水化環(huán)境下砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究

張賢文

(益陽(yáng)市交通規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

水化環(huán)境下砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)研究

張賢文

(益陽(yáng)市交通規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南 益陽(yáng) 413000)

將四川高海拔地區(qū)的砂巖巖樣置于不同的水化環(huán)境下進(jìn)行飽水試驗(yàn)，然后進(jìn)行凍融循環(huán)，測(cè)定不同凍融循環(huán)次數(shù)下的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖在經(jīng)過(guò)2次凍融循環(huán)之后，巖樣的質(zhì)量均會(huì)增加；第3次凍融循環(huán)之后，所有的巖樣質(zhì)量均下降，隨著后面的凍融循環(huán)次數(shù)的增加，中性條件下巖樣其質(zhì)量逐漸趨于穩(wěn)定，而堿性越強(qiáng)的水化環(huán)境下的巖樣其質(zhì)量會(huì)逐漸增加。單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果表明，同種水化環(huán)境下巖樣其損傷因子和彈性階段的彈性模量會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而變大，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，堿性越強(qiáng)的水化環(huán)境下的巖樣其損傷因子和彈性階段的彈性模量會(huì)越大。

巖石力學(xué)；砂巖；水化環(huán)境；凍融循環(huán)；損傷因子；彈性模量

0 引言

在工程中大量使用巖石，在實(shí)際環(huán)境中，巖石會(huì)經(jīng)受不同風(fēng)化作用的影響。影響巖石凍融損傷劣化的影響因素：巖性；巖石的孔隙率、含水量和飽和度；凍融循環(huán)系數(shù)、凍融周期；未凍水、鹽溶液；凍融溫度范圍；應(yīng)力狀態(tài)[1-3]。根據(jù)對(duì)砂巖在凍融循環(huán)條件下所體現(xiàn)的不同性質(zhì)[4]的閱讀和思考，查閱相關(guān)資料，砂巖本身的孔隙率較大，自身可以作為地下水滲透通道，了解到有些高海拔地區(qū)隧道的建設(shè)總是受到極端惡劣氣候的影響，因此在隧道的修建過(guò)程中一定要考慮溫度對(duì)它的影響，要求鋪設(shè)防水層防止地下水的滲透，鋪設(shè)保溫層防止混凝土的冷凝，隨著時(shí)間的變化，保溫層和防水層將會(huì)受到風(fēng)化的影響而發(fā)生破壞，導(dǎo)致地下水滲透到隧道的初支和二襯，因而導(dǎo)致所噴射的混凝土發(fā)生凍融循環(huán)作用，而與初支接觸的砂巖也會(huì)受到凍融循環(huán)的作用。查閱相關(guān)的資料，山區(qū)的地下水普遍呈堿性狀態(tài)，而目前國(guó)內(nèi)外對(duì)砂巖在堿性環(huán)境下的凍融循環(huán)試驗(yàn)還未研究，筆者將進(jìn)行砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)，讓砂巖在堿性環(huán)境下進(jìn)行凍融循環(huán)，試驗(yàn)過(guò)程中稱(chēng)其質(zhì)量，并計(jì)算質(zhì)量損失率，測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，計(jì)算其損傷因子和彈性模量，對(duì)以后的工程建設(shè)進(jìn)行理論指導(dǎo)和分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 巖樣

砂巖巖樣取自四川某山區(qū)，利用取芯機(jī)、切割機(jī)和磨芯機(jī)將其加工成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體標(biāo)準(zhǔn)試樣。巖樣較為完整，共45個(gè)。

砂巖是一種沉積巖，主要由砂粒膠結(jié)而成的，其中砂粒含量要大于50%。絕大部分砂巖是由石英或長(zhǎng)石組成的。本實(shí)驗(yàn)所取砂巖巖樣干密度為2.37，飽和密度為2.44，天然含水率為0.013%。

試驗(yàn)將巖樣分為15組，每組3個(gè)，巖樣均為飽水試樣。

1.2 試驗(yàn)儀器

1)切石機(jī)、鉆石機(jī)及磨石機(jī)等巖石試件加工設(shè)備;

2)冰箱:溫度能控制在-15～-20 ℃;

3)天平:精確度0.01 g，稱(chēng)量大于500 g;

4)放大鏡;

5)烘箱:能使溫度控制在40～45 ℃。

1.3 試驗(yàn)步驟與方法

1)制備試件，對(duì)加工后的巖樣進(jìn)行初次篩選，對(duì)篩選后的巖樣記錄其名稱(chēng)、顏色、礦物成分、顆粒大小、風(fēng)化蝕變、裂隙分布等特征，并稱(chēng)其質(zhì)量。

2)取45個(gè)試樣放入溫度為40 ℃±5 ℃的烘箱內(nèi)烘至恒量，烘干時(shí)間一般為24 h，取出置于干燥器內(nèi)冷卻至室溫(20 ℃±2 ℃)，然后對(duì)所有巖樣進(jìn)行外觀(guān)、質(zhì)量、幾何尺寸的檢測(cè)。

3)取15個(gè)巖樣置于pH=9的氫氧化鈣溶液中飽水，取15個(gè)巖樣置于濃度為pH=12的氫氧化鈣溶液中飽水，另取15個(gè)巖樣置于蒸餾水中飽水。

4)先分別各取出3種水化環(huán)境下的飽水巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。

5)凍融循環(huán)試驗(yàn)：對(duì)所有飽水巖樣進(jìn)行循環(huán)凍融。將飽水試件放置于白鐵皮盒內(nèi)的鐵絲架中，一起放置于低溫冰箱，在-20 ℃±2 ℃溫度下凍4 h，然后取出白鐵皮盒，往盒內(nèi)注對(duì)應(yīng)的溶液浸沒(méi)試件，水溫應(yīng)保持在20 ℃±2 ℃，溶解4 h，即為一個(gè)循環(huán)。

6)根據(jù)巖石規(guī)范要求，對(duì)巖石的凍融循環(huán)次數(shù)以20次為宜。

7)當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)分別為5、10、15、20次時(shí)各取出3個(gè)置于不同水化環(huán)境下的巖樣進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

8)試驗(yàn)過(guò)程參照公路巖石試驗(yàn)規(guī)程[5]。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量變化

對(duì)巖樣在凍融循環(huán)過(guò)程中的質(zhì)量進(jìn)行分析，能夠有效地幫助了解巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。在試驗(yàn)過(guò)程中，巖樣在水中溶解4 h之后，將巖樣表層的水擦拭干凈，然后稱(chēng)其質(zhì)量，得到各砂巖巖樣凍融后的質(zhì)量變化如圖1所示。

圖1 凍融后砂巖巖樣的質(zhì)量變化

圖1表明，砂巖在不同的pH值的水化環(huán)境下飽水，經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)作用后，其質(zhì)量變化會(huì)發(fā)生差異。所有的巖樣在經(jīng)過(guò)第1次和第2次凍融循環(huán)后，其質(zhì)量均會(huì)增加。飽水巖樣在經(jīng)過(guò)第1次凍融循環(huán)后，其內(nèi)部的孔隙水會(huì)凍結(jié)使得巖樣的孔隙增大，巖樣會(huì)發(fā)生膨脹，第2次凍融循環(huán)后，巖樣的內(nèi)部孔隙進(jìn)一步增大，使得凍融循環(huán)后的巖樣質(zhì)量進(jìn)一步增加。

圖1反映出pH=7的水化環(huán)境下的飽水巖樣在第3次凍融循環(huán)后其巖樣質(zhì)量會(huì)大幅減少，后面會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定；pH=9的水化環(huán)境下的飽水巖樣在第3次凍融循環(huán)后其質(zhì)量會(huì)小幅減少后逐漸趨于穩(wěn)定；pH=12的水化環(huán)境下的飽水巖樣在第3次凍融循環(huán)后其巖樣質(zhì)量小幅減少，后隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其質(zhì)量逐漸增加。

通過(guò)巖樣質(zhì)量結(jié)果表明，在前2次的凍融循環(huán)之后，巖樣內(nèi)部的孔隙逐漸變大，巖樣的質(zhì)量會(huì)逐漸增加，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，堿性環(huán)境會(huì)對(duì)砂巖產(chǎn)生水化作用，消石灰與水作用的碳酸鈣會(huì)進(jìn)入砂巖孔隙，使得砂巖的質(zhì)量增加。

2.2 基于應(yīng)變等價(jià)性假設(shè)的巖石損傷模型

J.Lemaitre(1971)提出了應(yīng)變等價(jià)性假說(shuō)[6]。該假說(shuō)提出的依據(jù)是，既能考慮損傷因素，又不希望材料的本構(gòu)方程過(guò)于復(fù)雜。其核心假定是認(rèn)為宏觀(guān)應(yīng)力作用在損傷材料上引起的應(yīng)變與有效應(yīng)力作用在無(wú)損材料上引起的應(yīng)變相等，即：

ε′=ε

若定義損傷因子D為損傷部分材料與整體材料的體積比，那么作用在損傷材料上的有效應(yīng)力產(chǎn)生的有效應(yīng)變?yōu)棣拧?，那么?

σ′/(1-D)=Eε′

E=σ/ε

式中：σ為巖樣未進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，軸向位移為0.7 mm時(shí)的應(yīng)力，MPa；ε為巖樣未進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，軸向位移為0.7 mm時(shí)的應(yīng)變，mm；σ′為巖樣進(jìn)行凍融循環(huán)次數(shù)分別為5次、10次、15次、20次后，其軸向位移為0.7 mm時(shí)的應(yīng)力，MPa；ε′為巖樣未進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，軸向位移為0.7 mm時(shí)的應(yīng)變，mm；E為巖樣未進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，軸向位移為0.7 mm時(shí)的割線(xiàn)彈性模量，MPa/mm。

因?yàn)樯皫r巖樣在軸向位移為0.2～0.7 mm時(shí)，其屬于彈性變形階段，因此取軸向位移為0.7 mm時(shí)的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行研究，得到結(jié)果如表1、圖2所示。

表1 凍融循環(huán)后砂巖巖樣的損傷因子變化

圖2 凍融循環(huán)后砂巖巖樣的損傷因子變化

根據(jù)表1中結(jié)果顯示，pH=7的水化環(huán)境下的飽水砂巖巖樣在凍融循環(huán)后其損失因子逐漸變大，在15次凍融循環(huán)后其損失因子逐漸趨于穩(wěn)定；pH=9的水化環(huán)境下的砂巖巖樣在凍融循環(huán)后損失因子逐漸增大，在15次凍融循環(huán)后其損失因子逐漸趨于穩(wěn)定；pH=12的水化環(huán)境下的飽水砂巖巖樣在5次凍融循環(huán)后其損失因子基本不變。

根據(jù)表1中結(jié)果顯示，堿性環(huán)境越強(qiáng)的水化環(huán)境下的砂巖巖樣，其損失因子越快趨于穩(wěn)定。所以巖樣在凍融循環(huán)之后其損失因子會(huì)趨于穩(wěn)定，堿性環(huán)境越強(qiáng)的水化環(huán)境下的砂巖巖樣其損失因子越大。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，對(duì)于凍融循環(huán)后砂巖巖樣的損傷因子變化建立多元回歸模型，利用matlab進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得到回歸模型為：

y=0.023 9+2.836 7x1+0.008 1x2

式中：y為砂巖巖樣的損傷因子；x1為砂巖所處的水化環(huán)境的氫氧根離子濃度；x2為砂巖的凍融循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)結(jié)果顯示，得到模型的可決系數(shù)R2=0.549 4，統(tǒng)計(jì)量F=5.485 9，p=0.027 7<0.05(置信區(qū)間為95%)，因此，建立的回歸模型有意義[7]。

2.3 單軸壓縮試驗(yàn)的變形參數(shù)

研究巖石變形的最普通的方法是單軸壓縮試驗(yàn)。巖樣大多采用的是圓柱形(直徑5 cm，高度10 cm)，使用壓力機(jī)對(duì)巖樣進(jìn)行加壓，然后在各級(jí)軸向壓力下記錄巖樣的軸向應(yīng)變和側(cè)向應(yīng)變。

根據(jù)單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的各巖樣的抗壓強(qiáng)度，分析其在彈性階段的彈性模量，在巖樣的單軸抗壓試驗(yàn)過(guò)程中，取軸向位移為0.2～0.8 mm為彈性階段，計(jì)算其彈性階段的彈性模量:

E=(σ0.8-σ0.2)/(ε0.8-ε0.2)

得到計(jì)算結(jié)果如表2、圖3。

表2 凍融循環(huán)后巖樣的彈性模量變化

圖3 凍融循環(huán)后巖樣的彈性模量變化

根據(jù)表2的結(jié)果可以得到，飽水砂巖巖樣經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，其飽水的堿性環(huán)境越大，彈性模量越大；水化環(huán)境相同時(shí)，飽水砂巖巖樣會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加其彈性模量會(huì)減小。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，對(duì)于凍融循環(huán)后砂巖巖樣的損傷因子變化建立多元回歸模型，利用matlab進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，得到回歸模型為：

y=(7.765 0×1010)+(1.076 6×1012)x1-(4.132 4×108)x2

式中：y為砂巖巖樣彈性階段的彈性模量；x1為砂巖所處的水化環(huán)境的氫氧根離子濃度；x2為砂巖的凍融循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)結(jié)果顯示，得到模型的可決系數(shù)R2=0.885 6，統(tǒng)計(jì)量F=46.451 9，p=2.24×10-6<0.05(置信區(qū)間為95%)，因此，建立的回歸模型有意義[7]。

3 結(jié)論

1)砂巖巖樣的質(zhì)量變化在前2次凍融循環(huán)之后其質(zhì)量均增長(zhǎng)，第3次凍融循環(huán)之后所有的巖樣質(zhì)量均減少；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，pH=7的水化環(huán)境下的飽水砂巖在第3次凍融循環(huán)之后其質(zhì)量急劇下降后逐漸趨于穩(wěn)定，pH=12的水化環(huán)境下的飽水砂巖巖樣的質(zhì)量會(huì)逐漸增加并超過(guò)第3次凍融循環(huán)之后砂巖巖樣的質(zhì)量，而pH=9的砂巖巖樣其質(zhì)量變化位于上面兩者之間。

2)同種水化環(huán)境下的飽水砂巖巖樣隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其損傷因子D會(huì)隨之減小；凍融循環(huán)次數(shù)相同的飽水砂巖巖樣其損傷因子會(huì)因水化環(huán)境的不同而發(fā)生變化，堿性越強(qiáng)，其損傷因子越大。

3)同種水化環(huán)境下的飽水砂巖巖樣其彈性階段的彈性模量會(huì)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減??；凍融循環(huán)次數(shù)相同時(shí)，彈性階段的彈性模量會(huì)隨著水化環(huán)境的不同而發(fā)生變化，砂巖所處的堿性越強(qiáng)，其彈性階段的彈性模量會(huì)越大。

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