凍融循環條件下砂巖物理力學劣化特性的實驗研究

王創業，李仕璋，劉沂琳

(內蒙古科技大學礦業研究院，包頭 014010)

內蒙古自治區中西部礦產資源豐富，區內分布有大量的露天礦。受當地氣候影響，露天礦邊坡巖體易風化，由此造成邊坡淺部災害，影響礦山安全生產。這其中，凍融作用通常被認為是巖石風化劣化的主要影響因素之一[1]。因而研究巖石的凍融損傷機制對于內蒙古中西部露天礦邊坡淺部災害的預防具有重要意義。

巖石凍融試驗是研究巖石凍融損傷機制的重要手段之一，經歷凍融循環試驗后，巖石的宏觀表象和性能變化特征發生較大變化。李杰林等[2]對風化花崗巖的凍融循環實驗表明，隨著凍融循環次數增加，巖石物理力學性質劣化，其風化程度加強。張慧梅等[3-4]與Momeni等[5]對飽水紅砂巖和花崗巖的凍融循環實驗表明，巖石的質量、密度、縱波波速、壓縮性、峰值應變、殘余強度均隨凍融循環次數的增加出現明顯變化，且破壞形式由脆性轉化為延性。Tan等[6]對花崗巖的凍融循環實驗同樣表明，巖石的強度、變形特性、彈性模量及黏聚力均發生顯著變化。巖石經歷凍融循環后，其細觀結構發生變化，進而顯現出宏觀力學特性的變化，這一點已得到廣泛證實[7-9]。Zhou等[10]開展了凍融循環后砂巖的核磁共振(nudear magnetic resonance, NMR)和沖擊加載試驗，孔隙尺度與孔隙度隨凍融循環次數動態變化，且孔隙度與峰值強度呈多項式關系。李杰林等[11]對每輪凍融循環后的巖樣進行NMR測量，表明NMR結果能夠地顯示巖石的凍融損傷過程。

以上研究在一定程度上揭示了凍融循環對巖石的損傷影響機制，對巖石的凍融損傷問題具有借鑒意義。但是上述研究大多只是針對巖石的一種或者多種物理力學參數在凍融循環前后進行對比分析，而目前，對巖石經歷凍融循環后，其受力破壞的損傷演化過程研究較少，而聲發射(acoustic emission, AE)可以對巖石在受力全過程下內部微小損傷演化做出直觀反映[12]。鑒于此，以內蒙古中西部某露天礦為工程研究背景，對經歷不同凍融循環次數的砂巖首先進行核磁共振測量，獲取其孔隙率和水分遷移變化規律；其次進行單軸壓縮聲發射試驗，結合聲發射事件率和聲發射能率進行綜合分析，探索凍融循環作用對巖石物理力學性質和巖石破裂機理的影響機制，為內蒙古中西部露天礦邊坡淺部災害防治提供參考。

2 試樣制備與試驗方案

2.1 試樣的制備

本次試驗的砂巖取自內蒙古中西部某露天礦區，首先對砂巖巖塊用ZS-200巖芯取樣機取巖芯，接著用切割機切平巖芯兩端，最后用SHM-200雙端面磨石機打磨兩端面，制成直徑50 mm、高100 mm的標準圓柱形巖石試樣。

2.2 試驗方案

依據規程操作要求[13]，結合研究區的氣候狀況，將試件放置在ZYB-Ⅱ型真空加壓飽和裝置飽水后，在溫度為-40 ℃的環境下凍結4 h，然后在40 ℃的環境下溶解4 h，記為一次循環，每次凍融循環為8 h。試件分為5組，編號依次為DR0、DR10、DR20、DR30、DR40，分別經歷0、10、20、30、40次凍融循環。每組3個試件，按1、2、3順序編號。試件經歷每輪凍融循環后，使用紐邁MiniMR-60核磁共振系統進行NMR測量。

單軸壓縮聲發射試驗試驗設備如圖 1所示。

圖1 單軸壓縮聲發射試驗試驗設備

試件完成預定凍融循環后，采用SAS-2000型巖石剛性壓縮試驗機[圖1(a)]進行單軸壓縮聲發射試驗。試驗前，將兩個聲發射傳感器使用耦合劑和膠帶固定在試件表面，然后將試件置于引伸計[圖1(b)]中；壓力試驗機以軸向位移控制，0.1 mm/min的加載速度加載，直到試件破壞。試驗期間，采用SAEU2S型聲發射儀[圖1(c)]采集聲發射信號，系統采樣頻率:1 MHz，采樣時間間隔:2 000 μs，波形門限:40 dB，前放增益:40 dB。

3 試驗現象與結果分析

3.1 試件外觀劣化

試件經過10、20次的凍融循環后，外觀上沒有發生明顯變化；而經過30、40次凍融循環的試件外觀上發生劣化，劣化部分的局部圖如圖2所示。

圖2 試件凍融循環后的劣化形態

圖2(a)、圖2(b)中，經過30次凍融循環后的試件分別出現了肉眼可見的細小且較長的水平裂紋或垂直裂紋；經過40次凍融循環后的試件出現了多種劣化形式共存的現象:圖2(c)中，試件上出現了明顯的網絡狀裂紋；圖2(d)中試件上水平裂紋或垂直裂紋較30次循環更深更長，且裂紋附近呈鮞狀，出現了明顯的顆粒脫落現象，部分區域出現坑狀缺陷。

3.2 孔隙率及束縛流體飽和度變化

孔隙率是定量描述巖石內部孔隙結構的參數，反映了凍融對巖石造成的損傷[10]。如前所述，試件每次凍融循環結束都會進行NMR檢測，所以在研究孔隙率變化時，以5次循環為間隔分析40次凍融循環的DR40-1、2、3試件的平均孔隙率變化，取三個試樣的孔隙率平均值，可以排除因巖石個體差異的影響而帶來的試驗誤差，試驗結果如表1所示。

由表1可知，隨著凍融循環次數的增加，試件的孔隙率呈現出緩慢增大的趨勢，但是整體變化幅度并不大，約在2.06%左右。對不同循環次數下的平均孔隙變化率進行曲線擬合，擬合的平均孔隙變化率曲線如圖 3所示。

表1 40次凍融循環試件平均孔隙變化率表

圖3 平均孔隙變化率變化曲線

由圖3可知，隨凍融循環次數的增加砂巖的平均孔隙變化率呈二次方函數的變化趨勢，逐漸增加，但是增大的趨勢逐漸減緩并趨于穩定，這說明孔隙率在凍融循環影響下的劣化是有一定限度的。

束縛流體飽和度是度量巖石內部孔隙變化的另一個重要參數[14]。束縛流體飽和度的占比與顆粒間約束能力的強弱有直接關系。將DR40-1、2、3試件每次凍融循環后的平均束縛流體飽和度隨凍融循環次數變化如圖4所示。

圖4 40次凍融循環試件束縛流體飽和度變化曲線

由圖4可知，未進行凍融循環時(0次)，束縛流體飽和度均在50%左右，隨著凍融循環次數的增加，束縛流體飽和度呈持續下降趨勢，且下降幅度明顯，在第40次循環后，束縛流體飽和度僅為10%～20%。說明凍融過程中，由于凍脹，試件內部的微小孔隙體積變大、孔隙率逐漸增加；同時，試件內部中與巖石顆粒相結合的束縛流體也有部分融化為自由流體；束縛流體飽和度的降低從側面反映了巖石顆粒間約束能力的不斷削弱，這是導致試件損傷劣化的重要因素。

3.3 應力-應變曲線比較

軸向應力-應變曲線反映了試件在外力作用下的變形規律，下文分析中每組試件僅取一塊分析，結果如圖5所示。

圖5 不同凍融循環次數下應力-應變曲線

基于體積應變法[15]，將全應力應變曲線劃分為以下5個階段:oa為Ⅰ階段；ab為Ⅱ階段；bc為Ⅲ 階段；cd為Ⅳ 階段；d點以后為Ⅴ階段。該階段劃分便于后文聲發射參數分析。

由圖 5可知，隨著凍融循環次數的增加，試件的峰值強度迅速降低，峰值強度在0～10、10～20次循環過程中降低的不明顯，而在20～30次開始顯著降低，直到30～40次循環降低至未凍融前強度的約1/5；同時對應的應變值在前20次循環過程中不斷減小，但從30次循環開始應變明顯增大并持續增加；在循環凍融過程中，試件到達峰值應力前曲線斜率逐漸減小，表現出明顯的塑性特征。

凍融系數是巖石凍融損傷程度的判定標準，凍融系數越低，證明巖石試件的凍融損傷越嚴重，其表達式[13]為

(1)

五組試件的巖石凍融系數與凍融次數之間的關系曲線如圖 6所示。

圖6 凍融系數變化曲線

由圖 6所示，凍融系數隨循環次數的增加也迅速降低，30～40次循環間曲線斜率最大，凍融系數下降最快。這共同反映凍融循環對巖石試件孔隙結構的影響是一個累積劣化過程，試件內部發生不可逆的劣化，從而使巖石具有更明顯的塑性特征?？傮w來說，對本文所研究的砂巖，30次凍融循環是巖石性質發生變化的一個轉折點，之前表現出彈性特征，之后為塑性特征。

3.4 聲發射時域參數分析

聲發射參數能夠反映巖石內部的損傷破壞規律，通過分析聲發射時域特征參數來研究凍融循環對巖石的損傷過程[16]。選取聲發射事件率、能率分析凍融循環條件下聲發射信號與巖石變形破壞間的聯系。

3.4.1 聲發射事件率變化特征

聲發射事件率反映了聲發射事件的頻度。根據試驗結果，繪制了不同凍融循環次數下試件的軸向應力、聲發射事件率隨時間的變化曲線如圖 7所示。如圖7可知，0、10、20次凍融循環聲發射事件率總體呈現近似于“U”形，即前期高事件率，中期低事件率，后期又快速上升為高事件率；0次循環時，事件率呈現前期高，中期降低，后期又快速上升，整體變化趨勢呈“U”形；10次循環時，前期事件率較0次循環降低；20次循環時中期事件率較0次、10次有所提高；30次凍融循環后，加載全程均為高事件率，無明顯變化趨勢，此時的應力-時間曲線仍為脆性巖石的變化趨勢，但前20次循環試件的聲發射事件率特征已完全消失；40次循環后聲發射事件率與前20次特征相反，前期低事件率，中期高事件率，后期事件率逐漸降低，呈“凸”形。

圖7 聲發射事件率與應力隨時間變化曲線

圖7(a)中Ⅱ、Ⅲ階段因主要發生彈性變形并伴隨著微裂隙的緩慢發育，聲發射事件較少，故主要存在低事件率特征，事件率低于20個/s；隨著循環次數的增加Ⅱ、Ⅲ階段的聲發射事件逐漸增多，聲發射事件率增加，在30次循環時達到最高，為120個/s[圖 7(d)]，這是因為隨著凍融損傷的不斷加劇，顆粒間的膠結性不斷弱化，孔隙更易破裂，微裂隙更易貫通，導致聲發射活動更加活躍。這也說明凍融循環對試件的損傷主要集中在對孔隙的作用上，其膠結強度所能承受的局部應力越來越小，30次循環時試件的內部損傷最為明顯；40次循環時試件已劣化為塑性巖石，事件率隨應力的增大而上升，接近Ⅳ階段時事件率達到最高，為118個/s。

各試件均在峰值應力到達時出現明顯的低事件率缺失現象，這說明試件破壞時的聲發射活動極為活躍，此時出現更多的是宏觀裂紋的擴展。前30次循環內隨著循環次數的增加，低事件率缺失的區域面積也越來越小，出現高低事件率并存現象，破壞形式更加復雜；如圖 7(e)所示，40次循環后，高事件率出現在峰值應力時同時出現明顯的低事件率缺失，隨著應力的緩慢下降，事件率也在不斷下降，試件瞬間失穩的現象消失，峰值應力后孔隙的破壞和微裂紋發育仍不停出現。

3.4.2 聲發射能率變化特征

聲發射能率是單位時間內聲發射所釋放的能量。不同凍融循環次數下巖石試件的能率、軸向應力隨時間的變化關系如圖8所示。

圖8 聲發射能率與應力隨時間變化曲線

根據聲發射能量釋放數量級的不同，將試件能量的釋放過程劃分為兩個階段，其中將峰值應力附近聲發射能量釋放較高的階段定義為“爆發期”，聲發射能量釋放較低的階段定義為“平穩期”。

統計各組試樣峰值能率隨循環次數的變化如表2所示。結合圖 8及表 2可知，0次循環的試件峰值能率最高；10～30次循環時試件的峰值能率相差不大，均為0次循環的1/5左右，這說明前30次凍融循環對峰值能率沒有明顯的影響；40次凍融循環后，峰值能率明顯的下降，試件發生脆-塑性轉變后峰值能率下降明顯，此時能量的釋放隨應力的上升和下降而相應的增大和減??；40次凍融循環后的峰值能率僅為0次循環時的1/10左右，這說明凍融循環作用會使聲發射活動釋放的能量減少，這是因為凍融循環弱化了巖石內部結構，巖石破壞時所釋放的能量也與之減少。

表2 不同凍融循環次數下的峰值能率與其他階段的平均能率比值

在“平穩期”，0、10、20次凍融循環的試件幾乎沒有明顯的能量釋放，“平穩期”平均能率約為峰值能率的1/500～1/90，說明能量釋放均集中在爆發期；30次循環時“平穩期”則出現了較高的能量釋放，此時“平穩期”平均能率可達到峰值能率的1/10左右，這說明30次循環的試件在破壞全過程聲發射活動強度更大，能量釋放更均勻；試件劣化在前30次具有脆性特征的巖石中最為明顯；40次循環的試件因劣化為塑性巖石，全過程出現兩個“平穩期”[圖 8(e)]，且“平穩期”平均能率與峰值能率的比值下降至1/50，能量釋放集中在“爆發期”，此時“平穩期”的聲發射能率與0～20次循環“平穩期”的聲發射能率相似，無明顯能量釋放，聲發射活動強度遠低于30次循環。

4 結論

(1)隨著凍融循環次數的增加，從30次循環開始，試件發生明顯的外觀劣化，主要有宏觀裂紋的產生、塊體脫落、裂紋周圍呈現鮞狀結構3種現象。

(2)試件的孔隙率變化與凍融循環次數呈正相關，但是其孔隙變化率的變化趨勢趨向平緩；束縛流體飽和度變化與凍融循環次數呈負相關，試件顆粒間的膠結性隨凍融循環次數增加而不斷降低。

(3)隨著凍融循環次數的增加，聲發射事件率變化趨勢為前期高、中期低、后期高的“U”形→全程高事件率→前期低、中期高、后期低的“凸”形；且試件失穩時低事件率缺失面積逐漸減少，在30次凍融循環時達到最小，試件破壞形式趨于復雜。試件破壞釋放的能量逐漸減少，峰值能率下降明顯；“平穩期”平均能率與峰值能率的比值之間逐漸增大，在30次凍融循環時達到最大，破壞全過程聲發射活動強度較高。

(4)就本試驗條件，30次凍融循環是凍融對試件劣化影響的分界線。表現為:凍融系數顯著降低；應力-應變曲線明顯反映出巖石的脆-塑性轉變；聲發射事件率高、活躍，能率強度大。由此可將30次凍融循環作為砂巖凍融劣化的界定標準，這對實際工程的安全性評價有一定的指導意義。