巖石凍融試驗的中美標準對比研究

王 旭， 湯 大 明， 夏 驪 娜

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

巖石是由一種或多種礦物所組合而成的，具有一定結構構造的集合體，也有少數包含有生物的遺骸或遺跡(即化石)。巖石是構成地殼和上地幔的物質基礎，是構成地球巖石圈的主要成分。巖石根據其成因主要分為三大類：沉積巖、巖漿巖(也可稱為火成巖)、變質巖。

巖石凍融試驗，是指巖石在飽和狀態下經過多次凍融后，測定其質量損失率和飽和單軸抗壓強度的變化，據此說明巖石的抗凍性能。巖石經過多次凍融后，其強度將降低，甚至破壞。

熱脹冷縮是自然界大多數物質(物體)具有的一種基本屬性，這是由于物體內的粒子(原子)運 動振幅會隨溫度改變。巖石自然也不例外，但情況卻變得更加復雜，因為巖石除了自身的固體顆粒外，還存在一定孔隙(裂隙)，在地表以下孔隙內常常充滿了水，因此，除了巖石自身顆粒的熱脹冷縮外，巖石內部孔隙水產生的凍脹力也會對巖石物理及力學性質產生重要影響，從而使巖石凍融變得更加復雜。

近年來，隨著我國經濟、科技的高速發展，在建設領域取得了舉世矚目的成績，國際地位不斷攀升，參與國際事務和國際工程建設越來越多。國際工程合作中，眾多國家工程建設均采用美國標準。目前，國內外針對巖石凍融試驗的研究很多，但就中國標準與美國標準的差異性研究，并不多見。

在我國工程建設領域，規程規范眾多，一般各行業都有自己的相關標準。巖石凍融試驗屬于巖石試驗的一部分，在我國，涉及巖石凍融試驗的標準既有國家標準，也有行業標準。國家標準為《工程巖體試驗方法標準》GB/T50266；行業標準則在水電工程、水利工程、鐵路工程、公路工程等行業的巖石試驗規程中均有巖石凍融試驗項目，但在試驗設備、要求、方法、步驟上都差別不大，大同小異。水電工程一般具有體量大、規模大、工程等級高、荷載級別高等特點，其要求普遍高于其他行業標準。

美國標準體系的建設一般由民間社會團體或部門、企業主導，是一自下而上的過程，制定的標準體系具有多元化特點，美國工程建設領域標準主要有美國材料與試驗協會(ASTM)標準、美國陸軍工程師兵團(USACE)標準或手冊和美國墾務局(USBR)標準或手冊，而USACE巖石試驗手冊和USBR巖石手冊(第二部分)中許多試驗方法是直接參見ASTM中的相關標準，以ASTM相關試驗標準最為齊全。經查找，美國ASTM相關試驗標準中D5312-04和美國陸軍工程兵團(USACE)巖石試驗手冊中RTH 119-05均為巖石凍融試驗標準，且RTH 119-05與ASTM中D5312-04完全相同，而USBR巖石手冊中未找到巖石凍融試驗相關內容。

因此，本文僅以我國水電行業標準——《水電水利工程巖石試驗規程》(DL/T5368-2007)為依據，與美國ASTM相關試驗標準中D5312-04標準進行對比分析研究。

1 中美標準差異性

通過對中國標準《水電水利工程巖石試驗規程》(DL/T5368-2007)與美國標準ASTM D5312-04中“巖石凍融試驗”的對比研究，發現兩者之間大體上相一致，同時，也存在一定差異。

(1)中美標準對于“巖石凍融試驗”的目的和使用范圍、要求基本一致，但在試件形狀、尺寸、數量、設備、操作及冷凍循環上存在差異。

(2)縱觀中美標準中“巖石凍融試驗”全過程，最大差異表現為：中國標準除了通過試驗獲得凍融質量損失率外，還需進行凍融前后飽和單軸抗壓強度試驗，進而求得凍融系數；而美國標準只要求通過該項試驗獲得凍融質量損失率。

表1 巖石凍融試驗中美標準主要差異

2 中美差異性分析

2.1 試件要求差異

中國規程規定：試件為圓柱體，直徑宜為48～54 mm，高徑比宜為2.0～2.5，并對試件兩端面的平行度、沿試件高度上直徑誤差和兩端面與試件軸線的垂直偏差進行了要求；試件數量為6個，其中3個用于求取質量損失率，3個用于求取凍融系數。

美國標準要求試件形狀為板塊狀，厚度64±6 mm，邊長不小于125 mm，試件數量沒明確，但取樣時，樣品不能少于五塊巖性單位。

由于中國標準需要進行凍融前后試件飽和單軸抗壓強度試驗，進而求得凍融系數，因此，要求將巖樣制成規則試件，并有嚴格的尺寸誤差要求，以方便進行單軸抗壓強度試驗；美國標準只要求試件大致為板塊狀，厚度和邊長要求并不嚴格。

在尺寸上，美國標準的試件尺寸更大。對于試件數量，美國標準雖沒明確，但要求相同巖性不少于五塊巖性單位；中國標準用于求取質量損失率的試件實際只有3個，因此，試件數量少于美國標準。巖石由于節理、裂隙、風化等影響，常常表現為非均質性，各種試驗成果均存在一定的離散度，巖石試驗成果取值更在于它的統計意義，因此，試件數量越多，其統計成果具有更好的代表性，或更能反映實際情況。因此，在這一點上美國標準要求更嚴謹。

2.2 試驗設備差異

巖石凍融試驗，中美標準在主凍設備上基本一致，都是采用冰柜、冷凍庫或凍融試驗機，但美國標準試驗設備較中國標準多了照相機和立體顯微鏡，以用于凍融前后對試件凍脹、開裂、掉塊等破壞進行微觀觀察和描述、拍照等，因此，美國標準更細致，更注意細節。

2.3 凍融溫度與時間

中國規程要求，烘干溫度為105 ℃～110 ℃，冷凍溫度為-20 ℃±2 ℃，冷凍時間為4 h；解凍溫度為20 ℃±2 ℃，解凍時間為4 h。美國標準要求，烘干溫度為110 ±5 ℃，冷凍溫度為-18 ℃±2.5 ℃，冷凍時間為至少12 h；解凍溫度為32±2.5 ℃，解凍時間為至少8 h(但不超過12 h)。

烘干溫度，中美標準沒有本質的區別，都能達到烘干的目的。凍融溫度存在差別，可能跟各自國家高寒地區的年溫度變幅有關。且美國標準凍融溫差更大，冷凍和融解時間更長(或許與試件尺寸更大有關)，這將有助試件在凍融過程中的凍脹、開裂、剝落和掉塊，因此，按美國標準進行試驗得到的凍融質量損失率可能更大。

2.4 凍融循環次數

中國規程規定，凍融循環次數為25次，根據需要也可定為50次或100次；美國標準要求，重復凍融過程至循環總數，循環總數可由相關圖表查詢得知，決取決于工程所在地理區域，不同區域有不同的循環總數要求。

2.5 計算差異

與美國標準相比，中國標準通過該項試驗獲得更多的試驗參數，除了取得凍融質量損失率外，還進行凍融前后飽和單軸抗壓強度試驗，并計算求得凍融系數。

對于凍融質量損失率，中國規程采用凍融前后飽和試件質量差來進行計算，而美國ASTM標準是采用凍融前后試件烘干質量差來進行計算。由于凍融后，試件可能新開裂或隱裂隙擴張導致吸入更多水份，這會導致質量損失率偏低；還可能出現在凍融前后稱量時擦拭程度不均勻而引發誤差，因此，相比之下，美國標準更科學嚴謹。

2.6 計量單位不一致

中國規程計量單位全部采用國際單位制；美國標準計量單位采用英制單位。

2.7 其他差異

中美文化有差異，兩種標準體系不同，中國標準條款較為剛性，一般只提要求，少解釋，條款較具體、可操作性較強，但給工程師選擇的空間較小；而美國標準則規定主要原則，條款多采用講解敘述形式，并闡述十分詳細，給工程師留有較大的靈活應對空間，因此，在使用美國標準時應轉變思維方式，工程師要根據工程實際情況決定試驗方案，充分發揮主觀能動性。

3 結 論

(1)巖石凍融試驗，中美標準在主凍設備、試驗操作等方面基本一致，但試件形狀、尺寸、數量，凍融溫度、凍融時間，凍融循環次數及計算取值、計量單位等都有差別，這些差異對試驗結果會產生一定影響。

(2)因中美文化的差異，兩種標準體系建立機制不同。美國標準體系以敘述講解方式，講述非常詳細，尤其在一些細節上，這恰恰可能是中方技術人員可能忽視的地方，同時，美國標準又給了工程師較大靈活處理的空間，因此，中國水電工程技術人員，在承接以美國標準為要求的國際工程業務進行相關試驗時，應仔細閱讀勘測設計文件及相關標準，把控好細節，工作扎實、全面，并充分發揮主觀能動性，更好地為國外業主做好服務。