砂巖凍融劣化機(jī)理的多尺度試驗研究

王生祖, 武康森*, 達(dá)哇, 王沖

(1.青海省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司, 西寧 810001; 2.玉樹藏族自治州交通運(yùn)輸局, 玉樹 815000; 3.中國科學(xué)院, 西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗室, 蘭州 730000)

中國寒區(qū)分布廣泛,約占國土面積的43.5%[1]。巖石是工程中常見的建筑材料,如塊碎石路基[2-3]、巖石邊坡[4]、巖石基礎(chǔ)[5]和隧道圍巖[6]。隨著國家“一帶一路”建設(shè)、西部大開發(fā)及“十四五”規(guī)劃的推進(jìn),中國在寒區(qū)建設(shè)的公路、鐵路、水利與建筑等工程項目日益增多。然而,由于寒區(qū)獨(dú)特的低溫環(huán)境與氣候,會致使一些結(jié)構(gòu)物在長期服役過程中因巖石的凍融劣化導(dǎo)致過早失效,嚴(yán)重危及工程的安全運(yùn)行。因此,凍融循環(huán)是影響寒區(qū)工程服役性能的關(guān)鍵因素。

為了研究巖石在凍融循環(huán)作用下物理力學(xué)性能的劣化機(jī)制,學(xué)者們進(jìn)行了大量研究。苗方利等[7]通過試驗發(fā)現(xiàn)巖石的強(qiáng)度與彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而降低,而泊松比卻呈現(xiàn)相反的規(guī)律。此外,凍融循環(huán)會對巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷。聞磊等[8]對礦區(qū)邊坡硬巖進(jìn)行凍融循環(huán)后發(fā)現(xiàn),凍融循環(huán)會改變巖石的破壞形式,并且抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度與凍融系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸降低。王子一等[9]發(fā)現(xiàn)砂巖的吸水量、質(zhì)量變化率與孔隙變化率會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大。彭成等[10]的試驗結(jié)果表明泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量與縱波波速均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而減小,并且擬合得到了力學(xué)參數(shù)的指數(shù)型衰減模型。邵志鑫等[11]通過對凍融循環(huán)作用后的矽卡巖試樣進(jìn)行CT(computed tomography)掃描,得到了矽卡巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)隨凍融循環(huán)次數(shù)增長的劣化特征。宋彥琦等[12]發(fā)現(xiàn)灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度、彈性模量與泊松比均隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸降低,且呈指數(shù)衰減模型。李家欣等[13]得到了白云巖的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度在凍融循環(huán)作用下均服從指數(shù)型下降的規(guī)律。

盡管學(xué)者們已經(jīng)做了大量的研究,但是少有通過宏、細(xì)、微觀試驗相結(jié)合的方法來探究凍融循環(huán)對巖石的損傷機(jī)理。因此,現(xiàn)基于多尺度試驗深入分析凍融循環(huán)對巖石的劣化機(jī)理,這可為凍融循環(huán)作用下的工程建設(shè)提供有效參考。

1 試驗介紹

1.1 試樣制備

選取紅砂巖作為本研究的試驗對象,根據(jù)國際巖石力學(xué)學(xué)會(International Society for Rock Mechanics,ISRM)的制樣要求,將紅砂巖制備為Φ50 mm×100 mm的圓柱體。此外,為了消除尺寸和初始結(jié)構(gòu)差異的影響,對于高度偏差大于0.2 mm與縱波波速偏差大于5%的試樣進(jìn)行了剔除。

1.2 試驗方案

所有砂巖試樣分為7組,每組試樣分別經(jīng)歷0、15、30、45、60、75、90次凍融循環(huán)。為了提高試驗結(jié)果的可靠性,每組有6個試樣(圖 1)。凍融循環(huán)試驗采用MUC-63SS5+LN2型超低溫試驗機(jī),試驗采用“水凍水融”。在凍融循環(huán)前首先將試樣放入真空飽和器中吸水24 h,凍結(jié)過程的最低溫度設(shè)置為-20 ℃,并在最低溫度持續(xù)4 h;融化階段的最高溫度設(shè)置為20 ℃,并在最高溫度持續(xù)4 h。本研究中,在每完成5個循環(huán)之后對試樣進(jìn)行真空飽水。

圖1 制備好的試樣Fig.1 Prepared samples

1.3 測試設(shè)備

波速測試使用RSM-SY5 型非金屬超聲波測試儀;力學(xué)性能試驗使用MTS型壓力試驗機(jī);孔隙結(jié)構(gòu)特征使用MacroMR12-150H-I型核磁共振儀;微觀結(jié)構(gòu)觀察使用JSM-6701F型掃描電鏡。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 宏觀試驗

2.1.1 波速

圖2為不同循環(huán)次數(shù)后縱波波速與橫波波速的演化過程。在0、15、30、45、60、75、90次凍融循環(huán)后砂巖的縱波波速分別為3 548.73、3 392.14、3 231.65、3 054.58、2 850.26、240.11、2 368.09 m/s;橫波波速分別為2 400.28、2 352.95、2 270.44、2 163.25、2 051.35、1 897.02、1 722.06 m/s。因此,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖的兩種波速均隨之降低。為了更進(jìn)一步探究凍融循環(huán)作用下砂巖波速的劣化規(guī)律,對兩種波速的變化速率按式(1)進(jìn)行計算,結(jié)果如圖2所示。砂巖在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次凍融循環(huán)區(qū)間內(nèi),縱波波速的降低率分別為10.44、10.70、11.80、13.62、14.01、18.13 m/(s·次);橫波波速的減小率分別為3.16、5.50、7.15、7.46、10.29、11.66 m/(s·次)。可以發(fā)現(xiàn),兩種波速的減小速率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而增大。因此,通過兩種波速的變化率可以得到凍融循環(huán)對砂巖的損傷劣化作用隨著循環(huán)次數(shù)的增多而不斷加劇。

圖2 波速演化過程Fig.2 Wave velocity evolution process

(1)

式(1)中:ΔSPij為相鄰兩次循環(huán)間砂巖試樣的波速變化率, m/(s·次);SPj與SPi為相應(yīng)次數(shù)后砂巖的波速,m/s;當(dāng)i為0、15、30、45、60與75時,與其對應(yīng)的j分別為15、30、45、60、75與90。

對于上述兩種波速及其變化率隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的原因分析分別如下:①凍融循環(huán)會使砂巖的孔隙增大,導(dǎo)致其內(nèi)部的致密程度降低,所以兩種波速的速度會隨著循環(huán)次數(shù)的增多而降低;②凍融循環(huán)會致使孔隙率增長的速率不斷變大,從而使得砂巖致密程度的劣化速率不斷增大,因此在宏觀尺度上就會表現(xiàn)出兩種波速的降低率不斷增大。

2.1.2 力學(xué)性能

圖3為不同凍融循環(huán)次數(shù)后砂巖抗壓強(qiáng)度的演化過程。0、15、30、45、60、75、90次凍融循環(huán)后砂巖的縱波波速分別為81.65、73.49、65.13、56.49、46.21、34.81、21.66 MPa。因此,抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而降低。為了進(jìn)一步探究凍融循環(huán)作用對砂巖強(qiáng)度的劣化影響,對其抗壓強(qiáng)度的減小率按照式(2)進(jìn)行計算,如圖3所示。砂巖在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次凍融循環(huán)區(qū)間內(nèi)的抗壓強(qiáng)度減小率分別為0.54、0.56、0.58、0.69、0.76、0.88 MPa/次。可以發(fā)現(xiàn),循環(huán)次數(shù)越多,砂巖強(qiáng)度的損失速率在不斷增大。因此,通過抗壓強(qiáng)度變化率的試驗結(jié)果也可以得到,凍融循環(huán)對砂巖的損傷程度隨著循環(huán)次數(shù)的增多而不斷加劇。

(2)

式(2)中:ΔSij為相鄰兩次循環(huán)間砂巖試樣的強(qiáng)度變化率,MPa/次;Sj與Si為相應(yīng)次數(shù)后砂巖的強(qiáng)度,MPa,i為0、15、30、45、60、75時,與其對應(yīng)的j分別為15、30、45、60、75、90。

圖4為砂巖試樣在不同循環(huán)次數(shù)時的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由于砂巖試樣中存在孔隙,在壓力的作用下孔隙結(jié)構(gòu)會逐漸閉合,并在應(yīng)力應(yīng)變曲線中存在明顯的孔隙壓密階段。可以從圖4中明顯發(fā)現(xiàn)砂巖孔隙壓密階段對應(yīng)的應(yīng)變值隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而逐漸增大。在0、15、30、45、60、75、90次循環(huán)后砂巖孔隙壓密階段的應(yīng)變值分別為0.004 4、0.005 5、0.005 9、0.006 3、0.007 4、0.007 8、0.008 5。分析原因是由于凍融循環(huán)導(dǎo)致砂巖的孔隙率隨著循環(huán)次數(shù)的增大而不斷增多,因此使得孔隙壓密階段變長。此外,從圖4中還可以觀察到砂巖的峰值應(yīng)變也隨著循環(huán)次數(shù)的增多而變大,0、15、30、45、60、75、90次循環(huán)后砂巖的峰值應(yīng)變分別為0.008 9、0.010 7、0.012 0、0.013 2、0.013 4、0.014 7與0.015 3。分析原因這是由于在凍融循環(huán)的作用下,砂巖內(nèi)部孔隙率不斷增大導(dǎo)致其孔隙壓密階段變長所致。

圖3 強(qiáng)度演化過程Fig.3 Evolution of compressive strength

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves

2.2 細(xì)觀試驗

為了驗證宏觀尺度試驗結(jié)果中的相關(guān)分析,對砂巖不同循環(huán)次數(shù)后的孔隙特征進(jìn)行測試。圖5為砂巖孔隙率的演變過程,0、15、30、45、60、75、90次循環(huán)后砂巖的孔隙率分別為2.17%、2.52%、2.89%、3.37%、3.88%、4.46%與5.11%。因此表明,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖的孔隙率會隨之增大。此外,這也可以對宏觀試驗中縱波波速、橫波波速、強(qiáng)度與孔隙壓密段應(yīng)變值隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的現(xiàn)象進(jìn)行解釋。

圖5 孔隙率演變過程Fig.5 Evolution of porosity

為了進(jìn)一步探究凍融循環(huán)對砂巖孔隙率的影響,對孔隙率的變化率按式(3)進(jìn)行計算,結(jié)果如圖5所示。可以看到砂巖在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次凍融循環(huán)間的孔隙率變化率分別為0.023、0.025、0.032、0.034、0.039、0.043%/次。因此,基于孔隙率變化率的試驗結(jié)果,不僅可以得到凍融循環(huán)對砂巖的劣化作用隨循環(huán)次數(shù)增多而不斷增大的結(jié)論,而且還可以對宏觀試驗中縱波波速、橫波波速和強(qiáng)度的減小率隨循環(huán)次數(shù)增多而不斷增大的相關(guān)分析進(jìn)行很好的支持。

(3)

式(3)中:ΔPij為相鄰兩次循環(huán)間砂巖試樣的孔隙率變化率,%/次;Pj與Pi為相應(yīng)次數(shù)后砂巖的孔隙率,%,當(dāng)i為0、15、30、45、60與75時,與其對應(yīng)的j分別為15、30、45、60、75與90。

圖6為不同循環(huán)次數(shù)后砂巖的孔徑分布曲線。可以看到,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖的孔徑分布曲線在向右偏移。此外,砂巖在0、15、30、45、60、75、90次凍融循環(huán)后的孔徑分布區(qū)間分別為0.000 28～13.339 84、0.000 35～16.428 69、0.000 43～18.875 76、0.001 84～24.917 67、0.002 61～26.709 03、0.003 00～37.793 05、0.004 55～43.422 36 μm。這兩種現(xiàn)象均表明了砂巖孔隙結(jié)構(gòu)受到凍融循環(huán)的影響,導(dǎo)致其內(nèi)部的孔徑尺寸在不斷增大。

根據(jù)文獻(xiàn)[14],砂巖中的孔隙根據(jù)孔徑可以分為小孔(<0.1 μm)、中孔(0.1～1 μm)與大孔(>0.1 μm)三種。對不同循環(huán)次數(shù)后砂巖的三種孔隙含量進(jìn)行統(tǒng)計,如圖7所示。可以看到隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖內(nèi)部三類孔隙的含量均隨之增大。因此,基于孔徑分布曲線、孔徑區(qū)間與孔隙含量的試驗結(jié)果,可以得到砂巖的孔隙粗化現(xiàn)象隨凍融循環(huán)次數(shù)增多而加劇。

圖6 孔徑分布曲線Fig.6 Pore size distribution curves

圖7 孔隙含量Fig.7 Pore content

2.3 微觀試驗

為了對宏觀與細(xì)觀試驗的結(jié)果與分析進(jìn)行驗證,對0、45、90次循環(huán)后砂巖的微觀結(jié)構(gòu)使用掃描電鏡進(jìn)行觀察,如圖8所示。可以發(fā)現(xiàn),在0次凍融循環(huán)時,砂巖中的孔隙尺寸較小,砂巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也較為致密。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖微觀結(jié)構(gòu)中的孔隙尺寸不斷增大,且內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破碎程度逐漸增大。因此,通過對微觀結(jié)構(gòu)的觀察,不僅可以對宏觀試驗結(jié)果的分析進(jìn)行支持,而且還對細(xì)觀試驗得到的孔隙特征進(jìn)行了驗證。

為了對微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行定量分析,使用Image-Pro Plus(IPP)軟件對這些掃描圖像進(jìn)行處理,如圖9所示。圖中的藍(lán)色區(qū)域為孔隙結(jié)構(gòu),孔隙率的計算公式如式(4)所示。每個試樣的最大孔隙面積、最小孔隙面積、孔隙數(shù)量與孔隙率均列于表1中。由于軟件的原因,所有試樣的最小孔隙面積均相同。隨著循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖內(nèi)部的最大孔隙面積與孔隙率在不斷增大,而孔隙的數(shù)量卻在不斷減小。這是由于在水相變?yōu)楸倪^程中體積增大會破壞孔隙的結(jié)構(gòu),導(dǎo)致孔隙體積增加,進(jìn)而出現(xiàn)了孔隙之間的連通,因此使得孔隙的數(shù)量減小,但最大孔隙的面積與孔隙率在隨著循環(huán)次數(shù)的增多而增大。

表1 微觀結(jié)構(gòu)特征Table 1 Microstructural characteristics

(4)

式(4)中:P為孔隙率,%;Ap為微觀結(jié)構(gòu)中孔隙結(jié)構(gòu)的總面積;At為整個掃描圖片的面積。

3 討論

通過對橫波波速、縱波波速、強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)的試驗結(jié)果總結(jié)后可以得到以下兩條結(jié)論:①隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖的物理力學(xué)性能均隨之降低;②凍融循環(huán)對砂巖的劣化速率隨著循環(huán)次數(shù)的增多呈現(xiàn)出加速的規(guī)律。

對于上述兩種現(xiàn)象的機(jī)理分析分別如下:①凍融循環(huán)中由于水相變?yōu)楸w積變大,會破壞并增大孔隙的體積。循環(huán)次數(shù)越多,孔隙體積增大的程度越多,因而在宏觀尺度上就會展現(xiàn)出橫波波速、縱波波速、強(qiáng)度、孔隙壓密階段應(yīng)變與峰值應(yīng)變的增大。②凍融循環(huán)可以看成是由凍結(jié)與融化兩個過程組成。在凍結(jié)的過程中,孔隙水結(jié)冰會導(dǎo)致孔隙體積增大。在融化的過程中,由于孔隙增大使得會有更多的水分遷移進(jìn)孔隙內(nèi)。因此在下一次的凍結(jié)過程中,孔隙水相變會產(chǎn)生更大的體積膨脹,進(jìn)而使得孔隙結(jié)構(gòu)的破壞更加嚴(yán)重。所以,凍融循環(huán)會導(dǎo)致砂巖的劣化速率隨著循環(huán)次數(shù)的增多而不斷加劇。

4 結(jié)論

(1)隨著砂巖凍融循環(huán)次數(shù)的增多,縱波波速、橫波波速與抗壓強(qiáng)度均隨之減小。

(2)凍融循環(huán)會粗化砂巖的孔隙結(jié)構(gòu),砂巖試樣的孔徑范圍由0次時的0.000 282～13.339 84 μm變?yōu)?0次時的0.004 548～43.422 358 μm,進(jìn)而使得應(yīng)力應(yīng)變曲線中孔隙壓密段應(yīng)變與峰值應(yīng)變隨著循環(huán)次數(shù)的增多而增大。并且,隨著循環(huán)次數(shù)的增多,砂巖的孔隙率及其增長率均隨之增大。

(3)凍融循環(huán)會導(dǎo)致砂巖孔隙尺寸增大,并造成孔隙數(shù)量的減小。

(4)凍融循環(huán)對砂巖的劣化速率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增多而加劇。