂隙，礦物顆粒的形狀清晰，膠結(jié)程度較好；而經(jīng)過化學(xué)腐蝕與凍脹荷載耦合作用后，粉砂巖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的改變。由圖6(b)可見：在酸性溶液中，由于部分礦物溶蝕、流失，粉砂巖的結(jié)構(gòu)變得疏松，發(fā)育有蜂窩狀的孔隙和微裂隙，導(dǎo)致次生孔隙率增加；且大的礦物顆粒發(fā)生了溶蝕破碎，形成的小顆粒松散地堆疊在一起，膠結(jié)程度變差。由圖6(d)可見：在堿性溶液中，粉砂巖也發(fā)育有明顯的微裂隙，但可觀察到缺陷內(nèi)及其周圍聚集有大量沉淀物，這不但增加礦物顆粒間的接觸面積，降低次生孔隙率，而且阻礙著溶液向內(nèi)部的持續(xù)侵入。由圖6(c)可見：在中性溶液中，也可觀察到少量的沉淀物，但次生孔隙率大于堿性溶液。此外，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，酸堿性越強(qiáng)的化學(xué)溶液，其pH越不穩(wěn)定，需要更高頻次的補(bǔ)液(S1～S5組分別進(jìn)行了15，10，3，4和7次補(bǔ)液)。且補(bǔ)液多發(fā)生在前20次的凍融循環(huán)中，之后pH 趨于穩(wěn)定。這進(jìn)一步說明溶液的酸堿性越強(qiáng)，水-巖反應(yīng)越劇烈，相應(yīng)的H+或OH-耗費(fèi)越多，意味著化學(xué)溶液對(duì)粉砂巖凍融損傷劣化的促進(jìn)或抑制作用越顯著。

對(duì)比單一的化學(xué)腐蝕或凍脹作用，耦合作用下粉砂巖的損傷劣化更為復(fù)雜、劇烈，是水化學(xué)環(huán)境與凍融環(huán)境循環(huán)交替疊加的作用過程。化學(xué)腐蝕發(fā)生在溶液融化狀態(tài)下，主要是礦物的溶解和水解作用等，這些水-巖反應(yīng)改變粉砂巖的物質(zhì)組成與孔隙結(jié)構(gòu)，為化學(xué)溶液的持續(xù)深入及后期凍脹作用的發(fā)揮提供有利條件。隨著溫度降低，化學(xué)腐蝕逐漸微弱甚至?xí)和！６芤簝鼋Y(jié)固化誘發(fā)的凍脹作用開始顯現(xiàn)出來，促進(jìn)粉砂巖內(nèi)裂隙的萌生、擴(kuò)展及相互連通，為化學(xué)溶液的侵入開辟新的通道。2種作用循環(huán)交替地發(fā)揮，所產(chǎn)生的損傷累積疊加，引起粉砂巖物理力學(xué)性能的退化。從試驗(yàn)設(shè)計(jì)的角度來看，2種作用的發(fā)揮時(shí)間各占總時(shí)間的一半。但由于壓力影響，在-5～-20 ℃下，巖石孔隙內(nèi)的自由水才能完全凍結(jié)成冰[30]。這意味著化學(xué)腐蝕的發(fā)揮時(shí)間遠(yuǎn)超凍脹作用時(shí)間，且兩者在時(shí)間上可能存在著局部交叉，因而以上所謂“交替疊加”是一種理想化的作用過程。

4 強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型

4.1 模型建立

毫無疑問，室內(nèi)試驗(yàn)獲取的結(jié)果無法覆蓋巖石工程全壽命周期下強(qiáng)度的衰減規(guī)律。如本文的凍融循環(huán)試驗(yàn)最多為60 次，僅相當(dāng)于遼西地區(qū)年均凍融循環(huán)次數(shù)的一半[31]。因此，還需在現(xiàn)有基礎(chǔ)上建立合理的預(yù)測(cè)模型，以期掌握化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下巖石強(qiáng)度的長期衰減規(guī)律。

MUTLUTüRK 等[19]提出的衰減函數(shù)模型能很好地預(yù)測(cè)、評(píng)估凍融作用下巖石的完整程度，已得到廣泛的討論與應(yīng)用[20-22]。該模型將凍融作用下巖石完整性的衰減速率表示為

式中：I為巖石的完整性指標(biāo)(如單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度等)；N為凍融循環(huán)次數(shù)；λ為衰減常數(shù)；負(fù)號(hào)意味著巖石完整性指標(biāo)的衰減。

以I0為凍融前巖石的完整性指標(biāo)，IN為N次凍融后巖石的完整性指標(biāo)，對(duì)式(1)進(jìn)行積分，可得

整理成指數(shù)形式，表示為

式中：e-λN稱為衰減系數(shù)，指經(jīng)歷N次凍融后巖石完整性指標(biāo)的剩余比例。

該模型利用2個(gè)衰減參數(shù)來表征凍融作用下巖石完整性的衰減規(guī)律，即衰減常數(shù)λ和半衰期N12。衰減常數(shù)λ指單次凍融作用下巖石完整性指標(biāo)的平均損失；半衰期N12指巖石完整性指標(biāo)降至初始值一半時(shí)所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)。將IN=I0/2代入式(3)，即可求取半衰期

圖6 凍融前后粉砂巖的SEM圖像Fig.6 SEM images of siltstone before and after freeze-thaw cycles

該一階模型很好地描述了凍融作用下巖石的物理力學(xué)行為，不足之處在于模型假設(shè)衰減常數(shù)及相應(yīng)的半衰期保持不變，導(dǎo)致其僅體現(xiàn)凍融環(huán)境對(duì)巖石完整性的影響，未考慮到水化學(xué)環(huán)境的重要貢獻(xiàn)。不同化學(xué)溶液下巖石的凍融損傷進(jìn)度是不同的，其強(qiáng)度衰減規(guī)律也必然存在較大的差異。因此，本文在衰減函數(shù)模型的基礎(chǔ)上，提出一種強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型，為化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下巖石的強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)及其耐久性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果表明，化學(xué)溶液pH 對(duì)凍融作用下粉砂巖抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的衰減有著顯著影響。這意味著不同pH的溶液，粉砂巖強(qiáng)度在單次凍融作用下的平均損失及其降至初始值一半時(shí)所經(jīng)歷的凍融循環(huán)次數(shù)是變化的。因此，衰減常數(shù)、半衰期與pH 存在一定的函數(shù)關(guān)系，可表示為λ=λ(pH)和N12=ln2λ(pH)。雖然兩者均為變量，與原模型的假設(shè)有所不同，但為保持全文一致性，依然稱其為衰減常數(shù)和半衰期。據(jù)此，化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型，可表示為

式中：R0和σ0分別為凍融前飽和巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度；RN和σN分別為N次凍融后飽和巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。

在預(yù)測(cè)模型中，凍融循環(huán)次數(shù)為自變量；凍融后飽和巖石強(qiáng)度為因變量；凍融前飽和巖石的強(qiáng)度來自于室內(nèi)試驗(yàn)；余下的λ(pH)則是建立模型的重點(diǎn)。本文利用回歸分析法確定λ(pH)，具體步驟如下：

1)基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算出不同化學(xué)溶液與凍融循環(huán)次數(shù)下巖石的相對(duì)強(qiáng)度RN/R0和σN/σ0，并以指數(shù)形式擬合出相對(duì)強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系，即可得到不同化學(xué)溶液下巖石強(qiáng)度的衰減常數(shù)和半衰期；

2)以pH為自變量，衰減常數(shù)為因變量，擬合分析后獲取λ(pH)表達(dá)式；

3)將λ(pH)代入式(5)和(6)中，即可得到強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型。

4.2 實(shí)例分析

遵照上述步驟，整理試驗(yàn)結(jié)果，開展不同化學(xué)溶液下粉砂巖相對(duì)強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的擬合分析，如圖7所示，進(jìn)而得到強(qiáng)度的衰減參數(shù)，如表1所示。由表1可見：擬合效果較好，證明模型可有效地預(yù)測(cè)粉砂巖抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的衰減規(guī)律。不同化學(xué)溶液下粉砂巖強(qiáng)度的衰減參數(shù)存在較大差異：在pH=12 的堿性溶液中，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的衰減常數(shù)均最小，隨著pH降低，衰減常數(shù)逐漸增大，并在pH=2的酸性溶液下達(dá)到最大，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的衰減常數(shù)分別增加3.48倍和2.56倍；半衰期的變化規(guī)律則相反，在pH=12的堿性溶液中，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的半衰期分別達(dá)到239.02 次和256.72 次，隨著pH 降低，半衰期逐漸減小，在pH=2的酸性溶液下，半衰期降至68.63次和100.46次。溶液pH明顯地影響著凍融作用下粉砂巖強(qiáng)度的衰減參數(shù)，其效應(yīng)在預(yù)測(cè)模型中應(yīng)當(dāng)?shù)靡泽w現(xiàn)。

圖7 粉砂巖相對(duì)強(qiáng)度與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between relative strength of siltstone and freeze-thaw cycles

表1 粉砂巖強(qiáng)度的衰減參數(shù)Table 1 Strength decay parameters of siltstone

圖8所示為粉砂巖強(qiáng)度的衰減參數(shù)與溶液pH的關(guān)系。由圖8可知：隨著pH 升高，衰減常數(shù)非線性減小，兩者呈對(duì)數(shù)關(guān)系。當(dāng)pH 小于7.0 時(shí)，減小趨勢(shì)顯著；pH 超過7.0 后，減小趨勢(shì)明顯放緩。半衰期的規(guī)律則與之相反。對(duì)比粉砂巖抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的衰減參數(shù)，抗壓強(qiáng)度衰減常數(shù)變化范圍更廣、半衰期更小，這意味著化學(xué)腐蝕與凍脹荷載耦合作用對(duì)粉砂巖的長期抗壓性能更具破壞性。因此，單軸抗壓強(qiáng)度的衰減參數(shù)更適合評(píng)估水化學(xué)環(huán)境與凍融環(huán)境下粉砂巖的耐久性能[32]。

將圖8中的表達(dá)式代入式(5)和(6)中，化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型表示為

該模型可預(yù)測(cè)不同溶液pH 與凍融循環(huán)次數(shù)下粉砂巖強(qiáng)度的長期衰減規(guī)律，為寒區(qū)巖石工程的使用壽命預(yù)測(cè)與安全評(píng)估提供可靠的依據(jù)。需要說明的是，該模型的形式具有廣泛適用性，尤其適合于含碳酸鹽類礦物或者膠結(jié)物的巖石，但不可直接套用。這是由于模型中的系數(shù)在一定程度上反映了巖石的初始性質(zhì)(物質(zhì)組成、孔隙結(jié)構(gòu)和含水狀態(tài)等)，不同性質(zhì)的巖石有不同的系數(shù)，盲目套用必將導(dǎo)致錯(cuò)誤的預(yù)測(cè)結(jié)果。利用韓鐵林等[16]的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證模型，以砂巖單軸抗壓強(qiáng)度為例，建立相應(yīng)的強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型。代入化學(xué)溶液的pH，并以凍融循環(huán)次數(shù)為橫軸、單軸抗壓強(qiáng)度為縱軸，繪制強(qiáng)度的衰減預(yù)測(cè)線，如圖9所示。由圖9可見：衰減預(yù)測(cè)線與實(shí)測(cè)值吻合效果較好，能夠反映砂巖在不同化學(xué)溶液與凍融循環(huán)次數(shù)下強(qiáng)度的衰減規(guī)律，這表明本文所提出的預(yù)測(cè)模型具有可靠性與適用性。

圖8 強(qiáng)度的衰減參數(shù)與溶液pH的關(guān)系Fig.8 Relationship between strength decay parameters and pH in various solutions

圖9 砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的衰減預(yù)測(cè)線與實(shí)測(cè)值[16]Fig.9 Comparison between forecast lines and test values of uniaxial compressive strength of sandstone[16]

5 結(jié)論

1)經(jīng)不同化學(xué)溶液浸泡和凍融循環(huán)處理后，粉砂巖的物理性質(zhì)發(fā)生顯著改變。隨著溶液pH降低、凍融循環(huán)次數(shù)增加，粉砂巖的質(zhì)量損失率增大、縱波速度減小；單軸壓縮狀態(tài)下粉砂巖的峰值應(yīng)力減小、峰值應(yīng)變?cè)龃螅憩F(xiàn)出向延性轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)。

2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均逐漸降低。但不同化學(xué)溶液下的強(qiáng)度衰減幅度有所不同，溶液pH越低，衰減幅度越大。對(duì)比中性溶液，酸性溶液對(duì)粉砂巖的凍融損傷劣化具有促進(jìn)作用，而堿性溶液具有一定抑制作用，且溶液酸堿性越強(qiáng)，作用就越明顯，強(qiáng)度衰減的差異越大。

3)隨著溶液pH降低，凍融作用下粉砂巖強(qiáng)度的衰減常數(shù)非線性減小、半衰期非線性增大。構(gòu)建化學(xué)溶液與凍融循環(huán)共同作用下粉砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度衰減預(yù)測(cè)模型，為揭示復(fù)雜現(xiàn)場環(huán)境中巖石工程全壽命周期下強(qiáng)度的衰減規(guī)律提供可靠的依據(jù)。此外，粉砂巖單軸抗壓強(qiáng)度的衰減常數(shù)變化范圍更廣、半衰期更小，其衰減參數(shù)更適合評(píng)估水化學(xué)環(huán)境與凍融環(huán)境下粉砂巖的耐久性能。