冻融作用下水灰比对类岩石材料物理力学特性影响研究

刘艳章 王 瑾 黄诗冰 卢泽鑫 刘雅甜 郭赟林

（1.武汉科技大学资源与环境工程学院，湖北武汉430081；2.冶金矿产资源高效利用与造块湖北省重点实验室，湖北武汉430081）

近年来，随着寒区矿山边坡、巷道等岩土工程建设的大力推进，寒区工程岩体出现了众多冻融损伤与开裂挂冰现象。岩体是一种非常复杂的地质材料，孔、裂隙结构发育明显，在低温下孔、裂隙中水冰相变将产生较大的冻胀力，在冻胀力反复作用下会引起岩体结构损伤与强度弱化［1］。目前关于完整岩石的冻融损伤机制及表征模型研究较多，一般采用原岩进行冻融试验获取冻融后岩石的物理力学参数，进行其冻融损伤的表征［2-4］。但研究表明，裂隙水在低温下更容易发生冻结，且产生的冻胀力超过7 MPa，在如此大的冻胀力作用下裂隙会扩展、贯通，甚至引起岩体断裂，对寒区岩体工程危害极大［5-6］。然而，目前在原岩中预制各种不同种类的裂隙却相对困难，且不易满足试验精度要求。现有关于裂隙岩体冻融试验的研究较多采用类岩石材料代替原岩［7-12］。由于制作的类岩石试样与原岩性能相似且成本低廉，裂隙制作也较为容易，因此被广泛应用于研究各种复杂裂隙岩体的物理力学特性。

水灰比是影响类岩石材料相似程度、抗冻性能等的关键因素，也是配比设计中需要重点设计的变量，一般需要经过多次调试获取。目前关于水灰比对类岩石材料物理力学性质影响的研究取得了一些进展。CHEN等［13］采用压汞法定量分析了不同水灰比水泥砂浆的孔隙结构分布特征，研究结果表明，随着水灰比增大，水泥的水化程度与试样孔隙率均增加；杨为民等［14］通过试验研究表明，增加水灰比可以使类岩石材料的初始孔隙率增加；赵文杰等［15］通过室内试验发现随着水灰比增加，水泥砂浆的孔隙率增加，而试样的致密性下降；KIM等［16］发现随着水灰比从0.45增加到0.6，水泥砂浆的孔隙率提高了150%，而单轴抗压强度降低了75.6%；CONSOLI等［17］系统研究了水泥含量、孔隙率、水分含量等因素对类岩石材料强度的影响，认为可将孔隙率与水泥含量之比作为定量化评价类岩石材料单轴抗压强度的参数指标。不仅类岩石材料的孔隙率受水灰比影响较大，其单轴抗压强度对水灰比的变化也较为敏感［18］。ESKANDARI-NADDAF等［19］认为水灰比是水泥砂浆等胶凝材料最重要的配合比设计参数，通常试样单轴抗压强度与水灰比呈负相关；WAND等［20］进行了水泥砂浆材料的单轴压缩试验和超声波检测，指出水灰比的增加使砂浆力学性能弱化，抗压强度降低，超声波波速下降；HAACH等［21］研究了水灰比对水泥砂浆抗压强度的影响，结果表明，水灰比增加会引起水泥砂浆的力学性能弱化；ZHOU等［22］利用霍普金森压杆（SHPB）开展了水灰比对水泥砂浆动态压缩力学性能的影响试验，在相同的应变速率下，高水灰比试样的应力—应变曲线峰后下降较快，动态单轴抗压强度更低。

前期也有部分学者对工程建设中使用的水泥砂浆材料的抗冻性进行了研究，如刘洪珠等［23］考虑了水灰比的变化，提出了冻融作用下水泥砂浆动弹模量和抗压强度的劣化模型；蒋正武等［24］研究了超低温冻融循环条件下水灰比和初始含水量对水泥砂浆力学性质的影响，指出降低水灰比和初始含水量有利于提高水泥砂浆的抗冻性。目前，水泥砂浆也是研究岩石冻融特性常用的相似材料，多用于模拟裂隙岩体的冻融损伤与断裂特性。刘红岩等［7］采用类岩石材料——水泥砂浆，探讨了节理岩体的物理力学性质及其对冻融损伤破坏的影响机制；王永岩等［8］发现冻融循环后不同孔隙率的页岩相似材料的力学性能发生了不同程度的劣化，初始孔隙率不同，受冻融循环的影响程度不同，当孔隙率为9.4%～13.6%时，受冻融循环影响最大；李新平等［9］对含有不同裂隙的类岩石试样进行了冻融循环试验和单轴压缩试验，得到了冻融循环次数、裂隙倾角、裂隙长度和裂隙数目对岩样的损伤破坏模式的影响规律；申艳军等［10］考虑裂隙中水冰相变作用，分析了饱和类砂岩试样的局部损伤效应及端部断裂特性；黄诗冰等［11］预制了含有不同几何尺寸裂隙的类岩石材料试样，初步观测到了裂隙冻胀力随冻结温度、裂隙长度和宽度的演化规律；刘艳章等［12］开展了预冷和不预冷两种冻结方式下的类砂岩饱水裂隙冻融循环试验，获得了冻融与受荷作用下单裂隙岩体断裂破坏特征与强度损失规律。

上述分析表明，已有部分学者开始关注不同水灰比下水泥砂浆的抗冻性能，但上述有关类岩石材料冻融损伤与断裂机制的研究中涉及水灰比方面的内容较少。为了探究水灰比对类岩石冻融过程中的物理力学性质的影响机制，本研究以水泥砂浆为模型材料，采用常用的类岩石材料配比方案，通过改变水灰比得到不同性质的类岩石材料，进行冻融前后的物理力学参数测试，提出类岩石材料冻融损伤与水灰比的经验关系方程，为各类类岩石材料配比设计及水泥砂浆抗冻特性研究提供参考。

1 试验研究

1.1 模型材料选取

本研究对有关类岩石材料配比的部分研究成果进行了总结［7-9，11-12，25-29］，结果如表 1 所示。类岩石试样基本上采用水泥砂浆作为原材料进行配比设计，其中水灰比大多集中在0.3～0.45，因此本试验对该水灰比范围进行全部覆盖，设计的水灰比分别为0.3、0.325、0.35、0.375、0.4、0.425、0.45共7个组。参考文献［9，11-12］，确定类岩石材料组分及其配合比为32.5R硅酸盐水泥∶石英砂∶硅粉∶蒸馏水∶减水剂∶固体消泡剂为 10∶10∶1.2∶w∶0.1∶0.15（w代表蒸馏水含量比值，取值范围为3～4.5）。为保证试样表面光滑，石英砂粒径控制在0.5 mm以下，硅粉粒径为0.15 mm左右；添加聚羧酸系高性能减水剂主要为了防止水泥砂浆成分的离析，提高抗渗性；添加固体消泡剂是为了避免搅拌中产生大量气泡，防止试样出现蜂窝麻面现象。

1.2 试样制作及筛选

采用直径50 mm、高度为100 mm的标准圆柱模具制作类岩石试样，如图1（a）所示。制作过程分为以下步骤：①在模具内壁及底面均匀涂抹机油以方便后期脱模，再精确称量不同配比下各配料相应的质量；②分别将不同水灰比的混合料在搅拌器中均匀搅拌3 min，然后在相应编号的模具中浇筑对应水灰比的类岩石材料，并放在振动台上振动、捣鼓，直到无气泡溢出；③等待约48 h脱模后，将试样立即放入恒温恒湿标准养护箱中养护28 d，最终形成不同水灰比的标准类岩石试样，如图1（b）所示。通过观察养护完成后试样表面的平整度，测定其直径、高度以及质量，并采用超声波测速仪逐个进行测试，剔除表面不平整、尺寸不标准以及波速差异较大的试样，最终保留了42件标准试样。主要试验仪器如图1（c）所示。

1.3 基本物理力学参数测试

将满足试验要求的试样放入烘箱中，在110℃的温度条件下烘干24 h直到恒重，待冷却至室温后取出，测量其质量；接着将干燥试样放入真空强制饱和装置中，保持真空压力值为-0.1 MPa连续抽气6 h，然后将试样在该装置中饱水静置24 h，直至试样表面无气泡溢出为止，取出试样并沾去表面水分后称量，可测得饱和试样的密度、纵波波速以及孔隙率。试样波速采用RSM-SY5（T）非金属声波测试仪获得，在微机控制电液伺服压力机WAW-300上进行单轴压缩试验可以获得类岩石试样的单轴抗压强度和弹性模量。冻融前不同水灰比类岩石试样的基本物理参数如表2所示。

1.4 冻融循环试验

将所有42件试样根据水灰比不同分为7组，每组包含6件试样，分别进行0、10、20、30、40以及50次冻融循环。根据工程岩体试验方法标准［30］和试样内部温度跟踪，冻融过程中，首先将试样置于-20℃的低温试验箱中冻结6 h，然后放入20℃的恒温水箱中融化6 h，即12 h为1个冻融循环周期；每隔10次冻融循环测定1次类岩石试样的纵波波速；对完成设定冻融循环周期的试样，在WAW-300电液伺服万能试验机上进行单轴压缩试验（图1（d）），试验采用轴向位移控制，位移速率为0.04 mm/s。

2 试验结果及分析

2.1 冻融前水灰比对密度及孔隙率的影响

图2为不同水灰比类岩石试样的密度—水灰比曲线，可以得出，随着水灰比（w/c）的增加，类岩石试样的干燥密度与饱和密度均逐渐减小，且两者的密度差越来越大，从干燥到饱和状态需要的吸水量越多。

类岩石试样的孔隙率—水灰比曲线如图3所示。由图3可知：随着水灰比增大，类岩石试样的孔隙率逐渐增加，孔隙率与水灰比之间基本成线性关系。水灰比从0.3增加到0.45过程中，类岩石试样的孔隙率增加了74.5%。这主要是因为试样中的水有两种方式存在，一种参与水泥的水化反应，另一种以自由水的形式存在，而自由水的含量决定了试样的孔隙率，因此类岩石材料的水灰比越大，自由水在类岩石材料中所占的空间越多，试样成型后其孔隙率就越高。

2.2 冻融过程中水灰比对纵波波速的影响

通过分析类岩石试样的纵波波速随冻融循环次数的变化曲线（图4）可以看出，不同水灰比的类岩石试样纵波波速均随冻融次数的增加而降低，这主要是由于饱水类岩石试样在冻胀力和温度应力的反复作用下，引起内部原有孔（裂）隙扩展和新裂纹萌生，阻碍了波的传播，延长了波的传播距离。同时随着水灰比增加，试样的纵波波速逐渐降低。由图3可知：水灰比增大会引起类岩石试样孔隙率迅速升高，而波在孔隙中的传播速度远低于固体颗粒骨架，导致整体波速降低。冻融前，不同水灰比试样之间的初始波速差别相对较小，其波速的最大差值为334 m/s，但随着冻融循环次数不断增加，不同水灰比试样之间的波速差异逐步扩大，达到50次冻融循环后，波速的最大差值为591 m/s，相比增加了76.95%，说明随着冻融次数增加，水灰比较大的类岩石试样损伤程度加剧。

类岩石试样的纵波波速损失率变化曲线如图5所示。由图5可知：不同水灰比类岩石试样的纵波波速损失率随着冻融循环次数的增加而增大，且水灰比与纵波波速损失率之间表现出明显的相关性：水灰比越大，波速损失率增长越快。经过50次冻融循环后，w/c=0.3试样的波速损失率为5.97%，而w/c=0.45试样的波速损失率为14.28%。不同水灰比试样之间的纵波波速损失率有显著的差异性，主要是由于水灰比不同造成试样初始孔隙率的不同，试样的初始孔隙率越大，饱水后受到冻融损伤的效果越显著，波速损失率越大。

2.3 冻融过程中水灰比对力学特性的影响

冻融循环作用下不同水灰比试样的单轴抗压强度曲线如图6所示。由图6可知：随着冻融循环次数增加，试样的单轴抗压强度均有显著的下降，w/c=0.325与0.35试样的单轴抗压强度相对较高，w/c=0.45试样的单轴抗压强度最低。图7为不同水灰比试样的抗冻系数曲线，抗冻系数是指岩样经历冻融循环后，岩样抗压强度下降量与冻融前试样的初始抗压强度比值。可见，随着冻融循环次数的增加，所有试样的抗冻系数均逐渐增加。通过50次冻融循环后，w/c=0.325与0.35试样的强度损失率相对较低，但最小损失率也超过了25%；其余水灰比试样的强度损失率更大，部分试样强度的最大损失率甚至超过了50%。说明在相同的冻融条件下，w/c=0.325与0.35这两种水灰比的类岩石材料抗冻性相对较好。

为了更加清晰地反映水灰比对试样单轴抗压强度的影响规律，绘制了不同冻融次数下的单轴抗压强度—水灰比曲线，如图8所示。由图8可知：试样的单轴抗压强度与水灰比和冻融循环次数均相关。水灰比低于0.325时，水的含量较少，水化反应不充分，颗粒之间胶结作用较差，导致强度较低；水灰比高于0.35时，水泥颗粒相对较少，颗粒间距离较大，过多的水分蒸发后留下较多的孔隙，使混凝土强度降低。因此，随着水灰比逐渐增大，单轴抗压强度先增大后逐渐减小，在水灰比为0.325～0.35附近达到峰值；随着冻融次数的增加，不同水灰比试样的单轴抗压强度逐渐下降。

图8中各曲线形状基本相似，均符合Gauss分布特征，本研究对其进行了拟合分析，得到Gauss曲线函数方程简化后的表达式为

式中，参数a、b、c取值如表3所示。

式（1）中的各参数a、b、c随着冻融循环次数的变化而变化，本研究将水灰比作为一种初始损伤，得到参数a、b、c与冻融循环次数n的线性关系式为

式（2）中参数a、b、c与冻融循环次数n的变化拟合结果如图9所示。

由图9可知：参数a、b、c均随着冻融循环次数的增加而逐渐减小，但各参数的减小程度有明显区别，经过50次冻融循环后，上述各参数分别减小25.84%、5.04%、62.90%。为了进一步分析参数a、b、c在0～50次冻融循环过程中的变化规律，绘制了各参数随冻融循环次数的变化率曲线，如图10所示。分析图10可知：参数a、b、c随冻融循环次数增加线性递减，但各参数对式（1）中函数值的影响程度不同。

根据表4中Gauss曲线的特性可知，参数a影响曲线整体的高低程度，代表不同水灰比类岩石试样单轴抗压强度的整体水平，由参数a的变化规律可知：在不考虑其他参数影响的前提下，随着冻融循环次数的增加，单轴抗压强度整体线性减小。参数b决定了Gauss曲线的对称轴，即曲线峰值处所对应类岩石试样的水灰比，而参数b在经历50次冻融循环后只下降了5.04%，所受冻融循环次数的影响程度很小，故可认为参数b是不受冻融循环次数影响的常量，可见水灰比在0.325～0.35范围内的试样抗冻性最佳，且该值不随冻融循环次数而变化，说明了本研究得到的抗冻较好的水灰比稳定、可靠。参数c与曲线“钟形”的宽度有关，随着冻融循环次数增加，曲线“钟形”宽度越来越小，说明不同水灰比试样之间单轴抗压强度的变化更加剧烈，这是由于不同水灰比试样之间受冻融循环的损伤程度存在差异，随着冻融循环次数不断增加，水灰比位于0.325～0.35范围之外的试样冻融损伤程度加剧，强度下降较快，而水灰比在0.325～0.35附近的试样，受冻融影响相对较小。

2.4 冻融过程中水灰比对变形特性影响

由图11可知：类岩石试样的弹性模量随着冻融循环次数的增加整体上逐渐减小，经过50次冻融循环后，7种水灰比类岩石材料的弹性模量分别降低49.56%、35.81%、42.88%、52.01%、44.71%、51.54%、48.23%。在相同的冻融循环次数时，随着水灰比增加，试样的弹性模量总体上呈现出先增大再逐渐减小的趋势，与单轴抗压强度表现出的规律相类似。

冻融循环作用下不同水灰比类岩石试样应力—应变曲线如图12所示，图中两条虚线分别表示曲线中试样孔隙压密阶段的最小和最大应变，均分别对应于0次和50次冻融循环试样。类岩石试样破坏前的应力—应变曲线同样可划分为典型的3个阶段，即孔隙压密阶段、弹性阶段和屈服阶段。在孔隙压密阶段，试样中原有的微孔隙或微裂隙逐渐闭合，试样被压密，形成早期的非线性变形，此阶段曲线呈上凹形，随着冻融次数增加，孔隙压密阶段延长；当试样内部的孔隙被压缩到应变极限状态后，应力—应变曲线开始逐步呈线性变化，但各曲线之间的斜率不同，随着冻融次数增加，斜率降低，说明弹性模量随着冻融次数增加而减小，类岩石材料表现出了明显的冻融软化特征；随着应变继续增加，试样开始由弹性阶段转变为塑形阶段，此阶段试样内部裂隙萌生并扩展，试样强度达到峰值后迅速破坏，峰值强度同样随着冻融次数增加而降低。

比较图12中不同水灰比试样之间的应力—应变曲线，发现随着水灰比增加，孔隙压密阶段的应变均逐渐增大，主要是因为随着水灰比增加，岩石初始孔隙率较大所致（图3）。当w/c=0.3时，0、50次冻融循环对应的孔隙压密阶段最小和最大应变分别为0.2%和0.46%；当w/c=0.45时，0、50次冻融循环后类岩石试样对应的孔隙压密阶段的最小和最大应变分别为0.57%和0.86%，此时孔隙压密阶段的最小、最大应变为w/c=0.3的2.85倍和1.87倍。以上数据说明，压密阶段的总应变与试样的水灰比呈正相关，水灰比越大，类岩石试样初始孔隙率越大，压密阶段越长。

3 水灰比对类岩石材料的冻融影响机制

从上述不同水灰比类岩石试样波速、单轴抗压强度、弹性模量的变化规律可以发现，冻融循环作用对类岩石材料的损伤是渐进性的。岩石的内部结构可视为由岩石骨架与孔隙共同组成［31］，在微观层面上，可将冻融循环损伤过程认为是对岩石骨架结构和孔隙结构不断累积破坏的过程。类岩石试样在冻结过程中，矿物颗粒冷却收缩，骨架之间的接触以拉应力为主，而孔隙中的自由水由于体积膨胀形成冻胀力，又反作用于岩石骨架上，导致原有孔隙结构进一步扩展发育；而岩石融化过程中，矿物颗粒受热膨胀，骨架之间的作用力以压应力为主［32］，孔隙中的冰融化使体积减小，对岩石骨架的作用力消失。反复的冻融循环使矿物之间的拉压作用力频繁转换，导致类岩石材料骨架整体性下降，同时孔隙水的相态变化产生的冻胀力使岩石骨架也受到不同程度的损伤。试样骨架结构损伤表现为内聚力减小，黏结能力下降，孔隙结构损伤表现为孔隙结构不断扩展贯通。

水灰比会直接影响类岩石材料的水化反应过程和试样的初始孔隙率，而这两者对类岩石试样的内部结构起主导性作用，从而进一步影响试样的物理力学性质。当水灰比大于0.35时，随着水灰比增加，试样孔隙结构更加发育、力学性能进一步弱化；在冻融过程中，等效冻胀力会随着孔隙率的增加而增大［32］，因此高水灰比类岩石试样的冻融损伤程度更大。当水灰比小于0.325时，虽然类岩石试样初始孔隙率较小，但是水泥砂浆基质间的黏结作用相对较弱，因此单轴强度反而较低，此时冻胀力虽然较小，但是孔隙更容易发生冻融断裂扩展，引起岩石基质发生较大的冻融损伤。因此，在进行类岩石材料配比设计时应该根据需要模拟的原岩性质，选择合理的水灰比，尤其是利用类岩石材料进行冻融研究时，应该考虑材料配比对冻融的影响。

4 结 论

本研究通过不同水灰比的类岩石试样的冻融循环试验及其冻融后的单轴压缩试验，探究了冻融作用下不同水灰比对类岩石材料的基本物理力学性质的影响机制，结果表明：

（1）冻融前，随着水灰比的增大，类岩石材料的干燥、饱和密度均逐渐减小，孔隙率不断增大，进而导致其波速下降；同时冻融过程中，波速随着冻融循环次数的增加而减小，且水灰比越大，波速损失率越高。

（2）类岩石材料的单轴抗压强度受水灰比和冻融循环次数的共同影响。随着水灰比的增大，类岩石材料的单轴抗压强度、弹性模量均出现先增大后减小的现象，当w/c为0.325～0.350时，试样的单轴抗压强度达到峰值，且抗冻性能最佳；随着冻融循环次数的增加，单轴抗压强度、弹性模量逐渐下降，不同水灰比试样间的冻融损伤程度存在明显差异，但强度峰值处对应的水灰比取值基本不受冻融循环次数的影响。

（3）随着冻融循环次数增加，类岩石试样的应力—应变曲线逐渐扁平化，延性增加，且水灰比越大，试样孔隙压密阶段变形越大。冻融过程中，水灰比较大试样孔隙冻胀力较大，而水灰比较小试样基质黏结作用较弱，均容易发生冻融损伤。上述分析结果可为类岩石材料配比设计提供一定的依据。