冻融循环条件下砂岩物理力学劣化特性的实验研究

王创业，李仕璋，刘沂琳

(内蒙古科技大学矿业研究院，包头 014010)

内蒙古自治区中西部矿产资源丰富，区内分布有大量的露天矿。受当地气候影响，露天矿边坡岩体易风化，由此造成边坡浅部灾害，影响矿山安全生产。这其中，冻融作用通常被认为是岩石风化劣化的主要影响因素之一[1]。因而研究岩石的冻融损伤机制对于内蒙古中西部露天矿边坡浅部灾害的预防具有重要意义。

岩石冻融试验是研究岩石冻融损伤机制的重要手段之一，经历冻融循环试验后，岩石的宏观表象和性能变化特征发生较大变化。李杰林等[2]对风化花岗岩的冻融循环实验表明，随着冻融循环次数增加，岩石物理力学性质劣化，其风化程度加强。张慧梅等[3-4]与Momeni等[5]对饱水红砂岩和花岗岩的冻融循环实验表明，岩石的质量、密度、纵波波速、压缩性、峰值应变、残余强度均随冻融循环次数的增加出现明显变化，且破坏形式由脆性转化为延性。Tan等[6]对花岗岩的冻融循环实验同样表明，岩石的强度、变形特性、弹性模量及黏聚力均发生显著变化。岩石经历冻融循环后，其细观结构发生变化，进而显现出宏观力学特性的变化，这一点已得到广泛证实[7-9]。Zhou等[10]开展了冻融循环后砂岩的核磁共振(nudear magnetic resonance, NMR)和冲击加载试验，孔隙尺度与孔隙度随冻融循环次数动态变化，且孔隙度与峰值强度呈多项式关系。李杰林等[11]对每轮冻融循环后的岩样进行NMR测量，表明NMR结果能够地显示岩石的冻融损伤过程。

以上研究在一定程度上揭示了冻融循环对岩石的损伤影响机制，对岩石的冻融损伤问题具有借鉴意义。但是上述研究大多只是针对岩石的一种或者多种物理力学参数在冻融循环前后进行对比分析，而目前，对岩石经历冻融循环后，其受力破坏的损伤演化过程研究较少，而声发射(acoustic emission, AE)可以对岩石在受力全过程下内部微小损伤演化做出直观反映[12]。鉴于此，以内蒙古中西部某露天矿为工程研究背景，对经历不同冻融循环次数的砂岩首先进行核磁共振测量，获取其孔隙率和水分迁移变化规律；其次进行单轴压缩声发射试验，结合声发射事件率和声发射能率进行综合分析，探索冻融循环作用对岩石物理力学性质和岩石破裂机理的影响机制，为内蒙古中西部露天矿边坡浅部灾害防治提供参考。

2 试样制备与试验方案

2.1 试样的制备

本次试验的砂岩取自内蒙古中西部某露天矿区，首先对砂岩岩块用ZS-200岩芯取样机取岩芯，接着用切割机切平岩芯两端，最后用SHM-200双端面磨石机打磨两端面，制成直径50 mm、高100 mm的标准圆柱形岩石试样。

2.2 试验方案

依据规程操作要求[13]，结合研究区的气候状况，将试件放置在ZYB-Ⅱ型真空加压饱和装置饱水后，在温度为-40 ℃的环境下冻结4 h，然后在40 ℃的环境下溶解4 h，记为一次循环，每次冻融循环为8 h。试件分为5组，编号依次为DR0、DR10、DR20、DR30、DR40，分别经历0、10、20、30、40次冻融循环。每组3个试件，按1、2、3顺序编号。试件经历每轮冻融循环后，使用纽迈MiniMR-60核磁共振系统进行NMR测量。

单轴压缩声发射试验试验设备如图 1所示。

图1 单轴压缩声发射试验试验设备

试件完成预定冻融循环后，采用SAS-2000型岩石刚性压缩试验机[图1(a)]进行单轴压缩声发射试验。试验前，将两个声发射传感器使用耦合剂和胶带固定在试件表面，然后将试件置于引伸计[图1(b)]中；压力试验机以轴向位移控制，0.1 mm/min的加载速度加载，直到试件破坏。试验期间，采用SAEU2S型声发射仪[图1(c)]采集声发射信号，系统采样频率:1 MHz，采样时间间隔:2 000 μs，波形门限:40 dB，前放增益:40 dB。

3 试验现象与结果分析

3.1 试件外观劣化

试件经过10、20次的冻融循环后，外观上没有发生明显变化；而经过30、40次冻融循环的试件外观上发生劣化，劣化部分的局部图如图2所示。

图2 试件冻融循环后的劣化形态

图2(a)、图2(b)中，经过30次冻融循环后的试件分别出现了肉眼可见的细小且较长的水平裂纹或垂直裂纹；经过40次冻融循环后的试件出现了多种劣化形式共存的现象:图2(c)中，试件上出现了明显的网络状裂纹；图2(d)中试件上水平裂纹或垂直裂纹较30次循环更深更长，且裂纹附近呈鲕状，出现了明显的颗粒脱落现象，部分区域出现坑状缺陷。

3.2 孔隙率及束缚流体饱和度变化

孔隙率是定量描述岩石内部孔隙结构的参数，反映了冻融对岩石造成的损伤[10]。如前所述，试件每次冻融循环结束都会进行NMR检测，所以在研究孔隙率变化时，以5次循环为间隔分析40次冻融循环的DR40-1、2、3试件的平均孔隙率变化，取三个试样的孔隙率平均值，可以排除因岩石个体差异的影响而带来的试验误差，试验结果如表1所示。

由表1可知，随着冻融循环次数的增加，试件的孔隙率呈现出缓慢增大的趋势，但是整体变化幅度并不大，约在2.06%左右。对不同循环次数下的平均孔隙变化率进行曲线拟合，拟合的平均孔隙变化率曲线如图 3所示。

表1 40次冻融循环试件平均孔隙变化率表

图3 平均孔隙变化率变化曲线

由图3可知，随冻融循环次数的增加砂岩的平均孔隙变化率呈二次方函数的变化趋势，逐渐增加，但是增大的趋势逐渐减缓并趋于稳定，这说明孔隙率在冻融循环影响下的劣化是有一定限度的。

束缚流体饱和度是度量岩石内部孔隙变化的另一个重要参数[14]。束缚流体饱和度的占比与颗粒间约束能力的强弱有直接关系。将DR40-1、2、3试件每次冻融循环后的平均束缚流体饱和度随冻融循环次数变化如图4所示。

图4 40次冻融循环试件束缚流体饱和度变化曲线

由图4可知，未进行冻融循环时(0次)，束缚流体饱和度均在50%左右，随着冻融循环次数的增加，束缚流体饱和度呈持续下降趋势，且下降幅度明显，在第40次循环后，束缚流体饱和度仅为10%～20%。说明冻融过程中，由于冻胀，试件内部的微小孔隙体积变大、孔隙率逐渐增加；同时，试件内部中与岩石颗粒相结合的束缚流体也有部分融化为自由流体；束缚流体饱和度的降低从侧面反映了岩石颗粒间约束能力的不断削弱，这是导致试件损伤劣化的重要因素。

3.3 应力-应变曲线比较

轴向应力-应变曲线反映了试件在外力作用下的变形规律，下文分析中每组试件仅取一块分析，结果如图5所示。

图5 不同冻融循环次数下应力-应变曲线

基于体积应变法[15]，将全应力应变曲线划分为以下5个阶段:oa为Ⅰ阶段；ab为Ⅱ阶段；bc为Ⅲ 阶段；cd为Ⅳ 阶段；d点以后为Ⅴ阶段。该阶段划分便于后文声发射参数分析。

由图 5可知，随着冻融循环次数的增加，试件的峰值强度迅速降低，峰值强度在0～10、10～20次循环过程中降低的不明显，而在20～30次开始显著降低，直到30～40次循环降低至未冻融前强度的约1/5；同时对应的应变值在前20次循环过程中不断减小，但从30次循环开始应变明显增大并持续增加；在循环冻融过程中，试件到达峰值应力前曲线斜率逐渐减小，表现出明显的塑性特征。

冻融系数是岩石冻融损伤程度的判定标准，冻融系数越低，证明岩石试件的冻融损伤越严重，其表达式[13]为

(1)

五组试件的岩石冻融系数与冻融次数之间的关系曲线如图 6所示。

图6 冻融系数变化曲线

由图 6所示，冻融系数随循环次数的增加也迅速降低，30～40次循环间曲线斜率最大，冻融系数下降最快。这共同反映冻融循环对岩石试件孔隙结构的影响是一个累积劣化过程，试件内部发生不可逆的劣化，从而使岩石具有更明显的塑性特征。总体来说，对本文所研究的砂岩，30次冻融循环是岩石性质发生变化的一个转折点，之前表现出弹性特征，之后为塑性特征。

3.4 声发射时域参数分析

声发射参数能够反映岩石内部的损伤破坏规律，通过分析声发射时域特征参数来研究冻融循环对岩石的损伤过程[16]。选取声发射事件率、能率分析冻融循环条件下声发射信号与岩石变形破坏间的联系。

3.4.1 声发射事件率变化特征

声发射事件率反映了声发射事件的频度。根据试验结果，绘制了不同冻融循环次数下试件的轴向应力、声发射事件率随时间的变化曲线如图 7所示。如图7可知，0、10、20次冻融循环声发射事件率总体呈现近似于“U”形，即前期高事件率，中期低事件率，后期又快速上升为高事件率；0次循环时，事件率呈现前期高，中期降低，后期又快速上升，整体变化趋势呈“U”形；10次循环时，前期事件率较0次循环降低；20次循环时中期事件率较0次、10次有所提高；30次冻融循环后，加载全程均为高事件率，无明显变化趋势，此时的应力-时间曲线仍为脆性岩石的变化趋势，但前20次循环试件的声发射事件率特征已完全消失；40次循环后声发射事件率与前20次特征相反，前期低事件率，中期高事件率，后期事件率逐渐降低，呈“凸”形。

图7 声发射事件率与应力随时间变化曲线

图7(a)中Ⅱ、Ⅲ阶段因主要发生弹性变形并伴随着微裂隙的缓慢发育，声发射事件较少，故主要存在低事件率特征，事件率低于20个/s；随着循环次数的增加Ⅱ、Ⅲ阶段的声发射事件逐渐增多，声发射事件率增加，在30次循环时达到最高，为120个/s[图 7(d)]，这是因为随着冻融损伤的不断加剧，颗粒间的胶结性不断弱化，孔隙更易破裂，微裂隙更易贯通，导致声发射活动更加活跃。这也说明冻融循环对试件的损伤主要集中在对孔隙的作用上，其胶结强度所能承受的局部应力越来越小，30次循环时试件的内部损伤最为明显；40次循环时试件已劣化为塑性岩石，事件率随应力的增大而上升，接近Ⅳ阶段时事件率达到最高，为118个/s。

各试件均在峰值应力到达时出现明显的低事件率缺失现象，这说明试件破坏时的声发射活动极为活跃，此时出现更多的是宏观裂纹的扩展。前30次循环内随着循环次数的增加，低事件率缺失的区域面积也越来越小，出现高低事件率并存现象，破坏形式更加复杂；如图 7(e)所示，40次循环后，高事件率出现在峰值应力时同时出现明显的低事件率缺失，随着应力的缓慢下降，事件率也在不断下降，试件瞬间失稳的现象消失，峰值应力后孔隙的破坏和微裂纹发育仍不停出现。

3.4.2 声发射能率变化特征

声发射能率是单位时间内声发射所释放的能量。不同冻融循环次数下岩石试件的能率、轴向应力随时间的变化关系如图8所示。

图8 声发射能率与应力随时间变化曲线

根据声发射能量释放数量级的不同，将试件能量的释放过程划分为两个阶段，其中将峰值应力附近声发射能量释放较高的阶段定义为“爆发期”，声发射能量释放较低的阶段定义为“平稳期”。

统计各组试样峰值能率随循环次数的变化如表2所示。结合图 8及表 2可知，0次循环的试件峰值能率最高；10～30次循环时试件的峰值能率相差不大，均为0次循环的1/5左右，这说明前30次冻融循环对峰值能率没有明显的影响；40次冻融循环后，峰值能率明显的下降，试件发生脆-塑性转变后峰值能率下降明显，此时能量的释放随应力的上升和下降而相应的增大和减小；40次冻融循环后的峰值能率仅为0次循环时的1/10左右，这说明冻融循环作用会使声发射活动释放的能量减少，这是因为冻融循环弱化了岩石内部结构，岩石破坏时所释放的能量也与之减少。

表2 不同冻融循环次数下的峰值能率与其他阶段的平均能率比值

在“平稳期”，0、10、20次冻融循环的试件几乎没有明显的能量释放，“平稳期”平均能率约为峰值能率的1/500～1/90，说明能量释放均集中在爆发期；30次循环时“平稳期”则出现了较高的能量释放，此时“平稳期”平均能率可达到峰值能率的1/10左右，这说明30次循环的试件在破坏全过程声发射活动强度更大，能量释放更均匀；试件劣化在前30次具有脆性特征的岩石中最为明显；40次循环的试件因劣化为塑性岩石，全过程出现两个“平稳期”[图 8(e)]，且“平稳期”平均能率与峰值能率的比值下降至1/50，能量释放集中在“爆发期”，此时“平稳期”的声发射能率与0～20次循环“平稳期”的声发射能率相似，无明显能量释放，声发射活动强度远低于30次循环。

4 结论

(1)随着冻融循环次数的增加，从30次循环开始，试件发生明显的外观劣化，主要有宏观裂纹的产生、块体脱落、裂纹周围呈现鲕状结构3种现象。

(2)试件的孔隙率变化与冻融循环次数呈正相关，但是其孔隙变化率的变化趋势趋向平缓；束缚流体饱和度变化与冻融循环次数呈负相关，试件颗粒间的胶结性随冻融循环次数增加而不断降低。

(3)随着冻融循环次数的增加，声发射事件率变化趋势为前期高、中期低、后期高的“U”形→全程高事件率→前期低、中期高、后期低的“凸”形；且试件失稳时低事件率缺失面积逐渐减少，在30次冻融循环时达到最小，试件破坏形式趋于复杂。试件破坏释放的能量逐渐减少，峰值能率下降明显；“平稳期”平均能率与峰值能率的比值之间逐渐增大，在30次冻融循环时达到最大，破坏全过程声发射活动强度较高。

(4)就本试验条件，30次冻融循环是冻融对试件劣化影响的分界线。表现为:冻融系数显著降低；应力-应变曲线明显反映出岩石的脆-塑性转变；声发射事件率高、活跃，能率强度大。由此可将30次冻融循环作为砂岩冻融劣化的界定标准，这对实际工程的安全性评价有一定的指导意义。