砂岩冻融劣化机理的多尺度试验研究

王生祖, 武康森*, 达哇, 王冲

(1.青海省交通规划设计研究院有限公司, 西宁 810001; 2.玉树藏族自治州交通运输局, 玉树 815000; 3.中国科学院, 西北生态环境资源研究院, 冻土工程国家重点实验室, 兰州 730000)

中国寒区分布广泛,约占国土面积的43.5%[1]。岩石是工程中常见的建筑材料,如块碎石路基[2-3]、岩石边坡[4]、岩石基础[5]和隧道围岩[6]。随着国家“一带一路”建设、西部大开发及“十四五”规划的推进,中国在寒区建设的公路、铁路、水利与建筑等工程项目日益增多。然而,由于寒区独特的低温环境与气候,会致使一些结构物在长期服役过程中因岩石的冻融劣化导致过早失效,严重危及工程的安全运行。因此,冻融循环是影响寒区工程服役性能的关键因素。

为了研究岩石在冻融循环作用下物理力学性能的劣化机制,学者们进行了大量研究。苗方利等[7]通过试验发现岩石的强度与弹性模量随着冻融循环次数的增多而降低,而泊松比却呈现相反的规律。此外,冻融循环会对岩石的内部结构造成损伤。闻磊等[8]对矿区边坡硬岩进行冻融循环后发现,冻融循环会改变岩石的破坏形式,并且抗拉强度、抗压强度与冻融系数随着循环次数的增多而逐渐降低。王子一等[9]发现砂岩的吸水量、质量变化率与孔隙变化率会随着冻融循环次数的增多而增大。彭成等[10]的试验结果表明泥岩的单轴抗压强度、弹性模量与纵波波速均随着冻融循环次数的增多而减小,并且拟合得到了力学参数的指数型衰减模型。邵志鑫等[11]通过对冻融循环作用后的矽卡岩试样进行CT(computed tomography)扫描,得到了矽卡岩细观结构随冻融循环次数增长的劣化特征。宋彦琦等[12]发现灰岩的抗压强度、弹性模量与泊松比均随着冻融次数的增加而逐渐降低,且呈指数衰减模型。李家欣等[13]得到了白云岩的弹性模量和单轴抗压强度在冻融循环作用下均服从指数型下降的规律。

尽管学者们已经做了大量的研究,但是少有通过宏、细、微观试验相结合的方法来探究冻融循环对岩石的损伤机理。因此,现基于多尺度试验深入分析冻融循环对岩石的劣化机理,这可为冻融循环作用下的工程建设提供有效参考。

1 试验介绍

1.1 试样制备

选取红砂岩作为本研究的试验对象,根据国际岩石力学学会(International Society for Rock Mechanics,ISRM)的制样要求,将红砂岩制备为Φ50 mm×100 mm的圆柱体。此外,为了消除尺寸和初始结构差异的影响,对于高度偏差大于0.2 mm与纵波波速偏差大于5%的试样进行了剔除。

1.2 试验方案

所有砂岩试样分为7组,每组试样分别经历0、15、30、45、60、75、90次冻融循环。为了提高试验结果的可靠性,每组有6个试样(图 1)。冻融循环试验采用MUC-63SS5+LN2型超低温试验机,试验采用“水冻水融”。在冻融循环前首先将试样放入真空饱和器中吸水24 h,冻结过程的最低温度设置为-20 ℃,并在最低温度持续4 h;融化阶段的最高温度设置为20 ℃,并在最高温度持续4 h。本研究中,在每完成5个循环之后对试样进行真空饱水。

图1 制备好的试样Fig.1 Prepared samples

1.3 测试设备

波速测试使用RSM-SY5 型非金属超声波测试仪;力学性能试验使用MTS型压力试验机;孔隙结构特征使用MacroMR12-150H-I型核磁共振仪;微观结构观察使用JSM-6701F型扫描电镜。

2 试验结果分析

2.1 宏观试验

2.1.1 波速

图2为不同循环次数后纵波波速与横波波速的演化过程。在0、15、30、45、60、75、90次冻融循环后砂岩的纵波波速分别为3 548.73、3 392.14、3 231.65、3 054.58、2 850.26、240.11、2 368.09 m/s;横波波速分别为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,随着冻融循环次数的增多,砂岩的两种波速均随之降低。为了更进一步探究冻融循环作用下砂岩波速的劣化规律,对两种波速的变化速率按式(1)进行计算,结果如图2所示。砂岩在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次冻融循环区间内,纵波波速的降低率分别为10.44、10.70、11.80、13.62、14.01、18.13 m/(s·次);横波波速的减小率分别为3.16、5.50、7.15、7.46、10.29、11.66 m/(s·次)。可以发现,两种波速的减小速率随着冻融循环次数的增多而增大。因此,通过两种波速的变化率可以得到冻融循环对砂岩的损伤劣化作用随着循环次数的增多而不断加剧。

图2 波速演化过程Fig.2 Wave velocity evolution process

(1)

式(1)中:ΔSPij为相邻两次循环间砂岩试样的波速变化率, m/(s·次);SPj与SPi为相应次数后砂岩的波速,m/s;当i为0、15、30、45、60与75时,与其对应的j分别为15、30、45、60、75与90。

对于上述两种波速及其变化率随冻融循环次数变化的原因分析分别如下:①冻融循环会使砂岩的孔隙增大,导致其内部的致密程度降低,所以两种波速的速度会随着循环次数的增多而降低;②冻融循环会致使孔隙率增长的速率不断变大,从而使得砂岩致密程度的劣化速率不断增大,因此在宏观尺度上就会表现出两种波速的降低率不断增大。

2.1.2 力学性能

图3为不同冻融循环次数后砂岩抗压强度的演化过程。0、15、30、45、60、75、90次冻融循环后砂岩的纵波波速分别为81.65、73.49、65.13、56.49、46.21、34.81、21.66 MPa。因此,抗压强度随着冻融循环次数的增多而降低。为了进一步探究冻融循环作用对砂岩强度的劣化影响,对其抗压强度的减小率按照式(2)进行计算,如图3所示。砂岩在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次冻融循环区间内的抗压强度减小率分别为0.54、0.56、0.58、0.69、0.76、0.88 MPa/次。可以发现,循环次数越多,砂岩强度的损失速率在不断增大。因此,通过抗压强度变化率的试验结果也可以得到,冻融循环对砂岩的损伤程度随着循环次数的增多而不断加剧。

(2)

式(2)中:ΔSij为相邻两次循环间砂岩试样的强度变化率,MPa/次;Sj与Si为相应次数后砂岩的强度,MPa,i为0、15、30、45、60、75时,与其对应的j分别为15、30、45、60、75、90。

图4为砂岩试样在不同循环次数时的应力应变曲线。由于砂岩试样中存在孔隙,在压力的作用下孔隙结构会逐渐闭合,并在应力应变曲线中存在明显的孔隙压密阶段。可以从图4中明显发现砂岩孔隙压密阶段对应的应变值随着冻融循环次数的增多而逐渐增大。在0、15、30、45、60、75、90次循环后砂岩孔隙压密阶段的应变值分别为0.004 4、0.005 5、0.005 9、0.006 3、0.007 4、0.007 8、0.008 5。分析原因是由于冻融循环导致砂岩的孔隙率随着循环次数的增大而不断增多,因此使得孔隙压密阶段变长。此外,从图4中还可以观察到砂岩的峰值应变也随着循环次数的增多而变大,0、15、30、45、60、75、90次循环后砂岩的峰值应变分别为0.008 9、0.010 7、0.012 0、0.013 2、0.013 4、0.014 7与0.015 3。分析原因这是由于在冻融循环的作用下,砂岩内部孔隙率不断增大导致其孔隙压密阶段变长所致。

图3 强度演化过程Fig.3 Evolution of compressive strength

图4 应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curves

2.2 细观试验

为了验证宏观尺度试验结果中的相关分析,对砂岩不同循环次数后的孔隙特征进行测试。图5为砂岩孔隙率的演变过程,0、15、30、45、60、75、90次循环后砂岩的孔隙率分别为2.17%、2.52%、2.89%、3.37%、3.88%、4.46%与5.11%。因此表明,随着冻融循环次数的增多,砂岩的孔隙率会随之增大。此外,这也可以对宏观试验中纵波波速、横波波速、强度与孔隙压密段应变值随冻融循环次数变化的现象进行解释。

图5 孔隙率演变过程Fig.5 Evolution of porosity

为了进一步探究冻融循环对砂岩孔隙率的影响,对孔隙率的变化率按式(3)进行计算,结果如图5所示。可以看到砂岩在0～15、15～30、30～45、45～60、60～75、75～90次冻融循环间的孔隙率变化率分别为0.023、0.025、0.032、0.034、0.039、0.043%/次。因此,基于孔隙率变化率的试验结果,不仅可以得到冻融循环对砂岩的劣化作用随循环次数增多而不断增大的结论,而且还可以对宏观试验中纵波波速、横波波速和强度的减小率随循环次数增多而不断增大的相关分析进行很好的支持。

(3)

式(3)中:ΔPij为相邻两次循环间砂岩试样的孔隙率变化率,%/次;Pj与Pi为相应次数后砂岩的孔隙率,%,当i为0、15、30、45、60与75时,与其对应的j分别为15、30、45、60、75与90。

图6为不同循环次数后砂岩的孔径分布曲线。可以看到,随着冻融循环次数的增多,砂岩的孔径分布曲线在向右偏移。此外,砂岩在0、15、30、45、60、75、90次冻融循环后的孔径分布区间分别为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。这两种现象均表明了砂岩孔隙结构受到冻融循环的影响,导致其内部的孔径尺寸在不断增大。

根据文献[14],砂岩中的孔隙根据孔径可以分为小孔(<0.1 μm)、中孔(0.1～1 μm)与大孔(>0.1 μm)三种。对不同循环次数后砂岩的三种孔隙含量进行统计,如图7所示。可以看到随着冻融循环次数的增多,砂岩内部三类孔隙的含量均随之增大。因此,基于孔径分布曲线、孔径区间与孔隙含量的试验结果,可以得到砂岩的孔隙粗化现象随冻融循环次数增多而加剧。

图6 孔径分布曲线Fig.6 Pore size distribution curves

图7 孔隙含量Fig.7 Pore content

2.3 微观试验

为了对宏观与细观试验的结果与分析进行验证,对0、45、90次循环后砂岩的微观结构使用扫描电镜进行观察,如图8所示。可以发现,在0次冻融循环时,砂岩中的孔隙尺寸较小,砂岩的内部结构也较为致密。但随着冻融循环次数的增多,砂岩微观结构中的孔隙尺寸不断增大,且内部结构的破碎程度逐渐增大。因此,通过对微观结构的观察,不仅可以对宏观试验结果的分析进行支持,而且还对细观试验得到的孔隙特征进行了验证。

为了对微观结构进行定量分析,使用Image-Pro Plus(IPP)软件对这些扫描图像进行处理,如图9所示。图中的蓝色区域为孔隙结构,孔隙率的计算公式如式(4)所示。每个试样的最大孔隙面积、最小孔隙面积、孔隙数量与孔隙率均列于表1中。由于软件的原因,所有试样的最小孔隙面积均相同。随着循环次数的增多,砂岩内部的最大孔隙面积与孔隙率在不断增大,而孔隙的数量却在不断减小。这是由于在水相变为冰的过程中体积增大会破坏孔隙的结构,导致孔隙体积增加,进而出现了孔隙之间的连通,因此使得孔隙的数量减小,但最大孔隙的面积与孔隙率在随着循环次数的增多而增大。

表1 微观结构特征Table 1 Microstructural characteristics

(4)

式(4)中:P为孔隙率,%;Ap为微观结构中孔隙结构的总面积;At为整个扫描图片的面积。

3 讨论

通过对横波波速、纵波波速、强度和孔隙结构的试验结果总结后可以得到以下两条结论:①随着冻融循环次数的增多,砂岩的物理力学性能均随之降低;②冻融循环对砂岩的劣化速率随着循环次数的增多呈现出加速的规律。

对于上述两种现象的机理分析分别如下:①冻融循环中由于水相变为冰体积变大,会破坏并增大孔隙的体积。循环次数越多,孔隙体积增大的程度越多,因而在宏观尺度上就会展现出横波波速、纵波波速、强度、孔隙压密阶段应变与峰值应变的增大。②冻融循环可以看成是由冻结与融化两个过程组成。在冻结的过程中,孔隙水结冰会导致孔隙体积增大。在融化的过程中,由于孔隙增大使得会有更多的水分迁移进孔隙内。因此在下一次的冻结过程中,孔隙水相变会产生更大的体积膨胀,进而使得孔隙结构的破坏更加严重。所以,冻融循环会导致砂岩的劣化速率随着循环次数的增多而不断加剧。

4 结论

(1)随着砂岩冻融循环次数的增多,纵波波速、横波波速与抗压强度均随之减小。

(2)冻融循环会粗化砂岩的孔隙结构,砂岩试样的孔径范围由0次时的0.000 282～13.339 84 μm变为90次时的0.004 548～43.422 358 μm,进而使得应力应变曲线中孔隙压密段应变与峰值应变随着循环次数的增多而增大。并且,随着循环次数的增多,砂岩的孔隙率及其增长率均随之增大。

(3)冻融循环会导致砂岩孔隙尺寸增大,并造成孔隙数量的减小。

(4)冻融循环对砂岩的劣化速率随着冻融循环次数的增多而加剧。