冻融循环下类岩石材料力学性能试验研究

吴 洋

青岛酒店管理职业技术学院酒店工程学院，山东 青岛 266100

随着我国“一带一路”倡议的实施，加之本身我国寒区资源的丰富，促使越来越多的寒区岩土工程建设不断涌现。但由于大量岩石工程的冻结性问题，随之也带来了一定的工程难题。因此基于此工程背景意义下，对部分经历了不同冻融循环后的寒区岩体进行力学性能的研究具有一定的理论和实践工程意义。

针对冻融循环条件下岩石的力学特性研究，国内外相关学者也做了大量的工作并取得了很多成果[1]。例如，Yambae[2]等人主要对经历了冻融循环后的日本砂岩在热膨胀应变方面进行了试验研究；徐拴海[3-4]等人针对不同冻融循环次数后的粗砂岩进行了三轴压缩试验，得到了在围压作用下岩石的强度、变形等方面的特性研究。但关于类岩石材料在考虑冻融循环下的基本力学性质的试验研究报告较为鲜见。

本文在前人研究成果的基础上，对类岩石材料进行不同冻融循环次数下的基本力学特性研究，系统分析了类岩石材料的应力—应变曲线、弹性模量等对冻融循环次数的变化规律。

1 试验概况

1.1 试验制作

以西部寒区隧道中页岩为代表，选用目前应用广泛的以水泥、河砂、粉煤灰为原料的类岩石材料，设定河砂：水泥比例为2:1，粉煤灰掺量分别为0%、10%、20%、30%，通过装料、压制成型、脱模、试件养护与标号制成直径50 mm，高为100 mm的圆柱型标准试件。

1.2 冻融循环试验设备及试验过程

本文试验机的冻融循环系统与加载系统是相互独立的，首先对试件进行一定次数的冻融循环实验后再进行试件单轴压缩试验。冻融循环所使用的设备采用RPH-80型恒温恒湿试验箱，冻融循环试验的方案为：首先将类岩石试件放入常温蒸馏水中进行饱和后待用，设定－20℃到+20℃为冻融循环温度的变化范围，然后将待用试样先放入恒温恒湿试验箱中，设定温度为－20℃后冻结6 h，再将其取出放入常温（20℃左右）蒸馏水中融化6 h，冻结和融化共12 h为一个冻融循环周期，按照冻融次数要求0次，5次，10次，20次，40次，60次进行相应的循环冻融试验。

1.3 单轴压缩试验

单轴压缩试验所使用设备为TAW-200电子式多功能材料力学试验机，根据试验要求，对上述经历不同冻融循环次数后的四类不同比例的类岩石材料进行单轴压缩试验，并实时记录试验中对应的应力-应变曲线，获得它们的基本力学特性相关数据。

2 试验结果分析

2.1 应力—应变曲线规律分析

对于类岩体试件，当发生单轴压缩破坏时，主要经历压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏4个阶段。通过图1分析得到的实验曲线可知，6条实验曲线分别代表不同冻融次数的的应力-应变曲线。图中黑色、红色、蓝色曲线分别代表冻融次数为0次、5次、10次，相对冻融次数较少，相应的应力-应变曲线整体变化幅度较小，但上述提到的4个阶段都明显存在。图中绿色、粉色、黄色曲线分别代表冻融次数为20次、40次和60次，冻融循环次数明显增加，且这三条曲线整体形状明显要区别于前三条曲线。

从岩体发生单轴压缩的机理分析，外界载荷加之冻融的影响加剧了岩石在宏观和微观上的损伤。从曲线开始阶段可以看出，其压密阶段和弹性阶段较之前三条都有所变长，相应的岩体的整体峰值强度会越小，冻融时间越长，岩体的应变软化阶段越不显著，在到达峰值后会有急剧的破坏，这也说明岩体的承载荷能力减小，其整体脆性在增强。

图1 类岩石材料不同冻融循环下单轴压缩应力—应变曲线

2.2 类岩体变形模量变化规律

本文主要在上述单轴压缩应力—应变曲线分析的基础上进行弹性模量和割线弹性模量的分析。

图2 弹性模量随冻融循环次数的变化规律

图3 割线模量随冻融循环次数的变化规律

图2 和图3分别得到了弹性模量和割线模量随冻融次数的变化规律，从整体趋势来看均呈现下降的趋势，但各自下降的幅度均不同。主要分为三个阶段：当冻融次数较少时，4种比例的曲线变化幅度及趋势较明显，当冻融次数增加时，这种趋势及幅度逐渐减小。首先分析弹性模量的变化规律，通过计算得到四类比例的类岩石试件冻融次数为0到5次的变化幅度为：31.48%、4.43%、5.67%、34.47%；冻融次数为5到20次的变化幅度为33.07%、58.41%、57.34%、24.19%；冻融次数为40次到60次的变化幅度为20.41%、45.18%、35.69%、18.43%。

其次分析割线弹性模量的变化规律，通过计算得到4类比例的类岩石试件冻融次数为0到5次的变化幅度为16.70%、21.71%、16.28%、35.32%；冻融次数为5到20次的变化幅度为30.52%、33.79%、54.28%、27.95%；冻融次数为40次到60次的变化幅度为22.0%、35.80%、21.69%、33.94%。

出现上述现象的原因主要在于冻融循环时间长短对于岩体内部损伤的程度不同，在冻融影响不大时，岩体内水冰发生相变引起的体积膨胀作用还不足以对试样造成很大损伤，但当冻融越来越明显时，这种膨胀作用也随之增强，也主要造成了对试样的损伤。

3 结论

（1）以水泥、河砂、粉煤灰为原料，按四种不同比例配置出类岩石材料，并按照相应步骤制作成标准试件，在此基础上分别进行了冻融循环次数分别为0、5、10、20、40、60次的冻融实验，为接下来的单轴压缩试验奠定基础。

（2）对类岩石材料进行单轴压缩试验，分析得到随冻融循环次数的增多，其应力-应变曲线变化规律的不同及随之带来的劣化程度影响，以及相应的弹性模量和割线模量参数变化也随之降低。