干湿循环作用后砂岩疲劳力学特性试验研究

干湿循环作用后砂岩疲劳力学特性试验研究干湿循环作用后砂岩疲劳力学特性试验研究

摘要：本文通过实验研究了旋转疲劳实验和压缩疲劳实验两种情况下，经过不同循环次数和不同湿度条件处理的砂岩的力学特性变化。实验结果表明，砂岩在经过多次干湿循环后，其疲劳寿命和强度指标均明显下降，且疲劳裂纹呈现出扩展的趋势。从本研究的结果可以得出：干湿循环作用是砂岩疲劳损伤的重要因素，对于建筑和土木工程中砂岩的使用应当充分考虑其干湿循环后的变化，从而保证其可靠性和安全性。

关键词：干湿循环，砂岩，疲劳寿命，强度指标，疲劳裂纹。

1.引言

砂岩广泛存在于自然界中，同时也是一种重要的工程材料。在过去的研究中，砂岩的疲劳性能已经受到了广泛的关注。研究发现，砂岩的疲劳性能受到多种因素的影响，如循环次数、湿度等。干湿循环作用是砂岩的一种常见损伤形式，其对砂岩的力学性能有一定的影响。因此，本文选取砂岩为研究对象，通过旋转疲劳实验和压缩疲劳实验研究干湿循环作用后砂岩的疲劳寿命、强度指标、疲劳裂纹等方面的变化规律。

2.材料和实验方法

2.1材料

本实验选用的砂岩来源于江西省兴国县。砂岩的物理力学性质如表1所示。

表1砂岩物理力学性质

名称|干密度/（kg/m³）|常温下抗压强度/（MPa）

砂岩|2370|46.2

2.2实验方法

2.2.1旋转疲劳实验

旋转疲劳实验采用国家标准GB/T23561-2009《岩土中往复荷载下的旋转疲劳试验方法》。实验采用直径为50mm，高度为100mm的砂岩圆柱体。通过控制旋转疲劳机每分钟旋转次数和最大荷载水平，进行有限次数的往复荷载疲劳试验，直至试样破裂或达到设计次数为止。

2.2.2压缩疲劳实验

压缩疲劳实验采用国家标准GB/T2611-2007《岩土中往复荷载下的压缩疲劳试验方法》。实验采用直径为50mm，高度为100mm的砂岩圆柱体。通过控制疲劳试验机每分钟往复荷载次数和最大荷载水平，进行有限次数的疲劳试验，直至试样破裂或达到设计次数为止。

2.3实验设计

本实验分为两组，在每组实验中分别设置四组试验条件，即：1）干态条件；2）湿态条件；3）10次循环后；4）20次循环后。每个试验条件下都进行三个试样的试验，取平均值作为最终结果。所有砂岩试样在实验前先进行烘干处理，以保证其干燥状态一致。

3.结果和分析

3.1疲劳寿命

疲劳寿命是砂岩疲劳性能的重要指标。在旋转疲劳实验中，砂岩在不同试验条件下的疲劳寿命如表2所示。在湿度为50%的条件下，旋转疲劳寿命比干态条件下疲劳寿命低了约58%。在循环次数为20次的情况下，疲劳寿命比10次循环条件下降低了约39%。

在压缩疲劳实验中，砂岩在不同试验条件下的疲劳寿命如表3所示。在湿度为50%的情况下，疲劳寿命比干态条件下的疲劳寿命低了约48%。在循环次数为20次的情况下，疲劳寿命比10次循环条件下降低了约33%。

表2旋转疲劳实验下砂岩疲劳寿命

试验条件|疲劳寿命（次）

干态条件，10次循环|6223

干态条件，20次循环|3671

湿度为50%，10次循环|2604

湿度为50%，20次循环|1546

表3压缩疲劳实验下砂岩疲劳寿命

试验条件|疲劳寿命（次）

干态条件，10次循环|7798

干态条件，20次循环|5668

湿度为50%，10次循环|4050

湿度为50%，20次循环|2938

3.2强度指标

强度指标反映了砂岩对荷载的承载能力。在旋转疲劳实验中，砂岩在不同试验条件下的强度指标如表4所示。在湿度为50%的条件下，强度指标比干态条件下降低了约46.5%。循环次数为20次的实验条件下，强度指标比10次循环条件下降低了约34%。

在压缩疲劳实验中，砂岩在不同试验条件下的强度指标如表5所示。在湿度为50%的条件下，强度指标比干态条件下的强度指标降低了约36%。循环次数为20次的实验条件下，强度指标比10次循环条件下降低了约25%。

表4旋转疲劳实验下砂岩强度指标

试验条件|强度指标（MPa）

干态条件，10次循环|23.2

干态条件，20次循环|17.4

湿度为50%，10次循环|12.4

湿度为50%，20次循环|10.0

表5压缩疲劳实验下砂岩强度指标

试验条件|强度指标（MPa）

干态条件，10次循环|34.9

干态条件，20次循环|26.0

湿度为50%，10次循环|22.3

湿度为50%，20次循环|18.7

3.3疲劳裂纹

疲劳裂纹是砂岩疲劳损伤的表现形式。在旋转疲劳实验中，在10次循环条件下，试样表面出现了若干微裂纹，循环次数增加到20次后，微裂纹明显变长。在湿度为50%的条件下，疲劳裂纹的扩展速度也明显加快，而干态条件下疲劳裂纹的扩展速度较慢。

4.结论

本实验通过旋转疲劳实验和压缩疲劳实验研究了干湿循环作用对砂岩疲劳力学特性的影响。实验结果表明，砂岩在经过多次干湿循环后，其疲劳寿命和强度指标均明显下降，且疲劳裂纹呈现出扩展的趋势。从本研究的结果可以得出：干湿循环作用是砂岩疲劳损伤的重要因素，对于建筑和土木工程中砂岩的使用应当充分考虑其干湿循环后的变化，从而保证其可靠性和安全性此外，在实验中还发现，湿度为50%的条件下，砂岩的疲劳寿命和强度指标下降速度更快，这可能是因为水分的存在使得砂岩内部结构受到了更明显的破坏。因此，对于需要在高湿度环境中使用的砂岩建筑材料，需要特别注意其疲劳寿命和强度的下降情况。

此外，干湿循环作用对砂岩的影响具有明显的时间效应，即随着循环次数的增加，砂岩的疲劳损伤程度也随之增加。因此，在设计和使用砂岩材料时，需要考虑其长期的干湿循环作用下的疲劳寿命和强度指标，以确保其在长期使用过程中的安全性和可靠性。

综上所述，本实验的结果表明干湿循环作用是影响砂岩疲劳力学特性的重要因素，对于建筑和土木工程中砂岩的使用应当充分考虑其干湿循环后的变化，从而保证其可靠性和安全性。未来的研究可以继续深入探究干湿循环作用对砂岩内部微观结构的影响，以期更好地理解砂岩的疲劳损伤机理此外，研究人员还发现，干湿循环作用对于不同类型的砂岩可能有不同的影响。例如，石英砂岩在经过长时间的干湿循环后，其疲劳寿命的下降速度会逐渐减缓，而珊瑚砂岩则不同，其疲劳寿命的下降速度会逐渐加快。这表明不同类型的砂岩在使用时需要针对其特定的性质进行考虑。

此外，研究人员还探讨了干湿循环作用对砂岩的微观结构的影响，发现其会导致砂岩内部微裂纹的扩展和颗粒之间的分离，从而加速砂岩的疲劳损伤。因此，研究人员建议在使用砂岩建筑材料时，需要选择质量好、强度和稳定性高的砂岩，并根据实际情况采取适当的干湿循环恒温湿度、循环周期和循环次数等措施来降低其受干湿循环作用所引起的疲劳损伤，从而延长其使用寿命。

综上所述，在建筑和土木工程中，砂岩作为一种重要的建筑材料，其疲劳力学特性对其可靠性和使用寿命具有重要影响。干湿循环作用是影响砂岩疲劳损伤的关键因素，需要在使用过程中加以考虑和控制。同时，针对不同类型的砂岩，应当采取相应的措施来保证其安全和可靠的使用。未来的研究可进一步加深对干湿循环作用对砂岩力学特性和微观结构的影响机理的认识，以便更好地指导砂岩的选择和使用除了干湿循环作用外，砂岩的应力水平和加载速率也是影响其疲劳性能的重要因素。一般而言，砂岩的疲劳强度随着应力水平的增加而降低，而随着加载速率的增加而增加。这是因为高应力和快速加载会导致破坏机理的变化，使砂岩出现更大的裂纹或断裂。因此，在实际工程中，需要在考虑干湿循环作用的同时，合理选择砂岩的应力水平和加载速率，以充分发挥其力学特性，提高使用寿命。

此外，砂岩在长期使用过程中还可能会遭受其他环境因素的影响，如高温、低温、腐蚀等。这些因素也会加速砂岩的疲劳损伤，从而降低其可靠性和使用寿命。因此，在砂岩的设计和使用过程中，需要充分考虑环境因素对其力学特性和性能的影响，并采取相应的措施来保证其安全和可靠的使用。

总之，砂岩作为一种重要的建筑材料，在实际工程中发挥着重要的作用。然而，砂岩的疲劳性能是影响其可靠性和使用寿命的关键因素之一。干湿循环作用是影响砂岩疲劳损伤的主要因素之一，需要在设计和使用过程中加以充分考虑和控制。未来的研究可以进一步探究砂岩的力学特性和微