冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究
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第 27 卷 第 8 期 2008 年 8 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.8 Aug.，2008
冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究
张继周，缪林昌，杨振峰
(东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210096)
(5) 应力状态。各种工程条件下，岩石的温度 场、应力场、流体场之间是相互耦合的，寒区岩石 工程同样如此，应力状态和岩石的冻融损伤关系比 较复杂[13～15]，目前还没有这方面的统一认识。
3 试样制备、试验方法及方案
3.1 试样制备 试验共选取 3 种岩石，即粉砂质泥岩、辉绿岩
• 1690 •
岩石力学与工程学报
试验方案为：将制备的岩样分为 5 组，分别为 饱和的粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩，经 1% 硝酸溶液侵蚀 7 d 的粉砂质泥岩和白云质灰岩。
试验时，将制备的岩石试样，每种各取 27 块， 每 3 块岩样为 1 组，共 9 组，分别进行 9 种冻融循 环，循环次数分别为 0，5，10，20，30，40，50， 70 及 90 次，冻融循环后首先进行质量和体积测定， 测定条件为常温、饱和状态，然后取部分进行电镜 扫描，最后进行饱和状态下单轴压缩强度测试。
件下的岩石冻融损伤劣化特性和力学反映特性同样 应该引起人们的足够重视，遗憾的是笔者至今没有 发现相关文献。
为此，本文针对 3 种岩石(粉砂质泥岩，辉绿岩， 白云质灰岩)及 2 种水化环境(蒸馏水饱和、饱和并 经 1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行冻融循环(每循 环冻融各 4 h，共 8 h)试验研究，并在不同循环次数 下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测 定。分析在不同水化环境条件下，不同种类岩石的 损伤劣化机制，力学反映特性，为寒区工程建设及 寒区工程安全运营提供参考。
收稿日期：2008–02–25；修回日期：2008–04–11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50478072) 作者简介：张继周(1983–)，男，2005 年毕业于武汉理工大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail： jizhou0104@
迄今为止，对于常温下岩石的损伤，国内外已 作了大量研究[3～5]，相比之下，对其冻融损伤的研 究略显不足，H. Nicholson 等[6]对十种岩石进行了冻 融循环试验，主要研究了岩性对岩石冻融损伤劣化 程度的影响。张全胜[7]对不同孔隙率和含水率的岩 样进行了循环冻融试验，通过 CT 技术，分析了冻 融循环次数对损伤结构的影响。杨更社等[8]探讨了 冻融循环条件下岩石损伤扩展的本构关系。徐光苗 和刘泉声[9]研究了 2 种岩石在饱水条件下的冻融循 环试验，分析了相应的力学特性。然而，岩石的风 化是物理化学综合作用的结果，在不同水化环境条
为了对比不同水化条件下的岩石冻融损伤劣化 机制和力学反映特性，同时又由于试验条件的限制， 取部分饱和后的粉砂质泥岩和白云质灰岩，浸泡于 质量百分比浓度为 1%的硝酸溶液中，浸泡时间为 7 d，浸泡环境为常温常压和静水密闭。 3.2 试验方法及方案
冻融循环试验的方法为：把饱和岩样放入－12 ℃ 的恒温箱中冻结 4 h，再放入 12 ℃的蒸馏水中融化 4 h(水浸满岩样)，即每个冻融循环周期为 8 h，如此 反复。冻结恒温箱为上海医用低温数控冷柜，该冷 柜最低温度可控制在－50 ℃，温度自动控制恒温， 精度在 1 ℃范围之内。
(3) 冻融循环次数。冻融循环次数对岩石的冻 融损伤劣化影响也非常明显，这主要是由于不同的 岩石其耐久性不同。冻融循环次数越多，岩石受冻 融循环的影响则越明显。
(4) 冻融温度范围。冻融温度范围对岩石的冻 融损伤劣化有较大的影响。在试验上表现为冻融温 度范围越大，岩石受冻融循环影响越显著，而在工 程中则表现为严寒地区比一般季节性寒区冻融影响 要大。
第 27 卷 第 8 期
张继周，等. 冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究
• 1689 •
1引言
岩石是工程上大量使用的材料，实际工程中的 岩石材料总是处在一定的环境中，经受着不同风化 作用的影响[1]。引起岩石风化作用的因素很多，温 度的变化也是其中的重要因素之一，如在寒区，由 于季节更替、昼夜循环，岩石材料承受着循环冻融 引起的物理风化作用，内部材质会因此劣化。我国 永久性和季节性寒区面积约占国土总面积的 60%以 上，近年来，随着我国寒区经济的发展，人们在这 一地区大兴土木，如青藏铁路工程和青康公路工程 等，这些活动越来越多地触及处在温度交替变化条 件下的岩体。因此，研究温度交替变化作用对岩石 的损伤劣化机制，以及在这种损伤劣化作用下岩石 的力学反映特性，必将对大量兴起的寒区工程建设 具有非常重要的指导意义。
对孔隙介质(混凝土和岩石等)的冻融损伤劣化 过程，现在已经有了比较普遍一致的认识[2]：即当 孔隙脆性介质冻结时，储存在其孔隙内部的水发生 冻结并产生约 9%的体积膨胀率，而这种膨胀将导 致内部产生较大的拉应力和微孔隙损伤；当介质内 部的孔隙水(或裂隙水)融化时，水会在其内部微孔 裂隙中迁移，进而加速这种损伤。而从力学的角度 来看，岩石的冻融破坏过程为：当环境温度降低时， 岩石内部的孔隙水开始发生冻结，因为其体积发生 膨胀，故对岩石颗粒产生冻胀力，由于这种冻胀力 相对于某些胶结强度较弱的岩石颗粒具有破坏作 用，故造成岩石内部出现了局部损伤；当温度升高 时，岩石内部的水发生融解，伴随这一过程的是冻 结应力的释放和水分的迁移；随着冻融循环次数的 增加，这些局部损伤区域逐步连通成裂缝，岩石强 度和刚度不断降低，并最终造成岩石块体断裂、剥 落等现象，从而影响其力学特性和工程应用。
ZHANG Jizhou，MIAO Linchang，YANG Zhenfeng
(Institute of Geotechnical Engineering，Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China)
Abstract：The rock-degradation and deterioration mechanism and mechanical characteristics have been studied through freezing-thawing test method. Three types of rocks(silty mudstone，diabase and dolomitic limestone) and two water environments(saturation by distilled water and erosion in 1% nitrate after saturation by distilled water) have been considered in the freezing-thawing test，which includes four-hour freeze and four-hour thaw in each cycle，eight hours in total. Uniaxial compressive strength test and quality analysis due to different cycles have been performed at the same time. It is shown that the freezing-thawing degradation and deterioration models of the rocks are affected by many factors：not only the self-characteristics of rock，freezing-thawing temperature and number of cycle，but also external environments. The test results show that the strength degradation due to cyclic freezing-thawing is greater in acidic environment than that in distilled water environment；and the results of freezing-thawing tests in distilled water environment often give an underestimation in the actual projects. The research conclusions can provide valuable references to the construction and the safety operation of similar projects in cold regions. Key words：rock mechanics；freezing-thawing test；deterioration mode；rate of weight loss；compressive strength； mechanics of frozen rock
8070硝酸溶液侵蚀粉砂质泥岩冻融循环605040302010粉砂质泥岩辉绿岩和白云质灰岩不同冻融循环次数后强度tablesiltymudstonediabasedolomiticlimestoneafterdifferentfreezingthawingnumbersmpa1020304050607080冻融循环次数次种水化环境条件下粉砂质泥岩强度损伤曲线strengthdegradationcurvessiltymudstonetwowaterenvironmentsfig6名称天然粉砂质泥岩806040207366443542245224021536003245526262033硝酸浸泡后白云质灰岩冻融循环辉绿岩112910791101488572624504762352702499破坏白云质1672155051396113011115600958585700704667371硝酸侵蚀后粉砂质泥岩白云质灰岩不同冻融循环次数后强度tablesiltymudstonedolomiticlimestone1nitrateafterdifferentfreezingthawingnumbersmpa1020304050607080浸泡侵冻融循环次数次名称种水化环境条件下白云质灰岩强度损伤曲线fig7strengthdegradationcurvesdolomiticlimestonetwowaterenvironments粉砂质泥岩69835510239909938296470392108492815984238807白云质灰岩1509801267842143775种岩石在不同冻融循环后的强度损伤曲线
究发现：岩石冻融损伤劣化模式受多种因素影响，不仅与岩石自身特性、冻融温度及循环次数有关，还与所处环
境有关；在酸性条件下，岩石冻融强度损伤较纯水化条件下要剧烈得多。因此，纯水化环境下的冻融试验结果常
常会给出较为危险的工程安全性评估。研究成果对寒区工程建设及工程安全运营具有重要的参考价值。
关键词：岩石力学；冻融试验；劣化模式；失重率；抗压强度；冻岩力学
2 岩石冻融损伤劣化的影响因素
岩石冻融损伤劣化的影响因素很多，至今没有 一个统一的认识，通过相关文献的分析，可以初步 分为以下 5 个方面，总结如下：
(1) 岩性。岩石的强度和刚度越高，矿物颗粒 越致密，胶结物强度越高，节理裂隙越不发育，孔 隙度越小，其受冻融循环的影响越小。
(2) 岩石的孔隙率、含水量和饱和度。对于不 同岩性的岩石，孔隙率和含水量是影响其冻融特性 的主要因素，密度小、孔隙率大、含水量高的岩石 受冻融循环影响显著，反之，含水量小的岩石受冻 融循环影响较小[10，11]。对于初始损伤相同的同一岩 性的岩石，初始饱水状态将决定冻融循环对其损伤 扩展的影响程度[12]。
摘要：通过循环冻融试验方法，研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性。研究对 3 种岩石(粉砂
质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩)在 2 种水化环境下(蒸馏水饱和，饱和并经 1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行循环冻融
试验研究(每循环冻融各 4 h，共 8 h)，并在不同循环次数下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测定。研
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)08–1688–07
RESEARCH ON ROCK DEGRADATION AND DETERIORATION MECHANISMS AND MECHANICAL CHARACTERISTICS UNDER CYCLIC
FREEZING-THAWING
2008 年
和白云质灰岩(强度依次由低到高)，3 种岩石均取自 南京地区。粉砂质泥岩为细粒结构，枣红色，粒径 分布均匀；辉绿岩为墨绿色，不含原生裂纹；白云 质灰岩为灰白色。取样方法均为现场取得新鲜完整 大岩块，再制成 50 mm×50 mm×50 mm 的立方体。
对加工后的岩样首先进行初次筛选，筛选原则 为先剔除视觉上差别较大的个别岩样，对筛选后的 岩样都放入烘箱中烘干 48 h 至恒重，烘箱温度为 105 ℃(虽然该温度下可能会引起岩石内部出现损 伤，但由于所有试样都是在这一温度下烘干的，能 满足试验可比性的原则)，记录各自质量；然后，对 岩石试样采用真空抽气法进行强制饱和，真空压力 值为 0.1 MPa，抽气时间为 6 h，抽完进水浸泡 24 h； 最后取出称量其饱和后的质量以及在水中浸泡的质 量，这样就可以得到岩样的含水量以及孔隙度。
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.27 No.8 Aug.，2008
冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究
张继周，缪林昌，杨振峰
(东南大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210096)
(5) 应力状态。各种工程条件下，岩石的温度 场、应力场、流体场之间是相互耦合的，寒区岩石 工程同样如此，应力状态和岩石的冻融损伤关系比 较复杂[13～15]，目前还没有这方面的统一认识。
3 试样制备、试验方法及方案
3.1 试样制备 试验共选取 3 种岩石，即粉砂质泥岩、辉绿岩
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岩石力学与工程学报
试验方案为：将制备的岩样分为 5 组，分别为 饱和的粉砂质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩，经 1% 硝酸溶液侵蚀 7 d 的粉砂质泥岩和白云质灰岩。
试验时，将制备的岩石试样，每种各取 27 块， 每 3 块岩样为 1 组，共 9 组，分别进行 9 种冻融循 环，循环次数分别为 0，5，10，20，30，40，50， 70 及 90 次，冻融循环后首先进行质量和体积测定， 测定条件为常温、饱和状态，然后取部分进行电镜 扫描，最后进行饱和状态下单轴压缩强度测试。
件下的岩石冻融损伤劣化特性和力学反映特性同样 应该引起人们的足够重视，遗憾的是笔者至今没有 发现相关文献。
为此，本文针对 3 种岩石(粉砂质泥岩，辉绿岩， 白云质灰岩)及 2 种水化环境(蒸馏水饱和、饱和并 经 1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行冻融循环(每循 环冻融各 4 h，共 8 h)试验研究，并在不同循环次数 下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测 定。分析在不同水化环境条件下，不同种类岩石的 损伤劣化机制，力学反映特性，为寒区工程建设及 寒区工程安全运营提供参考。
收稿日期：2008–02–25；修回日期：2008–04–11 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50478072) 作者简介：张继周(1983–)，男，2005 年毕业于武汉理工大学土木工程专业，现为博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail： jizhou0104@
迄今为止，对于常温下岩石的损伤，国内外已 作了大量研究[3～5]，相比之下，对其冻融损伤的研 究略显不足，H. Nicholson 等[6]对十种岩石进行了冻 融循环试验，主要研究了岩性对岩石冻融损伤劣化 程度的影响。张全胜[7]对不同孔隙率和含水率的岩 样进行了循环冻融试验，通过 CT 技术，分析了冻 融循环次数对损伤结构的影响。杨更社等[8]探讨了 冻融循环条件下岩石损伤扩展的本构关系。徐光苗 和刘泉声[9]研究了 2 种岩石在饱水条件下的冻融循 环试验，分析了相应的力学特性。然而，岩石的风 化是物理化学综合作用的结果，在不同水化环境条
为了对比不同水化条件下的岩石冻融损伤劣化 机制和力学反映特性，同时又由于试验条件的限制， 取部分饱和后的粉砂质泥岩和白云质灰岩，浸泡于 质量百分比浓度为 1%的硝酸溶液中，浸泡时间为 7 d，浸泡环境为常温常压和静水密闭。 3.2 试验方法及方案
冻融循环试验的方法为：把饱和岩样放入－12 ℃ 的恒温箱中冻结 4 h，再放入 12 ℃的蒸馏水中融化 4 h(水浸满岩样)，即每个冻融循环周期为 8 h，如此 反复。冻结恒温箱为上海医用低温数控冷柜，该冷 柜最低温度可控制在－50 ℃，温度自动控制恒温， 精度在 1 ℃范围之内。
(3) 冻融循环次数。冻融循环次数对岩石的冻 融损伤劣化影响也非常明显，这主要是由于不同的 岩石其耐久性不同。冻融循环次数越多，岩石受冻 融循环的影响则越明显。
(4) 冻融温度范围。冻融温度范围对岩石的冻 融损伤劣化有较大的影响。在试验上表现为冻融温 度范围越大，岩石受冻融循环影响越显著，而在工 程中则表现为严寒地区比一般季节性寒区冻融影响 要大。
第 27 卷 第 8 期
张继周，等. 冻融条件下岩石损伤劣化机制和力学特性研究
• 1689 •
1引言
岩石是工程上大量使用的材料，实际工程中的 岩石材料总是处在一定的环境中，经受着不同风化 作用的影响[1]。引起岩石风化作用的因素很多，温 度的变化也是其中的重要因素之一，如在寒区，由 于季节更替、昼夜循环，岩石材料承受着循环冻融 引起的物理风化作用，内部材质会因此劣化。我国 永久性和季节性寒区面积约占国土总面积的 60%以 上，近年来，随着我国寒区经济的发展，人们在这 一地区大兴土木，如青藏铁路工程和青康公路工程 等，这些活动越来越多地触及处在温度交替变化条 件下的岩体。因此，研究温度交替变化作用对岩石 的损伤劣化机制，以及在这种损伤劣化作用下岩石 的力学反映特性，必将对大量兴起的寒区工程建设 具有非常重要的指导意义。
对孔隙介质(混凝土和岩石等)的冻融损伤劣化 过程，现在已经有了比较普遍一致的认识[2]：即当 孔隙脆性介质冻结时，储存在其孔隙内部的水发生 冻结并产生约 9%的体积膨胀率，而这种膨胀将导 致内部产生较大的拉应力和微孔隙损伤；当介质内 部的孔隙水(或裂隙水)融化时，水会在其内部微孔 裂隙中迁移，进而加速这种损伤。而从力学的角度 来看，岩石的冻融破坏过程为：当环境温度降低时， 岩石内部的孔隙水开始发生冻结，因为其体积发生 膨胀，故对岩石颗粒产生冻胀力，由于这种冻胀力 相对于某些胶结强度较弱的岩石颗粒具有破坏作 用，故造成岩石内部出现了局部损伤；当温度升高 时，岩石内部的水发生融解，伴随这一过程的是冻 结应力的释放和水分的迁移；随着冻融循环次数的 增加，这些局部损伤区域逐步连通成裂缝，岩石强 度和刚度不断降低，并最终造成岩石块体断裂、剥 落等现象，从而影响其力学特性和工程应用。
ZHANG Jizhou，MIAO Linchang，YANG Zhenfeng
(Institute of Geotechnical Engineering，Southeast University，Nanjing，Jiangsu 210096，China)
Abstract：The rock-degradation and deterioration mechanism and mechanical characteristics have been studied through freezing-thawing test method. Three types of rocks(silty mudstone，diabase and dolomitic limestone) and two water environments(saturation by distilled water and erosion in 1% nitrate after saturation by distilled water) have been considered in the freezing-thawing test，which includes four-hour freeze and four-hour thaw in each cycle，eight hours in total. Uniaxial compressive strength test and quality analysis due to different cycles have been performed at the same time. It is shown that the freezing-thawing degradation and deterioration models of the rocks are affected by many factors：not only the self-characteristics of rock，freezing-thawing temperature and number of cycle，but also external environments. The test results show that the strength degradation due to cyclic freezing-thawing is greater in acidic environment than that in distilled water environment；and the results of freezing-thawing tests in distilled water environment often give an underestimation in the actual projects. The research conclusions can provide valuable references to the construction and the safety operation of similar projects in cold regions. Key words：rock mechanics；freezing-thawing test；deterioration mode；rate of weight loss；compressive strength； mechanics of frozen rock
8070硝酸溶液侵蚀粉砂质泥岩冻融循环605040302010粉砂质泥岩辉绿岩和白云质灰岩不同冻融循环次数后强度tablesiltymudstonediabasedolomiticlimestoneafterdifferentfreezingthawingnumbersmpa1020304050607080冻融循环次数次种水化环境条件下粉砂质泥岩强度损伤曲线strengthdegradationcurvessiltymudstonetwowaterenvironmentsfig6名称天然粉砂质泥岩806040207366443542245224021536003245526262033硝酸浸泡后白云质灰岩冻融循环辉绿岩112910791101488572624504762352702499破坏白云质1672155051396113011115600958585700704667371硝酸侵蚀后粉砂质泥岩白云质灰岩不同冻融循环次数后强度tablesiltymudstonedolomiticlimestone1nitrateafterdifferentfreezingthawingnumbersmpa1020304050607080浸泡侵冻融循环次数次名称种水化环境条件下白云质灰岩强度损伤曲线fig7strengthdegradationcurvesdolomiticlimestonetwowaterenvironments粉砂质泥岩69835510239909938296470392108492815984238807白云质灰岩1509801267842143775种岩石在不同冻融循环后的强度损伤曲线
究发现：岩石冻融损伤劣化模式受多种因素影响，不仅与岩石自身特性、冻融温度及循环次数有关，还与所处环
境有关；在酸性条件下，岩石冻融强度损伤较纯水化条件下要剧烈得多。因此，纯水化环境下的冻融试验结果常
常会给出较为危险的工程安全性评估。研究成果对寒区工程建设及工程安全运营具有重要的参考价值。
关键词：岩石力学；冻融试验；劣化模式；失重率；抗压强度；冻岩力学
2 岩石冻融损伤劣化的影响因素
岩石冻融损伤劣化的影响因素很多，至今没有 一个统一的认识，通过相关文献的分析，可以初步 分为以下 5 个方面，总结如下：
(1) 岩性。岩石的强度和刚度越高，矿物颗粒 越致密，胶结物强度越高，节理裂隙越不发育，孔 隙度越小，其受冻融循环的影响越小。
(2) 岩石的孔隙率、含水量和饱和度。对于不 同岩性的岩石，孔隙率和含水量是影响其冻融特性 的主要因素，密度小、孔隙率大、含水量高的岩石 受冻融循环影响显著，反之，含水量小的岩石受冻 融循环影响较小[10，11]。对于初始损伤相同的同一岩 性的岩石，初始饱水状态将决定冻融循环对其损伤 扩展的影响程度[12]。
摘要：通过循环冻融试验方法，研究岩石在冻融条件下的损伤劣化机制和相应的力学特性。研究对 3 种岩石(粉砂
质泥岩、辉绿岩和白云质灰岩)在 2 种水化环境下(蒸馏水饱和，饱和并经 1%硝酸溶液浸泡侵蚀)分别进行循环冻融
试验研究(每循环冻融各 4 h，共 8 h)，并在不同循环次数下对试样进行饱和单轴压缩强度测试和质量变化测定。研
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2008)08–1688–07
RESEARCH ON ROCK DEGRADATION AND DETERIORATION MECHANISMS AND MECHANICAL CHARACTERISTICS UNDER CYCLIC
FREEZING-THAWING
2008 年
和白云质灰岩(强度依次由低到高)，3 种岩石均取自 南京地区。粉砂质泥岩为细粒结构，枣红色，粒径 分布均匀；辉绿岩为墨绿色，不含原生裂纹；白云 质灰岩为灰白色。取样方法均为现场取得新鲜完整 大岩块，再制成 50 mm×50 mm×50 mm 的立方体。
对加工后的岩样首先进行初次筛选，筛选原则 为先剔除视觉上差别较大的个别岩样，对筛选后的 岩样都放入烘箱中烘干 48 h 至恒重，烘箱温度为 105 ℃(虽然该温度下可能会引起岩石内部出现损 伤，但由于所有试样都是在这一温度下烘干的，能 满足试验可比性的原则)，记录各自质量；然后，对 岩石试样采用真空抽气法进行强制饱和，真空压力 值为 0.1 MPa，抽气时间为 6 h，抽完进水浸泡 24 h； 最后取出称量其饱和后的质量以及在水中浸泡的质 量，这样就可以得到岩样的含水量以及孔隙度。