基于MDE方法的巖石耐久性研究

韓 意, 張 偉, 葉 煥

(安徽科技學(xué)院 建筑學(xué)院, 安徽 蚌埠 233030)

巖石在市政工程、房建工程、水利工程、水運工程中的應(yīng)用都比較廣泛，其耐久性與環(huán)境有很大關(guān)系。因此，在不了解現(xiàn)場環(huán)境條件和設(shè)計應(yīng)用情況下，僅憑巖石強度試驗結(jié)果并不能較好地確定巖石材料是否適合當(dāng)前工程。而國內(nèi)外對于巖石自身耐久性的研究較多，但忽略了服役環(huán)境對巖石耐久性的影響。因此很多設(shè)計者是通過保守尺寸設(shè)計、較高頻次的維護等方法解決巖石耐久性不足等問題，這不可避免的增加了工程成本，造成一定程度的資源浪費。李博文等[1]提出一種適用于玄武巖的凍融耐久性模型，認(rèn)為巖石凍融耐久性評價指標(biāo)可以選取玄武巖的凍融系數(shù)、強度等參數(shù)。吳琦等[2]指出不同熱循環(huán)作用下，大理巖會隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，物理力學(xué)性能不斷劣化。侯志強等[3]提出大理巖三軸疲勞-卸圍壓模型，為大理巖的地下工程疲勞活動規(guī)律模型提供借鑒。ANTOLIK等[4]介紹了作為混凝土填充骨料的花崗巖的硅堿反應(yīng)性對路面耐久性的影響。GRATCHEV等[5]在實驗室干濕循環(huán)作用下和數(shù)年自然風(fēng)化條件下，對巖石物理力學(xué)性能的變化進行對比，為實驗室類似巖石試驗提供實際參考。幸雪松等[6]介紹了巖石壓縮過程中的軟化行為。

文中提到的巖石是指直接運用于工程中的單體材料，其耐久性的影響因素一般包括材料本身性質(zhì)及其服役環(huán)境[7]。巖石的耐久性是通過在工程使用過程中巖石性能變化所導(dǎo)致的巖石材料質(zhì)量損失率(如平均質(zhì)量的減少)來間接量化的。這也意味著，即使是劣質(zhì)巖石材料，在溫和的外界環(huán)境中，由于退化力較小，也可以認(rèn)為巖石的耐久性較好。巖石強度損耗過程大致可分為磨損、斷裂和普遍崩解。ESCARAMEIA[8]認(rèn)為對于海岸工程來說，水位變動區(qū)是最容易受到物理化學(xué)影響的區(qū)域，巖石主要受到凍融、鹽結(jié)晶、干濕、溫度循環(huán)等風(fēng)化作用；對于永久淹沒的水下區(qū)巖石，上述環(huán)境侵蝕可以忽略不計；對于遠離水域的市政工程，巖石主要受溫度變化、干濕交替等風(fēng)化作用影響。

1 MDE方法介紹

文章提供了巖石耐久性的系統(tǒng)預(yù)測方法，主要是通過在特定環(huán)境下，巖石質(zhì)量損失率來衡量巖石性質(zhì)的變化。實際工程中，巖石的質(zhì)量損失可能在經(jīng)過長時間的休眠潛伏期后，偶然發(fā)生局部或大部分結(jié)構(gòu)質(zhì)量損失，巖石質(zhì)量損失相對快速，如凍融、氧化引起的爆炸等。為了便于研究，文中涉及的巖石耐久性預(yù)測模型基于以下假設(shè)：巖石使用壽命期內(nèi)質(zhì)量變化遵循漸進形式，也就是質(zhì)量損失發(fā)生相對連續(xù)，呈現(xiàn)持續(xù)減速的退化趨勢。

最初的巖石耐久性模型是基于實驗室?guī)r石磨損試驗的測試結(jié)果得到的，是在恒定的研磨環(huán)境下，用分?jǐn)?shù)圖表示剩余質(zhì)量占初始質(zhì)量的比例與實驗室研磨時間的關(guān)系，圖線的梯度稱為耐磨指數(shù)，表示單位時間變化導(dǎo)致巖石的質(zhì)量損失率。熊銳等[9]采用洛杉磯磨耗試驗研究了幾類巖石的磨耗損失率及形態(tài)特征變化規(guī)律，并提出提高路面抗滑性能的方法。成全喜[10]、翟鵬程[11]對比介紹了評價石料耐磨性能的幾種磨損試驗方法，并對結(jié)果進行了比較。UMAR等[12]將洛杉磯磨損試驗運用于混凝土的耐磨實驗中。后期經(jīng)過不斷修訂，ESCARAMEIA設(shè)計出基于Micro-Deval(又稱微型狄法爾磨耗試驗)的巖石耐久性模型被稱為MDE模型，此模型類似于標(biāo)準(zhǔn)磨損試驗，與耐磨指數(shù)高度相關(guān)[8]。MDE模型中使用的Micro-Deval方法最初僅適用于判斷研磨前后巖石性質(zhì)的變化，即研磨前后巖石抗滑性能的變化。為了將該模型應(yīng)用于其他性能的檢測中，根據(jù)研究人員的經(jīng)驗，對所有影響巖石耐久性的因素進行了半定量評價，得出MDE模型[12]。

首先，根據(jù)Micro-Deval測試方法，得到MDE值。然后，使用式(1)將MDE值轉(zhuǎn)換為巖石耐久性指數(shù)ks值，為

ks=4.12×10-5MDE1.485

(1)

式中：MDE值由Micro-Deval試驗測得，是一個無量綱的量，主要和巖石初始研磨質(zhì)量以及研磨后篩余質(zhì)量有關(guān)；ks為巖石耐久性指數(shù)。

圖1 巖石耐久性分類圖Fig.1 The figure of rock durability classification

使用式(2)可繪制剩余質(zhì)量比(m/m0)與時間(t)的關(guān)系曲線，此線稱為巖石耐磨曲線。并將巖石耐磨曲線與耐磨分類圖(圖1)進行比較，根據(jù)巖石耐磨曲線位于的區(qū)域，確定巖石性質(zhì)。

m/m0= 0.05exp(-30kst)+0.95exp(-kst)

(2)

式中：m0為巖石初始質(zhì)量；m為研磨后過1.6 mm篩孔的剩余質(zhì)量；t為研磨時間，是一個無量綱的量，每研磨1 000轉(zhuǎn)為單位1。

使用式(3)計算等效磨損時間因子X

X=X1·X2·X3·X4·X5·X6·X7·X8·X9

(3)

式中X1,X2, …,X9為巖石性質(zhì)參數(shù)。

表1 參數(shù)X2，X3，X4，X5取值

巖石性質(zhì)參數(shù)X1,X2, …,X9是根據(jù)巖石性質(zhì)所確定的數(shù)值，參數(shù)X1稱為尺寸效應(yīng)，按照式(4)進行求解，其余參數(shù)按照表1～表5量化求得，具有一定的經(jīng)驗性。

X1=0.5×(m50)1/3

(4)

式中m50為中值質(zhì)量。

根據(jù)研究，使用氣象氣候風(fēng)化強度(MCWI)因子替換巖石性質(zhì)參數(shù)X7，更加強調(diào)工程服役環(huán)境對巖石耐久性能的影響[8]，MCWI具體計算方法見式(5)。表1～表5中其他參數(shù)含義：m85為石料級配曲線上小于此質(zhì)量的石料質(zhì)量占比為85%；m15為石料級配曲線上小于此質(zhì)量的石料質(zhì)量占比為15%；Hs為有效波高；Im50為m50的下降比例；WA為吸水率；Dn50為中值粒徑。

MCWI=(a/b)×(d/365)×(e/c)×((g/f)×h)

(5)

式中：a為多年平均(最高波高)與多年平均(最低波高)的差值；b為年平均氣溫；c為最高溫度高于結(jié)冰溫度的平均天數(shù)；d為最高溫度低于結(jié)冰溫度的平均天數(shù)；e為多年極高溫度和極低溫度的差值；f為降水量大于0.25 mm的平均天數(shù)；g為年降水量，cm；h為正常氣溫天數(shù)，基準(zhǔn)溫度為18 ℃。

表2 參數(shù)X6取值

表3 參數(shù)X7取值

表4 參數(shù)X8取值

表5 參數(shù)X9取值

表1～表5中巖石性質(zhì)參數(shù)的定量確定與工程經(jīng)驗有關(guān)，其準(zhǔn)確性可由歷史數(shù)據(jù)及敏感性分析判斷。m50的下降比例Im50可用于量化巖石塊體的完整性，同時其值影響波能參數(shù)X6和移動度參數(shù)X9的量化。

最后量化預(yù)測巖石的使用壽命，使用壽命可以根據(jù)式(6)結(jié)合等效磨損時間因子計算求得

m/m0=0.05exp[-30(ks/X)T] + 0.95exp[(-ks/X)T]

(6)

式中：m/m0為剩余質(zhì)量比例；ks為巖石耐久性指數(shù)；X為等效磨損時間因子；T為設(shè)計年限，a。

2 工程應(yīng)用

法赫德國王大橋護坡工程項目根據(jù)擬選巖石中值粒徑求得巖石的尺寸效應(yīng)為1.08，工程設(shè)計波高為6.0 m，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笏馁Y料，代入式(5)，求得氣候風(fēng)化強度為648。根據(jù)工程勘測結(jié)果，對預(yù)選巖石性能進行Micro-Deval試驗，得MDE=11%。基于以上的計算結(jié)果，結(jié)合工程服役環(huán)境測量得WA=2.2%，Im50=4.0%，再根據(jù)表1～表5確定各參數(shù)估計值，具體見表6。根據(jù)表6計算得到的等效磨損時間因子為0.829，再擬合m/m0與T的關(guān)系曲線，具體結(jié)果如圖2所示。再結(jié)合圖1可知本項目所選巖石的耐久性擬合曲線位于第二區(qū)域，即此類巖石耐久性較好。當(dāng)T=150 a時，求得m/m0為0.730 8，即按照設(shè)計年限為150 a，計算此類巖石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.730 8，大于0.7。此計算結(jié)果表明，經(jīng)過150 a的設(shè)計使用年限，擬選巖石的剩余質(zhì)量仍大于初始質(zhì)量的70%，在受到相關(guān)作用時，仍能保持自身穩(wěn)定。

具體計算流程如圖3所示。首先根據(jù)Micro-Deval試驗確定MDE和ks值，根據(jù)巖石性質(zhì)和服役環(huán)境，確定各參數(shù)估計值，并求得X，根據(jù)ks和X確定巖石的使用壽命，繪制巖石耐磨曲線，判定巖石性質(zhì)，當(dāng)同時滿足工程使用壽命和巖石性質(zhì)要求時，工作結(jié)束，否則重新選擇巖石，進行計算。計算結(jié)果從材料本身和服役環(huán)境，綜合說明防波堤的使用年限計算方式，為防波堤使用年限的確定提供理論支撐。

表6 巖石參數(shù)的估計值

圖2 m/m0與設(shè)計年限關(guān)系圖Fig.2 Relation diagram of m/m0 and design year

圖3 計算流程圖

3 結(jié) 論

MDE方法綜合考慮了巖石的各種性質(zhì)和服役環(huán)境，可以定量評價巖石的耐久性。進行巖石耐久性參數(shù)的量化過程中，成果的準(zhǔn)確性主要依賴經(jīng)驗，為了將此方法推廣運用，后期需要應(yīng)用實際工程數(shù)據(jù)對MDE模型進行校準(zhǔn)，尤其是對磨損測試結(jié)果和現(xiàn)場降解結(jié)果進行對比。① 建議在實際的工程中，對巖石耐久性參數(shù)的量化進行敏感性分析，盡量全面分析參數(shù)取值對耐久性計算結(jié)果的影響程度。② MDE耐久性預(yù)測方法假定巖石質(zhì)量損失的長期模式是漸進的，也就是假設(shè)巖石耐久性的惡化是連續(xù)的，這與實驗室磨損試驗形式相同。③ 質(zhì)量損失在達10%～50%任何值時，巖石性質(zhì)可能加速惡化，這比連續(xù)性假設(shè)更加符合工程實際。對于較小的質(zhì)量剩余比，如低于0.7時，MDE模型對巖石耐久性的預(yù)測精確性較差，后期需要根據(jù)工程實際，總結(jié)經(jīng)驗，不斷完善此模型。