冻融循环下粉砂质泥岩强度劣化特性及细观机理研究*

付宏渊 段鑫波 史振宁

(长沙理工大学,交通运输工程学院,长沙 410114,中国)

0 引 言

粉砂质泥岩广泛分布于我国西南地区,在该地区高速公路建设中形成的路堑边坡极易受季节性气候影响。西南地区冬季昼夜温差变化大,单日温度变化幅度甚至超过20℃,边坡浅层岩体受周期性冻融循环作用,强度及抗变形能力逐渐降低,甚至引起边坡岩体表面破坏剥落,进而导致失稳(赵鑫等,2020),威胁道路长期运营安全。部分学者认为水冰相变产生的冻胀力是诱发工程岩体冻融损伤破坏的主导因素(李杰林等,2019; 杨更社等,2019; Pan et al.,2020)。考虑到粉砂质泥岩内部具有丰富的节理,而水分赋存状态是影响粉砂质泥岩性质的重要因素(曾铃等,2019; Fu et al.,2020; 付宏渊等,2020)。因此,仅考虑粉砂质泥岩冻融循环下的冻胀力作用,忽视细观结构特性是不准确的,有必要结合粉砂质泥岩的特点,对冻融循环下粉砂质泥岩宏观力学性能以及细观结构开展研究。

目前对冻融循环作用下粉砂质泥岩强度特性的研究并不多见,但冻融循环下其他类型岩石的研究已经取得了一些成果。在宏观方面:部分学者(Khanlari et al.,2015; 徐拴海等,2016; 赵建军等,2019; 周盛涛等,2020)开展了不同类型岩石在冻融循环后单轴试验,获得了相关力学参数的劣化规律; 另一些学者(陈国庆等,2020,2021; 宋勇军等,2020,2021)则考虑饱和度与含水率的影响,对砂岩进行冻融循环单轴试验、分级加卸载三轴蠕变试验以及剪切蠕变试验,分析了砂岩的冻融损伤及时效性损伤效应; 此外,对岩石在冻融循环过程中的力学性质的研究(Al-Omari et al.,2015; 张峰瑞等,2019; 王鲁男等,2020),也加深了对岩体水冰相转化的了解。在细观方面:利用核磁共振检测(Zhou et al.,2015; 姜德义等,2019; 杨秀荣等,2020)进行的冻融循环过程中岩石内部损伤累积过程研究取得了较好成果; 同时,还有学者通过CT计数与数字图像处理技术对冻融循环后的岩石进行分析(De Argandona et al.,1999; 杨鸿锐等,2021),获得了冻融作用下岩样细观结构特征的变化特征以及孔隙结构的演化规律。母剑桥等(2013)、色麦尔江·麦麦提玉苏普等(2020)则是对力学试验破坏后的典型岩样破坏断口进行了电镜扫描,分析了细观损伤形态,揭示了岩石细观损伤破坏机理。

综上所述,目前在已有研究中少有针对冻融循环对粉砂质泥岩物理力学特性、细观结构损伤以及孔隙率变化的分析研究。因此,拟开展不同冻融循环次数下的粉砂质泥岩试样单轴试验,分析冻融循环次数对粉砂质泥岩的破坏模式、物理力学特性的影响; 通过压汞试验获得孔隙的变化趋势,再结合扫描电镜图进行分析,进一步探讨冻融循环作用下粉砂质泥岩试样的细观结构变化,为粉砂质泥岩在冻融循环条件下的强度劣化机理研究提供了新思路,为季冻区粉砂质泥岩边坡工程施工和设计提供参考。

1 试验制备及试验方案

1.1 试件制备

选用采自湖南浏阳地区的粉砂质泥岩,将完整性较好、无明显节理裂隙的大块岩块清理后及时蜡封,然后运送至岩石加工实验室,制作完成的部分标准岩样如图1所示。

图1 标准岩样

1.2 试验设备

本次试验主要采用可程式恒温恒湿箱、万能试验机(WDW-100C)、扫描电镜(EVO 10)和全自动压汞仪(PoreMaster 60)等设备。其中可程式恒温恒湿箱的工作温度范围为-30～60℃,可根据设置的冻融周期进行自动循环; 万能试验机最大轴向加载力为100kN,加载速度为0.025～375mm·min-1,压缩行程为0～600mm,轴向量程为0～10mm; 扫描电镜放大倍速为7X～106X,加速电压范围为200V～30kV,图像分辨率为3.0nm; 全自动压汞仪可进行高压(1080～4.26μm)与低压(10.66～0.0064μm)两种孔径测量。主要设备如图2所示。

图2 主要设备

1.3 试验方案及步骤

1.3.1 试验方案

图3为浏阳市2021年1月气温走势图,由图可知该地1月最低气温为-4℃,最高温度为17℃。由于该地区多为丘陵地带,通过对该地历史温度的查询,全年最低温度发生在1月,且1月历史最低温度将低于-4℃但不超过-10℃,最高温度不超过20℃,持续时间均不超过12h。因此考虑最不利条件下的冻融循环温差,本试验温度循环范围为-10～20℃,单个冻融循环周期为24h,如图4所示。冻融循环之前使试样完全饱和,冻融循环次数设置为5、10、15、20、25、30次共6种方案,每组试验对应3个平行试样,并将初始状态下未进行冻融循环试样完全饱和作为对照组,分别进行单轴压缩试验、电镜扫描试验与压汞试验。

图3 1月气温走势图

图4 一次冻融循环试验示意图

1.3.2 试验步骤

(1)利用超声波检测粉砂质泥岩岩样的纵波波速,根据付宏渊等(2019)的推荐,选取纵波波速范围为2.2～2.3km·s-1的岩样共18个。

(2)首先将筛选后的岩样放置在107±1℃恒温箱中鼓风烘干24h,待冷却后将干燥试样称重; 然后采用真空饱和法制得饱水岩样,用滤纸吸附表面水分后称量。参考已有冻融循环试验(杨忠平等,2019; 赵建军等,2019; 周盛涛等,2020),本研究将单次冻融循环周期设定为24h。单次冻融循环试验温度变化如图4所示,在冻结、融化两阶段之间的温度变化时间为2h,温度变化率为15℃·h-1,冻结时间为10h,融化时间为10h,周期为24h。最后每个试验组循环结束后,用滤纸吸附试样表面水分并称量。

(3)冻融循环结束后,以1mm·min-1的位移加载速度进行单轴压缩试验。

(4)从冻融循环试验后的岩样中挑选表面无明显裂纹岩样制成尺寸为10mm×0.5mm×0.5mm的压汞试样,采用全自动压汞仪对试样先后开展低压(1080～4.26μm)分析试验与高压(10.66～0.0064μm)分析试验。

(5)从单轴压缩试验的岩样断裂面处选出典型碎片,在电压为15kV,放大倍数为3000倍下获得不同冻融循环次数的扫描电镜图像。

2 冻融循环次数对粉砂质泥岩物理力学性能的影响

2.1 不同冻融循环次数下应力-应变关系曲线分析

由于设定循环次数为30次的岩样在循环26次后已经全部破坏,无法进行单轴压缩试验,故本次试验只获取25次冻融循环的数据。不同循环次数下粉砂质泥岩岩样应力-应变曲线如图5所示。

图5 不同冻融循环次数下岩样应力-应变曲线

从图5可知,不同循环次数下岩样应力-应变曲线变化趋势相似。在加载开始后,随着加载时间的增加,岩样应变量持续增大,但应力增加缓慢,此过程属于岩样初始加载的压密阶段。随着加载的进行,应力随应变的增加表现出线性关系,此过程属于弹性阶段。随着冻融循环次数的增加,弹性阶段逐渐趋于平缓。随着加载的继续进行,岩样进入屈服阶段,曲线的斜率逐渐降低,应力值到达峰值。屈服阶段结束后,试样进入破坏阶段,循环次数增加的同时,峰值应力反而不断减小,即单轴抗压强度不断减小。冻融循环次数的增加,使屈服阶段的单轴抗压强度与残余强度的差值变小,破坏阶段的应变增长,表现出明显的软化现象,试样由无冻融循环下的脆性破坏明显向韧性破坏转变。

2.2 不同冻融循环次数下岩样力学性能变化

根据工程岩体试验方法标准对冻融循环试验的规定,通过式(1)～式(4)可得不同冻融循环次数下试样的强度变化,具体力学参数如表1所示。

(1)

表1 不同冻融循环次数下岩样力学参数

ZT(%)=Y(5T-5)-Y5T

(2)

MT(%)=m(T-1)-mT

(3)

t=T×5

(4)

式中:t为冻融循环次数;T为冻融循环阶段;σt为第t次循环后岩样单轴抗压强度(UCS);mT为第T次循环阶段岩样质量;Yt为强度保持率;ZT为强度阶段劣化率,Z0取0;MT为质量损失率,M0取0。

由表1和图6可知:初始岩样与5次、10次、15次、20次、25次冻融循环下的岩样的抗压强度分别为4.02MPa、3.39MPa、2.81MPa、2.22MPa、1.84MPa、1.61MPa,单轴抗压强度与循环次数之间呈指数函数关系; 从岩样的强度保持率可知,岩样在进行5次、10次、15次、20次、25次冻融循环后,单轴抗压强度依次降至0次强度的84.09%、69.78%、55.12%、45.73%、40.03%; 选取5次循环为一个阶段,每阶段对比上一个阶段末的强度保持率为该阶段的强度阶段劣化率,5个阶段的强度阶段劣化率分别为15.91%、14.31%、14.66%、9.39%、5.70%。不同循环次数下岩样的弹性模量分别为0.873GPa、0.796GPa、0.707GPa、0.648GPa、0.482GPa、0.348GPa; 岩样在进行5次、10次、15次、20次、25次冻融循环后,弹性模量依次降至未开展冻融循环时的91.18%、80.96%、74.22%、55.21%。从图6中抗压强度与弹性模量随冻融次数变化的曲线和拟合方程可知:两指标均随冻融循环次数的增大而减少,但趋势不同; 弹性模量的衰减速率随着冻融循环次数的增加而加快; 而单轴抗压强度的衰减速率随着冻融循环次数的增加而放缓。

图6 不同循环次数下抗压强度与弹性模量变化曲线

3 冻融循环作用下粉砂质泥岩强度劣化机理分析

3.1 冻融循环次数对粉砂质泥岩孔隙的影响

3.1.1 不同循环次数下粉砂质泥岩孔隙变化

为研究粉砂质泥岩在冻融循环作用下的力学性质劣化机理,对不同冻融循环次数作用下的粉砂质泥岩试样开展压汞试验。

图7所示为累计入汞量图,从中可以看出,冻融循环作用后的粉砂质泥岩孔径均分布在0.005～210μm范围内,且累计入汞量在10～0.1μm范围内明显上升。随着循环次数的增加,试样的累计入汞量以及增加速率也不断上升。本文参考材料学对孔径的定义,以10μm以及0.1μm的孔径为界限,将岩石的孔隙分为大孔(>10μm)、中孔(10～0.1μm)与微孔(<0.1μm)。

图7 冻融循环作用下岩样累计入汞量图

图8为冻融循环作用下孔径分布曲线图。从图8中可知,不同循环次数下粉砂质泥岩孔径呈波峰状集中分布在0.1～10μm范围内,波峰的峰值以及峰值孔径如表2所示。随着冻融循环次数的增加,曲线发生规律性变化,孔径小于0.1μm区域面积减小,孔径为0.1～10μm区域面积不断增加,孔径大于10μm区域的面积几乎不变,曲线波峰不断左移,波峰形状朝着瘦高的方向发展。其中循环次数为5次的孔径分布曲线在孔径小于0.01μm时有上挑现象,可知循环5次的试样内部有较多的孔径小于0.01μm的微孔生成,随着循环的继续进行,曲线在孔径小于0.01μm时无上挑现象,说明后续循环过程中微孔转化为中孔。结合图8以及本文对孔径的定义可知,随着冻融次数的增加,试样内部的孔隙随之增多增大,并以中孔(10～0.1μm)的增加为主。

表2 不同冻融循环次数下孔径分布的波峰参数

图8 不同冻融循环次数下孔径分布曲线

3.1.2 不同循环次数下粉砂质泥岩孔隙率的变化

通过对同一试样开展的压汞试验所得的总孔隙率(nw),以及本文对孔隙孔径的划分,可得不同冻融循环次数下不同孔径的入汞量(表3)。参考国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的定义以及前文对岩石孔隙的划分,并根据所得的不同孔径入汞量占总入汞量比值,即可得到试样的大孔孔隙率(na)、中孔孔隙率(ne)和微孔孔隙率(ni),其表达式如式(5)～式(7),具体结果如表4所示。

(5)

表3 不同冻融循环次数下不同孔径的入汞量

表4 不同冻融循环次数下不同孔径的孔隙率

(6)

(7)

式中:Vw为总入汞量(mL·g-1);Va为大孔入汞量(mL·g-1);Ve为中孔入汞量(mL·g-1);Vi为微孔入汞量(mL·g-1)。

对不同冻融循环次数下的大孔孔隙率、中孔孔隙率、微孔孔隙率以及总孔隙率进行非线性拟合,具体拟合参数见图9。大孔、中孔和总孔隙率的拟合相关系数R2均超过0.97,可知三者均随着冻融循环次数的增加呈指数增加,其中以中孔孔隙率增长为主,大孔保持较低的增长幅度; 微孔孔隙率则是随着冻融循环次数的增加呈先增加后减小的趋势。表明在冻融循环早期(t<5)粉砂质泥岩内部孔隙受水冰相交替作用的影响,孔隙增多增大; 随着冻融循环的继续进行,部分微孔继续增大转变为中孔,导致微孔孔隙率反而减少,大孔孔隙率在整个冻融循环过程增长缓慢。

图9 不同冻融循环次数下孔隙率变化曲线

为了从细观尺度证实冻融循环作用对岩石孔径形态与分布的影响,通过电镜扫描试验观察不同冻融循环次数下的3处不同位置的岩体破坏断面。从上述分析中可知,0.1～10μm尺度的颗粒与孔隙在冻融循环过程中变化明显,可表征粉砂质泥岩细观结构变化特征,故本文着重分析试样在3000倍数下的电镜图像。

选取不同循环次数下的3000倍电镜图像进行对比分析。如图10a～图10f所示,初始状态下,岩样内部细观结构组成以光滑片层以及之间填充的胶结物为主,随着循环次数的增加,光滑片层面积减小,附着的细小颗粒增加,孔隙增多且孔径变大,断面的松散程度增加。在未进行冻融循环时,试样断面仅有少量零星分布的中小孔,颗粒与胶结物共同构成大面积的光滑片状层。冻融循环5次后,断面出现附着的细小颗粒,中孔数目增加,光滑片状层面积减小。冻融循环10次后,附着的细小颗粒增加,中孔数目增加且部分中孔孔径增大,部分片状颗粒脱落,光滑片状层面积持续减小,断面片状层和颗粒之间的胶结物断裂形成的孔隙被颗粒填充。冻融循环15次后,片状颗粒数目增多,一部分中孔贯通,孔径进一步扩大,断面胶结物逐渐流失,光滑片状层面积减小。冻融循环20次后,胶结物流失区域进一步扩大,片状颗粒尺寸减小且数目增加,中孔分布于整个断面且孔径进一步增大,破裂形式变为以断面片状层、颗粒之间的胶结物断裂为主,并伴随胶结物流失。冻融循环25次后,断面胶结物大量流失,光滑片状层近乎完全消失,观察区域可见明显大孔存在。

图10 不同冻融循环次数下破坏断口面的SEM图

3.2 冻融循环下粉砂质泥岩力学性能劣化机理

将单轴抗压强度、弹性模量与中孔孔隙率进行非线性拟合,建立冻融循环作用下粉砂质泥岩力学性质随孔隙率的变化关系(图11),从而揭示冻融循环作用下粉砂质泥岩力学性质的劣化机理。从图中可知,随着总孔隙率的增加,粉砂质泥岩单轴抗压强度与弹性模量呈指数下降,证明冻融循环导致的孔隙率的增加,尤其是中孔孔隙率的增加是引起粉砂质泥岩抗压强度与弹性模量下降的最主要原因。

图11 抗压强度与弹性模量随中孔孔隙率变化图

结合宏观力学试验与细观孔隙测试结果可知:在冻融循环作用下,岩样内部孔隙中水-冰相交替作用使岩体内部孔隙数目增加且孔径增大,部分微孔隙连通转化为中孔,使岩体单轴抗压强度与弹性模量减小。随着冻融循环次数的持续增加岩样单轴抗压强度的衰减速率不断降低并趋于稳定,累积损伤变化继续增大使岩样破坏时的应变不断增加,弹性模量衰减速率不断增大,岩石由脆性破坏逐渐转变为韧性破坏。

4 结 论

(1)随着冻融循环次数的增加,粉砂质泥岩单轴抗压强度与弹性模量均下降。单轴抗压强度的衰减速率随冻融循环次数的增加而不断降低,但由于岩样内部损伤不断累积导致岩样破坏时应变不断增大,弹性模量衰减速率反而增大。

(2)随着冻融循环次数的增加,大孔孔隙率、中孔孔隙率与总孔隙率呈指数增加,并以中孔孔隙率增长为主,大孔保持较低的增长幅度; 随着冻融循环的继续进行,部分微孔继续增大转变为中孔,微孔孔隙率随着冻融循环次数的增加呈先增加后减小的趋势。

(3)粉砂质泥岩力学性能劣化机理为岩样内部孔隙中水-冰相交替作用使岩体内部孔隙数目增加且孔径增大,在此过程中,部分微孔连通转化为中孔,使中孔孔隙率迅速增加,从而导致岩体单轴抗压强度与弹性模量减小,破坏形式由脆性向塑性转变。可见中孔孔隙率的增加是粉砂质泥岩强度劣化的主要原因。