溫度、濕度循環(huán)條件下砂巖物理特性試驗研究

陳棠茵，朱寶龍

（1.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 620059；2.西南科技大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，四川 綿陽 621010）

巖石的風(fēng)化對溫度、濕度的變化敏感性較高。在中國西南、中南地區(qū)廣泛分布著大量的紅砂巖，這種砂巖孔隙率大，松軟、透水性好，強度較低。在雨水或地表水的作用下，泥質(zhì)膠結(jié)物中的可溶性礦物質(zhì)被淋濾溶蝕，向巖面遷移，形成堅硬的外殼。當遇到溫度強烈變化時，巖石內(nèi)外脹縮的差異性引起表層巖石出現(xiàn)裂縫、起殼，在水流和風(fēng)力的作用下，呈鱗片狀剝落，在循環(huán)往復(fù)的氣候條件下，溫度和濕度的變化幅度和變化形式影響著巖石的風(fēng)化速度。

中國很多鉆鑿在石壁上的文物古跡在常年的氣候變化過程中，出現(xiàn)不同程度的風(fēng)化病害。如浙江省龍游石窟［1］在小環(huán)境溫濕度反復(fù)變化的氣候過程中，巖石表面出現(xiàn)結(jié)殼、剝落，然后再結(jié)殼、再剝落的反復(fù)破壞過程；四川廣元千佛窟［2］由于進深較大的窟室內(nèi)外存在2～4℃的溫差，石窟棱角部位對溫度的變化敏感，而其他部位相對滯后，導(dǎo)致石窟表面堿化、銹染、彩繪層空鼓等失真現(xiàn)象。對此，地質(zhì)工作者和考古工作者對砂巖的風(fēng)化影響因素進行了大量研究［4～6］，但大多數(shù)研究都側(cè)重在砂巖風(fēng)化影響因素和機理的定性分析上，缺乏量化的數(shù)據(jù)。文章通過研究在當前氣候條件下，隨季節(jié)周期性變化的溫度、濕度對砂巖風(fēng)化速度的影響，為文物古跡的保護研究工作提供科學(xué)依據(jù)。

1 循環(huán)變溫實驗

全周期溫度循環(huán)曲線圖1顯示，隨著循環(huán)周期的增加，整體波速是從初始狀態(tài)逐漸增加，呈上升趨勢，當達到第7個循環(huán)周期時，波速的波動趨于一恒定區(qū)間，3.0～4.0km/s之間。初期質(zhì)量循環(huán)曲線呈上升調(diào)整狀態(tài)，隨著循環(huán)周期的增加，試樣整體質(zhì)量變化呈下降趨勢，第9周期后，質(zhì)量隨循環(huán)周期的增加以一固定斜率遞減，質(zhì)量減少了約15g，砂巖表面有少量顆粒脫落。

圖1 全周期溫度循環(huán)關(guān)系曲線Fig.1 Temperature vs elastic wave velocity and temperature vs quality

為了更清晰的分析波速和質(zhì)量隨溫度的變化情況，提取一個周期的波速和質(zhì)量變化過程，如圖2。

圖2 單周期溫度循環(huán)關(guān)系曲線Fig.2 Temperature vs elastic wave velocity and temperature vs quality in a simple cycle

圖2顯示，在一個循環(huán)周期內(nèi)彈性波速隨溫度變化呈V字型分布，即隨著溫度的升高波速值降低，在最高循環(huán)溫度100℃時波速出現(xiàn)最低值，此后隨著溫度的回升波速逐漸增大，各溫度點波速基本呈對稱分布，彈性波速變化幅度在1.0km/s以內(nèi)。巖樣質(zhì)量隨溫度升高而降低，并在80℃時有質(zhì)量的突降，1個循環(huán)周期內(nèi)質(zhì)量減少約1～3g。為了對比研究非循環(huán)溫度條件下砂巖的風(fēng)化速度，實驗采取自100℃以上連續(xù)升溫至205℃，測得的彈性波速和質(zhì)量變化結(jié)果，如圖3。

圖3 持續(xù)高溫關(guān)系曲線Fig.3 Top temperature vs elastic wave velocity and quality in temperature of 100 to 200℃

在100～200℃連續(xù)高溫條件下，試樣的彈性波和質(zhì)量隨溫度的升高呈下降趨勢，其中波速降低了0.3km/s，質(zhì)量減少了2～3g，試樣表面無脫落剝離現(xiàn)象，其風(fēng)化程度較0～100℃循環(huán)變溫條件下小很多。

以上實驗結(jié)果表明，在100℃以下的溫度循環(huán)中，彈性波速和質(zhì)量均與溫度呈反比變化。這可能是由于溫度循環(huán)變化使巖樣內(nèi)部產(chǎn)生溫差，溫差促使巖石膨脹和收縮交替進行，巖樣內(nèi)部微裂隙和孔隙擴展，密度下降，彈性波速減小。同時，溫度升高，含水量減少，巖樣質(zhì)量會有少量的下降。隨著循環(huán)周期的增加，砂巖試樣逐漸適應(yīng)溫度的變化，在未達到其疲勞周期時，溫度變化對其風(fēng)化不產(chǎn)生影響。

2 濕度循環(huán)實驗

為了研究砂巖在循環(huán)濕度條件下，砂巖的彈性波速、質(zhì)量的變化趨勢，對砂巖風(fēng)化的影響分析提供理論依據(jù)。設(shè)計在常溫和高溫105℃兩個環(huán)境下的干濕循環(huán)實驗。(1)常溫條件下實驗從室溫風(fēng)干狀態(tài)到全飽水為一個循環(huán)，實驗濕度通過巖樣的含水率來控制。取標準試樣3組共18個試樣，先測其在室溫自然狀態(tài)下的質(zhì)量和波速測定，測試后放入冷水中浸泡6h，然后取出進行巖樣質(zhì)量和波速測定，再將試樣置于常溫狀態(tài)下風(fēng)干6h后測其質(zhì)量和波速，依次進行30次循環(huán)，測得的干濕變化與彈性波速和質(zhì)量關(guān)系如圖4、8。(2)高溫條件下，從105℃干燥到高溫浸水全飽和兩個狀態(tài)為一個循環(huán)，循環(huán)30次，測得的干濕變化與彈性波速和質(zhì)量關(guān)系如圖5。

圖4 常溫干濕全周期關(guān)系圖Fig.4 Wetting vs elastic wave velocity and wetting vs quality

圖5 高溫干濕循環(huán)關(guān)系圖Fig.5 Wetting vs elastic wave velocity and wetting vs quality in temperature of 105℃

常溫干濕循環(huán)實驗的彈性波速變化曲線(圖4)，在循環(huán)初期呈跳躍狀波動，在循環(huán)的中后期階段，干燥狀態(tài)與飽和狀態(tài)的彈性波速重合，呈水平直線狀，量值恒為2.51km/s。質(zhì)量變化曲線整體上變化幅度很小，基本上呈水平狀態(tài)，整個循環(huán)周期內(nèi)質(zhì)量僅下降了2g。

“微生物工藝提取活性腐殖酸是世界上最獨特的提取工藝?！睋?jù)冉峰介紹，通過微生物發(fā)酵常溫降解提取腐殖酸，具有低能耗和不加堿的工藝特點，在降低生產(chǎn)成本的同時有效增加了提取物的活性和功效，具有更加廣泛、高效的應(yīng)用空間。通過微生物工藝可以將腐殖酸抽提出黃腐酸、棕腐酸、黑腐酸和代謝產(chǎn)物等多種物質(zhì)，可以補充全腐殖酸，同時具有與所有水質(zhì)及氮磷鉀復(fù)配的良好兼容性。

高溫105℃干濕循環(huán)實驗下的彈性波速和質(zhì)量(圖5)均有明顯的衰減現(xiàn)象，并在較短的循環(huán)時間內(nèi)達到最低值。在實驗中，觀察到試樣發(fā)生明顯的顆粒脫落現(xiàn)象，在第3個循環(huán)周期中，兩端邊緣處開始軟化，邊緣處有碎屑脫落，在第5個循環(huán)周期中，試件形成厚度為2mm左右泥沙狀軟化層，軟化層邊緣脫落顆粒不斷在水中沉淀，在第9次循環(huán)后，試件軟化層厚度增加，層內(nèi)富含水分，波速無法測出終止實驗，脫落層總厚度在4～8mm左右，最終在10個循環(huán)周期內(nèi)達到破壞。

高溫條件下，由于溫度的熱應(yīng)力作用會使粗砂巖內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋，空隙率增大，在濕環(huán)境中其含水率也隨之增高，水的軟化作用使礦物顆粒間聯(lián)結(jié)減弱，巖樣的致密程度下降，行波阻力和時間增大，波速減小。在高溫干燥條件下，砂巖又迅速失水收縮，裂紋相互間逐步貫通，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，達到產(chǎn)生較大宏觀裂紋時，砂巖整體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞而剝落。在室溫條件下，由于溫度不高，所產(chǎn)生熱應(yīng)力不夠大，還不足以使砂巖產(chǎn)生裂紋，彈性波速基本保持不變。所以常溫條件下，砂巖試樣的風(fēng)化程度不受干濕交替循環(huán)的影響，只有在高溫環(huán)境中，保持較高的含水率的條件下，砂巖的風(fēng)化較為強烈。

3 溫度、濕度循環(huán)實驗

在自然環(huán)境中，巖體常常是處在溫度和濕度共同作用的氣候條件下的，研究溫度和濕度同步循環(huán)作用對砂巖的風(fēng)化程度的影響是非常必要的，因此進一步設(shè)計了溫度、濕度循環(huán)實驗。實驗采用水加熱手段實現(xiàn)飽和狀態(tài)下的溫度和濕度的同步變化，設(shè)計恒溫溫度級為 30℃、40℃、60℃、80℃、100℃共5個等級。取標準試樣18個，置于恒溫水浴箱中，注入冷水并升溫至30℃，恒溫6h后進行質(zhì)量和波速的測試，然后將試樣放入升溫至40℃的恒溫水浴箱中恒溫6h再進行測試，實驗從30℃升至100℃再降溫至30℃為一個循環(huán)周期，共進行24次循環(huán)實驗。測試結(jié)果見圖6。

溫度、濕度同步循環(huán)實驗中，試樣的彈性波速和質(zhì)量曲線均呈下降趨勢，整個循環(huán)周期內(nèi)，波速下降了2.0km/s，質(zhì)量下降了40g，可以看出溫度和濕度同時變化，砂巖風(fēng)化速度明顯加快。

圖6 全周期溫度、濕度循環(huán)關(guān)系圖Fig.6 Temperature wetting vs elastic wave velocity and temperature wetting vs quality

4 砂巖風(fēng)化速度擬合分析

上述各工況實驗中除常溫干濕循環(huán)試驗對砂巖風(fēng)化沒有影響外，其余三種工況均不同程度地加快了砂巖的風(fēng)化速度。為了定量地對比這種風(fēng)化影響程度的強弱，從實驗數(shù)據(jù)中提取100℃的彈性波速值和質(zhì)量值，剔除實驗初期不穩(wěn)定階段數(shù)據(jù)，進行曲線擬合，推求不同循環(huán)條件下砂巖的風(fēng)化遞減速率。由于實驗中試樣的彈性波速和質(zhì)量隨循環(huán)次數(shù)增加呈遞減狀態(tài)，分別擬合砂巖的風(fēng)化速度和質(zhì)量的近似值:

風(fēng)化速度擬合公式:

式中:V——風(fēng)化速度，擬合時近似等于砂巖的彈性波速值；

x——實驗循環(huán)次數(shù)；

Cv——彈性波速遞減系數(shù)，Cv值越大，表征砂巖的風(fēng)化速度越快，相應(yīng)的實驗工況對砂巖風(fēng)化的影響程度越顯著。

近似質(zhì)量擬合公式:

式中:W——風(fēng)化質(zhì)量損失量；

x——實驗循環(huán)次數(shù)；

Cm——質(zhì)量遞減系數(shù)。

采用式(1)和(2)分別對溫度循環(huán)、濕度循環(huán)以及溫濕循環(huán)三種工況下的彈性波速和質(zhì)量損失情況進行擬合，見圖7～圖9。

圖7 100℃溫度循環(huán)擬合圖Fig.7 Temperature cycle fitting line in temperature of 100℃

圖8 105℃濕度循環(huán)擬合圖Fig.8 Dry-wet cycle fitting line in temperature of 105℃

擬合結(jié)果見表1。

圖9 100℃溫度+濕度循環(huán)Fig.9 Temperature＆ wet cycle fitting line in temperature of 100℃

表1 彈性波速遞減系數(shù)、質(zhì)量遞減系數(shù)表Table 1 Elastic wave velocity decrease rate＆quality decrease rate

表1中的彈性波速遞減系數(shù)Cv清晰地表明，高溫濕潤條件下砂巖風(fēng)化速度最快，溫度和濕度共同作用下的風(fēng)化速度其次，單純變溫條件下的風(fēng)化速度最弱。質(zhì)量遞減系數(shù)Cm表明，在三種條件下砂巖均有質(zhì)量上的衰減，包括水分的散失和礦物顆粒的剝落。變溫條件下質(zhì)量衰減最慢，溫度和濕度共同作用條件下質(zhì)量損失最快，而高溫濕潤條件下，由于裂隙張開度高，含水量有所增加，抵消了一部分巖石剝落的質(zhì)量損失。綜合以上兩個指標，高溫濕度循環(huán)條件對砂巖試樣風(fēng)化影響最突出，其次是溫度、濕度共同循環(huán)作用，單一的溫度循環(huán)對砂巖的風(fēng)化影響較緩慢。

5 結(jié)論

通過溫度循環(huán)試驗、濕度循環(huán)試驗、溫度與濕度同步循環(huán)試驗，研究砂巖在季節(jié)性變化氣候中的風(fēng)化速度，得到如下結(jié)論:

(1)砂巖風(fēng)化速度隨溫度升高加快，常溫下單一溫度循環(huán)變化對風(fēng)化速度的影響緩慢；

(2)常溫下濕度的循環(huán)變化對巖石風(fēng)化速度不產(chǎn)生影響。100℃以上的高溫濕度循環(huán)條件下砂巖風(fēng)化速度較快，水分對循環(huán)濕度有明顯影響，是加速巖樣劣化的重要因素，且砂巖對濕度的敏感性較強；

(3)溫度與濕度共同循環(huán)作用下，砂巖表現(xiàn)出一定的風(fēng)化現(xiàn)象。反映了在一年內(nèi)，隨著季節(jié)性溫度的變化，砂巖存在一定程度的風(fēng)化變化，但在隨后年復(fù)一年相同的氣候變化中，砂巖的風(fēng)化程度不再發(fā)生變化，隨著時間的推移風(fēng)化程度反而變得更為穩(wěn)定，并更具規(guī)律性。

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