贺兰山岩画区岩石吸水特性试验研究

杨有贞, 金梦华, 强文华, 郭 家, 马文国

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院 固体力学研究所,宁夏 银川 750021)

贺兰口岩画区属于干旱大陆季风气候[1],降水量小,但该地区属于冲沟,为地表明流,岩石裂隙可填充水,水-岩相互作用不可忽视.暴露在自然环境下的岩石,会受到降水、地表流水或地下水的影响,岩石浸水后岩石裂隙吸水会改变内部的一些物理、力学性质[2].例如水分子进入岩石裂隙或者孔隙时,其中的盐分可能会发生结晶而撑裂孔隙[3],或水分子在温度较低情况结冰导致体积膨胀使得裂隙或孔隙被撑大.此外，岩石中的水分子在进行无休止的无规则运动,可能会使岩石结构和化学组成发生变化,使岩石分解.

岩石的超声波波速对岩石内部的物理、力学性质有较好的相关性.岩石的吸水特性表明,吸水后岩石物理力学性质的变化,可通过探究饱水度对纵波波速的影响来进行分析.朱合华等[4]分别对饱和状态下的砂岩、大理岩、花岗片麻岩、黑云母麻岩在干燥和浸水饱和状态下的波速研究发现,饱和后的纵波波速均有不同程度的增加.周治国等[5]在饱水度对砂岩纵波波速及强度影响的实验研究中对岩石进行饱水和风干实验,结果表明,岩石的纵波波速与饱水度并无线性关系,亦非单调的,在饱水度不同的变化过程中,饱水度与纵波波速的关系亦不相同.刘新荣等[6]在岩石尺度效应对吸水率影响的研究中发现砂岩的吸水效果与样品的纵波波速的平方和CT数值反比例相关.邓涛等[7]研究发现,浸水饱和后的岩样纵波波速明显不同于干燥状态下的纵波波速并表现出分散性,岩石的各向异性被弱化.

对于贺兰山地区岩画载体岩石的吸水特性,冯晓芳[8]建立了砂岩在时间序列上的吸水特征.然而,考虑到贺兰口岩石经常处于含水环境中,测试岩石波速必须考虑岩石吸水率这一参数.为此,本文以贺兰山口岩石材料为研究对象,探究岩石吸水特性的时间变化规律及岩样纵波波速随吸水率的变化情况.

1 实验方案

贺兰山在我国的400 mm年等降水量线上,降雨集中在7,8,9月份,暴雨较多,存在局部洪灾[9].贺兰山较为特殊的地势地貌,使得山体中含有大量的岩隙水,这些岩隙水便是浸入到岩石里的地下水.岩石由于受到构造运动和风化等应力作用的影响,会产生断层或者裂隙并且不断发育扩大,从而为沟内裂隙水提供了条件[10];同时,贺兰山地区的丰沛雨水为沟内裂隙水提供了水源.由于山体的地表受到外力作用产生地形切割,地下水又以泉水的形式露出地表形成溪流,富集在山沟内并沿着谷沟低洼处流出,在山前荒漠平原形成洪积扇.

本文试验所选岩样为采集于贺兰口岩画载体砂岩.为降低岩样个体性差异对试验结果的影响,提高试验结果的可靠性,采样过程中主要考虑岩石颜色、节理、均匀性等因素,选用较为新鲜的整体岩块,无明显节理及裂隙.按照《工程岩体试验方法标准》[11],在磨平机上磨平岩样,以便控制岩样的加工精度,在允许的误差范围内(相邻面互相垂直,偏差不超过0.25°;相对面平行,不平行度不大于0.05 mm).如图1所示,选取直径均为5 cm,高度分别为10 cm,5 cm的柱状岩石样品各5个,分别标号为1a，2a,…，5a,1b，2b,…，5b,其中1a～3a与1b～3b为自然吸水率实验,4a～5a与4b～5b为饱和吸水率实验.

图1 实验岩样图

在吸水率实验中,从5 cm和10 cm的试样中分别选择3个岩样进行实验.首先,将岩样放置于真空干燥箱中干燥后,取出冷却至室温进行称重,称重精确至0.01 g.然后,将岩样完全浸入水中,分别在浸水后1 h,3 h,5 h,7 h,10 h,14 h,24 h和48 h进行称重.最后,由下式计算出不同时刻岩样的自然吸水率和饱和吸水率,即

(1)

式中:wa为岩样自然吸水率;ms为烘干后岩样的质量;m0为岩样自然浸水后的质量.

岩石内部结构复杂,属于非均匀材料,内部裂隙隐蔽性强,而声波与岩石的强度以及破坏形式有密切的关系.通过声波变化,可以分析岩石内部在水的作用下发生的变化.本次试验使用图2的瑞士Proceq材料超声波测试仪,测试方法为图3所示的直接发射法.其原理为,发射探头发出的信号被接收探头接受,利用超声波在有限长度的岩样中传播的时间差以及岩样高度,由(2)式计算得出波速结果,即

图2 Proceq材料超声波测试仪

图3 直接发射法示意图

V=L/t，

(2)

式中:V为待计算的波速;L为岩样的高度;t为超声波传播的时间差.

分别计算自然吸水率实验和自由饱和吸水率实验7个不同时刻(干燥到饱和)试样的饱水度并测量对应的纵波波速.对比不同吸水率实验中纵波波速的变化趋势,并比较同一吸水环境下不同高度岩样的纵波波速变化.其饱水度计算为

(3)

式中:wb为饱水度;mt为某一时刻岩样的质量;m0为初始质量;ms为饱和质量.

2 试验结果分析

表1中给出了样品1a～3a吸水过程中的质量变化情况.样品初始质量分别为535.6,527.2,531.2 g,在0～5 h过程中样品质量分别快速增大至536.4,527.8,523.3 g,在5～10 h过程中分别缓慢增加至536.6,528.4,532.7 g,10 h后质量趋于稳定.可以看出,饱和后样品质量的增量分别为1.3,1.4,1.9 g,即饱和后样品3a吸水的质量最大,样品2a次之,样品1a吸水质量最小.岩样1b～3b初始干燥质量分别为262.4,268.1,270.5 g,饱和后质量分别为263.1,268.8,271.5 g.5～10 h时质量缓慢增长至262.9 g,268.8 g,271.1 g,随后趋于稳定.

图4为吸水率随时间变化的拟合曲线.由图4可知,岩样吸水率随浸水时间呈对数型分布,即在浸水初期,岩石吸水速度较快,吸水率增长较快,随后吸水率的增长变缓,直至稳定.图4中,各曲线代表不同的拟合曲线,拟合公式为

图4 岩样吸水率特性曲线

wa=alnt+wa0,

(4)

式中:a,wa0为拟合数;t为吸水时间;wa为自然吸水率.

表1 样品吸水过程中质量变化情况表 g

由于不同的岩石样品具有差异性,具有不同的吸水特性,即使高径比相同,不同样品的吸水率随时间变化的拟合系数也不尽相同,其中系数a的数值越大,表示岩样吸水率的变化越快.在样品1a～3a中,样品3a的系数a最大,表明样品3a的吸水率变化快,样品的孔隙体积较大,孔隙的数量较多.样品1b～3b中，样品3b的系数a最大,表明样品3b的吸水率变化较快,样品的孔隙较大,孔隙数量较多.

表2为吸水过程中不同时刻下样品1a～3a,1b～3b的纵波波速,表3为相应时刻的饱水度.

表2 自然吸水过程的纵波波速 m/s

表3 自然吸水过程不同时刻的饱水度 %

测试结果表明,当岩样完全饱和时,对应的纵波波速最快,以此为标准,对自然吸水过程中的波速进行归一化处理,得到岩样纵波波速和饱水度变化关系曲线见图5.由图5可知,当饱水度小于40%时,岩样波速随着饱水度的增加变化缓慢;当饱水度为40%～75%时,岩样波速变化明显,随着饱水度的增加,岩样的纵波波速呈现非线性的增长趋势;当饱水度为75%～90%(自由饱和状态)时,波速出现了明显下降趋势;饱和度为90%～100%时,归一化波速迅速增加到1.结合表4,得到贺兰山砂岩饱水过程中纵波波速增量与吸水率之间近似呈二次函数关系.这主要是因为水进入岩石孔隙,对岩石具有软化作用,矿物质之间的连接降低,使波速降低;随着饱水度的增加,水在岩石孔隙中自由存在,导致纵波在传播过程中传播路径增大,从而使得波速持续降低;当达到饱和状态时,水充满孔隙,将岩石中的空气逼出,纵波在水和岩样的耦合体中传播,传播路径减小,波速增大.

表4 岩样的纵波波速与饱和吸水率

图5 纵波波速和饱水度变化关系曲线

3 结论

本文通过对两种岩样进行吸水试验,分析了岩样的吸水率随浸水时间的变化,得出以下结论:

1)岩样吸水率和浸水时间满足对数型函数关系,即浸水时间越长,岩样吸水率的增长逐渐变缓，最后趋于稳定.

2) 吸水过程对纵波波速影响很大,与浸水之前干燥状态下的纵波波速相比,浸水饱和后的岩样纵波波速明显增大.