付宏淵 段鑫波 史振寧

(長沙理工大學,交通運輸工程學院,長沙 410114,中國)

0 引 言

粉砂質(zhì)泥巖廣泛分布于我國西南地區(qū),在該地區(qū)高速公路建設(shè)中形成的路塹邊坡極易受季節(jié)性氣候影響。西南地區(qū)冬季晝夜溫差變化大,單日溫度變化幅度甚至超過20℃,邊坡淺層巖體受周期性凍融循環(huán)作用,強度及抗變形能力逐漸降低,甚至引起邊坡巖體表面破壞剝落,進而導致失穩(wěn)(趙鑫等,2020),威脅道路長期運營安全。部分學者認為水冰相變產(chǎn)生的凍脹力是誘發(fā)工程巖體凍融損傷破壞的主導因素(李杰林等,2019; 楊更社等,2019; Pan et al.,2020)?？紤]到粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部具有豐富的節(jié)理,而水分賦存狀態(tài)是影響粉砂質(zhì)泥巖性質(zhì)的重要因素(曾鈴等,2019; Fu et al.,2020; 付宏淵等,2020)。因此,僅考慮粉砂質(zhì)泥巖凍融循環(huán)下的凍脹力作用,忽視細觀結(jié)構(gòu)特性是不準確的,有必要結(jié)合粉砂質(zhì)泥巖的特點,對凍融循環(huán)下粉砂質(zhì)泥巖宏觀力學性能以及細觀結(jié)構(gòu)開展研究。

目前對凍融循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖強度特性的研究并不多見,但凍融循環(huán)下其他類型巖石的研究已經(jīng)取得了一些成果。在宏觀方面:部分學者(Khanlari et al.,2015; 徐拴海等,2016; 趙建軍等,2019; 周盛濤等,2020)開展了不同類型巖石在凍融循環(huán)后單軸試驗,獲得了相關(guān)力學參數(shù)的劣化規(guī)律; 另一些學者(陳國慶等,2020,2021; 宋勇軍等,2020,2021)則考慮飽和度與含水率的影響,對砂巖進行凍融循環(huán)單軸試驗、分級加卸載三軸蠕變試驗以及剪切蠕變試驗,分析了砂巖的凍融損傷及時效性損傷效應(yīng); 此外,對巖石在凍融循環(huán)過程中的力學性質(zhì)的研究(Al-Omari et al.,2015; 張峰瑞等,2019; 王魯男等,2020),也加深了對巖體水冰相轉(zhuǎn)化的了解。在細觀方面:利用核磁共振檢測(Zhou et al.,2015; 姜德義等,2019; 楊秀榮等,2020)進行的凍融循環(huán)過程中巖石內(nèi)部損傷累積過程研究取得了較好成果; 同時,還有學者通過CT計數(shù)與數(shù)字圖像處理技術(shù)對凍融循環(huán)后的巖石進行分析(De Argandona et al.,1999; 楊鴻銳等,2021),獲得了凍融作用下巖樣細觀結(jié)構(gòu)特征的變化特征以及孔隙結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律。母劍橋等(2013)、色麥爾江·麥麥提玉蘇普等(2020)則是對力學試驗破壞后的典型巖樣破壞斷口進行了電鏡掃描,分析了細觀損傷形態(tài),揭示了巖石細觀損傷破壞機理。

綜上所述,目前在已有研究中少有針對凍融循環(huán)對粉砂質(zhì)泥巖物理力學特性、細觀結(jié)構(gòu)損傷以及孔隙率變化的分析研究。因此,擬開展不同凍融循環(huán)次數(shù)下的粉砂質(zhì)泥巖試樣單軸試驗,分析凍融循環(huán)次數(shù)對粉砂質(zhì)泥巖的破壞模式、物理力學特性的影響; 通過壓汞試驗獲得孔隙的變化趨勢,再結(jié)合掃描電鏡圖進行分析,進一步探討凍融循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖試樣的細觀結(jié)構(gòu)變化,為粉砂質(zhì)泥巖在凍融循環(huán)條件下的強度劣化機理研究提供了新思路,為季凍區(qū)粉砂質(zhì)泥巖邊坡工程施工和設(shè)計提供參考。

1 試驗制備及試驗方案

1.1 試件制備

選用采自湖南瀏陽地區(qū)的粉砂質(zhì)泥巖,將完整性較好、無明顯節(jié)理裂隙的大塊巖塊清理后及時蠟封,然后運送至巖石加工實驗室,制作完成的部分標準巖樣如圖1所示。

圖1 標準巖樣

1.2 試驗設(shè)備

本次試驗主要采用可程式恒溫恒濕箱、萬能試驗機(WDW-100C)、掃描電鏡(EVO 10)和全自動壓汞儀(PoreMaster 60)等設(shè)備。其中可程式恒溫恒濕箱的工作溫度范圍為-30～60℃,可根據(jù)設(shè)置的凍融周期進行自動循環(huán); 萬能試驗機最大軸向加載力為100kN,加載速度為0.025～375mm·min-1,壓縮行程為0～600mm,軸向量程為0～10mm; 掃描電鏡放大倍速為7X～106X,加速電壓范圍為200V～30kV,圖像分辨率為3.0nm; 全自動壓汞儀可進行高壓(1080～4.26μm)與低壓(10.66～0.0064μm)兩種孔徑測量。主要設(shè)備如圖2所示。

圖2 主要設(shè)備

1.3 試驗方案及步驟

1.3.1 試驗方案

圖3為瀏陽市2021年1月氣溫走勢圖,由圖可知該地1月最低氣溫為-4℃,最高溫度為17℃。由于該地區(qū)多為丘陵地帶,通過對該地歷史溫度的查詢,全年最低溫度發(fā)生在1月,且1月歷史最低溫度將低于-4℃但不超過-10℃,最高溫度不超過20℃,持續(xù)時間均不超過12h。因此考慮最不利條件下的凍融循環(huán)溫差,本試驗溫度循環(huán)范圍為-10～20℃,單個凍融循環(huán)周期為24h,如圖4所示。凍融循環(huán)之前使試樣完全飽和,凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)置為5、10、15、20、25、30次共6種方案,每組試驗對應(yīng)3個平行試樣,并將初始狀態(tài)下未進行凍融循環(huán)試樣完全飽和作為對照組,分別進行單軸壓縮試驗、電鏡掃描試驗與壓汞試驗。

圖3 1月氣溫走勢圖

圖4 一次凍融循環(huán)試驗示意圖

1.3.2 試驗步驟

(1)利用超聲波檢測粉砂質(zhì)泥巖巖樣的縱波波速,根據(jù)付宏淵等(2019)的推薦,選取縱波波速范圍為2.2～2.3km·s-1的巖樣共18個。

(2)首先將篩選后的巖樣放置在107±1℃恒溫箱中鼓風烘干24h,待冷卻后將干燥試樣稱重; 然后采用真空飽和法制得飽水巖樣,用濾紙吸附表面水分后稱量。參考已有凍融循環(huán)試驗(楊忠平等,2019; 趙建軍等,2019; 周盛濤等,2020),本研究將單次凍融循環(huán)周期設(shè)定為24h。單次凍融循環(huán)試驗溫度變化如圖4所示,在凍結(jié)、融化兩階段之間的溫度變化時間為2h,溫度變化率為15℃·h-1,凍結(jié)時間為10h,融化時間為10h,周期為24h。最后每個試驗組循環(huán)結(jié)束后,用濾紙吸附試樣表面水分并稱量。

(3)凍融循環(huán)結(jié)束后,以1mm·min-1的位移加載速度進行單軸壓縮試驗。

(4)從凍融循環(huán)試驗后的巖樣中挑選表面無明顯裂紋巖樣制成尺寸為10mm×0.5mm×0.5mm的壓汞試樣,采用全自動壓汞儀對試樣先后開展低壓(1080～4.26μm)分析試驗與高壓(10.66～0.0064μm)分析試驗。

(5)從單軸壓縮試驗的巖樣斷裂面處選出典型碎片,在電壓為15kV,放大倍數(shù)為3000倍下獲得不同凍融循環(huán)次數(shù)的掃描電鏡圖像。

2 凍融循環(huán)次數(shù)對粉砂質(zhì)泥巖物理力學性能的影響

2.1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線分析

由于設(shè)定循環(huán)次數(shù)為30次的巖樣在循環(huán)26次后已經(jīng)全部破壞,無法進行單軸壓縮試驗,故本次試驗只獲取25次凍融循環(huán)的數(shù)據(jù)。不同循環(huán)次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5 不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

從圖5可知,不同循環(huán)次數(shù)下巖樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化趨勢相似。在加載開始后,隨著加載時間的增加,巖樣應(yīng)變量持續(xù)增大,但應(yīng)力增加緩慢,此過程屬于巖樣初始加載的壓密階段。隨著加載的進行,應(yīng)力隨應(yīng)變的增加表現(xiàn)出線性關(guān)系,此過程屬于彈性階段。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,彈性階段逐漸趨于平緩。隨著加載的繼續(xù)進行,巖樣進入屈服階段,曲線的斜率逐漸降低,應(yīng)力值到達峰值。屈服階段結(jié)束后,試樣進入破壞階段,循環(huán)次數(shù)增加的同時,峰值應(yīng)力反而不斷減小,即單軸抗壓強度不斷減小。凍融循環(huán)次數(shù)的增加,使屈服階段的單軸抗壓強度與殘余強度的差值變小,破壞階段的應(yīng)變增長,表現(xiàn)出明顯的軟化現(xiàn)象,試樣由無凍融循環(huán)下的脆性破壞明顯向韌性破壞轉(zhuǎn)變。

2.2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖樣力學性能變化

根據(jù)工程巖體試驗方法標準對凍融循環(huán)試驗的規(guī)定,通過式(1)～式(4)可得不同凍融循環(huán)次數(shù)下試樣的強度變化,具體力學參數(shù)如表1所示。

(1)

表1 不同凍融循環(huán)次數(shù)下巖樣力學參數(shù)

ZT(%)=Y(5T-5)-Y5T

(2)

MT(%)=m(T-1)-mT

(3)

t=T×5

(4)

式中:t為凍融循環(huán)次數(shù);T為凍融循環(huán)階段;σt為第t次循環(huán)后巖樣單軸抗壓強度(UCS);mT為第T次循環(huán)階段巖樣質(zhì)量;Yt為強度保持率;ZT為強度階段劣化率,Z0取0;MT為質(zhì)量損失率,M0取0。

由表1和圖6可知:初始巖樣與5次、10次、15次、20次、25次凍融循環(huán)下的巖樣的抗壓強度分別為4.02MPa、3.39MPa、2.81MPa、2.22MPa、1.84MPa、1.61MPa,單軸抗壓強度與循環(huán)次數(shù)之間呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系; 從巖樣的強度保持率可知,巖樣在進行5次、10次、15次、20次、25次凍融循環(huán)后,單軸抗壓強度依次降至0次強度的84.09%、69.78%、55.12%、45.73%、40.03%; 選取5次循環(huán)為一個階段,每階段對比上一個階段末的強度保持率為該階段的強度階段劣化率,5個階段的強度階段劣化率分別為15.91%、14.31%、14.66%、9.39%、5.70%。不同循環(huán)次數(shù)下巖樣的彈性模量分別為0.873GPa、0.796GPa、0.707GPa、0.648GPa、0.482GPa、0.348GPa; 巖樣在進行5次、10次、15次、20次、25次凍融循環(huán)后,彈性模量依次降至未開展凍融循環(huán)時的91.18%、80.96%、74.22%、55.21%。從圖6中抗壓強度與彈性模量隨凍融次數(shù)變化的曲線和擬合方程可知:兩指標均隨凍融循環(huán)次數(shù)的增大而減少,但趨勢不同; 彈性模量的衰減速率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而加快; 而單軸抗壓強度的衰減速率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而放緩。

圖6 不同循環(huán)次數(shù)下抗壓強度與彈性模量變化曲線

3 凍融循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖強度劣化機理分析

3.1 凍融循環(huán)次數(shù)對粉砂質(zhì)泥巖孔隙的影響

3.1.1 不同循環(huán)次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖孔隙變化

為研究粉砂質(zhì)泥巖在凍融循環(huán)作用下的力學性質(zhì)劣化機理,對不同凍融循環(huán)次數(shù)作用下的粉砂質(zhì)泥巖試樣開展壓汞試驗。

圖7所示為累計入汞量圖,從中可以看出,凍融循環(huán)作用后的粉砂質(zhì)泥巖孔徑均分布在0.005～210μm范圍內(nèi),且累計入汞量在10～0.1μm范圍內(nèi)明顯上升。隨著循環(huán)次數(shù)的增加,試樣的累計入汞量以及增加速率也不斷上升。本文參考材料學對孔徑的定義,以10μm以及0.1μm的孔徑為界限,將巖石的孔隙分為大孔(>10μm)、中孔(10～0.1μm)與微孔(<0.1μm)。

圖7 凍融循環(huán)作用下巖樣累計入汞量圖

圖8為凍融循環(huán)作用下孔徑分布曲線圖。從圖8中可知,不同循環(huán)次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖孔徑呈波峰狀集中分布在0.1～10μm范圍內(nèi),波峰的峰值以及峰值孔徑如表2所示。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,曲線發(fā)生規(guī)律性變化,孔徑小于0.1μm區(qū)域面積減小,孔徑為0.1～10μm區(qū)域面積不斷增加,孔徑大于10μm區(qū)域的面積幾乎不變,曲線波峰不斷左移,波峰形狀朝著瘦高的方向發(fā)展。其中循環(huán)次數(shù)為5次的孔徑分布曲線在孔徑小于0.01μm時有上挑現(xiàn)象,可知循環(huán)5次的試樣內(nèi)部有較多的孔徑小于0.01μm的微孔生成,隨著循環(huán)的繼續(xù)進行,曲線在孔徑小于0.01μm時無上挑現(xiàn)象,說明后續(xù)循環(huán)過程中微孔轉(zhuǎn)化為中孔。結(jié)合圖8以及本文對孔徑的定義可知,隨著凍融次數(shù)的增加,試樣內(nèi)部的孔隙隨之增多增大,并以中孔(10～0.1μm)的增加為主。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)下孔徑分布的波峰參數(shù)

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下孔徑分布曲線

3.1.2 不同循環(huán)次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖孔隙率的變化

通過對同一試樣開展的壓汞試驗所得的總孔隙率(nw),以及本文對孔隙孔徑的劃分,可得不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同孔徑的入汞量(表3)。參考國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會(IUPAC)的定義以及前文對巖石孔隙的劃分,并根據(jù)所得的不同孔徑入汞量占總?cè)牍勘戎?即可得到試樣的大孔孔隙率(na)、中孔孔隙率(ne)和微孔孔隙率(ni),其表達式如式(5)～式(7),具體結(jié)果如表4所示。

(5)

表3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同孔徑的入汞量

表4 不同凍融循環(huán)次數(shù)下不同孔徑的孔隙率

(6)

(7)

式中:Vw為總?cè)牍?mL·g-1);Va為大孔入汞量(mL·g-1);Ve為中孔入汞量(mL·g-1);Vi為微孔入汞量(mL·g-1)。

對不同凍融循環(huán)次數(shù)下的大孔孔隙率、中孔孔隙率、微孔孔隙率以及總孔隙率進行非線性擬合,具體擬合參數(shù)見圖9。大孔、中孔和總孔隙率的擬合相關(guān)系數(shù)R2均超過0.97,可知三者均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈指數(shù)增加,其中以中孔孔隙率增長為主,大孔保持較低的增長幅度; 微孔孔隙率則是隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先增加后減小的趨勢。表明在凍融循環(huán)早期(t<5)粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部孔隙受水冰相交替作用的影響,孔隙增多增大; 隨著凍融循環(huán)的繼續(xù)進行,部分微孔繼續(xù)增大轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌?導致微孔孔隙率反而減少,大孔孔隙率在整個凍融循環(huán)過程增長緩慢。

圖9 不同凍融循環(huán)次數(shù)下孔隙率變化曲線

為了從細觀尺度證實凍融循環(huán)作用對巖石孔徑形態(tài)與分布的影響,通過電鏡掃描試驗觀察不同凍融循環(huán)次數(shù)下的3處不同位置的巖體破壞斷面。從上述分析中可知,0.1～10μm尺度的顆粒與孔隙在凍融循環(huán)過程中變化明顯,可表征粉砂質(zhì)泥巖細觀結(jié)構(gòu)變化特征,故本文著重分析試樣在3000倍數(shù)下的電鏡圖像。

選取不同循環(huán)次數(shù)下的3000倍電鏡圖像進行對比分析。如圖10a～圖10f所示,初始狀態(tài)下,巖樣內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)組成以光滑片層以及之間填充的膠結(jié)物為主,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,光滑片層面積減小,附著的細小顆粒增加,孔隙增多且孔徑變大,斷面的松散程度增加。在未進行凍融循環(huán)時,試樣斷面僅有少量零星分布的中小孔,顆粒與膠結(jié)物共同構(gòu)成大面積的光滑片狀層。凍融循環(huán)5次后,斷面出現(xiàn)附著的細小顆粒,中孔數(shù)目增加,光滑片狀層面積減小。凍融循環(huán)10次后,附著的細小顆粒增加,中孔數(shù)目增加且部分中孔孔徑增大,部分片狀顆粒脫落,光滑片狀層面積持續(xù)減小,斷面片狀層和顆粒之間的膠結(jié)物斷裂形成的孔隙被顆粒填充。凍融循環(huán)15次后,片狀顆粒數(shù)目增多,一部分中孔貫通,孔徑進一步擴大,斷面膠結(jié)物逐漸流失,光滑片狀層面積減小。凍融循環(huán)20次后,膠結(jié)物流失區(qū)域進一步擴大,片狀顆粒尺寸減小且數(shù)目增加,中孔分布于整個斷面且孔徑進一步增大,破裂形式變?yōu)橐詳嗝嫫瑺顚?、顆粒之間的膠結(jié)物斷裂為主,并伴隨膠結(jié)物流失。凍融循環(huán)25次后,斷面膠結(jié)物大量流失,光滑片狀層近乎完全消失,觀察區(qū)域可見明顯大孔存在。

圖10 不同凍融循環(huán)次數(shù)下破壞斷口面的SEM圖

3.2 凍融循環(huán)下粉砂質(zhì)泥巖力學性能劣化機理

將單軸抗壓強度、彈性模量與中孔孔隙率進行非線性擬合,建立凍融循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖力學性質(zhì)隨孔隙率的變化關(guān)系(圖11),從而揭示凍融循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖力學性質(zhì)的劣化機理。從圖中可知,隨著總孔隙率的增加,粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度與彈性模量呈指數(shù)下降,證明凍融循環(huán)導致的孔隙率的增加,尤其是中孔孔隙率的增加是引起粉砂質(zhì)泥巖抗壓強度與彈性模量下降的最主要原因。

圖11 抗壓強度與彈性模量隨中孔孔隙率變化圖

結(jié)合宏觀力學試驗與細觀孔隙測試結(jié)果可知:在凍融循環(huán)作用下,巖樣內(nèi)部孔隙中水-冰相交替作用使巖體內(nèi)部孔隙數(shù)目增加且孔徑增大,部分微孔隙連通轉(zhuǎn)化為中孔,使巖體單軸抗壓強度與彈性模量減小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的持續(xù)增加巖樣單軸抗壓強度的衰減速率不斷降低并趨于穩(wěn)定,累積損傷變化繼續(xù)增大使巖樣破壞時的應(yīng)變不斷增加,彈性模量衰減速率不斷增大,巖石由脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)轫g性破壞。

4 結(jié) 論

(1)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,粉砂質(zhì)泥巖單軸抗壓強度與彈性模量均下降。單軸抗壓強度的衰減速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷降低,但由于巖樣內(nèi)部損傷不斷累積導致巖樣破壞時應(yīng)變不斷增大,彈性模量衰減速率反而增大。

(2)隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,大孔孔隙率、中孔孔隙率與總孔隙率呈指數(shù)增加,并以中孔孔隙率增長為主,大孔保持較低的增長幅度; 隨著凍融循環(huán)的繼續(xù)進行,部分微孔繼續(xù)增大轉(zhuǎn)變?yōu)橹锌?微孔孔隙率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加呈先增加后減小的趨勢。

(3)粉砂質(zhì)泥巖力學性能劣化機理為巖樣內(nèi)部孔隙中水-冰相交替作用使巖體內(nèi)部孔隙數(shù)目增加且孔徑增大,在此過程中,部分微孔連通轉(zhuǎn)化為中孔,使中孔孔隙率迅速增加,從而導致巖體單軸抗壓強度與彈性模量減小,破壞形式由脆性向塑性轉(zhuǎn)變?？梢娭锌卓紫堵实脑黾邮欠凵百|(zhì)泥巖強度劣化的主要原因。