砂巖與花崗巖在凍融循環(huán)和化學(xué)腐蝕下力學(xué)性能及斷裂韌度變化的對(duì)比

印宇澄， 陳有亮， 孟祥瑞

(上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院， 上海 200093)

1 研究背景

隨著寒冷地區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的深入，巖石在實(shí)際工程中往往容易受到凍融循環(huán)、荷載作用等因素的影響，研究?jī)鋈谘h(huán)作用下加載巖石的損傷力學(xué)性質(zhì)對(duì)寒區(qū)工程建設(shè)具有重要意義。凍融循環(huán)系指材料遭到外界環(huán)境圍繞冰點(diǎn)溫度一次或多次因升降而產(chǎn)生的內(nèi)部?jī)鼋Y(jié)、融化交替現(xiàn)象，是寒區(qū)最為常見(jiàn)的現(xiàn)象，也嚴(yán)重影響著寒區(qū)工程安全與穩(wěn)定性。另一方面由于城市較大的人口密度、發(fā)達(dá)的輕、重工業(yè)和水陸運(yùn)輸，且工業(yè)、民用燃料以石油、煤炭為主，造成大量化石燃料燃燒產(chǎn)生的廢氣被排入大氣，給酸雨的產(chǎn)生奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。因而對(duì)酸性溶液溶蝕及凍融循環(huán)作用下巖石的力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)和研究，對(duì)于在酸雨影響下我國(guó)寒區(qū)的巖石、采礦和邊坡等工程建設(shè)有著重要的理論和實(shí)用價(jià)值。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石的化學(xué)腐蝕及凍融損傷分別開(kāi)展了細(xì)致的研究。Li等[2]利用核磁共振技術(shù)研究了礦山巖石凍融破壞機(jī)理和凍融破壞演變規(guī)律。揭示了巖石在凍融循環(huán)過(guò)程中的損傷特征，為凍融條件下巖石力學(xué)研究提供了新的思路；Nicholson等[3]繪制的圖形詳細(xì)記錄了10種沉積巖在凍融作用后的弱化模式，表明了控制弱化模式的因素并不僅為巖石裂縫的存在與否，而在于內(nèi)部裂紋、巖石強(qiáng)度和紋理特性的耦合作用；Muneo等[4]基于斷裂力學(xué)理論，分析了單裂紋在凍融循環(huán)中的擴(kuò)展機(jī)理，根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度因子準(zhǔn)則推導(dǎo)了裂隙擴(kuò)展后長(zhǎng)度的表達(dá)式，還根據(jù)裂紋密度與損傷因子的關(guān)系，整合出了非均質(zhì)裂紋巖體凍融破壞的本構(gòu)模型；然而，該模型是基于概率統(tǒng)計(jì)的，不符合微觀條件下的能量守恒定律；徐光苗等[5]對(duì)經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的2種飽和巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，擬合出巖石的單軸壓縮強(qiáng)度、彈性模量分別與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系表達(dá)式，為今后研究巖石凍融損傷及斷裂提供了可靠的依據(jù)；Yamabe等[6]在0℃以下測(cè)定了諸如低溫抗壓強(qiáng)度和楊氏模量的物理性質(zhì)，從圓柱形巖石試塊的凍融試驗(yàn)測(cè)定膨脹系數(shù)。

巖石內(nèi)部存在許多縱橫交錯(cuò)、大小各異的節(jié)理面和裂隙面，其中可能存在水分。在低溫冷凍過(guò)程中，孔隙內(nèi)的水凝固后體積增大，從而對(duì)周圍巖石產(chǎn)生擠壓，進(jìn)一步擴(kuò)大裂紋。在融化過(guò)程中，孔隙內(nèi)的冰會(huì)融化后滲入新產(chǎn)生的裂隙中。反復(fù)凍融循環(huán)后，最終給巖石帶來(lái)嚴(yán)重的疲勞損傷[7]。

陳四利等[8]對(duì)砂巖在不同化學(xué)溶液腐蝕下的單軸壓裂過(guò)程進(jìn)行了觀測(cè)，探討了溶液濃度、pH值和溶質(zhì)種類對(duì)巖石力學(xué)特性的影響，給出了部分砂巖荷載位移變化曲線；喬麗蘋等[9]分析了不同砂巖孔隙率、pH值下微細(xì)觀層次砂巖的水物理化學(xué)損傷機(jī)制，發(fā)現(xiàn)在水流導(dǎo)致的巖石顆粒間膠結(jié)物與碎屑的運(yùn)移和擴(kuò)散，以及離子濃度、pH值等水環(huán)境變化此二者所誘發(fā)的次生空隙是水物理化學(xué)作用影響砂巖力學(xué)性質(zhì)的主要原因；Li等[10]通過(guò)對(duì)砂巖試塊進(jìn)行化學(xué)模擬試驗(yàn)，研究了其中可溶性膠結(jié)材料的損耗和巖石力學(xué)性能退化的化學(xué)機(jī)理，提出了一種描述砂巖腐蝕過(guò)程、巖石變形和強(qiáng)度退化的化學(xué)損傷模型。

然而，化學(xué)浸泡與凍融循環(huán)耦合作用下巖石力學(xué)特性損傷的研究仍然有限。目前關(guān)于該方面的研究主要有以下一些成果：

陳有亮等[11]對(duì)不同種類化學(xué)溶液(水、NaOH和HNO3)處理后的花崗巖進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，得到了花崗巖在化學(xué)腐蝕、凍融循環(huán)和應(yīng)力耦合作用下的力學(xué)性能變化；張牡丹等[12]觀察了不同凍融溫度下花崗巖凍融循環(huán)后的破壞模式，研究發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)溫度不斷降低時(shí)，應(yīng)變存在一個(gè)臨界值，超過(guò)臨界值時(shí)試塊發(fā)生破壞；盛金昌等[13]在理論上描述巖體裂隙在滲流-應(yīng)力-化學(xué)耦合作用下的滲透特性，進(jìn)一步揭示了三者耦合作用機(jī)制；陳衛(wèi)忠等[14]提出以現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)、大量室內(nèi)凍融試驗(yàn)和單軸、三軸壓縮試驗(yàn)為手段，研究了通風(fēng)條件下寒冷區(qū)隧道圍巖凍脹破壞機(jī)理。同時(shí)開(kāi)發(fā)了抗凍、抗裂、抗震且輕質(zhì)、保溫的泡沫混凝土，作為寒區(qū)工程中保溫層和抗震層材料。

綜上所述，在研究單純凍融循環(huán)或化學(xué)腐蝕對(duì)巖石力學(xué)性能影響的領(lǐng)域，已經(jīng)取得了一定的成果，而對(duì)凍融循環(huán)-化學(xué)溶蝕耦合作用下的探究較少。開(kāi)展化學(xué)環(huán)境下巖石凍融損傷的研究有助于深化對(duì)多因素耦合作用下巖石力學(xué)特性和損傷演化機(jī)理的認(rèn)識(shí)，從而更好地為復(fù)雜環(huán)境下寒區(qū)巖石工程的建設(shè)服務(wù)。

2 試驗(yàn)介紹

2.1 試樣制作

砂巖試樣取自貴州省安順市產(chǎn)出的紅砂巖，花崗巖試樣取自山東省日照市。從現(xiàn)場(chǎng)取得巖塊，加工制作成用于單軸壓縮試驗(yàn)的直徑50 mm高度100 mm的圓柱體試塊和用于三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的長(zhǎng)250 mm，寬50 mm，高 50 mm的長(zhǎng)方體試塊，且?guī)в虚L(zhǎng)25 mm，寬3 mm的缺口(試樣初始裂紋)，加工完成的試樣基本尺寸和精度符合《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50266-2013)的標(biāo)準(zhǔn)：(1)試樣兩端面不平整度誤差不得大于0.05 mm；(2)沿試樣高度，直徑的誤差不得大于0.3 mm；(3)斷面應(yīng)垂直于試樣軸線，最大偏差不得大于0.25°。

2.2 試驗(yàn)器材及儀器

選用V-Meter III型超聲脈沖波速測(cè)試儀測(cè)量楊氏模量。凍融循環(huán)試驗(yàn)部分則采用WGD-501型立式空冷凍融試驗(yàn)機(jī)。在單軸壓縮試驗(yàn)中，選用了最大載荷為2 000 kN的西安力創(chuàng)材料試驗(yàn)技術(shù)有限公司出品的剛性微機(jī)伺服三軸壓力試驗(yàn)儀。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)部分選用SANS公司的萬(wàn)能壓力試驗(yàn)儀。對(duì)巖石的微觀結(jié)構(gòu)，選用德國(guó)蔡司公司研發(fā)的SteREO 系列Discovery-V8智能顯微鏡進(jìn)行觀察，其擁有高達(dá)120倍的最大放大倍數(shù)。試驗(yàn)器材及儀器見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)所用器材及儀器

2.3 試驗(yàn)方法

將紅砂巖和花崗巖試塊分組編號(hào)，分別放入pH=3的HCl溶液中、pH=12的NaOH溶液中和pH=7的水中，浸泡90 d。每種溶液中取出兩種巖石圓柱體試塊各5件、長(zhǎng)方體試塊各4件，然后對(duì)其余試塊進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，每個(gè)凍融循環(huán)周期為10 h[15]，每組試塊均進(jìn)行30次凍融循環(huán)，靜置至室溫后，對(duì)其彈性模量進(jìn)行測(cè)試，并用智能顯微鏡對(duì)其表面微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察對(duì)比，然后對(duì)巖石試塊進(jìn)行單軸壓縮和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)。按凍結(jié)溫度分為-20℃、-30℃、-40℃、-50℃ 4個(gè)組別，每個(gè)組別15個(gè)圓柱試塊，12個(gè)長(zhǎng)方體試塊，其中3種化學(xué)溶液下各有5個(gè)圓柱試塊和4個(gè)長(zhǎng)方體試塊。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 彈性模量

取出pH=3的HCl溶液、pH=7的水和pH=12的NaOH溶液浸泡后的巖石試樣進(jìn)行干燥處理，用超聲波脈沖速度測(cè)試儀測(cè)得巖石試樣的彈性模量，并與自然狀態(tài)下巖石試樣的彈性模量進(jìn)行比較，求出不同化學(xué)處理前后巖石試樣的彈性模量損失率。彈性模量損失率=(溶液溶蝕前巖石的彈性模量-溶液溶蝕后巖石的彈性模量)/溶液溶蝕前巖石的彈性模量×100%，測(cè)試與計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 化學(xué)溶液溶蝕后砂巖及花崗巖彈性模量損失率

由表1可看出，經(jīng)HCl溶液浸泡后的試樣彈性模量損失率最大，NaOH溶液浸泡后的試樣彈性模量損失率次之，而經(jīng)水浸泡后的試樣彈性模量損失微乎其微。說(shuō)明酸性溶液中以氫離子為主的化學(xué)離子與花崗巖內(nèi)部的礦物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致巖石內(nèi)部的礦物質(zhì)流失或減少，巖石內(nèi)部形成較多微小孔洞，使結(jié)構(gòu)造成了一定損傷，從而引起宏觀上巖石試樣的彈性模量的損失。

對(duì)完成化學(xué)溶液溶蝕試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)的巖石試件進(jìn)行彈性模量測(cè)量，得到了花崗巖和砂巖在不同凍融溫度下彈性模量的損失率。其結(jié)果如表2所示。

表2 不同凍融循環(huán)溫度下巖石彈性模量損失率

表2反映了巖石彈性模量的損失率隨凍結(jié)溫度的降低而逐漸增大，其中花崗巖的彈性模量損失率在-20℃～-40℃間隨凍結(jié)溫度的下降大體呈現(xiàn)均勻增大的趨勢(shì)，而在-40℃后以下基本趨于穩(wěn)定；而砂巖的彈性模量損失率隨凍結(jié)溫度變化的幅度逐漸減小。表明凍融溫度的變化對(duì)巖石物理性質(zhì)有很大的影響。

3.2 峰值應(yīng)力

對(duì)不同化學(xué)溶液浸泡后的巖石試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，記錄下HCl溶液、NaOH溶液和水浸泡后花崗巖和砂巖的峰值應(yīng)力，并與未浸泡試樣(自然狀態(tài))進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 峰值應(yīng)力與浸泡溶液的關(guān)系

分析圖2中試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以歸納出巖石試樣在不同化學(xué)溶液中浸泡后的峰值應(yīng)力與自然狀態(tài)相比有不同的趨勢(shì)，其中中性溶液浸泡后出現(xiàn)微小幅度降低、酸性溶液浸泡后峰值應(yīng)力顯著降低、堿性溶液浸泡后出現(xiàn)了提升。

對(duì)經(jīng)溶液溶蝕試驗(yàn)和凍融循環(huán)試驗(yàn)后的花崗巖和砂巖試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，可得不同巖石試件的峰值應(yīng)力，詳見(jiàn)表3。

表3 化學(xué)溶液溶蝕及凍融循環(huán)后花崗巖及砂巖的峰值應(yīng)力σmax MPa

表3表明，巖石峰值應(yīng)力的損失率隨著凍融溫度的降低逐漸增大，其中HCl溶液浸泡后的花崗巖試樣的峰值應(yīng)力隨凍結(jié)溫度的降低呈現(xiàn)大幅下降，而在-50℃凍融循環(huán)后出現(xiàn)回升，其他溶液浸泡后的巖石試樣的峰值應(yīng)力均隨凍結(jié)溫度的降低大體呈現(xiàn)較為均勻的下降趨勢(shì)。說(shuō)明凍融目標(biāo)溫度的變化對(duì)巖石力學(xué)性能有很大影響。

3.3 凍融系數(shù)

引入凍融系數(shù)表征巖石抵抗凍融破壞的性能。依據(jù)《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》(SL264-2016)，巖石凍融系數(shù)的表達(dá)式如下：

(1)

凍融溫度對(duì)巖石凍融系數(shù)影響明顯，隨著凍融循環(huán)溫度的降低，巖石凍融系數(shù)逐漸減小，歸納發(fā)現(xiàn)巖石的凍融系數(shù)隨著凍融目標(biāo)溫度的降低而減小。

3.4 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

將化學(xué)溶液溶蝕及凍融循環(huán)作用后的巖石試樣在單軸壓縮試驗(yàn)下的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制成圖4、5和6中的曲線。

觀察分析圖4～6中的曲線，化學(xué)溶液溶蝕及凍融循環(huán)作用下巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線大致呈現(xiàn)為4個(gè)具有顯著特征的階段：

第1階段，巖石的壓密階段。此階段曲線形狀較短，呈現(xiàn)上凹形狀，隨著應(yīng)力變大，應(yīng)變迅速增加，巖石變形較大，但是試驗(yàn)過(guò)程中此階段時(shí)間較短。這一階段存在的原因主要是砂巖和花崗巖自身內(nèi)部天然存在的微小裂縫以及化學(xué)溶液溶蝕和凍融耦合作用造成的裂縫，因外力作用而引起閉合，增強(qiáng)了巖石強(qiáng)度，導(dǎo)致此階段曲線的產(chǎn)生。除去巖石本身離散性的影響，一般酸性溶液浸泡后，凍融循環(huán)溫度越低，砂巖和花崗巖壓密階段的曲線也就越明顯。這一現(xiàn)象表明隨著凍融循環(huán)溫度的降低，凍融試驗(yàn)給巖石試樣帶來(lái)的初始損傷越嚴(yán)重，原因是增加了巖石內(nèi)部的微裂縫。HCl溶液浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現(xiàn)增長(zhǎng)，砂巖所受影響更為顯著；而水浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現(xiàn)縮短，砂巖所受影響更為明顯。同時(shí)該段曲線長(zhǎng)度還隨凍結(jié)溫度的降低而增長(zhǎng)，NaOH溶液浸泡后的花崗巖試樣所受影響最為顯著。

第2階段，巖石的彈性階段。此階段曲線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，大致呈直線狀，該段曲線斜率幾乎不變，應(yīng)變隨應(yīng)力的增長(zhǎng)呈線性規(guī)律。近似認(rèn)為此段曲線的斜率是巖石試樣的平均切線彈性模量。由圖4～6可見(jiàn)，在化學(xué)溶液浸泡下，隨著凍融循環(huán)溫度的降低，此段曲線斜率(即平均切線彈性模量)呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。這說(shuō)明了化學(xué)溶液和凍融循環(huán)的耦合作用對(duì)砂巖和花崗巖的彈性階段產(chǎn)生了影響。NaOH溶液浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現(xiàn)增長(zhǎng)，同時(shí)較自然狀態(tài)而言變得更陡，反映為NaOH溶液對(duì)巖石彈性模量和峰值應(yīng)力的修復(fù)作用，而效果隨著凍結(jié)溫度的降低逐漸減弱；而HCl浸泡后的砂巖和花崗巖試樣的該階段曲線均出現(xiàn)縮短，同時(shí)該段曲線長(zhǎng)度還隨凍結(jié)溫度的降低而增長(zhǎng)，其中砂巖試樣所受影響更為顯著。

第3階段，巖石塑性屈服階段。此階段曲線長(zhǎng)度最短，不明顯可見(jiàn)，呈凸起狀，應(yīng)力-應(yīng)變曲線從由快變慢的增長(zhǎng)轉(zhuǎn)為減小，在應(yīng)力到達(dá)峰值后迅速下落，應(yīng)變?cè)黾虞^快出現(xiàn)少量塑性變形。

第4階段，巖石破壞后階段。巖石內(nèi)部應(yīng)力到達(dá)峰值后，應(yīng)變急速增大，應(yīng)力迅速降低，原因是內(nèi)部裂紋的迅速擴(kuò)展貫通，對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致試樣迅速炸裂開(kāi)來(lái)。

圖3 不同化學(xué)溶液浸泡后巖樣的凍融系數(shù)與凍融溫度之間的關(guān)系

圖4 酸性溶液(HCL)浸泡下砂巖和花崗巖不同凍結(jié)溫度凍融循環(huán)后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5 堿性溶液(NaOH)浸泡下砂巖和花崗巖不同凍結(jié)溫度凍融循環(huán)后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖6 水浸泡下砂巖和花崗巖不同凍結(jié)溫度凍融循環(huán)后應(yīng)力-應(yīng)變曲線

3.5 巖石表面顯微結(jié)構(gòu)

為了展開(kāi)對(duì)不同化學(xué)溶液溶蝕和不同凍融溫度處理后的巖石試樣表面微觀結(jié)構(gòu)的觀察，從而更細(xì)致地從微觀角度分析化學(xué)溶液溶蝕機(jī)理和凍融損傷機(jī)理，采用智能立體顯微鏡觀察化學(xué)溶液溶蝕和凍融循環(huán)耦合作用后的巖石試樣表面。調(diào)試好顯微鏡放大倍數(shù)(30倍)等參數(shù)后，拍攝巖石試件表面的放大照片,如圖7、8所示。

圖7 不同化學(xué)溶液浸泡及不同凍融溫度循環(huán)后花崗巖表面顯微結(jié)構(gòu)

圖8 不同化學(xué)溶液浸泡及不同凍融溫度循環(huán)后砂巖表面顯微結(jié)構(gòu)

圖7、8表明，經(jīng)不同化學(xué)溶液浸泡后，巖石試樣表面都出現(xiàn)了不同程度的孔洞式損傷。在常溫狀態(tài)下，巖石試樣表面只有較少的孔洞，即巖石初始損傷很?。辉谡麴s水中浸泡60 d后的巖石試樣表面較未經(jīng)過(guò)浸泡的巖石試樣的孔洞有少量增加，即水浸泡對(duì)巖石試樣造成的損傷較??；而經(jīng)過(guò)酸性溶液浸泡后的巖石試樣，其表面的孔洞明顯增多、變大，且隨著凍融溫度的降低，孔洞的數(shù)量和尺寸都在增大。這說(shuō)明酸性溶液溶蝕和凍融循環(huán)的耦合作用對(duì)巖石試樣造成的損傷很明顯，且凍融溫度越低，巖石試樣產(chǎn)生的損傷也越大。這一試驗(yàn)結(jié)果與之前所述酸性溶液溶蝕對(duì)巖石宏觀力學(xué)特性的影響規(guī)律符合。同時(shí)，隨著凍融循環(huán)溫度的降低，巖石表面孔洞的數(shù)量變多、尺寸變大，這說(shuō)明凍融循環(huán)溫度越低，造成的凍融損傷越嚴(yán)重。

3.6 巖石Ⅰ型斷裂韌度分析

巖石的斷裂韌度作為衡量巖石抵抗其自身裂紋發(fā)展的能力的重要力學(xué)指標(biāo)之一，對(duì)巖體工程和邊坡工程的穩(wěn)定性而言至關(guān)重要。對(duì)于含裂紋的材料，其應(yīng)力強(qiáng)度因子的臨界值即為材料的斷裂韌度。在特定的溫度環(huán)境和加載速率下，斷裂韌度可視為材料的一項(xiàng)固有性質(zhì)。

本文采用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量巖石的斷裂韌度，制作砂巖和花崗巖試樣時(shí)預(yù)留缺口作為初始裂紋，三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)時(shí)，該處產(chǎn)生的拉應(yīng)力垂直于裂紋面，所以將其近似按照Ⅰ型裂紋考慮，三點(diǎn)彎曲斷裂韌度按ASTM公式計(jì)算：

(2)

式中：KIC為巖石試樣的斷裂韌度，MPa·mm0.5，Pmax為加載在巖石上的最大荷載，N；d為底部?jī)芍ёg的距離，即試樣的跨度，mm；b為長(zhǎng)方體試樣的厚度，mm；h為長(zhǎng)方體試樣的高度，mm；a為預(yù)制裂縫長(zhǎng)度，mm。

將三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)直接測(cè)得的加載在巖石試樣上的最大荷載Pmax以及砂巖和花崗巖試樣的尺寸參數(shù)d、h、a、b一同代入公式(4)中，計(jì)算出不同凍融循環(huán)溫度下砂巖和花崗巖試樣的Ⅰ型斷裂韌度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 斷裂韌度與凍結(jié)溫度之間的關(guān)系

計(jì)算結(jié)果表明，砂巖和花崗巖的斷裂韌度損失率均隨著凍融循環(huán)溫度的降低而加大，即對(duì)巖石造成的損傷越嚴(yán)重。根據(jù)圖9中的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，得出砂巖和花崗巖的斷裂韌度與凍融循環(huán)溫度之間呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系。

花崗巖斷裂韌度KIC(MPa·mm0.5)與凍結(jié)溫度T(℃)的擬合關(guān)系式為：

KIC=-0.0158T2+0.2066T+60.076

(3)

R2=0.987

砂巖斷裂韌度KIC(MPa·mm0.5)與凍結(jié)溫度T(℃)的擬合關(guān)系式為：

KIC=-0.0006T2+0.0562T+21.721

(4)

R2=0.9944

4 化學(xué)溶蝕及凍融損傷機(jī)理分析

觀察試驗(yàn)結(jié)果不難看出，砂巖和花崗巖的彈性模量和峰值應(yīng)力因?yàn)榛瘜W(xué)溶液浸泡和凍融循環(huán)耦合作用受到了影響。巖石本身含有的大量礦物成分可以和化學(xué)溶液中的溶質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)物易溶于溶液的物質(zhì)，使巖石礦物流失，導(dǎo)致巖石內(nèi)部出現(xiàn)孔隙和損傷。在不同溶液中巖石的化學(xué)反應(yīng)程度不盡相同。巖石內(nèi)部主要礦物成分與水發(fā)生反應(yīng)的機(jī)理如下：石英與水反應(yīng)生成少量H4SiO4，同時(shí)少量金屬離子流失，反映在圖2中為砂巖和花崗巖峰值應(yīng)力的小幅度降低；浸泡在HCl溶液中的巖石，一方面會(huì)與大量H+反應(yīng)，產(chǎn)物包含金屬陽(yáng)離子，例如紅砂巖含有較多的Fe2O3，和H+反應(yīng)生成Fe3+，其大量進(jìn)入溶液，破壞了巖石的力學(xué)性能，是彈性模量和峰值應(yīng)力降低的主要原因；另一方面HCl溶液與砂巖和花崗巖化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物多以離子的狀態(tài)存在于溶液中，巖石內(nèi)部礦物質(zhì)流失，孔隙增多，裂紋加大，導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)疏松，最終在宏觀上表現(xiàn)為圖2和表1中砂巖和花崗巖峰值應(yīng)力和彈性模量較自然狀態(tài)下有顯著降低。而浸泡在NaOH溶液中的砂巖與花崗巖由于和堿性溶液反應(yīng)產(chǎn)生一定量的硅酸鹽，填補(bǔ)進(jìn)巖石本身的裂隙和天然裂縫，形成了一定的補(bǔ)強(qiáng)加固作用，從而在宏觀上表現(xiàn)為本試驗(yàn)圖2中砂巖和花崗巖峰值應(yīng)力的增大。

同時(shí)，巖石的力學(xué)性質(zhì)也受離子遷移的影響，巖石中含有石英、非黏土礦物和黏土礦物等酸不溶物，堿溶液中的OH-離子優(yōu)先通過(guò)酸不溶物較富集的部分進(jìn)入巖石內(nèi)部，因?yàn)樗岵蝗芪锓植嫉倪B續(xù)性有利于OH-離子的遷移[16]。巖石的粒徑通常遠(yuǎn)大于酸不溶物的粒徑，由于礦物粒徑越小，越容易在孔隙中產(chǎn)生更強(qiáng)的毛細(xì)孔作用，從而導(dǎo)致溶液中的離子在巖石孔隙中遷移速度的加快[17]。巖石浸泡溶液中的離子遷移保證和促進(jìn)了化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生，從而導(dǎo)致巖石內(nèi)部礦物成分逐漸溶解于化學(xué)溶液，進(jìn)而導(dǎo)致巖石內(nèi)部孔隙和裂紋的增多和擴(kuò)大，在宏觀上則表現(xiàn)為本實(shí)驗(yàn)表1和圖2中砂巖和花崗巖峰值應(yīng)力和彈性模量等力學(xué)性能不同程度的降低。

巖石材料是由多相介質(zhì)構(gòu)成的，由于其內(nèi)部多相介質(zhì)具有不同的熱物理性能，所以凍融循環(huán)作用給巖石帶來(lái)了損傷，而此時(shí)化學(xué)溶液的參與會(huì)進(jìn)一步影響巖石的力學(xué)性能。巖石內(nèi)部某些膠結(jié)強(qiáng)度較低的礦物顆粒會(huì)在凍脹力的作用下發(fā)生顯著的破壞，最終導(dǎo)致巖石內(nèi)部局部損傷的出現(xiàn)，而在融蝕的過(guò)程中，化學(xué)溶液會(huì)隨著溫度的提升更容易地滲入巖石的內(nèi)部，與礦物充分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)也促進(jìn)了化學(xué)溶液溶蝕過(guò)程中的離子遷移作用，隨著這種凍融循環(huán)過(guò)程的往復(fù)進(jìn)行，巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)不斷受到化學(xué)溶液和凍融循環(huán)共同作用的影響，這種影響加重了巖石的凍融損傷，宏觀上表現(xiàn)為砂巖和花崗巖的抗壓強(qiáng)度的降低和力學(xué)特性的削弱。

5 結(jié) 論

(1)經(jīng)化學(xué)溶液浸泡后，砂巖和花崗巖兩種巖石試樣的受影響程度不同，凍融循環(huán)后巖石試樣的彈性模量出現(xiàn)不同程度的降低，其中砂巖受凍結(jié)溫度的影響相較花崗巖而言更顯著。

(2)巖樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線的壓密階段長(zhǎng)度隨著凍結(jié)溫度的降低而增長(zhǎng)，凍融循環(huán)后的花崗巖和砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)溫度的降低而降低?；◢弾r和砂巖的凍融系數(shù)隨著凍結(jié)溫度的降低而降低。

(3)化學(xué)溶蝕和凍融循環(huán)的耦合作用會(huì)使得巖石的力學(xué)特性發(fā)生顯著變化， HCl在凍融循環(huán)中促進(jìn)兩種巖石的損傷，而NaOH溶液對(duì)兩種巖石造成的損傷有一定程度的抑制作用，兩種巖石的斷裂韌度與凍融循環(huán)溫度之間呈現(xiàn)二次函數(shù)的關(guān)系。

(4)經(jīng)不同化學(xué)溶液溶蝕后，砂巖和花崗巖試件表面均出現(xiàn)了不同程度的孔洞，并且隨著凍融循環(huán)溫度的降低，巖石表面孔洞的尺寸變大、數(shù)量增多。