岩石冻融破坏的试验研究

岩石冻融破坏的试验研究

1国内外关于冻融损伤作用机理的研究中国的冷城区约占全国总面积的75%，是世界上冷城区最常见的分布之一。随着寒区岩土工程活动的增多，已经或将会越来越多地遇到寒区岩石力学问题，被称之为冻岩力学。所谓冻岩力学，就是要研究含裂隙及节理等原生缺陷的岩石，在冻结、融化及冻融循环条件下，其物理力学性质宏观基本变化规律、内部水成冰引起的相变与水热迁移特征，以及不同温度历史和不同含水(冰)状态引起的岩石宏细观损伤演化规律，为寒区岩石工程的设计和施工提供理论指导。迄今为止，国内外关于低温范围(这里一般指温度低于0℃)或受低温范围影响的岩石物理力学性质理论及试验方面的研究，归纳起来，主要有以下3个方面：(1)基于连续介质力学和经典传热学理论，围绕液化天然气(LNG)的地下储存开展的关于低温及冻融循环条件下岩体热–液–力(THM)耦合性质研究，以及围绕寒区隧道围岩受冰体冻胀影响的冻胀力、温度分布规律研究。(2)基于损伤力学的理论进行冻融循环下岩石的基本力学性质研究，如文对10种岩石的冻融损伤劣化过程进行了分析，通过图形记录的方式研究了岩石的宏观冻融损伤演化过程，并对10种岩石的冻融损伤模式进行了分类，建立了相应的数学模型；文利用先进的CT扫描技术，对冻融循环条件下岩石的冻融损伤过程进行了细观研究，并试图建立以CT数为岩石冻融损伤变量的损伤本构模型。(3)基于断裂力学的相关理论，研究含裂隙的岩体在冻结、融化及冻融循环下，岩石裂纹的扩展和破坏准则。本文在前人已有的研究成果基础上，阐述了岩石受冻融循环影响的冻融损伤劣化的基本规律，分析了岩石冻融损伤劣化的影响因素；通过试验研究了在冻融循环条件下，岩石从微裂纹的萌生，扩展，开裂最终形成宏观裂纹的损伤断裂过程，提出了岩石受冻融影响的2种基本破坏模式；并进行了2种岩石在不同冻融循环次数后的力学试验，为进行寒区岩石力学问题的研究提供了理论及试验指导。2岩石冻融破坏机理同质的机理，培养了岩石矿物颗粒的局部拉、压应力和水分迁移。据说，有以下几种对孔隙介质如混凝土和岩石，其冻融损伤劣化过程，现在已经有了比较普遍一致的认识：即当孔隙脆性介质冻结时，储存在其孔隙内部的水发生冻结并产生约9%的体积膨胀率，而这种膨胀将导致内部产生较大的拉应力和微孔隙损伤；当介质内部的孔隙水(或裂隙水)融化时，水会在其内部微孔裂隙中迁移，进而加速这种损伤。而从力学的角度来看，岩石的冻融破坏过程为：当环境温度降低时，岩石内部的孔隙水开始发生冻结，因为其体积发生膨胀，故对岩石颗粒产生冻胀力，由于这种冻胀力相对于某些胶结强度较弱的岩石颗粒具有破坏作用，故造成岩石内部出现了局部损伤；当温度升高时，岩石内部的水发生融解，伴随这一过程的是冻结应力的释放和水分的迁移；随着冻融循环次数的增加，这些局部损伤域逐步连通成裂缝，岩石强度和刚度不断降低，并最终造成岩石块体断裂、剥落。从岩石的冻融破坏机理上看，造成这种冻融破坏的原因是由于组成岩石冻结和融化状态的三相介质(水、空气、含冰岩石)具有不同热物理性质，岩石矿物颗粒在温度降低时，其体积发生收缩，而冰在温度降低时，体积发生膨胀(约9%)，岩石矿物颗粒为了限制这种膨胀，在矿物颗粒之间产生了巨大的局部拉、压应力(即冻胀力)。由于这种冻胀力是作用在矿物颗粒及岩石微孔隙这一微观尺度上，故孔隙水的存在及冻融循环条件会对岩石的损伤劣化产生深刻影响。3岩石冻融破坏模式分类迄今为止，由于影响岩石冻融损伤劣化的因素太多、太复杂，以至于对岩石的冻融破坏模式的分类没有统一的认识。但从已有的研究资料来看，影响岩石冻融损伤劣化的影响因素包括以下6个方面。3.1国家的限制岩性对岩石冻融损失劣化程度的影响是最大的。迄今为止，所有关于冻融循环条件下岩石损伤性质的研究都涉及到了这一方面。岩性对岩石冻融损伤劣化的影响主要表现在岩石的矿物颗粒大小和组成、矿物成分、胶结物强度、岩石强度和刚度、节理裂隙发育情况、节理分布特征、孔隙率、岩石密度等。研究发现，岩石的强度和刚度越高，矿物颗粒越致密，胶结物强度越高，节理裂隙不发育，孔隙度越小，其受冻融循环的影响越小；反之，其受冻融循环的影响越大。3.2冻融循环对岩石的影响岩石的孔隙率和含水量是影响岩石冻融损伤劣化的主要条件。从上述分析可知，岩石的冻融损伤劣化过程是由于水在岩石内部孔隙中的冻结和融化造成的，如果不存在水，也就没有所谓的冻融损伤。研究发现，干燥状态和饱水状态的岩石受冻融循环影响差别巨大，而且干燥岩石几乎不受冻融循环的影响(假定冻融温度范围不是很大)，而含水岩石受冻融循环影响，或多或少都出现了损伤，有的甚至出现了完全破坏。故冻融循环对花岗岩、细砂岩这类强度较高且致密的岩石影响小，甚至没什么影响；而对中粗砂岩、石灰岩、泥岩、粉岩等强度较低的岩石影响很大，有的甚至冻融循环不到15次就发生了崩解破坏。另外，含水量和饱和度对岩石的冻融损伤影响非常大。对于不同岩性的岩石，含水量大的岩石受冻融循环影响明显，反之，含水量小的岩石受冻融循环影响较小；而对于同种岩石，饱和度则是决定着岩石受冻融影响的关键因素。有研究发现，对于冻融循环温度范围在-18℃～14℃，冻融周期为3.5h(冻结2h，融化1.5h)，饱和度小于60%时对岩石的损伤劣化没太大的影响，但当饱和度超过70%则对岩石的损伤劣化影响非常大。3.3不同岩性岩石冻融循环试验冻融循环次数、冻融周期对岩石的冻融损伤劣化影响也非常明显，这主要是由于不同的岩石其耐久性不同。冻融循环次数越多，冻融周期越短，岩石受冻融循环的影响则越明显。文对10种不同岩性的岩石进行了冻融循环试验，发现不同岩性的岩石的冻融循环耐久性不同，而对于同一类岩石，总体趋势随冻融循环次数的增加，强度逐渐降低，但有些强度较高的岩石如泥质灰岩和磁铁矿，经历75次冻融循环其力学性质趋于稳定。本文对红砂岩和页岩两种岩样经历不同冻融循环次数后进行常温下的单轴压缩试验，也发现了这一点。不同冻融周期(或冻融频率)对岩石冻融损伤的影响规律至今还没有相关报道，但可以从对混凝土经历不同冻融周期的研究中得出相似的结论，即冻融循环的周期越短，或者说冻融循环频率(冻融速率)越高，岩石受冻融循环影响越强烈。3.4冻融循环作用下孔隙水影响岩石冻融损伤机理人们对混凝土和岩石这类孔隙介质的研究发现，即使在0℃以下，土体中的水分并未全部发生冻结，这主要是由于土中结晶水的存在以及水中存在某些盐分导致水的冻结温度降低，并且岩石中微孔隙尺寸越小，水中融解的盐分越多，岩石中孔隙水的冻结温度就越低(用这种方法某种程度上可以降低冻融作用对岩体损伤劣化的影响)。在岩土体中处于0℃以下仍未冻结的水称之为过冷水。冻融循环条件下孔隙水影响岩石冻融损伤主要通过3种方式：(1)水变成冰时发生体积膨胀，当孔隙水的饱和度超过90%时，这种膨胀会对孔隙壁造成较大的压应力；(2)形成冰透镜体或冰棱，这对岩石的冻融开裂有很大影响；(3)孔隙水压力：当温度降低，水变成冰并在孔隙或原生缺陷中发生膨胀时，过冷的水(未发生冻结的)便会被这些冰体从孔隙中驱散，这便造成孔隙水在岩石内部产生一定的孔隙水压力。3.5混凝土冻融特性冻融温度范围对岩石的冻融损伤劣化有较大影响。其在试验上表现为，冻融温度范围越大(冻结温度限越低)，岩石受冻融循环影响越大，在工程中则表现为严寒地区比一般季节性寒区冻融影响要大。对于混凝土的研究发现，其他条件一样时，冻融温度范围在-17℃～5℃和-5℃～5℃两种情况下，当其抗压强度同样降低40%，则前一种温度范围的混凝土只能经受7次冻融循环，而后一种温度范围的能经受133次冻融循环，可见差别之大。对于岩石同样存在此问题。冻融温度范围越大，水转化为冰就会充分，而且岩石各相组分的热膨胀性差别也越大，从而造成岩石在冻融循环后内部冻融压力越大，导致岩石的冻融损伤劣化就越快。3.6温度场、应力场、流体场之间的耦合自然界的岩石都处于一定的应力状态，寒区岩石也不例外。越来越多的研究发现，各种工程条件下，岩石的温度场、应力场、流体场之间是相互耦合的，寒区岩石工程同样如此，如文考虑了这3场之间的耦合并研究了LNG储存库和寒区隧道的耦合问题。应力状态和岩石的冻融损伤关系比较复杂，目前还没有这方面的统一描述。4冷冻力学试验4.1岩样的预处理试验共选取2种岩石，即红砂岩和页岩。红砂岩取自江西贵溪地区，页岩取自湖北黄陂地区。红砂岩为细粒结构，枣红色，粒径分布均匀，主要成分为石英；页岩为新鲜、灰色，硅质胶结物与云母互层，层理分布均匀，不含原生裂纹，主要成分为云母。取样方法均为现场取得新鲜完整大岩块，再运到工厂用水钻法钻取标准岩芯，尺寸为φ50mm×100mm。2种岩石试样的取样方向均为垂直于岩石沉积方向。对加工后的岩样进行了筛选，筛选原则为先剔除视觉上差别较大的个别岩样，再采用岩石声波仪测试各个岩样的波速，筛选出波速相近的岩样为试验岩样。对筛选后的岩样都放入烘箱中烘干48h至恒重，烘箱温度为105℃(虽然该温度下可能会引起岩石内部出现损伤，但由于所有试样都在这一温度下烘干的，能满足试验可比性的原则)，记录各自质量；然后，对岩石试件采用真空抽气法进行强制饱和，真空压力值为0.1MPa，抽气时间为6h，抽完进水浸泡24h；最后取出称量其饱和后的质量以及在水中浸泡的质量，这样就可以得到岩样的含水量以及孔隙度。2种岩样的初始物理参数平均取值见表1。4.2试验过程与结果冻融循环试验的步骤及方法为：把饱和岩样放入-20℃的恒温箱中冻结12h，再放入20℃的蒸馏水中融化12h(水浸满岩样)，即每个冻融循环周期为24h(这样做是为了模拟天然环境冻融周期)，如此反复。冻结恒温箱为海尔BD–100LT低温数控冷柜，该冷柜最低温度可控制在-50℃，温度自动控制恒温，温差不超过1℃。试验时，红砂岩和页岩各取18块，每3块岩样为1组，共6组，除第1组用于室温(20℃)、干燥情况下岩石单轴压缩试验外，其余5组进行5种冻融循环次数后的常温、饱和单轴压缩试验，冻融循环次数分别为0,5,10,20,30次。对进行30次的岩样进行每次冻融循环后的质量测定(在常温、饱和状态下测得)，以记录其质量变化规律(见图1)，并对其余每块岩样进行冻融过程的图形记录。红砂岩经历不同冻融循环次数后的典型照片见图2，页岩经历不同冻融循环次数后的典型照片见图3。应注意到的是，图1中的质量为岩样经历冻融循环后剩余的整体质量(扣除冻融损失的部分)，而不表示岩石由于冻融循环影响质量会减少。4.3压缩试验方法在室温下，对2种岩石经历不同冻融循环次数(0,5,10,20,30次)后进行了饱和单轴压缩试验，并在室温下对干燥岩样进行了单轴压缩试验(按文要求进行)。试验是在中国科学院武汉岩土力学研究所MTS815刚性压力试验机上进行的，试验采用轴向位移速率控制，位移速率为0.001mm/s，单轴压缩试验温度均为室温(20℃)。红砂岩和页岩的单轴压缩试验结果分别见表2,3。由试验得到岩石在常温、饱和状态下，岩样经历不同冻融循环次数后的应力–应变曲线，见图4,5(这里为了让图形更清楚，每组只选了1条典型曲线)。5试验结果的分析5.1冻融循环对红砂岩损伤劣化的影响2种岩石由于岩性、矿物成分、孔隙度及含水量等因素的不同，造成冻融循环对其损伤劣化产生的影响差别非常大。从试验过程来看，红砂岩在第6次冻融循环后即在表面出现了可以肉眼看见的初始裂纹，裂纹方向基本都是沿岩样的环向出现；到第10次冻融循环之后就出现了较大的宏观裂纹(长度为3～5cm，宽度为0～2mm)，裂纹一般都只有1条，局部出现2条，如图2(b)；而在11次冻融循环之后岩样表面开始出现龟裂，但此时岩样完整性还较好，而在20次冻融循环之后，岩样表面出现了片落、剥落等现象，见图2(c)；而当经历28次冻融循环之后，用手轻轻一碰便导致整个试块整体跨塌，跨塌后的试件可以用手捏碎，呈砂状，粘聚力降为0。根据对岩样经历不同冻融循环次数后的质量测定可知，红砂岩在最初10次冻融循环过程中，质量有增大(约1.48%)的现象(图1)，这主要是由于岩样在每次冻结之后，由于冰的冻胀和融缩造成岩石内部微孔隙不断增大，从而水分向内迁移的结果。而在11次冻融循环之后，在岩样表面开始出现颗粒剥落，从而导致岩样的残余质量减小。页岩由于孔隙率较低，在经历10次冻融循环之后岩样都没有出现宏观裂纹，并且表面观察不到裂纹的萌生，而在22次冻融循环之后，在某一块岩样表面出现了沿层理方向的微裂纹，并在30次冻融循环之后形成了细裂纹(长为2～3cm)，如图3。页岩出现这样的裂纹是由于在冻融循环过程中，由于可能在某些局部出现沿层理方向的缺陷，而由于冻融循环次数的增大使得这种缺陷沿层理方向发展，究其本质，是由于冻融循环引起冰透镜体的作用。对页岩经历不同冻融循环次数后的质量测定发现，页岩的总体质量有所增加，但增加很小(冻融循环30次之后，页岩的质量增加不到0.15%)。由试验发现，2种岩样经历不同冻融循环后的损伤劣化模式完全不同，可以归纳如下：(1)片落模式(scalingmode)：以砂岩为代表，其损伤劣化过程为：微孔隙的不断增大→岩石表面微裂纹的萌生→宏观裂纹的出现和表面出现软化层→表面片落、剥蚀→水分向内部迁移→冻融损伤不断加深。(2)裂纹模式(fracturingmode)：这种模式对应于含水量及孔隙率较低，强度相对较高的含层理岩体。其冻融损伤劣化过程为：局部原生缺陷的存在→水分向这些缺陷渗透→冰透镜体的形成、冻胀力作用于缺陷表面→裂纹不断扩展、贯通。以新鲜页岩为代表，其冻融损伤是裂纹不断扩展的结果。5.2种岩石冻融试验结果与分析根据岩石经历不同冻融循环次数后饱和岩石单轴压缩试验结果，绘制2种岩石单轴压缩强度和弹性模量分别与冻融循环次数的关系曲线，见图6,