弱膠結(jié)砂巖水巖作用機(jī)制
——以慶陽北石窟為例

張景科, 劉 盾, 馬雨君, 張 瀚

(1. 蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000; 2. 蘭州大學(xué) 西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 甘肅 蘭州 730000; 3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710000)

中國石窟是中華文明與佛教文化交流融合孕育出的璀璨結(jié)晶.由于砂巖具有硬度較低、分布廣泛、易于雕刻的性質(zhì),在中國南北石窟的營造過程中被廣泛選用為天然建筑材料；但因砂巖在沉積成巖過程中所處環(huán)境不同,不同區(qū)域砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及礦物成分存在顯著差異,而以慶陽北石窟寺為代表的隴東石窟群所選用的弱膠結(jié)砂巖呈現(xiàn)出結(jié)構(gòu)松散、孔隙率高、膠結(jié)物含量低的特性,當(dāng)其遭受地下水、大氣降水、凝結(jié)水作用時(shí)更易破壞,從而產(chǎn)生了很多不可逆的風(fēng)化,對科學(xué)有效的保護(hù)提出了極大挑戰(zhàn).

水巖作用是水與巖石兩個(gè)系統(tǒng)在特定溫度條件下,以物理、化學(xué)、力學(xué)等作用方式為紐帶而發(fā)生的相互作用[1],在這個(gè)過程中巖石礦物組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等性質(zhì)改變,從而產(chǎn)生劣化效應(yīng).當(dāng)前對于水巖作用的劣化機(jī)理研究主要從孔隙結(jié)構(gòu)演變規(guī)律[2-3]、宏觀物理性質(zhì)衰減特性[4]、力學(xué)指標(biāo)的劣化模式、本構(gòu)模型的推導(dǎo)[5-8]、水分遷移規(guī)律[9]等幾方面展開的,但由于水巖作用是一個(gè)多因素耦合作用的過程,從單個(gè)角度入手難以系統(tǒng)獲取劣化過程中的全部信息,基于此, Zhang等[10]和Khanlari等[11]從宏觀物理性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分演變等多尺度入手,系統(tǒng)地評價(jià)水巖作用機(jī)理,但不同尺度之間的內(nèi)在聯(lián)系尚未明確闡述.

此外,由于環(huán)境溫度的不同,水巖作用的機(jī)理亦有很大差異,當(dāng)前學(xué)界普遍將其分為干濕循環(huán)、凍融循環(huán).其中凍融循環(huán)作用是中國北方地區(qū)砂巖劣化的主要原因,當(dāng)前對于巖石在凍融條件下顆粒之間應(yīng)力產(chǎn)生的原因,國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為一方面由于孔隙中水結(jié)晶膨脹致使體積增大9%而產(chǎn)生的[12],另一方面是在結(jié)晶過程中內(nèi)部水向冰結(jié)晶處遷移所導(dǎo)致的[13].在此認(rèn)識的基礎(chǔ)上，賈海梁等[14]引入疲勞損傷的理論,分別針對高、低周期荷載情況下?lián)p傷機(jī)理進(jìn)行歸納總結(jié),并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果予以佐證.而在實(shí)際情況中由于孔徑分布與孔隙連通情況不同，上述機(jī)制亦有主次之分,且在實(shí)際情況中溫度場對于樣品內(nèi)部水分遷移方式的影響是難以忽略的;Ruedrich等[15]和Park等[16]發(fā)現(xiàn)對于絕大多數(shù)巖石,在凍融循環(huán)前期劣化效應(yīng)極為微弱,而隨著循環(huán)的持續(xù)進(jìn)行劣化效應(yīng)顯著增強(qiáng),巖石在劣化過程中的階段性特征明顯.

干濕循環(huán)對巖石的破壞主要是通過浸潤作用削弱礦物顆粒間的聯(lián)系,從而使其強(qiáng)度降低.文獻(xiàn)[17-19]的相關(guān)研究結(jié)果表明,相較于干燥狀態(tài),巖石在飽和狀態(tài)下水對其起到了一定的軟化作用,其抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)均出現(xiàn)不同程度的降低.劉新榮等[20]發(fā)現(xiàn)在干濕循環(huán)作用下泥質(zhì)砂巖顆粒接觸網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生斷裂,宏觀上表現(xiàn)為泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度的降低,并總結(jié)出砂巖在干濕循環(huán)作用下破壞的三個(gè)階段;但現(xiàn)有研究往往把軟化效應(yīng)歸結(jié)于膠結(jié)物特性和孔隙水滲流沖刷的影響,并未深入探究顆粒結(jié)構(gòu)的演變規(guī)律,而對于弱膠結(jié)砂巖來講,后者往往更為關(guān)鍵.文獻(xiàn)[21-22]依據(jù)顆粒耦合關(guān)系將弱膠結(jié)砂巖分為4類,并定義為“連鎖結(jié)構(gòu)”,發(fā)現(xiàn)隨著顆粒耦合關(guān)系逐漸緊密復(fù)雜,抗剪強(qiáng)度有明顯提升.文獻(xiàn)[23-24]引入了CT斷層掃描技術(shù),對砂巖在干濕循環(huán)條件下宏觀劣化效應(yīng)與細(xì)觀微裂隙發(fā)育聯(lián)系在一起,并以損傷系數(shù)將巖石劣化定量化評價(jià).

當(dāng)前學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為溫度、濕度交替變化是水巖作用的主要作用形式,本文選取慶陽北石窟砂巖作為研究對象,于室內(nèi)設(shè)置凍融循環(huán)、干濕循環(huán)兩組單因素試驗(yàn),通過宏觀、細(xì)觀、微觀等不同尺度的檢測手段,綜合闡釋慶陽北石窟弱膠結(jié)砂巖的水巖作用機(jī)制,為今后區(qū)域內(nèi)相關(guān)研究提供必要的基礎(chǔ)資料,并為慶陽北石窟搶險(xiǎn)加固工程提供可靠的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方案

1.1 區(qū)域賦存環(huán)境

隴東地區(qū)位于內(nèi)陸中緯度地帶,屬于溫帶大陸性氣候,四季分明,年平均大氣溫度、相對濕度分別為11.58 ℃,70.96%,氣溫在1月達(dá)到最低值,之后便開始上升,至7月達(dá)到最高值,繼而降低;相對濕度主要分布于20%～90%,在4月、11月分別達(dá)到最低、最高值;區(qū)域內(nèi)降雨主要集中于夏季,短時(shí)間內(nèi)有大到暴雨,年平均降水量約為560 mm,域內(nèi)地下水、地表水、大氣降水的pH為7～8,均呈弱堿性.

隴東地區(qū)地處鄂爾多斯盆地西南角,區(qū)域內(nèi)白堊系之前的地層多見于地質(zhì)構(gòu)造帶附近,而受區(qū)域內(nèi)水系沖刷作用影響,白堊系砂巖呈條帶狀沿河道兩側(cè)出露,其中羅漢洞組(K1lh)為砂黃色,屬于細(xì)粒長石巖屑砂巖,顆粒之間僅有少量白云石充填,而中間夾有象牙白色細(xì)層,屬于灰質(zhì)中-細(xì)粒巖屑砂巖,粒間孔隙被方解石充填;二者均膠結(jié)較弱、結(jié)構(gòu)松散，屬于弱膠結(jié)砂巖.正是由于白堊系巖層硬度較低、易于鑿刻且兼具地層平緩、分布廣泛的特點(diǎn),為隴東石窟群的營造提供了理想的天然材料,其中規(guī)模最宏大、價(jià)值最高的慶陽北石窟寺開鑿于蒲河北岸二、三級階地上(圖1).

圖1 慶陽市石窟分布地質(zhì)圖

北石窟寺建造于海拔1 042～1 057 m的下白堊統(tǒng)羅漢洞組(K1lh)砂巖之上,屬于河湖相沉積,沉積韻律明顯,因而地層在1 042～1 044 m和1 047～1 057 m高度處產(chǎn)狀分別為220°∠5°,230°∠8°,平緩均勻近似水平,僅在高度為1 044～1 047 m處發(fā)生傾轉(zhuǎn),有斜層理發(fā)育,產(chǎn)狀由100°∠15°逐漸過渡到115°∠37°,順層理面數(shù)條裂隙連通發(fā)育(圖2).

圖2 慶陽北石窟寺地層剖面圖

本試驗(yàn)所用砂巖均取自窟區(qū)西側(cè)100 m基巖裸露處,通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)造像中間夾雜的象牙白色細(xì)層砂巖差異劣化特征顯著,故而本試驗(yàn)選用象牙白色細(xì)層砂巖率先開展研究.

1.2 樣品概況及制備

巖樣為白堊紀(jì)細(xì)粒長石巖屑砂巖,主要由陸源碎屑物、巖屑及膠結(jié)物構(gòu)成,分選中等,以細(xì)砂為主,部分中砂,未見明顯層理和顆粒定向排列;顆粒之間為點(diǎn)接觸式泥質(zhì)膠結(jié),疏松多孔,致密度極低(圖3),利用image J對樣品單偏光顯微照片分析可得,樣品粒徑主要區(qū)間為100～500 μm(圖4),孔徑區(qū)間為10～400 μm(圖5).陸源碎屑物包括石英(Qtz)、斜長石(Pl)、正長石(Or)、白云石(Dol)、巖屑(R)等,而膠結(jié)物則以高嶺石(Kln)、伊利石(Ill)為主,黏土礦物在顆粒之間呈薄膜狀包裹主顆粒,此外亦有少量白云石膠結(jié),樣品基本性質(zhì)見表1.

圖3 初始巖樣正交偏光圖

圖4 初始巖樣粒徑分布

圖5 初始巖樣孔徑分布

表1 砂巖基本物理性質(zhì)及物質(zhì)成分

制備的巖樣取自無原生節(jié)理、裂隙的整塊巖石,參照工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50266—2013),采用水鉆法垂直于巖層方向切為直徑5 cm、高5 cm的圓柱形巖樣.凍融循環(huán)、干濕循環(huán)的每個(gè)梯度均設(shè)置4塊平行巖樣,共計(jì)8塊.每組1～3號樣品用于日常指標(biāo)的檢測(試驗(yàn)所用數(shù)據(jù)均為樣品平均值),4號樣品用于定期破壞進(jìn)行成分檢測,巖樣編號見表2.

表2 室內(nèi)劣化試驗(yàn)樣品編號

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

主要儀器有101-3SB型電熱恒溫干燥箱,最高溫度300 ℃,控溫精度±1 ℃;DW-40型低溫試驗(yàn)箱,最低溫度可達(dá)-40 ℃,控溫精度±2 ℃;JJ1000Y型電子天平,最大量程200 g,精度±0.01 g;RSM-SY5(T)型聲波檢測儀,聲幅準(zhǔn)確度≤3%;HYBX-500便攜式電子顯微鏡,500萬像素,放大倍率為20～230倍;FIRL T660紅外相機(jī),目標(biāo)溫度范圍-40 ℃～150 ℃；MagiX(PW2403)X射線熒光光譜儀,測量范圍由元素Be到元素U,測量精度0.1%～0.3%;X’Pert PRO型X射線衍射儀,測量范圍(2θ)為0°～167°;Apreo S掃描電子顯微鏡;Brilliance 16螺旋CT機(jī),密度分辨率為0.3%.

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

1.4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

本試驗(yàn)是基于北石窟寺造像賦存條件而設(shè)定,由于區(qū)域內(nèi)季節(jié)性、周期性溫濕度差異顯著,導(dǎo)致模擬真實(shí)環(huán)境難度較大,故而本試驗(yàn)采取加速劣化模擬試驗(yàn).凍融循環(huán)試驗(yàn)在參考北石窟寺歷史真實(shí)溫度的基礎(chǔ)上適度增加幅度值,參考近10年覆鐘山頂溫度記錄,山頂處溫度極端值分別為41 ℃,-16 ℃,考慮到敞開式洞窟溫度變化更大,而在夏季午后巖石表面溫度甚至達(dá)到55 ℃,在冬季巖石表層溫度接近-20 ℃.

為了在恒溫干燥箱、低溫試驗(yàn)箱內(nèi)模擬巖石表層所達(dá)到的極端溫度,經(jīng)測定,需將解融階段溫度定為49 ℃,凍結(jié)階段溫度定為-16 ℃,而干濕循環(huán)則利用室溫條件下浸泡、干燥處理模擬極端條件下的干濕環(huán)境.

1.4.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)開始前,在105 ℃條件下將樣品烘干48 h至恒重,待樣品冷卻至室溫后,分別測量凍融循環(huán)組、干濕循環(huán)組的質(zhì)量和縱波波速,并進(jìn)行定點(diǎn)顯微拍攝(190倍)及紅外拍攝.

由區(qū)域內(nèi)季節(jié)性相對溫度日變化趨勢可知,每日溫度從6:00開始上升,在16:00達(dá)到峰值,之后開始降低,于次日清晨6:00再次達(dá)到日溫度最低值,每日溫度上升、降低時(shí)長分別為10,14 h.故而將凍融循環(huán)試驗(yàn)設(shè)置為:在105 ℃條件下烘干 48 h,之后對樣品浸泡處理,再于-16 ℃條件下凍結(jié),從第一循環(huán)開始在每日9:00—19:00放入101-3SB 型電熱恒溫干燥箱內(nèi)融解,19:00—21:00在室溫條件下放入蒸餾水中浸泡,21:00—次日9:00放入DW-40型低溫試驗(yàn)箱中凍結(jié),將此作為一次凍融循環(huán),每4次循環(huán)定為一個(gè)凍融循環(huán)周期,測量質(zhì)量、縱波波速,并進(jìn)行定點(diǎn)顯微拍攝(190倍)及紅外拍攝,每隔5個(gè)循環(huán)周期選取DL-4表面風(fēng)化層進(jìn)行XRD,XRF,SEM等指標(biāo)檢測.

石窟內(nèi)濕度監(jiān)測資料顯示,歷年濕度峰值均出現(xiàn)在夏季,歷史最高值為117.3%(超飽和水汽狀態(tài)下的檢測值),冬季濕度偏低,歷史最低值為14.8%;根據(jù)區(qū)域季節(jié)性相對濕度日變化規(guī)律,9:00濕度達(dá)到最高,之后便開始下降,通常在19:00達(dá)到最小值,之后逐漸升高.故將干濕循環(huán)試驗(yàn)設(shè)置為:在105 ℃條件下烘干48 h,之后將樣品放入蒸餾水中浸泡,從第一循環(huán)開始,在每日9:00—19:00置于室溫條件下干燥,19:00—次日9:00放入蒸餾水中浸泡,將此作為一次干濕循環(huán),每4次循環(huán)定為一個(gè)干濕循環(huán)周期,取出測量質(zhì)量、縱波波速,并進(jìn)行定點(diǎn)顯微拍攝(190倍)及紅外拍攝,每隔10個(gè)循環(huán)周期選取GL-4表面風(fēng)化層進(jìn)行XRD,XRF,SEM等指標(biāo)檢測.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 凍融循環(huán)宏觀劣化特征

紅外熱成像技術(shù)是無損檢測的重要手段,基于樣品在圖像上各點(diǎn)溫度與表面平均溫度的差值繪制紅外溫差等值線圖.樣品無缺陷時(shí),溫差均分布于-0.5～0.5 ℃,可以定性分析缺陷誘發(fā)區(qū)域,以此作為宏觀劣化特征的佐證.通過圖6,圖7發(fā)現(xiàn),樣品DL-1,DL-2和DL-3在初始時(shí)刻,均棱角分明,砂巖層理平行,結(jié)構(gòu)致密性中等(圖6a,6b,6c),紅外圖像(圖7a,7b,7c)溫度沿中軸對稱分布,且樣品由中軸向邊緣逐漸降低,凍融循環(huán)在第4周期時(shí)(圖6d,6e,6f)便順巖層方向產(chǎn)生裂隙,裂隙進(jìn)一步發(fā)育垂直于巖層方向,從而構(gòu)成“T”形格局,巖樣表面出現(xiàn)細(xì)微起伏,字跡略有缺失,在紅外圖像高(低)溫區(qū)域聚集于裂隙發(fā)育附近(圖7d,7e,7f),裂隙的存在使溫度等值線發(fā)生突變;DL-3在第5周期結(jié)束時(shí)因裂隙內(nèi)嵌入冰楔而率先破壞(圖6g,7g),DL-2在第8周期時(shí)(圖6i,7i)已經(jīng)產(chǎn)生極為明顯的內(nèi)凹,表面字跡模糊不清,在凹陷處溫度聚集范圍擴(kuò)大,且與表面平均溫度差增加;最終于第10周期時(shí)(圖6j)下部凹槽不斷擴(kuò)展,致使下部砂巖顆粒以粉狀剝落的形式大量喪失,最終導(dǎo)致砂巖結(jié)構(gòu)破壞,紅外圖像表現(xiàn)為表面粗糙、高溫區(qū)域呈散點(diǎn)狀分布、溫度等值線極其不規(guī)則(圖7j).

圖6 凍融循環(huán)表觀劣化特征

圖7 凍融循環(huán)紅外特征

2.1.2 凍融循環(huán)質(zhì)量損失率

由圖8可知,凍融循環(huán)質(zhì)量損失率呈階段性增加,且裂隙的誘發(fā)對質(zhì)量損失率的快速上升有著控制作用.質(zhì)量損失率計(jì)算公式如下:

(1)

式中:Rs為質(zhì)量損失率;m0為初始時(shí)刻樣品質(zhì)量;mn為第n周期時(shí)樣品質(zhì)量.

依據(jù)質(zhì)量損失率隨循環(huán)周期變化特征可將劣化過程歸納為以下三個(gè)階段:在最初的4個(gè)周期,樣品無裂隙發(fā)育,風(fēng)化形式為顆粒脫落及內(nèi)部膠結(jié)物流失,質(zhì)量損失率僅上升2%,第5～8周期,裂隙的發(fā)育、擴(kuò)展對裂隙兩側(cè)的顆粒脫落起到加速作用,質(zhì)量損失率上升至5.14%,第9～11周期,裂隙之間相互切割導(dǎo)致局部呈塊狀脫落,并進(jìn)一步形成凹陷,質(zhì)量損失率劇烈上升達(dá)到27.28%.

圖8 凍融循環(huán)質(zhì)量損失率與周期的關(guān)系

2.1.3 凍融循環(huán)縱波波速損失率

縱波波速損失特征可以很好地反映巖石內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)變化特征,波速損失率計(jì)算公式如下:

(2)

式中:Rw為波速損失率;c0為初始時(shí)刻樣品波速;cn為第n周期時(shí)樣品波速.

由圖9可知,凍融循環(huán)波速損失率以冪函數(shù)型增長,在最初的2個(gè)周期,由于顆粒受凍融拉、壓應(yīng)力影響及水分沖刷運(yùn)移,造成內(nèi)部弱膠結(jié)顆粒脫落,雖然質(zhì)量損失較少,但巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)連通性顯著增強(qiáng),孔隙率上升,縱波波速損失率達(dá)到15%；第3～7周期，由于裂隙的發(fā)育,巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)整體性遭到破壞,縱波波速損失率陡增至29.01%；第8～11周期，隨著裂隙的擴(kuò)展,縱波波速損失率繼而上升到38.13%.

圖9 凍融循環(huán)波速損失率與周期的關(guān)系

2.1.4 凍融循環(huán)表層微觀劣化特征

在凍融循環(huán)作用下,表層顆粒脫離速率極快,難以對固定區(qū)域定期顯微拍攝,風(fēng)化作用對微觀結(jié)構(gòu)影響顯著,見圖10.樣品在初始時(shí)雖然膠結(jié)較弱,但顆粒排列緊湊,孔隙由粒徑較小顆粒及膠結(jié)物充填,礦物顆粒表面光滑,無明顯缺失;在第4周期時(shí),樣品處于臨“急劇劣化”階段,可以看出膠結(jié)物大量喪失,原本充填于大顆粒之間的礦物顆粒消失不見,樣品由大顆粒構(gòu)成空間骨架結(jié)構(gòu),粒間孔隙呈串珠狀散亂分布于顆粒邊緣,孔隙率與初始時(shí)刻相比有所增加;隨著風(fēng)化進(jìn)一步持續(xù),到第8周期時(shí),串珠狀分布的孔隙逐漸開始連通,轉(zhuǎn)變?yōu)榫€形包裹顆粒,充填與顆粒間的膠結(jié)物及小顆粒愈發(fā)減少,孔隙進(jìn)一步增多；當(dāng)進(jìn)行到第11周期,顆粒間孔隙已發(fā)育成裂隙,裂隙之間相互切割,初始狀態(tài)下的排列結(jié)構(gòu)完全破壞,原先充填于顆粒之間的膠結(jié)物及小顆粒僅剩少量殘留.

圖10 凍融循環(huán)顯微結(jié)構(gòu)

2.2 干濕循環(huán)試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 干濕循環(huán)宏觀劣化特征

由圖11,圖12可知,GL-1,GL-2和GL-3在初始時(shí)刻,樣品規(guī)整、棱角分明(圖11a,11b,11c),紅外圖像顯示高溫區(qū)域分布于中軸兩側(cè),溫度向外擴(kuò)散降低;在第10周期時(shí),與初始時(shí)刻相比變化不是很明顯,只是在棱角處略有磨圓,巖樣表面出現(xiàn)輕微接觸的砂巖顆粒(圖11d,11e,11f),低溫區(qū)域呈不規(guī)則片狀聚集于樣品上部(圖12d,12e,12f),順巖層方向不斷向高溫區(qū)域過渡;到達(dá)第20周期時(shí),邊角處發(fā)生小范圍局部缺失,變得渾圓,表面顆粒粉化剝落導(dǎo)致字跡模糊不清(圖11g,11h,11i),溫差與第10周期相比進(jìn)一步增大(圖12g,12h,12i),溫度等值線更不規(guī)則;在第30周期時(shí),缺陷進(jìn)一步發(fā)生擴(kuò)展,樣品表面砂巖顆粒之間膠結(jié)極弱,字跡難以辨認(rèn),巖層間差異性凸顯,表面產(chǎn)生起伏(圖11j,11k,11l,12j,12k,12l).

圖11 干濕循環(huán)表觀劣化特征

圖12 干濕循環(huán)紅外特征

2.2.2 干濕循環(huán)質(zhì)量損失率

由于干濕循環(huán)以表面顆粒脫落的形式劣化,依據(jù)式(1)計(jì)算得干濕循環(huán)質(zhì)量損失率,由圖13可以看出,干濕循環(huán)質(zhì)量損失率隨循環(huán)周期呈正相關(guān),大致以線性遞增模式損失,故而在30周期以內(nèi)劣化速率相對穩(wěn)定,回歸擬合關(guān)系式為y=0.54+0.29x(R2=0.95),質(zhì)量損失率在單循環(huán)下大致?lián)p失0.29%,在第30周期時(shí),質(zhì)量損失率上升至10.03%.

圖13 干濕循環(huán)質(zhì)量損失率與周期的關(guān)系

2.2.3 干濕循環(huán)縱波波速損失率

依據(jù)式(2)計(jì)算得干濕循環(huán)波速損失率,由圖14可知,干濕循環(huán)縱波波速損失率呈波動性緩慢上升,回歸擬合關(guān)系式為y=0.17x-1.83(R2=0.73).由于干濕循環(huán)主要是對孔隙內(nèi)部細(xì)小顆粒沖刷運(yùn)移,沒有貫通裂隙的發(fā)育,因而不同于凍融循環(huán)出現(xiàn)突異性變化特征,波速損失率呈連續(xù)性衰減,但變化幅度較小,至第30周期時(shí)波速損失率達(dá)到4.54%.

圖14 干濕循環(huán)波速損失率與周期的關(guān)系

2.2.4 表層微觀劣化特征

對干濕循環(huán)進(jìn)行定點(diǎn)拍攝(圖15),前10周期,顆粒表面光滑圓潤,顆粒接觸較為緊密；隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行,粒間的膠結(jié)物率先受到影響,在第20周期時(shí),部分膠結(jié)物及礦物顆粒消失,但表層粒徑較大顆粒依舊存在,整體結(jié)構(gòu)未受較大影響；至第30周期時(shí),大多數(shù)顆粒已經(jīng)消失,孔隙呈環(huán)狀分布于顆粒邊緣,顆粒表面變得粗糙,依附有細(xì)小顆粒碎裂物,尤其在膠結(jié)處更為顯著.

圖15 干濕循環(huán)顯微結(jié)構(gòu)

3 水巖作用機(jī)制分析

3.1 凍融循環(huán)水巖作用機(jī)制分析

3.1.1 凍融循環(huán)水分遷移方式分析

水對巖石劣化起到了至關(guān)重要的作用,在凍融循環(huán)過程中,由于巖石內(nèi)部水分分布的不均勻性,當(dāng)體積膨脹9%時(shí),水分富集處會率先誘發(fā)裂隙的發(fā)育[12].圖16為巖石在凍結(jié)過程中不同時(shí)刻溫度場分布,初始時(shí)刻巖石溫度場發(fā)生突變,表層溫度率先受到影響,陡降到4.8 ℃,而巖石內(nèi)部溫度受影響較慢,故而出現(xiàn)溫度由內(nèi)向外呈同心圓擴(kuò)散降低的特征.在凍結(jié)4 h后(圖16b)樣品表面平均溫度降到-4.7 ℃,由于底板處溫度相較環(huán)境溫度更低,受此影響,溫度由高到低分層降低,此時(shí)樣品內(nèi)部水分已經(jīng)開始結(jié)冰,且越靠近底板處結(jié)晶速度越快,在凍結(jié)8,12 h后(圖16c,16d)溫度梯度劃分更為明顯,此時(shí)表面平均溫度分別為-9.8 ℃,-10 ℃,說明在結(jié)晶8 h后,樣品內(nèi)水分已基本完成向冰的轉(zhuǎn)化.

圖16 凍結(jié)條件下不同時(shí)刻溫度場分布

巖石在快速凍融過程中,體積膨脹理論與靜水壓理論有很好的適用性[14],將初始時(shí)刻樣品凍結(jié)12 h之后將樣品與低溫箱接觸面定為5 cm處,沿垂直方向以1 cm為間隔均勻切割5份,并測量不同高度區(qū)間含水率(表3).由于巖石與空氣接觸面處受溫度影響更為快速,率先開始結(jié)冰,因而在0～1 cm及>4～5 cm處含水率分別為11.57%,11.39%;當(dāng)巖石與空氣接觸面處孔隙被冰堵塞時(shí),樣品內(nèi)部水分無法順孔道向外排出,上下表面由于凍結(jié)所產(chǎn)生的應(yīng)力存在差異,未結(jié)晶水被驅(qū)趕向應(yīng)力更低一側(cè),隨著結(jié)晶位置不斷變深,未結(jié)晶水量逐漸增多,且不斷向上部運(yùn)移,最終在>1～2 cm,>2～3 cm,>3～4 cm處含水率分別達(dá)到11.71%,11.95%,12.12%,呈階梯型遞增,當(dāng)內(nèi)部水分完全結(jié)晶時(shí),含水率更高處所產(chǎn)生的凍脹應(yīng)力更大,是缺陷率先發(fā)生處.

表3 凍結(jié)12 h時(shí)不同高度含水率

3.1.2 凍融循環(huán)溫度作用機(jī)制

由紅外熱成像基本原理可知,當(dāng)隔熱性缺陷(裂隙、凹槽)存在時(shí),受到熱激勵(lì)后會出現(xiàn)高溫區(qū)域,并且溫差大小與裂隙深度之間呈正相關(guān);同理,當(dāng)導(dǎo)熱性缺陷存在時(shí),會出現(xiàn)低溫區(qū)域[25-27].

由圖17可知,DL-2在初始時(shí)刻,樣品表面平整、均勻,溫差在-1～0.8 ℃時(shí)呈線性連續(xù)降低,且該區(qū)間的面積占總面積的95%,若假定溫差高于0.8℃時(shí)為缺陷區(qū)域,至第4周期時(shí)宏觀表露出來的雖然只是數(shù)條裂隙的發(fā)育,但在裂隙發(fā)育附近,顆粒之間的膠結(jié)程度相較于無缺陷處已經(jīng)大幅降低,缺陷區(qū)域已達(dá)到10.8%.之后,裂隙處所產(chǎn)生的“冰楔作用”一方面擴(kuò)大了凍結(jié)時(shí)的接觸面積,另一方面遞增了膨脹應(yīng)力,巖樣差異風(fēng)化由此加劇,至第8周期時(shí)片狀剝落導(dǎo)致的凹槽開始出現(xiàn),最大溫差也由1.4 ℃增長至2.4 ℃,而缺陷區(qū)域從10.8%上升至11.8%,最終當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行到第11周期時(shí),缺陷范圍及最大溫差陡增,分別達(dá)到31.3%,3.6 ℃,說明當(dāng)孔隙結(jié)構(gòu)徹底破壞后,巖石發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn),凹槽的繼續(xù)擴(kuò)張致使巖石整體性遭受破壞.

圖17 DL-2凍融循環(huán)不同周期下溫差面積分?jǐn)?shù)

3.1.3 凍融循環(huán)孔隙變化規(guī)律

CT斷層掃描技術(shù)具有無損、便捷的優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于巖石細(xì)觀性能分析中.依據(jù)式(3)可以看出CT值可以很好地反映局部單元內(nèi)的密度.

(3)

式中:ρ,HCT分別為任意分辨單元內(nèi)巖石的密度和CT值；ρr,HCT,r分別為巖石基質(zhì)材料的密度和CT值.

分別在初始時(shí)刻、凍融循環(huán)第10周期對樣品烘干后進(jìn)行CT掃描,掃描間距為1.5 mm,通過對不同高度處切片進(jìn)行分析,由圖18可知,樣品初始時(shí)刻HCT在B區(qū)時(shí)僅為1 300左右,致密度大幅降低,因而樣品由兩個(gè)細(xì)層構(gòu)成,雖然宏觀上并無明顯區(qū)別,但內(nèi)部密實(shí)程度卻有很大的差異,在0～2 cm及4～5 cm處,HCT在1 350左右波動,而2～4 cm處HCT在1 275～1 350之間呈“U”型連續(xù)變化,密度更低、孔隙內(nèi)充填物更少.

結(jié)合表3,圖18分析結(jié)果,將凍融循環(huán)第10周期與初始時(shí)刻對比,第10周期時(shí),在高度為0～1.7 cm 處樣品已經(jīng)全部風(fēng)化,高度在1.7～3 cm 處HCT逐步增加,但明顯低于初始時(shí)刻.結(jié)合含水率隨高度分布規(guī)律可知,巖樣在經(jīng)過12 h的凍結(jié)之后,于>2～3 cm,>3～4 cm處含水率分別達(dá)到11.95%,12.12%,均高于樣品平均含水率(11.75%),在>3～5 cm處樣品HCT與初始時(shí)刻近乎吻合,而初始時(shí)刻樣品內(nèi)部含水率略低于平均含水率.綜上可知,樣品缺陷的誘發(fā)與含水率呈正相關(guān),而受巖層初始孔隙率影響較小(>2～4 cm處HCT遠(yuǎn)低于>1～2 cm處),當(dāng)區(qū)域內(nèi)含水率高于平均含水率時(shí),缺陷開始產(chǎn)生,且拉、壓應(yīng)力最大處率先誘發(fā),而當(dāng)區(qū)域內(nèi)含水率低于樣品平均含水率時(shí),凍融循環(huán)影響較弱.此外,在表層0.5 cm內(nèi)的含水率雖然低于樣品平均含水率,但因快速凍結(jié)的影響,樣品致密性降低,表層顆粒以粉化剝落的形式缺失.

圖18 凍融循環(huán)CT值均值與高度的關(guān)系

3.1.4 凍融循環(huán)礦物與化學(xué)成分分析

表4,表5分別為凍融循環(huán)樣品在不同周期下礦物成分、化學(xué)元素相對含量.初始時(shí)刻樣品主要由石英(69.4%)、正長石(7.9%)、斜長石(13.7%)等構(gòu)成基本骨架,而膠結(jié)物則由白云石與黏土礦物(伊利石、高嶺石)充填于顆粒周圍.隨著劣化的進(jìn)行呈現(xiàn)石英的不斷富集及長石、膠結(jié)物流失的特征,這是由于受風(fēng)化作用影響,長石及膠結(jié)物內(nèi)部陽離子(K+,Na+,Ca2+,Mg2+)與水中H+發(fā)生置換而不斷溶蝕,最終轉(zhuǎn)化為高嶺石,而高嶺石遇水易分散喪失的性質(zhì),導(dǎo)致其難以富集,相比之下,石英性質(zhì)較為穩(wěn)定,相對含量隨風(fēng)化進(jìn)行不斷增加.

表4 凍融循環(huán)不同周期下礦物成分相對含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 4 The mineral components in different cycles of freezing-thawing cycles(mass fraction) %

表5 凍融循環(huán)不同周期下化學(xué)元素相對含量(摩爾分?jǐn)?shù))

此外,元素的遷移主要在循環(huán)前期完成,在凍融循環(huán)第5周期,化學(xué)蝕變指數(shù)CIA由初始時(shí)刻的42.17%陡增至50.22%,之后隨著循環(huán)的進(jìn)行增量逐步減小,最終在第10周期時(shí)達(dá)到51.47%.在凍融循環(huán)作用下,孔隙內(nèi)水分結(jié)冰增加了顆粒之間的拉、壓應(yīng)力,由于冰、礦物的熱力學(xué)性質(zhì)的差異,膠結(jié)物與顆粒之間的接觸面成為應(yīng)力集中區(qū)域,導(dǎo)致裂隙的誘發(fā)[5],而當(dāng)冰解凍時(shí),沿連通孔隙的水分運(yùn)移也不斷地沖刷膠結(jié)物并帶走礦物顆粒.

3.1.5 凍融循環(huán)微觀結(jié)構(gòu)劣化特征分析

在樣品初始時(shí)刻(圖19a),顆粒內(nèi)部排列緊密,膠結(jié)物充填于顆粒之間;至凍融循環(huán)第5周期(圖19b),樣品處于臨“急劇劣化”,相較于初始時(shí)刻的致密排列,粒間微裂隙得以發(fā)育,尤其受膠結(jié)物水解作用影響,其內(nèi)部裂隙發(fā)育更多,顆粒表面光滑,難以在其表面看到方解石等小顆粒附著,在凍融循環(huán)第10周期時(shí)(圖19c),一方面由于膠結(jié)物的大量流失使得孔洞的形成以及裂隙的連通,另一方面受水解作用影響長石、白云石顆粒發(fā)生碎裂,表面產(chǎn)生新鮮斷面,最終在破壞時(shí)(圖19d),裂隙已經(jīng)完全連通,顆粒被其分散切割,部分顆粒內(nèi)部也發(fā)育了裂隙,變得破碎不堪.

圖19 凍融循環(huán)不同階段內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片

利用image J圖像處理軟件對凍融循環(huán)不同周期下圖像的孔隙累計(jì)面積與孔徑之間的關(guān)系進(jìn)行分析.由圖20可知,在初始時(shí)刻樣品主要由孔徑在4～60 μm的孔隙構(gòu)成,隨著孔隙持續(xù)擴(kuò)展并連通,凍融循環(huán)最大孔徑在第5周期、第10周期、破壞時(shí)分別為109.7,111.4,199.4 μm,孔徑位于4～60 μm的孔隙占比由初始時(shí)刻的100%逐漸降低至87%,62%,60%,而曲線也由線性逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤癝”型,孔隙的整體孔徑分布逐漸變大.說明隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行,裂隙的發(fā)育、擴(kuò)展使得原本獨(dú)立的孔隙連通,進(jìn)而改變孔隙結(jié)構(gòu)特征,其中大孔徑孔隙的出現(xiàn)對巖石孔隙率的上升起到了主導(dǎo)作用.

圖20 凍融循環(huán)相對面積隨孔徑變化的累計(jì)分?jǐn)?shù)曲線

3.2 干濕循環(huán)水巖作用機(jī)制分析

3.2.1 干濕循環(huán)水分遷移方式分析

干濕循環(huán)中水對膠結(jié)物則起到了潤滑、軟化作用,尤其是當(dāng)黏土礦物存在時(shí),其吸水體積膨脹特性是干濕循環(huán)巖石劣化的主導(dǎo)誘因[20].分析巖石在干燥過程中水分分布隨時(shí)間變化規(guī)律(圖21)可以看出，雖然樣品表面溫度隨室溫有所變化,但表面溫差均位于2 ℃以內(nèi),可以通過不同時(shí)刻表面相對濕度變化情況來分析其內(nèi)部水分運(yùn)移方式,樣品溫度在干燥初始階段呈對稱分布(圖21a),表面平均溫度為10.5 ℃,受陽光直曬一側(cè)溫度高于背陰側(cè),且低溫區(qū)域呈水滴狀聚集于背陰一側(cè);干燥4 h后(圖21b),表面平均溫度略微上升至10.5 ℃,低溫區(qū)域不斷向背陰處聚集,而陽光直曬一側(cè)溫度梯度分布更為分散且溫度更高,在干燥8 h(圖21c),12 h(圖21d)之后,表面平均溫度分別上升至10.9，11.7 ℃,低溫區(qū)域逐漸扁平化,內(nèi)部水分含量逐漸降低，水分分布更為均勻.樣品在干燥過程中受毛細(xì)吸附及水分蒸發(fā)兩個(gè)過程影響.受陽光直射一側(cè)表層水分與空氣直接接觸,屬于水分蒸發(fā)區(qū),率先進(jìn)行蒸發(fā),之后在壓差作用下,水分由背陰側(cè)向陽光直曬側(cè)運(yùn)移,此外棱角處水分蒸發(fā)區(qū)面積更大,因而失水速率更快.砂巖受陽光直射一側(cè)及棱角處干濕變化更為劇烈,因而粒間黏土礦物失水收縮所產(chǎn)生拉應(yīng)力也更大,頻繁的應(yīng)力變化導(dǎo)致黏土礦物等膠結(jié)物更容易碎裂流失,進(jìn)而粉化剝落速率更快,這也與宏觀劣化特征中干濕循環(huán)棱角處最先遭受劣化的結(jié)果相吻合.

圖21 干燥條件下不同時(shí)刻時(shí)溫度場分布圖

3.2.2 干濕循環(huán)溫度作用機(jī)制

由圖22可知,在干濕循環(huán)過程中,與初始時(shí)刻相比,在分別經(jīng)歷10,20,30個(gè)循環(huán)周期之后溫差均保持在-0.4～0.5 ℃,且曲線變化規(guī)律保持一致,在干濕循環(huán)過程中沒有明顯的缺陷發(fā)育,但溫差在-0.3～0 ℃所占比例逐漸增大,反映出隨著劣化的不斷進(jìn)行,由于孔隙不斷連通,內(nèi)部水分更容易擴(kuò)散、蒸發(fā).

圖22 干濕循環(huán)不同周期下溫差面積分?jǐn)?shù)

3.2.3 干濕循環(huán)孔隙變化規(guī)律

相較于初始時(shí)刻,干濕循環(huán)第20,第30周期不同高度處HCT均有所降低(圖23),但與凍融循環(huán)相比變化更為微弱,雖然樣品不同區(qū)域內(nèi)致密程度存在較大差異,但HCT的降低幅度基本保持在10以內(nèi),且與初始時(shí)刻變化規(guī)律保持一致.僅在高度為0～0.5 cm及4.5～5 cm處有較大變化,反映出其距表層0.5 cm以內(nèi)風(fēng)化更為劇烈,與干濕循環(huán)中樣品的表面粉化剝落劣化特性相吻合.

圖23 不同循環(huán)周期下CT均值與高度的關(guān)系

3.2.4 干濕循環(huán)礦物與化學(xué)成分分析

表6為樣品在干濕循環(huán)不同周期下礦物成分相對含量.同凍融循環(huán)一樣,干濕循環(huán)也存在著石英的富集與長石、膠結(jié)物的流失現(xiàn)象,但是凍融循環(huán)在第10周期時(shí),石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)便達(dá)到83.3%,而干濕循環(huán)在第10周期時(shí)僅為75.7%,至第20周期時(shí)才達(dá)到82.5%,與凍融循環(huán)相比,干濕循環(huán)損失更為緩慢.在多種礦物中斜長石([(Ca,Na)Al2Si2O8])、白云石[(CaMg(CO3)2]相比正長石[KAlSi3O8]、黏土礦物的損失速率更快,這是由于Ca2+在溶液中的生產(chǎn)速率相較于K+,Na+和SiO2高一個(gè)數(shù)量級,因此Ca2+,Mg2+變化最大,Na+次之,K+變化最小.

表6 干濕循環(huán)不同周期下礦物成分相對含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

由表7可知,在化學(xué)元素遷移方面,干濕循環(huán)第10周期,化學(xué)蝕變指數(shù)CIA由初始時(shí)刻的42.17%陡增至47.54%,之后隨著循環(huán)的進(jìn)行增量逐步減小,至第30周期上升至48.85%.這表明在干濕循環(huán)過程中,水對膠結(jié)物的軟化、沖刷導(dǎo)致了顆粒之間的凝聚力及摩擦系數(shù)等力學(xué)性質(zhì)的降低,此外水-巖之間的水解致使孔洞、裂隙的誘發(fā)[20],而當(dāng)黏土礦物存在時(shí),其吸水體積膨脹的特性對上述過程無疑起到了加速作用.

表7 干濕循環(huán)不同周期下化學(xué)元素相對含量(摩爾分?jǐn)?shù))

3.2.5 干濕循環(huán)微觀結(jié)構(gòu)劣化特征分析

在樣品初始時(shí)刻(圖24a),顆粒內(nèi)部排列緊密,顆粒渾圓完整,表面附著有方解石等填隙物,膠結(jié)物充填于顆粒之間.干濕循環(huán)第10，20周期時(shí)(圖24b,24c),礦物顆粒之間的裂隙逐漸變得清晰,與凍融循環(huán)劣化相比,顆粒表面沒有依附的細(xì)小顆粒,礦物表面完整清晰,表明在干濕循環(huán)過程中沒有發(fā)生大量的原有礦物解體,在干濕循環(huán)第30周期時(shí)(圖24d),由于粒間膠結(jié)物大量喪失,導(dǎo)致孔洞裂隙加深變寬,整體結(jié)構(gòu)依舊保持完整,但殘存的膠結(jié)物內(nèi)部孔洞發(fā)育較多而變得支離破碎.

圖24 干濕循環(huán)不同階段內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片

利用image J圖像處理軟件對干濕循環(huán)不同周期下圖像的孔隙累積面積與孔徑之間的關(guān)系進(jìn)行分析.由圖25可知,在初始時(shí)刻樣品主要由孔徑在 3～80 μm 的孔隙構(gòu)成, 隨著孔隙持續(xù)擴(kuò)展并連通,干濕循環(huán)最大孔徑在第10,20,30周期時(shí)分別為129.1,188.3,218.4 μm,但孔徑位于3～80 μm孔隙變化較小,由初始時(shí)刻的100%,緩慢減小至96%,94%,88%,尤其是小于20 μm的小孔隙變化幅度極低,孔隙擴(kuò)展主要發(fā)生于20～80 μm的孔隙之間,可以看出干濕循環(huán)過程中雖然也存在孔隙連通的情況,但孔隙的連通及擴(kuò)展速率較凍融循環(huán)低很多.

圖25 干濕循環(huán)相對面積隨孔徑變化的累計(jì)分?jǐn)?shù)曲線

4 結(jié) 論

1) 在凍融循環(huán)的劣化過程中粉化剝落與片狀剝落并存,且集中于裂隙發(fā)育處;而干濕循環(huán)則以砂巖表層粉化剝落為主.凍融循環(huán)質(zhì)量、波速損失率在第11周期時(shí)已遠(yuǎn)高于干濕循環(huán),劣化速率更為顯著,而水分運(yùn)移方式及在不同條件下狀態(tài)改變是導(dǎo)致凍融循環(huán)和干濕循環(huán)劣化模式產(chǎn)生的根本原因.

2) 在凍融循環(huán)過程中,裂隙對砂巖劣化起到催化加速作用,裂隙的誘發(fā)、擴(kuò)展、切割使凍融循環(huán)在劣化過程中呈現(xiàn)階段性特征,前期裂隙的誘發(fā)是后期樣品指標(biāo)大量喪失的預(yù)警.并且相較于新裂隙的誘發(fā),裂隙的擴(kuò)展、切割是孔隙率上升的關(guān)鍵,因而在慶陽北石窟裂隙誘發(fā)階段需要及時(shí)采取補(bǔ)救措施.

3) 在干濕循環(huán)試驗(yàn)中,粉化剝落呈現(xiàn)持續(xù)、連貫的特征貫穿于整個(gè)過程,其質(zhì)量及波速損失率大致以線性增加,雖然也存在孔隙連通的情況,但孔隙的連通及擴(kuò)展速率較凍融循環(huán)低很多.

4) 化學(xué)蝕變指數(shù)CIA表明鈣鎂質(zhì)膠結(jié)物的溶解、長石的蝕變以及填隙物的流失是粒間連接力喪失的根本原因.凍融循環(huán)膠結(jié)成分的流失主要受凍脹引起的拉、壓應(yīng)力影響,干濕循環(huán)則以水分的沖蝕為主.且上述過程主要發(fā)生在模擬試驗(yàn)前期,但后期持續(xù)性疲勞損傷使得砂巖顆粒耦合關(guān)系的破壞才是巖石劣化的關(guān)鍵.

5) 試驗(yàn)結(jié)果有助于深入了解慶陽北石窟寺砂巖溫度、水等不同因素作用下的劣化機(jī)理,評判不同因素的作用大小,進(jìn)而有針對性地采取保護(hù)手段,也可以為其他學(xué)者研究相關(guān)領(lǐng)域提供基礎(chǔ)性資料.此外,在今后研究中應(yīng)進(jìn)一步貼近實(shí)際條件進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)置,以期建立室內(nèi)和自然界時(shí)間尺度的聯(lián)系.