岩石毛细吸水试验新方法

贾志刚，齐 平，李 科，曾洪彪

(1.中国地质大学 工程学院，武汉 430074；2.黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000)

岩石毛细吸水试验新方法

贾志刚1,2，齐 平2，李 科1，曾洪彪1

(1.中国地质大学 工程学院，武汉 430074；2.黄淮学院 建筑工程学院，河南 驻马店 463000)

毛细作用下岩石吸水作为一种水分传输现象在诸多领域有极其重要的影响。推导了岩石毛细直管吸水模型，在详细讨论已有吸水试验方法的基础上提出了一种吸水量量测新方法。结论如下：① 新试验方法以称量剩余水量为基础，可以实现岩石吸水过程中吸水量连续、精确的量测，且可以满足一维或三维2种边界条件；② 采用试验新方法，在石膏质岩初始吸水阶段，其吸水量与时间的关系基本上满足毛管理论模型，新方法能较好地适用于岩石毛细吸水试验；③ 分析了吸水试验数据拟合时相关系数-频次的关系，证明了试验新方法具有较小的系统误差，试验数据更加稳定与可靠。

石膏质岩；毛细作用；岩石吸水；试验方法；量测方法

1 研究背景

绝大部分的岩体工程在建设与营运过程中都不可避免地与水接触，水岩之间会发生复杂的物理、化学与力学等作用，导致岩体的强度、变形等工程性能出现不同程度的劣化。

从水侵入岩石的驱动力看，毛细吸水作为岩石介质的一种水分传输现象在诸多领域有极其重要的影响，如：① 各类水利枢纽工程。高速泄流时，水利枢纽附近一定范围内会形成一种密集雾雨，雨水沿地表的裂(孔)隙逐步浸润岩石，在潜水面之上会形成毛细饱和区[1]，致使非饱和带岩体的含水量逐渐增大，导致其抗剪强度降低，从而诱发地质灾害；② 石质类文物的破坏与保护方面。北京西黄寺[2]、洛阳龙门石窟[3]、大同云冈石窟[4]等石质文物病害形成机制的研究表明，大气降水和空气凝结水渗入岩石表层形成孔(裂)隙水，在温度效应或溶蚀作用下岩石表面产生劣化；③ 建筑材料方面，主要以混凝土(再生)骨料和装饰石材的方式在建筑业得到广泛的应用。(再生)骨料的毛细吸水率对混凝土的早期收缩、抗裂等性能有重要影响[5]；装饰石材在服役过程中必然处于室内湿度、室外大气降水等不利环境之中，毛细水携带各种离子在其微孔隙内传输为各种物理化学作用提供了途径，致使石材表面出现的锈斑、黄斑、水斑等“病症”，严重影响其装饰效果。从水岩物理作用的途径考查，上述工程问题有一个共同的特征，即无压水聚集或附着在岩石介质表面，在毛细作用下沿着微裂(孔)隙慢慢浸润岩石，岩石在水溶液离子、温度或干湿等外在条件下工程性能产生劣化，其长期耐久性受到影响。

可见，要想从根本上解决这类工程问题需要从2个方面入手：① 毛细作用下岩石吸水动力特性；② 岩石吸水过程量测新方法。围绕上述2个问题，本文总结国内外相关研究成果，以石膏质岩吸水试验为例，试图从岩石吸水过程函数、吸水率时间效应与吸水量量测方法等方面进行分析、评价与探讨，旨在使相关从业人员对这方面的研究有更清晰的认识。

2 岩石吸水毛管模型

岩石是一种典型的多孔介质材料，毛细作用下岩石的水分传输特性主要取决于其内部孔裂隙的数量、大小、张开程度及其连通性，同时也受其矿物成分、组成晶粒大小等因素的重要影响。其水分传输机制包括液态水的运输和水蒸气的扩散凝结。若岩石常常处于低饱和度水蒸气的环境下，水分也会通过水蒸气扩散凝结的形式进行传输。但是，对于与液态水直接接触的岩石来说，相比毛细吸水的速度这种水蒸气扩散凝结的传输机制很慢，尽管在开始阶段这2种传输机制可能都会存在。目前，大多数学者主要通过室内试验研究岩石吸水特性，并且从毛细吸水动力特性阐述其吸水过程的物理机制。

Whashburn[6]首先从多孔介质的角度对岩石吸水动力特性进行了理论研究，并提出了理论模型。假设岩石介质由一束平行的毛细管组成，且毛细管的直径相同，若忽略重力的影响，圆柱管内毛细水流为稳定层流，可用哈根泊萧叶方程描述：

(1)

式中：V为毛细水流的速度；Q为流量；t为吸水的时间；h为毛细水上升的高度；η为水的粘度；rH为水力半径；ΔP为毛细压力降。

吸水过程中压力梯度分布用拉普拉斯方程描述：

(2)

式中：σ为水的表面张力；θ为接触角；r为毛细圆柱管半径。

单根毛细管的体积为πr2dh，将毛细管体积和式(2)代入式(1)可得出威布方程：

(3)

即

(4)

若t=0时h0=0，水的密度为ρ，且每根毛细管与岩石样的长度相等。那么，岩石单位吸水面积的吸水方程为

(5)

式中：w为岩石吸水质量；S为岩石吸水面的面积；ø为孔隙率。

从式(5)可以看出，岩石的吸水量与岩石的孔隙率，与吸水时间、有效孔隙半径及接触角的平方根成正比。也就是说，岩石吸水具有明显的时间效应。对于一定的岩石来说，即吸水初期吸水量增长很快，随着吸水时间延长吸水量增长逐渐变慢。

3 现有岩石吸水试验方法及不足

3.1 现有岩石吸水试验

从已经公开出版的文献可知，岩石毛细吸水的室内试验方法大体相同，试验装置原理见图1。

图1 岩石吸水装置

试验方法的主要步骤可以概括如下：①将需要吸水的岩样烘干或风干至恒重，质量记为m0，放置在密闭的容器内等待试验；②向盛水容器内注水至淹没支座，具体高度依据试验需求而定；③将岩石样迅速放入试验容器内，开始吸水试验；④在吸水后某时刻tn尽可能快的取出岩石样，用预先备好的湿抹布擦拭岩石吸水表明多余的自由水，完毕后称重，质量记为mn，称量完成后迅速放回吸水容器内继续试验；⑤重复步骤④的做法直至试验完成。那么，岩石在经历tn后单位表面积累计吸水量可表示为

(6)

将式(6)计算的吸水量作为纵坐标，吸水试验的历时作为横坐标，就可以得到岩石吸水过程累计吸水量与时间的散点图，运用数值拟合得到吸水过程函数。

需要提到的是，Vivian等[7]在仔细分析了英国有关岩石骨料吸水方面的标准后，设计了一种可用于再生岩石骨料吸水边界条件的试验新装置(见图2)。该试验方法既可以测试岩石的吸水率，也可以实现对岩石吸水的连续测量。

图2 再生岩石骨料 吸水装置[7]

利用该试验装置量测岩石吸水的原理如下，将备好的岩石骨料放入比重瓶内，然后给比重瓶内注水直至注满，在吸水tn时间段后再次给比重瓶内注水直至注满，并称重，质量记为mn，可见mn包含了比重瓶、水与岩石骨料的质量总和。在吸水tn+1时间段后岩石骨料吸水引起比重瓶内水位下降，需要再次给比重瓶内注水直至注满，并称重，质量记为mn+1，那么岩石骨料单位表面积的累积吸水量为

(7)

式(7)虽然形式上与式(6)极为相似，但该试验方法的巧妙之处在于通过称量整个装置的不断增加的质量求解岩石吸水量，从而避免了频繁称量岩石质量造成其吸水过程的中断，实现了岩石吸水连续状态下吸水量的量测。同时也避免了称量岩石过程中用湿毛巾擦拭岩石表面多余水分时的随意性，以及用湿毛巾擦拭某些软岩可能产生的掉块问题。因此，该试验方法在一定程度上满足了岩石毛细吸水的要求。

3.2 存在的问题

结合文献采用的试验方法与规范的条文，笔者认为毛细作用下岩石吸水试验方法有以下3点值得商榷。

(1) 岩样烘干温度的设定问题。国内规范[8-9]及英国的规范[7]中关于烘干温度的设定均为105℃～110℃。这种温度的设置对于除去一般岩石的自由水来说没有问题，但是，若组成岩石的矿物含有结晶水时，该温度下岩石矿物结晶水有可能失去，且其内部结构可能也会发生改变。如生石膏岩在105℃～110℃时会变成熟石膏，化学方程式如下：

可见，这类岩石在此温度下烘干会造成较大的试验误差，一方面来源于结晶水被误认为自由水，另一方面含结晶水矿物因失去结晶水对岩石微观结构的改变。因此，不同类型的岩石烘干需要设定不同的温度。

(2) 岩样在吸水过程中边界条件的设定问题。需要特别指出的是，文献[7]提出的试验方法是把岩石骨料完全浸泡于水中，岩石骨料的整个外表面都与水直接接触，这种吸水边界条件与岩石骨料在混凝土硬化过程中实际工况吻合，属于三维吸水边界条件。但实际工程中岩石吸水的边界条件并非全是如此，如建筑石材作为维护或装饰材料时就只有裸露于外界环境的界面才会发生毛细吸水现象；或者是石质类文物的劣化，我们关心的是岩石表面劣化厚度问题。显然，这2类情况下岩石吸水与岩石骨料的边界不同，其吸水边界条件可以认为是一维的，与图1描述的吸水边界条件相同。

研究表明不同的吸水边界条件下岩石的吸水动力特性有很大的不同。因此，岩石毛细吸水试验应该依据具体工况确定其相应的吸水边界条件，选择对应的试验方法。

(3) 试验规范、规程的差异性。从不同文献具体操作来看，试验过程中的诸多细节又不甚相同，造成这种状况的原因很大程度上可以归咎为没有相关的专门试验规范、规程。国内岩石毛细吸水试验主要依据的规范为《水利水电工程岩石试验规程》(DL-T5368—2007)[8]、《公路工程岩石试验规程》(JTG-E41—2005)[9]。这2个规范中虽然有岩石吸水性方面的具体试验操作方法，但规范中岩石吸水性试验目的仅为了得到岩石的吸水率，因此运用该试验方法不能反映岩石吸水过程的数据。显然，上述规范提供的试验方法不能满足考查岩石毛细吸水动力特性的要求。

4 岩石毛细吸水试验新方法

4.1 试验新方法原理

鉴于现有岩石吸水试验方法的局限性，笔者提出了一个新的试验方法，试验装置见图3。

图3 岩石吸水装置简图

新试验方法主要步骤如下：①给烧杯内加水，加水深度由吸水边界条件而定，若是三维吸水条件，加水深度约为岩样高度的1.5倍，若是一维吸水条件，加水深度以适宜岩样放置即可；②将岩石样用细线固定在支架上，并用密封膜将烧杯口密封，防治烧杯内水分蒸发。若是三维吸水条件，岩样在水中应处悬浮状态，若是一维吸水条件，岩样在水中应处于漂浮状态，且其吸水底面应处于水面以下若干毫米，要依据试验预先设计确定；③岩样与水接触后开始吸水，在吸水tn时刻读取电子天平的读数，记为mn，在吸水tn+1时刻读取电子天平的读数，记为mn+1；④那么岩样单位表面积累积吸水量可表示为

(8)

⑤试验结果误差分析与修正，本试验过程中误差的来源可能是一维吸水条下岩石受的浮力会有变化。设岩样圆柱状，直径×高度为(D岩×h岩)，岩样的孔隙率为ø，烧杯直径为D杯，岩样在tn时刻与tn+1时刻之间的吸水量为mn-mn+1，此时烧杯内水位降低的高度可表示为

(9)

烧杯内水位下降时，岩样受到的浮力下降造成的称量误差Δ为

(10)

误差修正后岩样单位表面积累积吸水量为

(11)

由上述试验原理可知，本文提出的岩石吸水试验新方法是通过称量容器内剩余水量反求岩石吸水量的。该方法在满足岩石毛细吸水要求的基础上，还可以满足一维或三维吸水多种吸水边界条件，适用性范围更好。

4.2 试验新方法验证

为证明本文提出的新方法具有更好的适用性，以石膏质岩吸水为例分别开展了基于新方法与已有方法的对比试验，其中已有方法是指图1所示的方法。岩石样取于国家重点公路工程杭(州)兰(州)高速公路宜巴段十字垭隧道ZK1718+238处，呈灰白色，晶质粒状和纤维状结构，薄层或纹层构造，矿物分析(XRD)显示，滑石含量为3%，石膏含量为97%。试验圆柱岩样共40个，新试验方法与已有试验方法各使用20个。岩样持续吸水5 d后基本都达到了毛细饱和。

图4 岩石吸水量与时间

4.2.1 试验新方法的适用性

分析新方法下石膏质岩累计吸水量与历时数据后发现两者在一定范围内的关系与式(4)吻合。选取了有代表性的5个圆柱岩样，岩样的基本参数与吸水试验结果见表1、图4。表1中干密度指岩样在烘箱内40℃时烘干直到恒重，质量与体积之比；饱和吸水率指毛细吸水直到质量稳定，累积吸水的质

表1 岩样的参数

量与岩样的质量之比。由表1可知，5个岩样的孔隙率从5.79%到21.07%不等，饱和吸水率也从0.61%到7.45%不等，说明5个岩样具有不同的结构构造。

总体上，岩石吸水速度存在明显的时间效应，需要从2个阶段考查，即短期效应段和长期效应段，2个阶段的分界点约为t=30 min。由图4(a)可知，从毛细吸水过程较长时间看，单位面积累计吸水量与时间的关系近似为线性关系。由图4(b)可知，在短期效应内，此段吸水过程函数可以用式(12)进行数据拟合，参数a拟合结果见表2。

(12)

图5 参数a与 孔隙率关系

理论式(4)与拟合式(9)在形式上一致的，同时分析表1中岩样的孔隙率与表2中的拟合参数a，发现式(9)中的参数a与其岩样的孔隙率线性相关，具体见图5。

图5表明，参数a可以用岩样孔隙率的线性函数表达，也可以理解为参数a包含了影响岩石吸水快慢的诸多因素，即式(5)中的孔隙率等。在本质上讲，式(12)与式(5)等效的，该阶段试样吸水特性基本上满足毛管理论模型，也说明了本文提出的新方法能够适用于岩石毛细吸水试验。

4.2.2 试验新方法的可靠性

为了验证新方法得到的试验数据是否可靠，在采用新试验方法的岩样初次达到毛细饱和、烘干后，再次重复进行吸水、烘干，共循环2次。这样就得到了岩样经历0次、1次与2次干湿循环下吸水的60组数据，时长小于30 min内的吸水数据用式(9)进行最小二乘法拟合。除了吸水试验操作方法不同外，已有方法的吸水岩石组采用相同的试验方案和数据拟合方法。

试验数据拟合相关系数-频次关系见图6。图6(a)中的虚线为趋势线，可以看出，当相关系数增加时其频次也是增加的；而在图6(b)中相关系数与其频次呈现了某种程度的随机性。试验用40个岩样是被随机地分成2组，试验方案与拟合函数也都相同，图6(b)中相关系数与其频次的随机性应该与系统误差(试验方法)有关，这与试验过程中观察到岩样掉块的随机性、抹布擦拭的随意性以及每次称重过程时长不等性有很大的关系，也说明了本文提出的新方法能够成功避免这些意外因素的干扰，试验数据也更加稳定与可靠。

图6 相关系数频率分布Fig．6 Relationshipbetweencorrelationcoefficientandfrequency

5 结 论

(1) 现有岩石吸水试验方法的不足主要体现在：对于含有结晶水岩石的烘干温度没有做出具体的规定，吸水边界条件与实际不符等。

(2) 提出了以称量剩余水量为基础的新的试验方法，并给出了方法原理图。该方法可以实现岩石吸水过程中吸水量连续、精确的量测，且可以满足一维或三维2种边界条件。

(3) 采用试验新方法，石膏质岩初始吸水阶段吸水量与时间的关系基本上满足毛管理论模型。新方法能够适用于岩石毛细吸水试验。

(4) 相比已有的毛细吸水方法，试验新方法具有较小的系统误差，试验数据更加稳定与可靠。

[1] 王环玲. 高坝泄洪雾雨作用下饱和非饱和裂隙岩质边坡稳定性研究[D]. 南京:河海大学, 2006. (WANG Huan-ling. Stability Study on Saturated-unsaturated Fracture Rock Slope under Atomized Rain of High Dam[D].Nanjing: Hohai University, 2006. (in Chinese))

[2] 王 帅. 西黄寺石质文物表层劣化特征分析及机理研究[D]. 北京:中国地质大学(北京), 2010. (WANG Shuai. Characteristics and Mechanism of Surface Deterioration of Xihuang Temple Stone Heritage[D]. Beijing: China University of Geosciences (Beijing), 2010. (in Chinese))

[3] 黄 璇. 凝结水对龙门石窟碳酸盐岩体表面劣化作用的模拟试验研究[D]. 武汉:中国地质大学(武汉), 2012. (HUANG Xuan. Simulation on Deterioration of Carbonate Rock Surface Induced by Condensed Water in Longmen Grottoes[D]. Wuhan: China University of Geosciences (Wuhan), 2012. (in Chinese))

[4] 陈 星. 云冈石窟砂岩表层温度效应及劣化机理研究[D]. 武汉: 中国地质大学(武汉), 2012. (CHEN Xing. Study on Temperature Effect and Deterioration Mechanism of Sandstone Surface in the Yungang Grottoes[D]. Wuhan: China University of Geosciences (Wuhan), 2012. (in Chinese))[5] 杜朝华. 建筑垃圾再生骨料混凝土及构件受力性能研究[D]. 郑州:郑州大学, 2012. (DU Zhao-hua. Study on the Mechanical Properties of Recycled Aggregate Concrete and Members with Construction Waste[D]. Zhengzhou: Zhengzhou University, 2012.(in Chinese))[6] WHASHBURN E W.The Dynamics of Capillary Flow[J]. Physics Review,1921, 17(3):273-83.

[7] TAM V W Y，GAO X F, TAM C M,etal. New Approach in Measuring Water Absorption of Recycled Aggregates[J]. Construction and Building Materials,2008, (22)：364-369.

[8] DL-T5368—2007,水电水利工程岩石试验规程[S].北京:中国电力出版社,2007. (DL-T5368—2007, Code for Rock Tests of Hydroelectric and Water Conservancy Engineering[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2007. (in Chinese))

[9] JTG-E41—2005,公路工程岩石试验规程[S].北京:人民交通出版社,2005. (JTG-E41—2005, Test Methods of Rock for Highway Engineering[S]. Beijing: China Communications Press, 2005.(in Chinese))

(编辑：王 慰)

《长江科学院院报》荣获湖北省优秀期刊、湖北期刊“特色栏目”等奖项

2015年2月初，备受我省期刊界关注的“第九届湖北优秀期刊”和“第五届湖北省优秀期刊工作者”评选结果揭晓，《长江科学院院报》(以下简称“《院报》”)荣获“湖北省优秀期刊”和湖北省“特色栏目”称号。特色栏目为“水资源与环境”。同时，《院报》编辑部主任姜小兰荣获“湖北省优秀期刊工作者”称号。这是《院报》在以往多次获得“湖北省优秀期刊”的基础上取得的又一佳绩。

(本刊编辑部)

New Approach in Measuring Capillary Water Absorption of Rock

JIA Zhi-gang1,2，QI Ping2，LI Ke1，ZENG Hong-biao1

(1.Faculty of Engineering, China University of Geoscience, Wuhan 430074, China; 2.Architecture Engineering College, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Capillary water absorption in porous rock, as a water transport phenomenon, is of extreme importance in many fields. The kinetics of capillary water absorption of rock was derived and discussed in detail, and then a new

approach of measuring the capillary water absorption was proposed. We conclude that 1) the new approach is based on measuring residual water, thus is simple and accurate in continuously measuring the genuine water absorption rate of rocks, and meets two-dimensional or three-dimensional boundary conditions; 2) in the initial stage of water absorption of gypsum rocks, the relationship between water absorption value and time is consistent with capillary theoretical model; 3) the relationship between correlation coefficient and frequency during the fitting of test data proves that the new approach has small errors and the test data is stable and reliable.

gypsum rocks;capillary phenomenon; rock imbibitions; test method; measurement method

2013-12-13 ；

2014-02-20

国家自然科学基金资助项目(41272377)

贾志刚(1977-)，男，河南汤阴人，讲师，博士研究生，从事岩土工程方面的研究，(电话)13783350253(电子信箱)jiazhigang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.018

2015,32(05):95-99,104

TV6

A

1001-5485(2015)05-0095-05