水化环境下砂岩的冻融循环试验研究

张贤文

(益阳市交通规划勘测设计院，湖南 益阳 413000)

水化环境下砂岩的冻融循环试验研究

张贤文

(益阳市交通规划勘测设计院，湖南 益阳 413000)

将四川高海拔地区的砂岩岩样置于不同的水化环境下进行饱水试验，然后进行冻融循环，测定不同冻融循环次数下的无侧限抗压强度。试验结果表明，砂岩在经过2次冻融循环之后，岩样的质量均会增加；第3次冻融循环之后，所有的岩样质量均下降，随着后面的冻融循环次数的增加，中性条件下岩样其质量逐渐趋于稳定，而碱性越强的水化环境下的岩样其质量会逐渐增加。单轴抗压强度结果表明，同种水化环境下岩样其损伤因子和弹性阶段的弹性模量会随着冻融循环次数的增加而变大，当冻融循环次数相同时，碱性越强的水化环境下的岩样其损伤因子和弹性阶段的弹性模量会越大。

岩石力学；砂岩；水化环境；冻融循环；损伤因子；弹性模量

0 引言

在工程中大量使用岩石，在实际环境中，岩石会经受不同风化作用的影响。影响岩石冻融损伤劣化的影响因素：岩性；岩石的孔隙率、含水量和饱和度；冻融循环系数、冻融周期；未冻水、盐溶液；冻融温度范围；应力状态[1-3]。根据对砂岩在冻融循环条件下所体现的不同性质[4]的阅读和思考，查阅相关资料，砂岩本身的孔隙率较大，自身可以作为地下水渗透通道，了解到有些高海拔地区隧道的建设总是受到极端恶劣气候的影响，因此在隧道的修建过程中一定要考虑温度对它的影响，要求铺设防水层防止地下水的渗透，铺设保温层防止混凝土的冷凝，随着时间的变化，保温层和防水层将会受到风化的影响而发生破坏，导致地下水渗透到隧道的初支和二衬，因而导致所喷射的混凝土发生冻融循环作用，而与初支接触的砂岩也会受到冻融循环的作用。查阅相关的资料，山区的地下水普遍呈碱性状态，而目前国内外对砂岩在碱性环境下的冻融循环试验还未研究，笔者将进行砂岩的冻融循环试验，让砂岩在碱性环境下进行冻融循环，试验过程中称其质量，并计算质量损失率，测试其抗压强度，计算其损伤因子和弹性模量，对以后的工程建设进行理论指导和分析。

1 试验概况

1.1 岩样

砂岩岩样取自四川某山区，利用取芯机、切割机和磨芯机将其加工成直径50 mm、高100 mm的圆柱体标准试样。岩样较为完整，共45个。

砂岩是一种沉积岩，主要由砂粒胶结而成的，其中砂粒含量要大于50%。绝大部分砂岩是由石英或长石组成的。本实验所取砂岩岩样干密度为2.37，饱和密度为2.44，天然含水率为0.013%。

试验将岩样分为15组，每组3个，岩样均为饱水试样。

1.2 试验仪器

1)切石机、钻石机及磨石机等岩石试件加工设备;

2)冰箱:温度能控制在-15～-20 ℃;

3)天平:精确度0.01 g，称量大于500 g;

4)放大镜;

5)烘箱:能使温度控制在40～45 ℃。

1.3 试验步骤与方法

1)制备试件，对加工后的岩样进行初次筛选，对筛选后的岩样记录其名称、颜色、矿物成分、颗粒大小、风化蚀变、裂隙分布等特征，并称其质量。

2)取45个试样放入温度为40 ℃±5 ℃的烘箱内烘至恒量，烘干时间一般为24 h，取出置于干燥器内冷却至室温(20 ℃±2 ℃)，然后对所有岩样进行外观、质量、几何尺寸的检测。

3)取15个岩样置于pH=9的氢氧化钙溶液中饱水，取15个岩样置于浓度为pH=12的氢氧化钙溶液中饱水，另取15个岩样置于蒸馏水中饱水。

4)先分别各取出3种水化环境下的饱水岩样进行单轴压缩试验。

5)冻融循环试验：对所有饱水岩样进行循环冻融。将饱水试件放置于白铁皮盒内的铁丝架中，一起放置于低温冰箱，在-20 ℃±2 ℃温度下冻4 h，然后取出白铁皮盒，往盒内注对应的溶液浸没试件，水温应保持在20 ℃±2 ℃，溶解4 h，即为一个循环。

6)根据岩石规范要求，对岩石的冻融循环次数以20次为宜。

7)当冻融循环次数分别为5、10、15、20次时各取出3个置于不同水化环境下的岩样进行无侧限抗压强度试验。

8)试验过程参照公路岩石试验规程[5]。

2 测试结果与分析

2.1 质量变化

对岩样在冻融循环过程中的质量进行分析，能够有效地帮助了解岩样的内部结构的变化。在试验过程中，岩样在水中溶解4 h之后，将岩样表层的水擦拭干净，然后称其质量，得到各砂岩岩样冻融后的质量变化如图1所示。

图1 冻融后砂岩岩样的质量变化

图1表明，砂岩在不同的pH值的水化环境下饱水，经过冻融循环作用后，其质量变化会发生差异。所有的岩样在经过第1次和第2次冻融循环后，其质量均会增加。饱水岩样在经过第1次冻融循环后，其内部的孔隙水会冻结使得岩样的孔隙增大，岩样会发生膨胀，第2次冻融循环后，岩样的内部孔隙进一步增大，使得冻融循环后的岩样质量进一步增加。

图1反映出pH=7的水化环境下的饱水岩样在第3次冻融循环后其岩样质量会大幅减少，后面会逐渐趋于稳定；pH=9的水化环境下的饱水岩样在第3次冻融循环后其质量会小幅减少后逐渐趋于稳定；pH=12的水化环境下的饱水岩样在第3次冻融循环后其岩样质量小幅减少，后随着冻融循环次数的增加其质量逐渐增加。

通过岩样质量结果表明，在前2次的冻融循环之后，岩样内部的孔隙逐渐变大，岩样的质量会逐渐增加，随着冻融循环次数的增加，碱性环境会对砂岩产生水化作用，消石灰与水作用的碳酸钙会进入砂岩孔隙，使得砂岩的质量增加。

2.2 基于应变等价性假设的岩石损伤模型

J.Lemaitre(1971)提出了应变等价性假说[6]。该假说提出的依据是，既能考虑损伤因素，又不希望材料的本构方程过于复杂。其核心假定是认为宏观应力作用在损伤材料上引起的应变与有效应力作用在无损材料上引起的应变相等，即：

ε′=ε

若定义损伤因子D为损伤部分材料与整体材料的体积比，那么作用在损伤材料上的有效应力产生的有效应变为ε′，那么有:

σ′/(1-D)=Eε′

E=σ/ε

式中：σ为岩样未进行冻融循环时，轴向位移为0.7 mm时的应力，MPa；ε为岩样未进行冻融循环时，轴向位移为0.7 mm时的应变，mm；σ′为岩样进行冻融循环次数分别为5次、10次、15次、20次后，其轴向位移为0.7 mm时的应力，MPa；ε′为岩样未进行冻融循环时，轴向位移为0.7 mm时的应变，mm；E为岩样未进行冻融循环时，轴向位移为0.7 mm时的割线弹性模量，MPa/mm。

因为砂岩岩样在轴向位移为0.2～0.7 mm时，其属于弹性变形阶段，因此取轴向位移为0.7 mm时的应力和应变进行研究，得到结果如表1、图2所示。

表1 冻融循环后砂岩岩样的损伤因子变化

图2 冻融循环后砂岩岩样的损伤因子变化

根据表1中结果显示，pH=7的水化环境下的饱水砂岩岩样在冻融循环后其损失因子逐渐变大，在15次冻融循环后其损失因子逐渐趋于稳定；pH=9的水化环境下的砂岩岩样在冻融循环后损失因子逐渐增大，在15次冻融循环后其损失因子逐渐趋于稳定；pH=12的水化环境下的饱水砂岩岩样在5次冻融循环后其损失因子基本不变。

根据表1中结果显示，碱性环境越强的水化环境下的砂岩岩样，其损失因子越快趋于稳定。所以岩样在冻融循环之后其损失因子会趋于稳定，碱性环境越强的水化环境下的砂岩岩样其损失因子越大。

根据表1中的数据，对于冻融循环后砂岩岩样的损伤因子变化建立多元回归模型，利用matlab进行数值分析计算，得到回归模型为：

y=0.023 9+2.836 7x1+0.008 1x2

式中：y为砂岩岩样的损伤因子；x1为砂岩所处的水化环境的氢氧根离子浓度；x2为砂岩的冻融循环次数。

根据结果显示，得到模型的可决系数R2=0.549 4，统计量F=5.485 9，p=0.027 7<0.05(置信区间为95%)，因此，建立的回归模型有意义[7]。

2.3 单轴压缩试验的变形参数

研究岩石变形的最普通的方法是单轴压缩试验。岩样大多采用的是圆柱形(直径5 cm，高度10 cm)，使用压力机对岩样进行加压，然后在各级轴向压力下记录岩样的轴向应变和侧向应变。

根据单轴抗压强度试验得到的各岩样的抗压强度，分析其在弹性阶段的弹性模量，在岩样的单轴抗压试验过程中，取轴向位移为0.2～0.8 mm为弹性阶段，计算其弹性阶段的弹性模量:

E=(σ0.8-σ0.2)/(ε0.8-ε0.2)

得到计算结果如表2、图3。

表2 冻融循环后岩样的弹性模量变化

图3 冻融循环后岩样的弹性模量变化

根据表2的结果可以得到，饱水砂岩岩样经过冻融循环次数相同时，其饱水的碱性环境越大，弹性模量越大；水化环境相同时，饱水砂岩岩样会随着冻融循环次数的增加其弹性模量会减小。

根据表2中的数据，对于冻融循环后砂岩岩样的损伤因子变化建立多元回归模型，利用matlab进行数值分析计算，得到回归模型为：

y=(7.765 0×1010)+(1.076 6×1012)x1-(4.132 4×108)x2

式中：y为砂岩岩样弹性阶段的弹性模量；x1为砂岩所处的水化环境的氢氧根离子浓度；x2为砂岩的冻融循环次数。

根据结果显示，得到模型的可决系数R2=0.885 6，统计量F=46.451 9，p=2.24×10-6<0.05(置信区间为95%)，因此，建立的回归模型有意义[7]。

3 结论

1)砂岩岩样的质量变化在前2次冻融循环之后其质量均增长，第3次冻融循环之后所有的岩样质量均减少；随着冻融循环次数的增加，pH=7的水化环境下的饱水砂岩在第3次冻融循环之后其质量急剧下降后逐渐趋于稳定，pH=12的水化环境下的饱水砂岩岩样的质量会逐渐增加并超过第3次冻融循环之后砂岩岩样的质量，而pH=9的砂岩岩样其质量变化位于上面两者之间。

2)同种水化环境下的饱水砂岩岩样随着冻融循环次数的增加，其损伤因子D会随之减小；冻融循环次数相同的饱水砂岩岩样其损伤因子会因水化环境的不同而发生变化，碱性越强，其损伤因子越大。

3)同种水化环境下的饱水砂岩岩样其弹性阶段的弹性模量会随着冻融循环次数的增加而减小；冻融循环次数相同时，弹性阶段的弹性模量会随着水化环境的不同而发生变化，砂岩所处的碱性越强，其弹性阶段的弹性模量会越大。

[1] 张慧梅,杨更社. 岩石冻融循环及抗拉特性试验研究[J]. 西安科技大学学报, 2012, 32(6): 691-695.

[2] 张慧梅,杨更社. 冻融循环条件下受荷岩石的损伤本构模型[J]. 武汉理工大学学报, 2013, 35(7): 85-88.

[3] 谭贤君. 高海拔寒区隧道冻胀机理及其保温技术研究[D]. 武汉: 中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所), 2010.

[4] 吴刚,何国梁,张磊,等. 大理岩循环冻融试验研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2006, 25(8): 346-354.

[5] JTG E41 — 2005，公路工程岩石试验规程[S].

[6] 赵衡. 岩石变形特性与变形全过程统计损伤模拟方法研究[D]. 长沙: 湖南大学, 2011.

[7] 李柏年. MATLAB数据分析方法[M]. 北京：机械工业出版社, 2011.

1008-844X(2017)02-0269-03

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