两种环境下贺兰山岩石物理力学特性试验研究

林青青，杨有贞,2*，冯海燕，赵诣深，马文国,2

（1.宁夏大学 物理与电子电气工程学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 固体力学研究所，宁夏 银川 750021）

0 引 言

贺兰山地处西北内陆干旱地区和东亚季风区之间，是我国重要的气候过渡带。贺兰山地区气候较为干旱，年降水量小于400 mm的地区占总面积的98.5%[1]，且昼夜温差大，同时由于环境污染等原因，该地区降水pH值曾达到5.22[2]。贺兰山岩石长期暴露在大气中，水和温度变化对其造成的影响不可忽略。当外界温度较低时，岩石中的水分冻结后体积膨胀导致其内部的微孔隙、裂隙数量增多体积增大，温度升高冰霜融化，水分渗入新的孔隙、裂隙，并随着温度的变化再次冻结、融化，孔隙、裂隙也随之不断发育，此过程即为冻融循环。处于干燥和酸性环境下的贺兰山遗址区岩石遭受冻融损伤日益严重，导致贺兰山岩画产生颗粒脱落、表层剥落等病害，部分岩画表面图案已经难以分辨，如图1所示。因此研究两种环境下贺兰山岩石物理力学特性对贺兰山遗址的保护具有重要意义。

图1 贺兰山岩画表层损伤Fig.1 Surface damage of Helan Mountain rock painting

傅鹤林等[3]对不同冻融循环次数的板岩弹性参数进行了研究，结果表明岩石的弹性模量、剪切模量及单轴抗压强度随冻融次数的增加而降低；唐江涛等[4]模拟了不同类型岩石的冻融风化过程，实验结果表明随着冻融时间的延长，岩石的力学性质逐渐下降。邓华锋等[5-6]以三峡库区库岸边坡变幅带的砂岩为研究对象，设计了“饱水-风干”循环作用试验，得出了水压力的升、降和饱水-风干循环作用对岩样的损伤有累积作用的结论。朱朝辉等[7]以砂岩为研究对象，开展了砂岩在饱水-干燥循环作用后处于干燥、饱和及长期浸泡饱和3种状态的巴西劈裂试验，结果表明砂岩抗拉强度的降低在饱和-干燥循环条件下比长期浸泡条件下更显著。黄武峰等[8]通过干湿和冻融循环试验，对泥质白云岩力学特性的劣化规律及扩容进行研究，得出了泥质白云岩在干湿和冻融循环作用下均会出现明显不均匀的强度劣化的结论。刘新荣等[9]以重庆地区砂岩为对象，研究了酸性干湿循环对泥质砂岩强度特性劣化的影响，得出泥质砂岩的单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力、内摩擦角和三轴抗压强度都随冻融周期增加而降低的结论。杨有贞等[10]对贺兰山岩画区砂岩开展了不同pH值的冻融试验，结果表明砂岩在酸性环境干湿循环后力学性质的劣化程度强于中性环境。何贤元[11]通过对宁夏地区砂岩开展pH为2和pH为7两种溶液下的干湿循环试验，得出酸性越强干湿循环次数越多，砂岩的吸水率越大，单轴抗拉及抗压强度变化越明显的结论。可见目前对于岩石冻融物理力学特性的研究，主要集中在饱水冻融循环、干湿循环以及酸性干湿循环，但针对贺兰山遗址区岩石的干燥环境和酸性环境的冻融损伤物理力学特性的研究较少。

为此，本文在前人研究基础上，对干燥岩样和在pH为2溶液中浸泡的岩样分别进行干燥循环和干湿循环，设置冻融周期为0、10、20、30、40次，测量岩样冻融试验前后的质量、波速和有效孔隙率，分析不同循环次数及不同环境下贺兰山岩石的特征；开展单轴压缩试验，研究对比两组岩样的应力-应变曲线、弹性模量和破坏模式的变化规律。本文的研究可丰富对贺兰山遗址区岩石损伤力学特性的认识，为遗址区内岩石文物的保护提供一定的指导。

1 试验设计

1.1 岩样制备

本文岩样取自宁夏银川贺兰口岩画区周围，选取标准为岩块表面无明显裂纹、杂质以及空洞。岩块按照标准[12]加工为100 mm×50 mm的圆柱体，上下表面平行且光滑平整，误差≤0.25°。为保证实验数据的准确性，通过人眼观察和超声波测试仪对加工完成的标准岩样进行进一步筛选。

1.2 试验设备及方案

本试验主要包括物理参数测试、冻融循环试验、单轴压缩试验，具体试验方案如下：（1）试验设置干燥组和pH为2干湿冻融组。新鲜岩样真空饱水12 h，将饱水之后的岩样放入105 ℃的干燥箱中干燥11 h，冷却至室温1 h，干燥前后测量岩样质量。pH为2组岩样放入配置好的pH为2溶液中浸泡12 h。（2）将两组岩样放入冻融箱内，设置温度为-31 ℃～40 ℃。2 h温度下降到-31 ℃，保温4 h，2 h温度升到40 ℃，保温4 h，一个循环为12 h。pH为2组岩样在饱水循环结束后进行干燥循环，即干燥11 h，冷却至室温1 h，在溶液中浸泡12 h后进行下一次循环。循环次数为0、10、20、30、40次。（3）目标循环结束后将岩样饱水12 h，拿出称质量，然后放入105 ℃的干燥箱中干燥11 h，拿出冷却至室温1 h。利用游标卡尺测量试样的直径与高度，测每个样品的质量、波速。（4）单轴压缩设备及过程：试验采用TFD-1000微机控制岩石多场耦合仪。试验开始前先使压头与岩样接触，当加载至目标值后，开始加载轴向载荷，加载方式为位移加载，速率为0.002 mm/s，采集岩石的全过程应力-应变曲线。

2 试验结果及分析

2.1 岩样质量损失率

为了定量描述酸性环境对岩样质量损失的影响，定义质量损失率为：

式中：M0为岩样的初始质量，kg；Mn为一定循环次数下岩样质量，kg，n为0，10，20，30，40。

图2给出了干燥组和pH为2时两组环境下质量损失率随着冻融周期变化的情况。

图2 质量损失率与冻融循环周期的关系曲线Fig.2 Relationship between mass loss rate and freeze-thaw cycle

从图中可知，岩样的质量损失率随着冻融周期的增加呈上升趋势。10，20，30，40周期后干燥组岩样质量损失率分别为：0.018%、0.056%、0.076%和0.094%，pH为2组岩样分别为：0.056%、0.153%、0.188%和 0.206%。10～20周期过程中两组岩样质量损失率增量最大，分别增加了0.037%和0.094%，之后呈缓慢上升趋势。经历相同冻融周期后，pH为2组岩样的质量损失率明显大于干燥组岩样。这是因为岩样在进行干燥冻融循环时，温度变化会使岩样内部产生应力梯度引发颗粒剥落等现象，造成质量损失。而处于酸性饱水状态下的岩样，一方面是有水参与的冻融循环会对岩石产生冻胀力从而引起质量损失；另一方面，H+促进了方解石、钾长石和斜长石的水解反应，生成可溶性盐，随水流失[13]。

2.2 有效孔隙率

有效孔隙率反映了岩石内部连通孔隙的相对密度，其计算公式为：

式中：Pw为水的密度；Pnd、Mn2、Mn3为岩样干密度、干质量以及饱水质量，n为0，10，20，30，40。

图3给出了干燥组和pH为2时两组环境下有效孔隙率随着冻融周期变化的情况。

图3 有效孔隙率与冻融循环周期的关系曲线Fig.3 Relationship between effective porosity and freezethaw cycle

从图中可知，有效孔隙率在冻融过程中变化趋势相同，在前10和20个周期内均呈上升趋势（干燥组岩样上升率分别为12.5%和26.8%，pH为2组岩样上升率分别为9.1%和16.7%），后者上升更为明显，达到峰值。在30个冻融周期后有效孔隙率开始下降（较20个冻融周期相比，干燥组下降了3.96%，pH为2组下降了9.82%），之后微小波动。这是由于在冻融过程中有效孔隙率会随着孔隙、微裂隙的增加而上升，同时随着颗粒脱落、表层剥落导致的质量损失的增加而下降，当后者变化量大于前者时表现为岩样有效孔隙率下降，二者变化量相近则呈现微小波动的状态。冻融循环过程中pH为2组岩样的有效孔隙率始终大于相同周期的干燥组岩样。这种现象反映了pH为2组岩样产生了更大的损伤。

2.3 岩样波速变化

波速能够反映岩样的整体力学特性。定义波速降低比例为：

式中：Rp为波速降低比例；Pn为n次冻融循环后岩样波速，n为 0，10，20，30，40；P0为岩样初始波速。

图4给出了干燥组和pH为2时两组环境下波速降低比例随着冻融周期变化的情况。

图4 波速降低比例与冻融循环周期关系曲线Fig.4 Relationship between the ratio of wave velocity decrease and freeze-thaw cycle

从图中可知，两组岩样的波速均随着冻融周期的增加持续降低，在 20循环周期结束后波速降低比例达到最大，干燥组岩样降低5.6%，pH为2组岩样降低13.7%，之后前者趋于稳定，后者小幅增加。两组岩样波速降低程度差异明显，pH为2组岩样波速降低程度大于同一周期下的干燥组岩样，这与有效孔隙率的变化相一致。纵波传播需要绕过孔隙，因此有效孔隙率增加导致相同尺寸岩样的纵波传播时间增长，波速降低。当冻融循环过程中有水和酸根离子参与时，由于酸性溶液对岩样的溶蚀作用，有效孔隙率增量更大，则纵波波速降低程度也更大。这意味着处于酸性环境时岩石的劣化程度将会大于同时期干燥环境的岩石；岩石处于酸性环境时其劣化速度比处于干燥环境时更快。

2.4 岩样单轴压缩应力-应变曲线

图5给出了两组岩样单轴压缩应力-应变曲线图。由图5可知，除pH为2组的40周期岩样外，其余岩样的应力-应变曲线变化一致，前后经历了4个阶段：压密阶段、弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。pH为2组岩样在经历40次冻融周期后应力-应变曲线呈现出流变特征，当施加的应力变化范围较小时应变持续增大，这是因为岩样在酸性环境下进行了长时间的冻融循环导致了矿物成分流失，颗粒之间的黏结力小，有效孔隙率大，此时岩样内部结构较为松散。从图5（a）中可知，峰值应力由大到小为0，10，20，30和40周期，即随冻融周期的增加，干燥组岩样的峰值应力逐渐减小，从图5（b）中可看出pH为2组岩样的峰值应力也符合相同的变化规律。这说明岩石的单轴抗压强度会随冻融循环周期的增加而降低。对比两图可得，pH为2组岩样峰值应力的降低程度大于同周期下的干燥组岩样，当经历相同冻融周期时，处于酸性环境岩石的单轴抗压强度比干燥环境岩石降低程度更大。

图5 两组岩样单轴压缩应力-应变曲线Fig.5 Uniaxial compressive stress-strain of two groups of rock samples

2.5 岩样弹性模量变化

本文使用切线法计算弹性模量，图6给出了干燥组和pH为2时两组岩样在不同周期下的弹性模量。

图6 弹性模量与冻融周期关系曲线Fig.6 Relationship between elastic modulus and freezethaw cycles

从图中可知，干燥组和pH为2组岩样的弹性模量随着冻融周期的增加均逐渐减小，后者的值始终小于前者，并且随着冻融周期的增加，二者差值逐渐增大。这说明处于两种环境下岩样的弹性模量会随冻融循环的进行而降低，处于酸性环境岩样的弹性模量比同周期下的干燥组岩样降低程度更大。弹性模量的阶段变化量Er能更好地反映出弹性模量随不同冻融周期的变化规律，计算公式为：

式中：En和En-10分别为岩样n次和n-10次冻融周期后的弹性模量，n为10，20，30，40。

表1给出了干燥组和pH为2时两组环境在不同周期下弹性模量的阶段变化量。

从表1可知，pH为2时岩样弹性模量的相对变化量绝对值大于同周期下的干燥组岩样，这意味着在经历相同时间的冻融循环后，酸性环境岩样的劣化程度比处于干燥环境岩样的劣化程度更大。20周期后两组岩样弹性模量的相对变化量绝对值最大，这与岩样的质量损失率、有效孔隙率和波速降低比例的变化规律相同。

表1 两组岩样在不同周期下的弹性模量的阶段变化量Table 1 Variation of elastic modulus of two groups of rock samples under different cycles MPa

2.6 岩样单轴压缩破坏模式

图7、图8给出了干燥组和pH为2时两组岩样在不同周期下的单轴压缩破坏模式。

由图7可以看出，0周期岩样发生与轴线平行的破坏，边角处有少数裂纹。10周期岩样发生与轴线平行和呈45°的剪切破坏。20和30周期岩样的破坏表面呈“人”字形，前者的3个断口交界上部有表皮脱落现象，后者断口中下部附近分布2～3条裂纹，左侧有1条裂纹。40周期岩样断面为从顶端延伸到底部，底部破坏严重。由图8可知，0周期岩样有2条破坏面，10和20周期的岩样有2～3处断面，从顶部贯穿底部，表面均有片状脱落的现象，30周期的岩样侧面裂纹发育丰富且排列紧密，主要有与轴线平行和呈 45°两个方向，岩样底端比顶端破碎程度大，40周期岩样破碎严重。随着冻融周期的增加，岩样破碎程度逐渐增加，岩样表面的裂纹数量随之增加，岩样主要发生与轴线平行方向和45°方向的剪切破坏；pH为2组岩样比经历相同冻融周期的干燥组岩样破碎程度明显，这是由于在进行冻融循环时，水分进入岩样内部，将矿物颗粒溶解，使颗粒之间的黏结力降低，同时酸性溶液中的H+与岩样内部的矿物成分发生化学反应，减小了颗粒体积，致使岩样内部孔隙、裂隙增加。

图7 不同冻融周期下干燥组岩样单轴压缩破坏模式Fig.7 Uniaxial compression failure patterns of rock samples of dry group under different freeze-thaw cycles

图8 不同冻融周期下pH为2组岩样单轴压缩破坏模式Fig.8 Uniaxial compression failure patterns of rock samples of pH 2 group under different freeze-thaw cycles

3 结 论

本文对冻融作用下两种环境的完整岩样测量质量、纵波波速和有效孔隙率，之后进行单轴压缩试验，通过分析每组试验后所得的数据结果，得出以下结论：

（1）处于干燥环境和酸性环境的贺兰山岩石在经历冻融循环后，波速、弹性模量、单轴抗压强度均有所下降，有效孔隙率在前20周期上升，在后20周期有一定程度的下降。酸性环境改变了岩样力学参数随冻融循环的变化程度，但并未改变其变化规律。

（2）pH为2组岩样的质量损失率、波速、有效孔隙率和单轴抗压强度的变化量均大于经历相同冻融周期的干燥组岩样。岩石处于干燥环境和酸性环境时，后者的劣化速度更快。

（3）随着冻融周期的增加，岩样单轴压缩的破碎程度逐渐增加，且处于酸性环境的岩石破碎程度比同周期下的干燥环境岩石更为明显。