砂巖凍融劣化機理的多尺度試驗研究

王生祖, 武康森*, 達哇, 王沖

(1.青海省交通規劃設計研究院有限公司, 西寧 810001; 2.玉樹藏族自治州交通運輸局, 玉樹 815000; 3.中國科學院, 西北生態環境資源研究院, 凍土工程國家重點實驗室, 蘭州 730000)

中國寒區分布廣泛,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[5]和隧道圍巖[6]。隨著國家“一帶一路”建設、西部大開發及“十四五”規劃的推進,中國在寒區建設的公路、鐵路、水利與建筑等工程項目日益增多。然而,由于寒區獨特的低溫環境與氣候,會致使一些結構物在長期服役過程中因巖石的凍融劣化導致過早失效,嚴重危及工程的安全運行。因此,凍融循環是影響寒區工程服役性能的關鍵因素。

為了研究巖石在凍融循環作用下物理力學性能的劣化機制,學者們進行了大量研究。苗方利等[7]通過試驗發現巖石的強度與彈性模量隨著凍融循環次數的增多而降低,而泊松比卻呈現相反的規律。此外,凍融循環會對巖石的內部結構造成損傷。聞磊等[8]對礦區邊坡硬巖進行凍融循環后發現,凍融循環會改變巖石的破壞形式,并且抗拉強度、抗壓強度與凍融系數隨著循環次數的增多而逐漸降低。王子一等[9]發現砂巖的吸水量、質量變化率與孔隙變化率會隨著凍融循環次數的增多而增大。彭成等[10]的試驗結果表明泥巖的單軸抗壓強度、彈性模量與縱波波速均隨著凍融循環次數的增多而減小,并且擬合得到了力學參數的指數型衰減模型。邵志鑫等[11]通過對凍融循環作用后的矽卡巖試樣進行CT(computed tomography)掃描,得到了矽卡巖細觀結構隨凍融循環次數增長的劣化特征。宋彥琦等[12]發現灰巖的抗壓強度、彈性模量與泊松比均隨著凍融次數的增加而逐漸降低,且呈指數衰減模型。李家欣等[13]得到了白云巖的彈性模量和單軸抗壓強度在凍融循環作用下均服從指數型下降的規律。

盡管學者們已經做了大量的研究,但是少有通過宏、細、微觀試驗相結合的方法來探究凍融循環對巖石的損傷機理。因此,現基于多尺度試驗深入分析凍融循環對巖石的劣化機理,這可為凍融循環作用下的工程建設提供有效參考。

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,根據國際巖石力學學會(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構差異的影響,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,每組試樣分別經歷0、15、30、45、60、75、90次凍融循環。為了提高試驗結果的可靠性,每組有6個試樣(圖 1)。凍融循環試驗采用MUC-63SS5+LN2型超低溫試驗機,試驗采用“水凍水融”。在凍融循環前首先將試樣放入真空飽和器中吸水24 h,凍結過程的最低溫度設置為-20 ℃,并在最低溫度持續4 h;融化階段的最高溫度設置為20 ℃,并在最高溫度持續4 h。本研究中,在每完成5個循環之后對試樣進行真空飽水。

圖1 制備好的試樣Fig.1 Prepared samples

1.3 測試設備

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

2 試驗結果分析

2.1 宏觀試驗

2.1.1 波速

圖2為不同循環次數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,隨著凍融循環次數的增多,砂巖的兩種波速均隨之降低。為了更進一步探究凍融循環作用下砂巖波速的劣化規律,對兩種波速的變化速率按式(1)進行計算,結果如圖2所示。砂巖在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次凍融循環區間內,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)?？梢园l現,兩種波速的減小速率隨著凍融循環次數的增多而增大。因此,通過兩種波速的變化率可以得到凍融循環對砂巖的損傷劣化作用隨著循環次數的增多而不斷加劇。

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

(1)

式(1)中:ΔSPij為相鄰兩次循環間砂巖試樣的波速變化率, m/(s·次);SPj與SPi為相應次數后砂巖的波速,m/s;當i為0、15、30、45、60與75時,與其對應的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次數變化的原因分析分別如下:①凍融循環會使砂巖的孔隙增大,導致其內部的致密程度降低,所以兩種波速的速度會隨著循環次數的增多而降低;②凍融循環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出兩種波速的降低率不斷增大。

2.1.2 力學性能

圖3為不同凍融循環次數后砂巖抗壓強度的演化過程。0、15、30、45、60、75、90次凍融循環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,抗壓強度隨著凍融循環次數的增多而降低。為了進一步探究凍融循環作用對砂巖強度的劣化影響,對其抗壓強度的減小率按照式(2)進行計算,如圖3所示。砂巖在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次凍融循環區間內的抗壓強度減小率分別為0.54、0.56、0.58、0.69、0.76、0.88 MPa/次。可以發現,循環次數越多,砂巖強度的損失速率在不斷增大。因此,通過抗壓強度變化率的試驗結果也可以得到,凍融循環對砂巖的損傷程度隨著循環次數的增多而不斷加劇。

(2)

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

圖4為砂巖試樣在不同循環次數時的應力應變曲線。由于砂巖試樣中存在孔隙,在壓力的作用下孔隙結構會逐漸閉合,并在應力應變曲線中存在明顯的孔隙壓密階段。可以從圖4中明顯發現砂巖孔隙壓密階段對應的應變值隨著凍融循環次數的增多而逐漸增大。在0、15、30、45、60、75、90次循環后砂巖孔隙壓密階段的應變值分別為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導致砂巖的孔隙率隨著循環次數的增大而不斷增多,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變也隨著循環次數的增多而變大,0、15、30、45、60、75、90次循環后砂巖的峰值應變分別為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的作用下,砂巖內部孔隙率不斷增大導致其孔隙壓密階段變長所致。

圖3 強度演化過程Fig.3 Evolution of compressive strength

圖4 應力-應變曲線Fig.4 Stress-strain curves

2.2 細觀試驗

為了驗證宏觀尺度試驗結果中的相關分析,對砂巖不同循環次數后的孔隙特征進行測試。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,隨著凍融循環次數的增多,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、強度與孔隙壓密段應變值隨凍融循環次數變化的現象進行解釋。

圖5 孔隙率演變過程Fig.5 Evolution of porosity

為了進一步探究凍融循環對砂巖孔隙率的影響,對孔隙率的變化率按式(3)進行計算,結果如圖5所示?？梢钥吹缴皫r在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次凍融循環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果,不僅可以得到凍融循環對砂巖的劣化作用隨循環次數增多而不斷增大的結論,而且還可以對宏觀試驗中縱波波速、橫波波速和強度的減小率隨循環次數增多而不斷增大的相關分析進行很好的支持。

(3)

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

圖6為不同循環次數后砂巖的孔徑分布曲線。可以看到,隨著凍融循環次數的增多,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次凍融循環后的孔徑分布區間分別為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。這兩種現象均表明了砂巖孔隙結構受到凍融循環的影響,導致其內部的孔徑尺寸在不斷增大。

根據文獻[14],砂巖中的孔隙根據孔徑可以分為小孔(<0.1 μm)、中孔(0.1～1 μm)與大孔(>0.1 μm)三種。對不同循環次數后砂巖的三種孔隙含量進行統計,如圖7所示?？梢钥吹诫S著凍融循環次數的增多,砂巖內部三類孔隙的含量均隨之增大。因此,基于孔徑分布曲線、孔徑區間與孔隙含量的試驗結果,可以得到砂巖的孔隙粗化現象隨凍融循環次數增多而加劇。

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

為了對宏觀與細觀試驗的結果與分析進行驗證,對0、45、90次循環后砂巖的微觀結構使用掃描電鏡進行觀察,如圖8所示?？梢园l現,在0次凍融循環時,砂巖中的孔隙尺寸較小,砂巖的內部結構也較為致密。但隨著凍融循環次數的增多,砂巖微觀結構中的孔隙尺寸不斷增大,且內部結構的破碎程度逐漸增大。因此,通過對微觀結構的觀察,不僅可以對宏觀試驗結果的分析進行支持,而且還對細觀試驗得到的孔隙特征進行了驗證。

為了對微觀結構進行定量分析,使用Image-Pro Plus(IPP)軟件對這些掃描圖像進行處理,如圖9所示。圖中的藍色區域為孔隙結構,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。隨著循環次數的增多,砂巖內部的最大孔隙面積與孔隙率在不斷增大,而孔隙的數量卻在不斷減小。這是由于在水相變為冰的過程中體積增大會破壞孔隙的結構,導致孔隙體積增加,進而出現了孔隙之間的連通,因此使得孔隙的數量減小,但最大孔隙的面積與孔隙率在隨著循環次數的增多而增大。

表1 微觀結構特征Table 1 Microstructural characteristics

(4)

式(4)中:P為孔隙率,%;Ap為微觀結構中孔隙結構的總面積;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、強度和孔隙結構的試驗結果總結后可以得到以下兩條結論:①隨著凍融循環次數的增多,砂巖的物理力學性能均隨之降低;②凍融循環對砂巖的劣化速率隨著循環次數的增多呈現出加速的規律。

對于上述兩種現象的機理分析分別如下:①凍融循環中由于水相變為冰體積變大,會破壞并增大孔隙的體積。循環次數越多,孔隙體積增大的程度越多,因而在宏觀尺度上就會展現出橫波波速、縱波波速、強度、孔隙壓密階段應變與峰值應變的增大。②凍融循環可以看成是由凍結與融化兩個過程組成。在凍結的過程中,孔隙水結冰會導致孔隙體積增大。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孔隙內。因此在下一次的凍結過程中,孔隙水相變會產生更大的體積膨脹,進而使得孔隙結構的破壞更加嚴重。所以,凍融循環會導致砂巖的劣化速率隨著循環次數的增多而不斷加劇。

4 結論

(1)隨著砂巖凍融循環次數的增多,縱波波速、橫波波速與抗壓強度均隨之減小。

(2)凍融循環會粗化砂巖的孔隙結構,砂巖試樣的孔徑范圍由0次時的0.000 282～13.339 84 μm變為90次時的0.004 548～43.422 358 μm,進而使得應力應變曲線中孔隙壓密段應變與峰值應變隨著循環次數的增多而增大。并且,隨著循環次數的增多,砂巖的孔隙率及其增長率均隨之增大。

(3)凍融循環會導致砂巖孔隙尺寸增大,并造成孔隙數量的減小。

(4)凍融循環對砂巖的劣化速率隨著凍融循環次數的增多而加劇。