凍融作用下水灰比對類巖石材料物理力學特性影響研究

劉艷章 王 瑾 黃詩冰 盧澤鑫 劉雅甜 郭赟林

（1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北武漢430081；2.冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，湖北武漢430081）

近年來，隨著寒區礦山邊坡、巷道等巖土工程建設的大力推進，寒區工程巖體出現了眾多凍融損傷與開裂掛冰現象。巖體是一種非常復雜的地質材料，孔、裂隙結構發育明顯，在低溫下孔、裂隙中水冰相變將產生較大的凍脹力，在凍脹力反復作用下會引起巖體結構損傷與強度弱化［1］。目前關于完整巖石的凍融損傷機制及表征模型研究較多，一般采用原巖進行凍融試驗獲取凍融后巖石的物理力學參數，進行其凍融損傷的表征［2-4］。但研究表明，裂隙水在低溫下更容易發生凍結，且產生的凍脹力超過7 MPa，在如此大的凍脹力作用下裂隙會擴展、貫通，甚至引起巖體斷裂，對寒區巖體工程危害極大［5-6］。然而，目前在原巖中預制各種不同種類的裂隙卻相對困難，且不易滿足試驗精度要求。現有關于裂隙巖體凍融試驗的研究較多采用類巖石材料代替原巖［7-12］。由于制作的類巖石試樣與原巖性能相似且成本低廉，裂隙制作也較為容易，因此被廣泛應用于研究各種復雜裂隙巖體的物理力學特性。

水灰比是影響類巖石材料相似程度、抗凍性能等的關鍵因素，也是配比設計中需要重點設計的變量，一般需要經過多次調試獲取。目前關于水灰比對類巖石材料物理力學性質影響的研究取得了一些進展。CHEN等［13］采用壓汞法定量分析了不同水灰比水泥砂漿的孔隙結構分布特征，研究結果表明，隨著水灰比增大，水泥的水化程度與試樣孔隙率均增加；楊為民等［14］通過試驗研究表明，增加水灰比可以使類巖石材料的初始孔隙率增加；趙文杰等［15］通過室內試驗發現隨著水灰比增加，水泥砂漿的孔隙率增加，而試樣的致密性下降；KIM等［16］發現隨著水灰比從0.45增加到0.6，水泥砂漿的孔隙率提高了150%，而單軸抗壓強度降低了75.6%；CONSOLI等［17］系統研究了水泥含量、孔隙率、水分含量等因素對類巖石材料強度的影響，認為可將孔隙率與水泥含量之比作為定量化評價類巖石材料單軸抗壓強度的參數指標。不僅類巖石材料的孔隙率受水灰比影響較大，其單軸抗壓強度對水灰比的變化也較為敏感［18］。ESKANDARI-NADDAF等［19］認為水灰比是水泥砂漿等膠凝材料最重要的配合比設計參數，通常試樣單軸抗壓強度與水灰比呈負相關；WAND等［20］進行了水泥砂漿材料的單軸壓縮試驗和超聲波檢測，指出水灰比的增加使砂漿力學性能弱化，抗壓強度降低，超聲波波速下降；HAACH等［21］研究了水灰比對水泥砂漿抗壓強度的影響，結果表明，水灰比增加會引起水泥砂漿的力學性能弱化；ZHOU等［22］利用霍普金森壓桿（SHPB）開展了水灰比對水泥砂漿動態壓縮力學性能的影響試驗，在相同的應變速率下，高水灰比試樣的應力—應變曲線峰后下降較快，動態單軸抗壓強度更低。

前期也有部分學者對工程建設中使用的水泥砂漿材料的抗凍性進行了研究，如劉洪珠等［23］考慮了水灰比的變化，提出了凍融作用下水泥砂漿動彈模量和抗壓強度的劣化模型；蔣正武等［24］研究了超低溫凍融循環條件下水灰比和初始含水量對水泥砂漿力學性質的影響，指出降低水灰比和初始含水量有利于提高水泥砂漿的抗凍性。目前，水泥砂漿也是研究巖石凍融特性常用的相似材料，多用于模擬裂隙巖體的凍融損傷與斷裂特性。劉紅巖等［7］采用類巖石材料——水泥砂漿，探討了節理巖體的物理力學性質及其對凍融損傷破壞的影響機制；王永巖等［8］發現凍融循環后不同孔隙率的頁巖相似材料的力學性能發生了不同程度的劣化，初始孔隙率不同，受凍融循環的影響程度不同，當孔隙率為9.4%～13.6%時，受凍融循環影響最大；李新平等［9］對含有不同裂隙的類巖石試樣進行了凍融循環試驗和單軸壓縮試驗，得到了凍融循環次數、裂隙傾角、裂隙長度和裂隙數目對巖樣的損傷破壞模式的影響規律；申艷軍等［10］考慮裂隙中水冰相變作用，分析了飽和類砂巖試樣的局部損傷效應及端部斷裂特性；黃詩冰等［11］預制了含有不同幾何尺寸裂隙的類巖石材料試樣，初步觀測到了裂隙凍脹力隨凍結溫度、裂隙長度和寬度的演化規律；劉艷章等［12］開展了預冷和不預冷兩種凍結方式下的類砂巖飽水裂隙凍融循環試驗，獲得了凍融與受荷作用下單裂隙巖體斷裂破壞特征與強度損失規律。

上述分析表明，已有部分學者開始關注不同水灰比下水泥砂漿的抗凍性能，但上述有關類巖石材料凍融損傷與斷裂機制的研究中涉及水灰比方面的內容較少。為了探究水灰比對類巖石凍融過程中的物理力學性質的影響機制，本研究以水泥砂漿為模型材料，采用常用的類巖石材料配比方案，通過改變水灰比得到不同性質的類巖石材料，進行凍融前后的物理力學參數測試，提出類巖石材料凍融損傷與水灰比的經驗關系方程，為各類類巖石材料配比設計及水泥砂漿抗凍特性研究提供參考。

1 試驗研究

1.1 模型材料選取

本研究對有關類巖石材料配比的部分研究成果進行了總結［7-9，11-12，25-29］，結果如表 1 所示。類巖石試樣基本上采用水泥砂漿作為原材料進行配比設計，其中水灰比大多集中在0.3～0.45，因此本試驗對該水灰比范圍進行全部覆蓋，設計的水灰比分別為0.3、0.325、0.35、0.375、0.4、0.425、0.45共7個組。參考文獻［9，11-12］，確定類巖石材料組分及其配合比為32.5R硅酸鹽水泥∶石英砂∶硅粉∶蒸餾水∶減水劑∶固體消泡劑為 10∶10∶1.2∶w∶0.1∶0.15（w代表蒸餾水含量比值，取值范圍為3～4.5）。為保證試樣表面光滑，石英砂粒徑控制在0.5 mm以下，硅粉粒徑為0.15 mm左右；添加聚羧酸系高性能減水劑主要為了防止水泥砂漿成分的離析，提高抗滲性；添加固體消泡劑是為了避免攪拌中產生大量氣泡，防止試樣出現蜂窩麻面現象。

1.2 試樣制作及篩選

采用直徑50 mm、高度為100 mm的標準圓柱模具制作類巖石試樣，如圖1（a）所示。制作過程分為以下步驟：①在模具內壁及底面均勻涂抹機油以方便后期脫模，再精確稱量不同配比下各配料相應的質量；②分別將不同水灰比的混合料在攪拌器中均勻攪拌3 min，然后在相應編號的模具中澆筑對應水灰比的類巖石材料，并放在振動臺上振動、搗鼓，直到無氣泡溢出；③等待約48 h脫模后，將試樣立即放入恒溫恒濕標準養護箱中養護28 d，最終形成不同水灰比的標準類巖石試樣，如圖1（b）所示。通過觀察養護完成后試樣表面的平整度，測定其直徑、高度以及質量，并采用超聲波測速儀逐個進行測試，剔除表面不平整、尺寸不標準以及波速差異較大的試樣，最終保留了42件標準試樣。主要試驗儀器如圖1（c）所示。

1.3 基本物理力學參數測試

將滿足試驗要求的試樣放入烘箱中，在110℃的溫度條件下烘干24 h直到恒重，待冷卻至室溫后取出，測量其質量；接著將干燥試樣放入真空強制飽和裝置中，保持真空壓力值為-0.1 MPa連續抽氣6 h，然后將試樣在該裝置中飽水靜置24 h，直至試樣表面無氣泡溢出為止，取出試樣并沾去表面水分后稱量，可測得飽和試樣的密度、縱波波速以及孔隙率。試樣波速采用RSM-SY5（T）非金屬聲波測試儀獲得，在微機控制電液伺服壓力機WAW-300上進行單軸壓縮試驗可以獲得類巖石試樣的單軸抗壓強度和彈性模量。凍融前不同水灰比類巖石試樣的基本物理參數如表2所示。

1.4 凍融循環試驗

將所有42件試樣根據水灰比不同分為7組，每組包含6件試樣，分別進行0、10、20、30、40以及50次凍融循環。根據工程巖體試驗方法標準［30］和試樣內部溫度跟蹤，凍融過程中，首先將試樣置于-20℃的低溫試驗箱中凍結6 h，然后放入20℃的恒溫水箱中融化6 h，即12 h為1個凍融循環周期；每隔10次凍融循環測定1次類巖石試樣的縱波波速；對完成設定凍融循環周期的試樣，在WAW-300電液伺服萬能試驗機上進行單軸壓縮試驗（圖1（d）），試驗采用軸向位移控制，位移速率為0.04 mm/s。

2 試驗結果及分析

2.1 凍融前水灰比對密度及孔隙率的影響

圖2為不同水灰比類巖石試樣的密度—水灰比曲線，可以得出，隨著水灰比（w/c）的增加，類巖石試樣的干燥密度與飽和密度均逐漸減小，且兩者的密度差越來越大，從干燥到飽和狀態需要的吸水量越多。

類巖石試樣的孔隙率—水灰比曲線如圖3所示。由圖3可知：隨著水灰比增大，類巖石試樣的孔隙率逐漸增加，孔隙率與水灰比之間基本成線性關系。水灰比從0.3增加到0.45過程中，類巖石試樣的孔隙率增加了74.5%。這主要是因為試樣中的水有兩種方式存在，一種參與水泥的水化反應，另一種以自由水的形式存在，而自由水的含量決定了試樣的孔隙率，因此類巖石材料的水灰比越大，自由水在類巖石材料中所占的空間越多，試樣成型后其孔隙率就越高。

2.2 凍融過程中水灰比對縱波波速的影響

通過分析類巖石試樣的縱波波速隨凍融循環次數的變化曲線（圖4）可以看出，不同水灰比的類巖石試樣縱波波速均隨凍融次數的增加而降低，這主要是由于飽水類巖石試樣在凍脹力和溫度應力的反復作用下，引起內部原有孔（裂）隙擴展和新裂紋萌生，阻礙了波的傳播，延長了波的傳播距離。同時隨著水灰比增加，試樣的縱波波速逐漸降低。由圖3可知：水灰比增大會引起類巖石試樣孔隙率迅速升高，而波在孔隙中的傳播速度遠低于固體顆粒骨架，導致整體波速降低。凍融前，不同水灰比試樣之間的初始波速差別相對較小，其波速的最大差值為334 m/s，但隨著凍融循環次數不斷增加，不同水灰比試樣之間的波速差異逐步擴大，達到50次凍融循環后，波速的最大差值為591 m/s，相比增加了76.95%，說明隨著凍融次數增加，水灰比較大的類巖石試樣損傷程度加劇。

類巖石試樣的縱波波速損失率變化曲線如圖5所示。由圖5可知：不同水灰比類巖石試樣的縱波波速損失率隨著凍融循環次數的增加而增大，且水灰比與縱波波速損失率之間表現出明顯的相關性：水灰比越大，波速損失率增長越快。經過50次凍融循環后，w/c=0.3試樣的波速損失率為5.97%，而w/c=0.45試樣的波速損失率為14.28%。不同水灰比試樣之間的縱波波速損失率有顯著的差異性，主要是由于水灰比不同造成試樣初始孔隙率的不同，試樣的初始孔隙率越大，飽水后受到凍融損傷的效果越顯著，波速損失率越大。

2.3 凍融過程中水灰比對力學特性的影響

凍融循環作用下不同水灰比試樣的單軸抗壓強度曲線如圖6所示。由圖6可知：隨著凍融循環次數增加，試樣的單軸抗壓強度均有顯著的下降，w/c=0.325與0.35試樣的單軸抗壓強度相對較高，w/c=0.45試樣的單軸抗壓強度最低。圖7為不同水灰比試樣的抗凍系數曲線，抗凍系數是指巖樣經歷凍融循環后，巖樣抗壓強度下降量與凍融前試樣的初始抗壓強度比值。可見，隨著凍融循環次數的增加，所有試樣的抗凍系數均逐漸增加。通過50次凍融循環后，w/c=0.325與0.35試樣的強度損失率相對較低，但最小損失率也超過了25%；其余水灰比試樣的強度損失率更大，部分試樣強度的最大損失率甚至超過了50%。說明在相同的凍融條件下，w/c=0.325與0.35這兩種水灰比的類巖石材料抗凍性相對較好。

為了更加清晰地反映水灰比對試樣單軸抗壓強度的影響規律，繪制了不同凍融次數下的單軸抗壓強度—水灰比曲線，如圖8所示。由圖8可知：試樣的單軸抗壓強度與水灰比和凍融循環次數均相關。水灰比低于0.325時，水的含量較少，水化反應不充分，顆粒之間膠結作用較差，導致強度較低；水灰比高于0.35時，水泥顆粒相對較少，顆粒間距離較大，過多的水分蒸發后留下較多的孔隙，使混凝土強度降低。因此，隨著水灰比逐漸增大，單軸抗壓強度先增大后逐漸減小，在水灰比為0.325～0.35附近達到峰值；隨著凍融次數的增加，不同水灰比試樣的單軸抗壓強度逐漸下降。

圖8中各曲線形狀基本相似，均符合Gauss分布特征，本研究對其進行了擬合分析，得到Gauss曲線函數方程簡化后的表達式為

式中，參數a、b、c取值如表3所示。

式（1）中的各參數a、b、c隨著凍融循環次數的變化而變化，本研究將水灰比作為一種初始損傷，得到參數a、b、c與凍融循環次數n的線性關系式為

式（2）中參數a、b、c與凍融循環次數n的變化擬合結果如圖9所示。

由圖9可知：參數a、b、c均隨著凍融循環次數的增加而逐漸減小，但各參數的減小程度有明顯區別，經過50次凍融循環后，上述各參數分別減小25.84%、5.04%、62.90%。為了進一步分析參數a、b、c在0～50次凍融循環過程中的變化規律，繪制了各參數隨凍融循環次數的變化率曲線，如圖10所示。分析圖10可知：參數a、b、c隨凍融循環次數增加線性遞減，但各參數對式（1）中函數值的影響程度不同。

根據表4中Gauss曲線的特性可知，參數a影響曲線整體的高低程度，代表不同水灰比類巖石試樣單軸抗壓強度的整體水平，由參數a的變化規律可知：在不考慮其他參數影響的前提下，隨著凍融循環次數的增加，單軸抗壓強度整體線性減小。參數b決定了Gauss曲線的對稱軸，即曲線峰值處所對應類巖石試樣的水灰比，而參數b在經歷50次凍融循環后只下降了5.04%，所受凍融循環次數的影響程度很小，故可認為參數b是不受凍融循環次數影響的常量，可見水灰比在0.325～0.35范圍內的試樣抗凍性最佳，且該值不隨凍融循環次數而變化，說明了本研究得到的抗凍較好的水灰比穩定、可靠。參數c與曲線“鐘形”的寬度有關，隨著凍融循環次數增加，曲線“鐘形”寬度越來越小，說明不同水灰比試樣之間單軸抗壓強度的變化更加劇烈，這是由于不同水灰比試樣之間受凍融循環的損傷程度存在差異，隨著凍融循環次數不斷增加，水灰比位于0.325～0.35范圍之外的試樣凍融損傷程度加劇，強度下降較快，而水灰比在0.325～0.35附近的試樣，受凍融影響相對較小。

2.4 凍融過程中水灰比對變形特性影響

由圖11可知：類巖石試樣的彈性模量隨著凍融循環次數的增加整體上逐漸減小，經過50次凍融循環后，7種水灰比類巖石材料的彈性模量分別降低49.56%、35.81%、42.88%、52.01%、44.71%、51.54%、48.23%。在相同的凍融循環次數時，隨著水灰比增加，試樣的彈性模量總體上呈現出先增大再逐漸減小的趨勢，與單軸抗壓強度表現出的規律相類似。

凍融循環作用下不同水灰比類巖石試樣應力—應變曲線如圖12所示，圖中兩條虛線分別表示曲線中試樣孔隙壓密階段的最小和最大應變，均分別對應于0次和50次凍融循環試樣。類巖石試樣破壞前的應力—應變曲線同樣可劃分為典型的3個階段，即孔隙壓密階段、彈性階段和屈服階段。在孔隙壓密階段，試樣中原有的微孔隙或微裂隙逐漸閉合，試樣被壓密，形成早期的非線性變形，此階段曲線呈上凹形，隨著凍融次數增加，孔隙壓密階段延長；當試樣內部的孔隙被壓縮到應變極限狀態后，應力—應變曲線開始逐步呈線性變化，但各曲線之間的斜率不同，隨著凍融次數增加，斜率降低，說明彈性模量隨著凍融次數增加而減小，類巖石材料表現出了明顯的凍融軟化特征；隨著應變繼續增加，試樣開始由彈性階段轉變為塑形階段，此階段試樣內部裂隙萌生并擴展，試樣強度達到峰值后迅速破壞，峰值強度同樣隨著凍融次數增加而降低。

比較圖12中不同水灰比試樣之間的應力—應變曲線，發現隨著水灰比增加，孔隙壓密階段的應變均逐漸增大，主要是因為隨著水灰比增加，巖石初始孔隙率較大所致（圖3）。當w/c=0.3時，0、50次凍融循環對應的孔隙壓密階段最小和最大應變分別為0.2%和0.46%；當w/c=0.45時，0、50次凍融循環后類巖石試樣對應的孔隙壓密階段的最小和最大應變分別為0.57%和0.86%，此時孔隙壓密階段的最小、最大應變為w/c=0.3的2.85倍和1.87倍。以上數據說明，壓密階段的總應變與試樣的水灰比呈正相關，水灰比越大，類巖石試樣初始孔隙率越大，壓密階段越長。

3 水灰比對類巖石材料的凍融影響機制

從上述不同水灰比類巖石試樣波速、單軸抗壓強度、彈性模量的變化規律可以發現，凍融循環作用對類巖石材料的損傷是漸進性的。巖石的內部結構可視為由巖石骨架與孔隙共同組成［31］，在微觀層面上，可將凍融循環損傷過程認為是對巖石骨架結構和孔隙結構不斷累積破壞的過程。類巖石試樣在凍結過程中，礦物顆粒冷卻收縮，骨架之間的接觸以拉應力為主，而孔隙中的自由水由于體積膨脹形成凍脹力，又反作用于巖石骨架上，導致原有孔隙結構進一步擴展發育；而巖石融化過程中，礦物顆粒受熱膨脹，骨架之間的作用力以壓應力為主［32］，孔隙中的冰融化使體積減小，對巖石骨架的作用力消失。反復的凍融循環使礦物之間的拉壓作用力頻繁轉換，導致類巖石材料骨架整體性下降，同時孔隙水的相態變化產生的凍脹力使巖石骨架也受到不同程度的損傷。試樣骨架結構損傷表現為內聚力減小，黏結能力下降，孔隙結構損傷表現為孔隙結構不斷擴展貫通。

水灰比會直接影響類巖石材料的水化反應過程和試樣的初始孔隙率，而這兩者對類巖石試樣的內部結構起主導性作用，從而進一步影響試樣的物理力學性質。當水灰比大于0.35時，隨著水灰比增加，試樣孔隙結構更加發育、力學性能進一步弱化；在凍融過程中，等效凍脹力會隨著孔隙率的增加而增大［32］，因此高水灰比類巖石試樣的凍融損傷程度更大。當水灰比小于0.325時，雖然類巖石試樣初始孔隙率較小，但是水泥砂漿基質間的黏結作用相對較弱，因此單軸強度反而較低，此時凍脹力雖然較小，但是孔隙更容易發生凍融斷裂擴展，引起巖石基質發生較大的凍融損傷。因此，在進行類巖石材料配比設計時應該根據需要模擬的原巖性質，選擇合理的水灰比，尤其是利用類巖石材料進行凍融研究時，應該考慮材料配比對凍融的影響。

4 結 論

本研究通過不同水灰比的類巖石試樣的凍融循環試驗及其凍融后的單軸壓縮試驗，探究了凍融作用下不同水灰比對類巖石材料的基本物理力學性質的影響機制，結果表明：

（1）凍融前，隨著水灰比的增大，類巖石材料的干燥、飽和密度均逐漸減小，孔隙率不斷增大，進而導致其波速下降；同時凍融過程中，波速隨著凍融循環次數的增加而減小，且水灰比越大，波速損失率越高。

（2）類巖石材料的單軸抗壓強度受水灰比和凍融循環次數的共同影響。隨著水灰比的增大，類巖石材料的單軸抗壓強度、彈性模量均出現先增大后減小的現象，當w/c為0.325～0.350時，試樣的單軸抗壓強度達到峰值，且抗凍性能最佳；隨著凍融循環次數的增加，單軸抗壓強度、彈性模量逐漸下降，不同水灰比試樣間的凍融損傷程度存在明顯差異，但強度峰值處對應的水灰比取值基本不受凍融循環次數的影響。

（3）隨著凍融循環次數增加，類巖石試樣的應力—應變曲線逐漸扁平化，延性增加，且水灰比越大，試樣孔隙壓密階段變形越大。凍融過程中，水灰比較大試樣孔隙凍脹力較大，而水灰比較小試樣基質黏結作用較弱，均容易發生凍融損傷。上述分析結果可為類巖石材料配比設計提供一定的依據。