林青青，楊有貞,2*，馮海燕，趙詣深，馬文國,2

（1.寧夏大學(xué) 物理與電子電氣工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 固體力學(xué)研究所，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

賀蘭山地處西北內(nèi)陸干旱地區(qū)和東亞季風(fēng)區(qū)之間，是我國重要的氣候過渡帶。賀蘭山地區(qū)氣候較為干旱，年降水量小于400 mm的地區(qū)占總面積的98.5%[1]，且晝夜溫差大，同時(shí)由于環(huán)境污染等原因，該地區(qū)降水pH值曾達(dá)到5.22[2]。賀蘭山巖石長期暴露在大氣中，水和溫度變化對(duì)其造成的影響不可忽略。當(dāng)外界溫度較低時(shí)，巖石中的水分凍結(jié)后體積膨脹導(dǎo)致其內(nèi)部的微孔隙、裂隙數(shù)量增多體積增大，溫度升高冰霜融化，水分滲入新的孔隙、裂隙，并隨著溫度的變化再次凍結(jié)、融化，孔隙、裂隙也隨之不斷發(fā)育，此過程即為凍融循環(huán)。處于干燥和酸性環(huán)境下的賀蘭山遺址區(qū)巖石遭受凍融損傷日益嚴(yán)重，導(dǎo)致賀蘭山巖畫產(chǎn)生顆粒脫落、表層剝落等病害，部分巖畫表面圖案已經(jīng)難以分辨，如圖1所示。因此研究兩種環(huán)境下賀蘭山巖石物理力學(xué)特性對(duì)賀蘭山遺址的保護(hù)具有重要意義。

圖1 賀蘭山巖畫表層損傷Fig.1 Surface damage of Helan Mountain rock painting

傅鶴林等[3]對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)的板巖彈性參數(shù)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明巖石的彈性模量、剪切模量及單軸抗壓強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的增加而降低；唐江濤等[4]模擬了不同類型巖石的凍融風(fēng)化過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著凍融時(shí)間的延長，巖石的力學(xué)性質(zhì)逐漸下降。鄧華鋒等[5-6]以三峽庫區(qū)庫岸邊坡變幅帶的砂巖為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了“飽水-風(fēng)干”循環(huán)作用試驗(yàn)，得出了水壓力的升、降和飽水-風(fēng)干循環(huán)作用對(duì)巖樣的損傷有累積作用的結(jié)論。朱朝輝等[7]以砂巖為研究對(duì)象，開展了砂巖在飽水-干燥循環(huán)作用后處于干燥、飽和及長期浸泡飽和3種狀態(tài)的巴西劈裂試驗(yàn)，結(jié)果表明砂巖抗拉強(qiáng)度的降低在飽和-干燥循環(huán)條件下比長期浸泡條件下更顯著。黃武峰等[8]通過干濕和凍融循環(huán)試驗(yàn)，對(duì)泥質(zhì)白云巖力學(xué)特性的劣化規(guī)律及擴(kuò)容進(jìn)行研究，得出了泥質(zhì)白云巖在干濕和凍融循環(huán)作用下均會(huì)出現(xiàn)明顯不均勻的強(qiáng)度劣化的結(jié)論。劉新榮等[9]以重慶地區(qū)砂巖為對(duì)象，研究了酸性干濕循環(huán)對(duì)泥質(zhì)砂巖強(qiáng)度特性劣化的影響，得出泥質(zhì)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角和三軸抗壓強(qiáng)度都隨凍融周期增加而降低的結(jié)論。楊有貞等[10]對(duì)賀蘭山巖畫區(qū)砂巖開展了不同pH值的凍融試驗(yàn)，結(jié)果表明砂巖在酸性環(huán)境干濕循環(huán)后力學(xué)性質(zhì)的劣化程度強(qiáng)于中性環(huán)境。何賢元[11]通過對(duì)寧夏地區(qū)砂巖開展pH為2和pH為7兩種溶液下的干濕循環(huán)試驗(yàn)，得出酸性越強(qiáng)干濕循環(huán)次數(shù)越多，砂巖的吸水率越大，單軸抗拉及抗壓強(qiáng)度變化越明顯的結(jié)論。可見目前對(duì)于巖石凍融物理力學(xué)特性的研究，主要集中在飽水凍融循環(huán)、干濕循環(huán)以及酸性干濕循環(huán)，但針對(duì)賀蘭山遺址區(qū)巖石的干燥環(huán)境和酸性環(huán)境的凍融損傷物理力學(xué)特性的研究較少。

為此，本文在前人研究基礎(chǔ)上，對(duì)干燥巖樣和在pH為2溶液中浸泡的巖樣分別進(jìn)行干燥循環(huán)和干濕循環(huán)，設(shè)置凍融周期為0、10、20、30、40次，測(cè)量巖樣凍融試驗(yàn)前后的質(zhì)量、波速和有效孔隙率，分析不同循環(huán)次數(shù)及不同環(huán)境下賀蘭山巖石的特征；開展單軸壓縮試驗(yàn)，研究對(duì)比兩組巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量和破壞模式的變化規(guī)律。本文的研究可豐富對(duì)賀蘭山遺址區(qū)巖石損傷力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，為遺址區(qū)內(nèi)巖石文物的保護(hù)提供一定的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 巖樣制備

本文巖樣取自寧夏銀川賀蘭口巖畫區(qū)周圍，選取標(biāo)準(zhǔn)為巖塊表面無明顯裂紋、雜質(zhì)以及空洞。巖塊按照標(biāo)準(zhǔn)[12]加工為100 mm×50 mm的圓柱體，上下表面平行且光滑平整，誤差≤0.25°。為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，通過人眼觀察和超聲波測(cè)試儀對(duì)加工完成的標(biāo)準(zhǔn)巖樣進(jìn)行進(jìn)一步篩選。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方案

本試驗(yàn)主要包括物理參數(shù)測(cè)試、凍融循環(huán)試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)，具體試驗(yàn)方案如下：（1）試驗(yàn)設(shè)置干燥組和pH為2干濕凍融組。新鮮巖樣真空飽水12 h，將飽水之后的巖樣放入105 ℃的干燥箱中干燥11 h，冷卻至室溫1 h，干燥前后測(cè)量巖樣質(zhì)量。pH為2組巖樣放入配置好的pH為2溶液中浸泡12 h。（2）將兩組巖樣放入凍融箱內(nèi)，設(shè)置溫度為-31 ℃～40 ℃。2 h溫度下降到-31 ℃，保溫4 h，2 h溫度升到40 ℃，保溫4 h，一個(gè)循環(huán)為12 h。pH為2組巖樣在飽水循環(huán)結(jié)束后進(jìn)行干燥循環(huán)，即干燥11 h，冷卻至室溫1 h，在溶液中浸泡12 h后進(jìn)行下一次循環(huán)。循環(huán)次數(shù)為0、10、20、30、40次。（3）目標(biāo)循環(huán)結(jié)束后將巖樣飽水12 h，拿出稱質(zhì)量，然后放入105 ℃的干燥箱中干燥11 h，拿出冷卻至室溫1 h。利用游標(biāo)卡尺測(cè)量試樣的直徑與高度，測(cè)每個(gè)樣品的質(zhì)量、波速。（4）單軸壓縮設(shè)備及過程：試驗(yàn)采用TFD-1000微機(jī)控制巖石多場(chǎng)耦合儀。試驗(yàn)開始前先使壓頭與巖樣接觸，當(dāng)加載至目標(biāo)值后，開始加載軸向載荷，加載方式為位移加載，速率為0.002 mm/s，采集巖石的全過程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖樣質(zhì)量損失率

為了定量描述酸性環(huán)境對(duì)巖樣質(zhì)量損失的影響，定義質(zhì)量損失率為：

式中：M0為巖樣的初始質(zhì)量，kg；Mn為一定循環(huán)次數(shù)下巖樣質(zhì)量，kg，n為0，10，20，30，40。

圖2給出了干燥組和pH為2時(shí)兩組環(huán)境下質(zhì)量損失率隨著凍融周期變化的情況。

圖2 質(zhì)量損失率與凍融循環(huán)周期的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between mass loss rate and freeze-thaw cycle

從圖中可知，巖樣的質(zhì)量損失率隨著凍融周期的增加呈上升趨勢(shì)。10，20，30，40周期后干燥組巖樣質(zhì)量損失率分別為：0.018%、0.056%、0.076%和0.094%，pH為2組巖樣分別為：0.056%、0.153%、0.188%和 0.206%。10～20周期過程中兩組巖樣質(zhì)量損失率增量最大，分別增加了0.037%和0.094%，之后呈緩慢上升趨勢(shì)。經(jīng)歷相同凍融周期后，pH為2組巖樣的質(zhì)量損失率明顯大于干燥組巖樣。這是因?yàn)閹r樣在進(jìn)行干燥凍融循環(huán)時(shí)，溫度變化會(huì)使巖樣內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力梯度引發(fā)顆粒剝落等現(xiàn)象，造成質(zhì)量損失。而處于酸性飽水狀態(tài)下的巖樣，一方面是有水參與的凍融循環(huán)會(huì)對(duì)巖石產(chǎn)生凍脹力從而引起質(zhì)量損失；另一方面，H+促進(jìn)了方解石、鉀長石和斜長石的水解反應(yīng)，生成可溶性鹽，隨水流失[13]。

2.2 有效孔隙率

有效孔隙率反映了巖石內(nèi)部連通孔隙的相對(duì)密度，其計(jì)算公式為：

式中：Pw為水的密度；Pnd、Mn2、Mn3為巖樣干密度、干質(zhì)量以及飽水質(zhì)量，n為0，10，20，30，40。

圖3給出了干燥組和pH為2時(shí)兩組環(huán)境下有效孔隙率隨著凍融周期變化的情況。

圖3 有效孔隙率與凍融循環(huán)周期的關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between effective porosity and freezethaw cycle

從圖中可知，有效孔隙率在凍融過程中變化趨勢(shì)相同，在前10和20個(gè)周期內(nèi)均呈上升趨勢(shì)（干燥組巖樣上升率分別為12.5%和26.8%，pH為2組巖樣上升率分別為9.1%和16.7%），后者上升更為明顯，達(dá)到峰值。在30個(gè)凍融周期后有效孔隙率開始下降（較20個(gè)凍融周期相比，干燥組下降了3.96%，pH為2組下降了9.82%），之后微小波動(dòng)。這是由于在凍融過程中有效孔隙率會(huì)隨著孔隙、微裂隙的增加而上升，同時(shí)隨著顆粒脫落、表層剝落導(dǎo)致的質(zhì)量損失的增加而下降，當(dāng)后者變化量大于前者時(shí)表現(xiàn)為巖樣有效孔隙率下降，二者變化量相近則呈現(xiàn)微小波動(dòng)的狀態(tài)。凍融循環(huán)過程中pH為2組巖樣的有效孔隙率始終大于相同周期的干燥組巖樣。這種現(xiàn)象反映了pH為2組巖樣產(chǎn)生了更大的損傷。

2.3 巖樣波速變化

波速能夠反映巖樣的整體力學(xué)特性。定義波速降低比例為：

式中：Rp為波速降低比例；Pn為n次凍融循環(huán)后巖樣波速，n為 0，10，20，30，40；P0為巖樣初始波速。

圖4給出了干燥組和pH為2時(shí)兩組環(huán)境下波速降低比例隨著凍融周期變化的情況。

圖4 波速降低比例與凍融循環(huán)周期關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between the ratio of wave velocity decrease and freeze-thaw cycle

從圖中可知，兩組巖樣的波速均隨著凍融周期的增加持續(xù)降低，在 20循環(huán)周期結(jié)束后波速降低比例達(dá)到最大，干燥組巖樣降低5.6%，pH為2組巖樣降低13.7%，之后前者趨于穩(wěn)定，后者小幅增加。兩組巖樣波速降低程度差異明顯，pH為2組巖樣波速降低程度大于同一周期下的干燥組巖樣，這與有效孔隙率的變化相一致?？v波傳播需要繞過孔隙，因此有效孔隙率增加導(dǎo)致相同尺寸巖樣的縱波傳播時(shí)間增長，波速降低。當(dāng)凍融循環(huán)過程中有水和酸根離子參與時(shí)，由于酸性溶液對(duì)巖樣的溶蝕作用，有效孔隙率增量更大，則縱波波速降低程度也更大。這意味著處于酸性環(huán)境時(shí)巖石的劣化程度將會(huì)大于同時(shí)期干燥環(huán)境的巖石；巖石處于酸性環(huán)境時(shí)其劣化速度比處于干燥環(huán)境時(shí)更快。

2.4 巖樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖5給出了兩組巖樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖。由圖5可知，除pH為2組的40周期巖樣外，其余巖樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化一致，前后經(jīng)歷了4個(gè)階段：壓密階段、彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。pH為2組巖樣在經(jīng)歷40次凍融周期后應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出流變特征，當(dāng)施加的應(yīng)力變化范圍較小時(shí)應(yīng)變持續(xù)增大，這是因?yàn)閹r樣在酸性環(huán)境下進(jìn)行了長時(shí)間的凍融循環(huán)導(dǎo)致了礦物成分流失，顆粒之間的黏結(jié)力小，有效孔隙率大，此時(shí)巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為松散。從圖5（a）中可知，峰值應(yīng)力由大到小為0，10，20，30和40周期，即隨凍融周期的增加，干燥組巖樣的峰值應(yīng)力逐漸減小，從圖5（b）中可看出pH為2組巖樣的峰值應(yīng)力也符合相同的變化規(guī)律。這說明巖石的單軸抗壓強(qiáng)度會(huì)隨凍融循環(huán)周期的增加而降低。對(duì)比兩圖可得，pH為2組巖樣峰值應(yīng)力的降低程度大于同周期下的干燥組巖樣，當(dāng)經(jīng)歷相同凍融周期時(shí)，處于酸性環(huán)境巖石的單軸抗壓強(qiáng)度比干燥環(huán)境巖石降低程度更大。

圖5 兩組巖樣單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain of two groups of rock samples

2.5 巖樣彈性模量變化

本文使用切線法計(jì)算彈性模量，圖6給出了干燥組和pH為2時(shí)兩組巖樣在不同周期下的彈性模量。

圖6 彈性模量與凍融周期關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between elastic modulus and freezethaw cycles

從圖中可知，干燥組和pH為2組巖樣的彈性模量隨著凍融周期的增加均逐漸減小，后者的值始終小于前者，并且隨著凍融周期的增加，二者差值逐漸增大。這說明處于兩種環(huán)境下巖樣的彈性模量會(huì)隨凍融循環(huán)的進(jìn)行而降低，處于酸性環(huán)境巖樣的彈性模量比同周期下的干燥組巖樣降低程度更大。彈性模量的階段變化量Er能更好地反映出彈性模量隨不同凍融周期的變化規(guī)律，計(jì)算公式為：

式中：En和En-10分別為巖樣n次和n-10次凍融周期后的彈性模量，n為10，20，30，40。

表1給出了干燥組和pH為2時(shí)兩組環(huán)境在不同周期下彈性模量的階段變化量。

從表1可知，pH為2時(shí)巖樣彈性模量的相對(duì)變化量絕對(duì)值大于同周期下的干燥組巖樣，這意味著在經(jīng)歷相同時(shí)間的凍融循環(huán)后，酸性環(huán)境巖樣的劣化程度比處于干燥環(huán)境巖樣的劣化程度更大。20周期后兩組巖樣彈性模量的相對(duì)變化量絕對(duì)值最大，這與巖樣的質(zhì)量損失率、有效孔隙率和波速降低比例的變化規(guī)律相同。

表1 兩組巖樣在不同周期下的彈性模量的階段變化量Table 1 Variation of elastic modulus of two groups of rock samples under different cycles MPa

2.6 巖樣單軸壓縮破壞模式

圖7、圖8給出了干燥組和pH為2時(shí)兩組巖樣在不同周期下的單軸壓縮破壞模式。

由圖7可以看出，0周期巖樣發(fā)生與軸線平行的破壞，邊角處有少數(shù)裂紋。10周期巖樣發(fā)生與軸線平行和呈45°的剪切破壞。20和30周期巖樣的破壞表面呈“人”字形，前者的3個(gè)斷口交界上部有表皮脫落現(xiàn)象，后者斷口中下部附近分布2～3條裂紋，左側(cè)有1條裂紋。40周期巖樣斷面為從頂端延伸到底部，底部破壞嚴(yán)重。由圖8可知，0周期巖樣有2條破壞面，10和20周期的巖樣有2～3處斷面，從頂部貫穿底部，表面均有片狀脫落的現(xiàn)象，30周期的巖樣側(cè)面裂紋發(fā)育豐富且排列緊密，主要有與軸線平行和呈 45°兩個(gè)方向，巖樣底端比頂端破碎程度大，40周期巖樣破碎嚴(yán)重。隨著凍融周期的增加，巖樣破碎程度逐漸增加，巖樣表面的裂紋數(shù)量隨之增加，巖樣主要發(fā)生與軸線平行方向和45°方向的剪切破壞；pH為2組巖樣比經(jīng)歷相同凍融周期的干燥組巖樣破碎程度明顯，這是由于在進(jìn)行凍融循環(huán)時(shí)，水分進(jìn)入巖樣內(nèi)部，將礦物顆粒溶解，使顆粒之間的黏結(jié)力降低，同時(shí)酸性溶液中的H+與巖樣內(nèi)部的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減小了顆粒體積，致使巖樣內(nèi)部孔隙、裂隙增加。

圖7 不同凍融周期下干燥組巖樣單軸壓縮破壞模式Fig.7 Uniaxial compression failure patterns of rock samples of dry group under different freeze-thaw cycles

圖8 不同凍融周期下pH為2組巖樣單軸壓縮破壞模式Fig.8 Uniaxial compression failure patterns of rock samples of pH 2 group under different freeze-thaw cycles

3 結(jié) 論

本文對(duì)凍融作用下兩種環(huán)境的完整巖樣測(cè)量質(zhì)量、縱波波速和有效孔隙率，之后進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，通過分析每組試驗(yàn)后所得的數(shù)據(jù)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

（1）處于干燥環(huán)境和酸性環(huán)境的賀蘭山巖石在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，波速、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度均有所下降，有效孔隙率在前20周期上升，在后20周期有一定程度的下降。酸性環(huán)境改變了巖樣力學(xué)參數(shù)隨凍融循環(huán)的變化程度，但并未改變其變化規(guī)律。

（2）pH為2組巖樣的質(zhì)量損失率、波速、有效孔隙率和單軸抗壓強(qiáng)度的變化量均大于經(jīng)歷相同凍融周期的干燥組巖樣。巖石處于干燥環(huán)境和酸性環(huán)境時(shí)，后者的劣化速度更快。

（3）隨著凍融周期的增加，巖樣單軸壓縮的破碎程度逐漸增加，且處于酸性環(huán)境的巖石破碎程度比同周期下的干燥環(huán)境巖石更為明顯。