冻融循环条件下砂岩动态拉伸力学特性试验研究

2022-10-07刘德俊沙子恒许军策

煤炭科学技术 2022年8期

刘德俊，浦海,2，沙子恒，许军策

(1.中国矿业大学力学与土木工程学院，江苏徐州 2211161；2.新疆工程学院矿业工程与地质学院，新疆乌鲁木齐 830091)

0 引言

我国国土面积辽阔，其中多年冻寒区和季节性冻寒区占据我国国土面积的70%以上，寒区矿产资源丰富，价值高[1-2]。但寒区因为昼夜，季节更替变化使得岩石受冻融循环作用的影响很大，岩石的物理力学性质易发生变化[3]。地下工程围岩体常处于复杂的应力状态且在寒区露天开采中岩石不仅要承受冻融循环带来的问题，还会遇到爆破，崩矿冲击，地震等动载荷的影响。由于岩石的抗拉强度远低于抗压强度，所以岩体工程总是从拉应力区开始破坏，抗拉强度是岩体工程稳定性评价的重要力学指标[4-5]。因此研究在冻融和复杂荷载共同作用下，岩石的动态拉伸力学特性和破碎特征对灾害的预防和控制有着重要的意义。

近年来，国内外学者从不同角度对冻融循环作用下岩石的物理力学特性的变化规律和原因作了一系列研究：文献[6-8]对多种岩样进行探究，探究了不同含水率的岩石受冻融作用后其力学强度与含水率具有正相关性，同时冻融温度的降低使得岩石强度下降。AL-OMARI等[9]在8种不同含水率的条件下，选择2种不同孔隙度的石灰岩进行冻融循环。试验结果表明，当含水率达到80%～85%时，冻融循环次数越少，对岩石的破坏越小，饱和时破坏越快。DELROA[10]在-12～20 ℃的冻融温度范围内，对不同类型花岗岩进行了冻融循环，研究发现，岩石冻融后孔隙和微裂纹的扩展导致超声波速度的变化。徐光苗[11]、杨更社[12]分别以页岩、砂岩和煤为研究对象，通过改变围压和冻结温度，测量了单轴和三轴下试样的力学性能。结果表明，冻结温度和围压对各组岩石的抗压强度均有影响。冻结温度越低，岩石的抗压强度越小，围压越大，岩石的抗压强度越大。李宁等[13]进行了不同冻融条件下裂隙砂岩循环加载实验，得出烘干、饱水、冻结情况下裂隙砂岩的强度关系。张继周等[14]研究不同水化环境下三种岩石的力学性研究，结果表明岩石受酸性浸泡影响后的冻融损伤更加严重。张慧梅等[15]利用损伤力学理论和应变等价原理，建立了冻融受荷损伤扩展本构关系。刘泉声等[16]对含水裂隙随温度降低会发生水冰相变产生冻胀力进行研究，建立了考虑水分迁移下的冻胀力求解模型，结果表明冻胀力不仅随着水分迁移通量的增加而迅速降低，还与岩石基质以及冰体的力学强度参数有关。

可以看出，目前对岩石冻融研究大致可分为宏观物理力学特性研究和冻融损伤机理研究2个方面，其中对冻融作用下岩石力学特性的研究主要集中在静力学层面上，但对岩石冻融作用下的动力学特性进行系统性研究并不是很多。因此笔者将岩石冻融与动力学研究进行结合，对岩石冻融作用下动载拉伸强度特性进行了分析，为岩石冻融作用下的动力学特性研究提供参考。

1 岩样制备及试验方案

1.1 岩样制备

本次试验试样取自新疆乌鲁木齐某露天煤矿区岩质边坡砂岩。该地区处于我国西部，属于季节性寒冻地区，岩石易遭受冻害影响，且所有测试岩样均取自同一岩块。将岩样加工成高(25±0.3) mm，直径(50±0.3) mm的圆盘形，部分试样如图2所示。测量岩样的干密度和纵波波速，依据纵波波速和干密度相近的原则挑选试样，剔除干密度和波速差异较大的试样。通过X射线衍射试验，得到自然状态下该岩石物质组成如图1所示，试样主要成分包括：石英、斜绿泥石、磷铝块、陶土以及少量高岭石。将加工好的试样放入电热恒温干燥箱烘干24 h，待岩样冷却后，再将试样放置于真空饱和装置中进行强制真空饱水试验，并且每隔一段时间对试样进行质量测量并记录，直至质量不再发生变化，认为试样完全饱和。砂岩物理参数平均值如下：

图1 X射线衍射试验结果Fig.1 X-ray diffraction test results

岩性砂岩纵波波/(m·s-1)4 703.89干密度/(g·cm-3)2.35饱和密度/(g·cm-3)2.50饱和含水率/%6.40孔隙度/%6.00

1.2 试验方案

该试验主要分为冻融循环试验和动态劈裂试验2部分，具体如下：

1)冻融循环试验。在试样完全饱和后，开始对试样进行冻融循环处理，设定冻结温度为-20 ℃，冻结时间为6 h，解冻温度为20 ℃，解冻时间为6 h，1次冻融循环为12 h。分别完成5次、10次、15次、20次、25次冻融循环试验，该冻融试验装置可控制的温度为-40～90 ℃，温度波动在±0.05 ℃，试验装置如图2所示。

图2 冻融试验循环系统和霍普金森压杆装置(SHPB)Fig.2 Freeze-thaw test circulation system and hopkinson pressure bar device (SHPB)

2)动态劈裂试验。利用分离式霍普金森压杆装置(SHPB)对冻融循环不同次数后的砂岩试样进行冲击劈裂试验，SHPB试验装置如图2所示。

1.3 试验有效性验证

SHPB试验的基本原理是基于弹性杆中弹性应力波的传播理论，该理论是基于一维应力波传播和应力均匀性的假设，从而可以用三波法计算。为了满足应力的均匀传播，减小弥散效应，试验采用纺锤形子弹进行冲击试验。典型的SHPB测试波形如图3所示。从图3可以看到,没有明显的入射波的波形振荡,这符合一维应力波传播的假设。从三波的叠加可以看出，叠加后的入射波和反射波的基本等于透射波(入射波+反射波=透射波)，可见试样两侧应力已经达到平衡，表明测试结果是有效的。

图3 岩样 SHPB 典型波形及应力均匀性验证Fig.3 Dynamic force balance check and typical waveform of specimen

2 试验结果与分析

2.1 动态抗拉强度随冻融循环的变化关系

SHPB压杆进行试验后，利用三波法对数据进行处理，得到砂岩在不同冻融次数下和不同应变率的动态巴西劈裂的抗拉强度、峰值应变。对比分析砂岩在相似应变率条件下其动态拉伸强度的冻融循环效应，结合试验的应变率范围(60±5、90±5、120±5、150±5、180±5 s-1)。得到不同应变率条件下砂岩的动态抗拉强度-冻融循环次数的曲线，如图4所示。

图4 动态抗拉强度-冻融循环次数曲线Fig.4 Dynamic tensile strength-freeze-thaw cycle number curve

横向对比发现同一应变率条件下，砂岩动态抗拉强度随冻融循环次数的增加不断降低，且前期的下降幅度较大，降幅随循环次数逐渐降低。且高应变率时减小幅度大于低应变率时，如应变率为61.19 s-1时，冻融循环次数从0次增加到25次，其抗拉强度从18.90 MPa降低到8.99 MPa，减小幅度为52.48%，而当应变率为145.62 s-1时，峰值强度从26.18 MPa降低到13.13 MPa，减小幅度为49.84%。纵向对比同一冻融循环次数下，随应变率的增加，动态抗拉强度随之增大。在低循环次数情况时，动态抗拉强度的增幅大于高循环次数情况。

冻融对砂岩的力学性质有明显影响，同时在冲击荷载作用下试件的强度表现出应变率效应，为了更好的研究不同应变率下冻融次数与砂岩峰值应力变化的关系，引入峰值应力相对损失量λ：

(1)

其中:σt为经历不同冻融次数后岩石的峰值应力；σ0为冻融0次岩石的峰值应力。λ反映了不同冻融循环次数下不同应变率对试件峰值应力的影响，根据试验数据作图5。

图5 峰值应力相对损失量-冻融循环次数曲线Fig.5 Peak stress relative loss-freeze-thaw cycle number curve

图5中不同的冲击强度的5个曲线相互交叉，且具有大致相同的变化趋势。这说明在不同的冲击强度条件下，随着冻融次数的变化，λ受应变率效应的影响较小,因此研究岩石动载强度的变化时应优先考虑冻融损伤对试样强度的影响。图6显示了峰值强度相对损失量随冻融循环次数N变化，并采用了线性函数进行拟合，结果如式(2)所示:

图6 峰值应力相对损失量-冻融循环次数拟合Fig.6 Fitting curve of peak stress relative loss and freeze-thaw cycle number

λ=0.215N+0.177R2=0.95

(2)

可见，强度损失量与冻融循环次数呈正相关关系，受加载应变率影响较小。这种现象可以归结为冻融损伤可以认为是一种疲劳损伤过程，因此试样强度的变化与所受循环次数密切相关。此外，该直线揭示了不同冲击作用下冻融循环对岩石动载峰值应力的影响，对研究冻融岩石的动力学强度具有一定参考意义。

2.2 动态峰值应变随冻融循环次数的变化关系

动态巴西劈裂试验中，不同应变率下砂岩的径向峰值应变随冻融循环次数的变化规律如图7所示。不同应变率下，砂岩的径向峰值应变随着冻融循环次数的增加而增大。图7可以看出，随着冻融次数的增加，峰值应变总体呈现增加的过程，且增加幅度随冻融增加而增大。应变率为61.19 s-1时，冻融循环从0次增加25次，其峰值应变从0.001 63增加到0.003 93，增加幅度为140.17%；应变率为145.62 s-1时，冻融循环从0次增加25次，其峰值应变从0.002 84增加到0.008 46,增加幅度为197.88%，且应变率增大，峰值应变也增大。

图7 峰值应变-冻融循环次数曲线Fig.7 peak strain-number of freeze-thaw cycles curve

受循环冻融的作用，试样内部产生微孔裂隙，而其对应变率的响应存在显著差异。随着加载应变率的增大，拉应变迅速增加，此时，内部孔裂纹的扩展速度小于变形速度，试样内部相对大缺陷承担大部分拉应力，并通过变形削弱拉应力对微孔裂隙影响。因此，冻融作用的增强，动态拉应力的作用下峰值应变表现出明显的增大，同时，应变率的增加导致试样变形增大，对应峰值应变呈现增大趋势。此外，通过岩石动态抗拉强度及动态破坏峰值应变的变化可以看出冻融循环作用产生的劣化影响逐渐加剧，SEM也同样说明了这一点。但劣化影响不会无限增加，随着循环次数的增加岩石内部微裂纹数增加量逐渐减小，其劣化影响程度逐渐降低。在动态拉伸试验中，微裂纹的增加意味着应力波在界面处出现反射和投射次数增加，伴随着应力集中效应的增加，岩石微裂纹增加引起的劣化会导致动态峰值应力的降低，及动态抗拉强度降低。而由于裂隙的增加，岩石内部松散，在撞击情况下压密阶段被拉长，造成到达峰值应变的数值不断增加。考虑到劣化效果逐渐趋于稳定，所以劣化引起的峰值抗拉强度和峰值应力的变化幅度逐渐减小，有趋于稳定趋势。

2.3 不同冻融循环次数下砂岩应变率效应分析

从图8中可以看出，在同一冻融循环次数下，随着应变率的不断增大，砂岩的动态抗拉强度逐渐提高。与冻融循环后的试样进行对比发现，冻融循环次数为0时，应变率效应更明显。当N=0时，应变率从68.64 s-1增加到178.62 s-1，其抗拉强度从18.90 MPa增加到28.85 MPa，增加幅度为60%；当N=25时，应变率从65.76 s-1增加到176.94 s-1，其峰值强度从8.99 MPa增加到14.99 MPa，增加幅度为66.7%；砂岩的动态抗拉强度随应变率的增大而增大，表现出正相关性；而随着冻融次数的增加，动态抗拉强度随之降低。

图8 动态抗拉强度-应变率曲线Fig.8 Dynamic tensile strength-strain rate curve

表2 动态拉伸强度-应变率拟合方程Table 2 Dynamic tensile strength-strain rate fitting equation

(3)

3 冻融循环作用机制讨论

3.1 砂岩宏观动态破碎特征

图9给出了不同冻融循环次数后砂岩试样冲击后的破坏形态，从图9中可以看出，各种条件下试样均已发生破坏，但破碎程度存在显著差异，破碎形态受到冻融循环次数与应变率的共同影响。选取了部分岩样的破坏形态图：图9a—图9f为应变率为(60±5) s-1时(由于岩石的不均匀性，只能将偏差控制在较小范围内，并不能保证完全一致)，不同冻融循环次数下的砂岩破坏形态图；图9g—图9k为冻融循环次数为15时，不同应变率(60±5～180±5 s-1)条件下砂岩破坏形态图。从图9a—图9f可以看出：当应变率相近时，冻融循环次数为n=0时，并未受冻融循环的影响，巴西圆盘试样相当于处在“准静态”对径压缩。其典型破坏形态如图9a所示，主要沿撞击方向破碎成两块。当冻融循环次数增多时，岩石内部损伤增大，受冲击后其破碎程度不断增大，破碎体的体积不断减小，甚至出现粉末状。考虑其原因，可能因为试样成分中含有少量陶土。图9g—图9k中当冻融循环次数相同时，随着应变率的增大，岩样破碎块度显著减少，数量明显增加表现出较强的应变率相关性。其中砂岩在较低应变率下会呈现外围剥落式的张应变破坏，较高应变率下呈现颗粒状粉碎破坏模式。

图9 砂岩动态拉伸破坏形态Fig.9 Dynamic tensile failure pattern of sandstone

图10为冲击试验条件下不同冻融循环次数后砂岩动态破坏过程高速摄像机拍摄图，综合分析其动态破坏过程发现：冻融循环次数对砂岩动态劈裂过程有明显的影响。不同冻融循环次数的动态巴西劈裂破坏过程主要是从圆盘中心向试样两端产生1条平行与加载方向的劈裂裂纹，随着入射杆和透射杆与试样的进一步接触,每个加载端面又萌生出2条互相平行的次裂纹，最后所有裂纹相互贯通，形成宏观破环面。随着冻融循环次数的增加，试样破坏程度逐渐增大，当冻融循环达到25次时，试样加载两端产生的粉碎破坏区增大，产生的次生裂纹数量逐渐增多，并且次生裂纹的扩张程度也逐渐增大。因为砂岩内部的孔隙与微裂纹受冻融循环的作用，对砂岩造成了不可逆的损伤，随着冻融循环次数的增加，损伤逐渐增大，岩石内部孔隙增多，微裂纹扩展并相互贯通，致使动态巴西劈裂破坏时，主裂纹外产生径向的次生裂纹逐渐增多。

图10 不同冻融次数下动态拉伸破坏的宏观破坏Fig.10 Macroscopic failure diagram of dynamic tensile failure under different freezing and thawing times

3.2 冻融循环微观作用机制

图11为经受不同冻融循环次数砂岩动态巴西劈裂断面SEM图，图中存在2种微断裂模式：穿晶裂纹和沿晶裂纹，穿晶断裂是指微裂纹直接穿过晶体颗粒，沿晶裂纹是指微裂纹沿着晶体间的胶结物发育。试样未受冻融循环时，表面相对致密无明显穿晶或沿晶裂纹，且附着矿物颗粒较大；当试样经受10次冻融循环后，断面出现了明显的沿晶裂纹；随着冻融循环次数增加到25次后，断面出现了穿晶裂纹，且以孔隙为中心形成了贯通微裂隙，且表面附着矿物颗粒较小。事实上，相较于矿物颗粒强度，胶结物强度相对较低，岩石受载后微裂纹的发育往往沿着胶结物发育，这一点与图11所示相一致[18]。

图11 砂岩试样断面SEM图像Fig.11 SEM image of sandstone sample section

从微观角度上，岩石主要有矿物颗粒、胶结物和孔隙组成，其强度主要来源于胶结物的凝聚作用、颗粒间的粘结作用以及颗粒与胶结物本身的强度，而孔隙或裂隙存在对强度起着劣化作用。对饱和砂岩试样进行冻融循环试验时，孔隙内的水冻结成冰时体积增大约9%，将会对孔壁产生冻胀压力，尤其是在孔隙尖端将会产生应力集中，当冻胀压力大于抗拉强度时，孔隙将进一步发育或贯通成微裂隙[19]。当岩石孔隙中的冰融化成水时，水将迁移至新的孔隙或微裂隙中，进一步降低矿物颗粒之间的黏聚力，促进孔隙或裂隙的发育。事实上，岩石内部孔隙水由于孔径尺度的差异，孔隙内部存在着自由水和表面束缚水，其冻结温度存在着显著差异。如图12所示，一般认为孔径小于0.1 μm称为微孔，内部只存在束缚水；孔径介于0.1～1 000 μm归为细孔，孔径大于1 000 μm归为大孔，细孔和大孔中存在着束缚水和自由水，且束缚水冻结温度远低于自由水。由于试样部分矿物溶于水，导致孔隙水中含有矿物离子，当温度降低开始冻融试验时，相对大的孔隙中自由水先冻结，导致自由水中的离子析出并向大孔隙表面束缚水迁移，与之相连微孔隙内部束缚水离子浓度远远低于大孔隙表面束缚水的离子浓度，将会导致微孔隙的水向大孔隙迁移，进一步增加了大孔隙的冻胀力，促进大孔隙的发育，影响岩石强度。上述过程在每次冻融过程都会重复进行，因此可认为冻融循环对岩体损伤是一种疲劳过程。此外结合SEM也可知，随着冻融循环次数的增加，破坏表面开始出现沿晶断裂和穿晶断裂，也进一步说明了冻融造成了胶结物和矿物颗粒强度显著降低，因此岩石强度随着冻融次数增加而降低。