粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律

D0L:10.13374/.issn1001-053x.2013.10.002 第35卷第10期 北京科技大学学报 Vol.35 No.10 2013年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2013 粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律 周科平，张亚民☒，李杰林，许玉娟 中南大学资源与安全工程学院，长沙410083 ☒通信作者，E-mail:laozhang1987@126.com 摘要通过粗、细两种颗粒花岗岩的冻融循环试验和岩石力学试验，研究了不同粒径岩石的冻融循环作用对岩石物理 力学特性的影响.利用核磁共振技术对冻融循环前后的岩样进行检测，得到了横向弛豫时间谱的变化和岩样核磁共振成 像，分析了岩样在冻融前后的孔隙度变化、空隙结构及分布的演化特性等。采用宏观唯象损伤理论和自洽理论对不同粒 径花岗岩在冻融条件下的宏、细观损伤演化规律进行了分析.研究发现在冻融循环作用下，岩石内部的孔隙逐渐增多， 不断造成岩石的强度损失：损伤模型的计算值与实际相符，但不同损伤理论对花岗岩损伤程度趋势变化的反应存在差 异：细颗粒花岗岩呈现出较高冻融耐久性. 关键词花岗岩：冷冻：融化：劣化：核磁共振 分类号P588.12;TU458+.2 Degradation mechanism and evolutionary pattern of granites with coarse and fine grains in freezing-thawing condition ZHOU Ke-ping,ZHANG Ya-min,LI Jie-lin,XU Yu-juan School of Resource and Safety Engineering,Central South University,Changsha 410083,China Corresponding author,E-mail:laozhang1987@126.com ABSTRACT The influence of freezing and thawing cycles on the physical and mechanical properties of granites with coarse and fine grains was studied by freezing and thawing cycle experiment and rock mechanic test.Rock samples were detected by nuclear magnetic resonance(NMR),their transverse relaxation time spectra and NMR images were got before and after freezing and thawing cycle experiment,and the porosity variation,pore structure and evolution laws were discussed.The macro phenomenological theory and the self-consistency theory were used to analyze the degradation principle of rock samples in macro and micro scales,respectively.It is found that the number of pores increases in the action of freezing and thawing cycles,which weakens the strength of rock samples.The theoretical values of damage models are in consistence with experimental data,but different damage theories show different results about the development of damage tendency.Granite with fine grains shows a better durability in the action of freezing and thawing cycles. KEY WORDS granite;freezing;thawing:deterioration;nuclear magnetic resonance 岩石是自然界中各种矿物的集合体，由于组成 特殊环境下受到温度效应、荷载作用和化学侵蚀等 岩石的各种矿物成分在物理力学性质上的差异以及 多种因素的交互组合影响作用，导致材料性能的不 岩石内部存在的节理、微裂隙、粒间空隙和空洞等 可逆劣化及承载能力下降，内部的结构、构造处于 缺陷，决定了岩石是一种非均匀材料.寒区岩体在 一种缓慢而长期的损伤破坏过程当中，最终引起寒 收稿日期：2012-08-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目(61074178)：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20090162110036)

第 35 卷 第 10 期 北 京 科 技 大 学 学 报 Vol. 35 No. 10 2013 年 10 月 Journal of University of Science and Technology Beijing Oct. 2013 粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律 周科平，张亚民 ，李杰林，许玉娟 中南大学资源与安全工程学院，长沙 410083 通信作者，E-mail: laozhang1987@126.com 摘 要 通过粗、细两种颗粒花岗岩的冻融循环试验和岩石力学试验，研究了不同粒径岩石的冻融循环作用对岩石物理 力学特性的影响. 利用核磁共振技术对冻融循环前后的岩样进行检测，得到了横向弛豫时间谱的变化和岩样核磁共振成 像，分析了岩样在冻融前后的孔隙度变化、空隙结构及分布的演化特性等. 采用宏观唯象损伤理论和自洽理论对不同粒 径花岗岩在冻融条件下的宏、细观损伤演化规律进行了分析. 研究发现在冻融循环作用下，岩石内部的孔隙逐渐增多， 不断造成岩石的强度损失；损伤模型的计算值与实际相符，但不同损伤理论对花岗岩损伤程度趋势变化的反应存在差 异；细颗粒花岗岩呈现出较高冻融耐久性. 关键词 花岗岩；冷冻；融化；劣化；核磁共振 分类号 P588.12; TU458+.2 Degradation mechanism and evolutionary pattern of granites with coarse and fine grains in freezing-thawing condition ZHOU Ke-ping, ZHANG Ya-min , LI Jie-lin, XU Yu-juan School of Resource and Safety Engineering，Central South University, Changsha 410083, China Corresponding author, E-mail: laozhang1987@126.com ABSTRACT The influence of freezing and thawing cycles on the physical and mechanical properties of granites with coarse and fine grains was studied by freezing and thawing cycle experiment and rock mechanic test. Rock samples were detected by nuclear magnetic resonance (NMR), their transverse relaxation time spectra and NMR images were got before and after freezing and thawing cycle experiment, and the porosity variation, pore structure and evolution laws were discussed. The macro phenomenological theory and the self-consistency theory were used to analyze the degradation principle of rock samples in macro and micro scales, respectively. It is found that the number of pores increases in the action of freezing and thawing cycles, which weakens the strength of rock samples. The theoretical values of damage models are in consistence with experimental data, but different damage theories show different results about the development of damage tendency. Granite with fine grains shows a better durability in the action of freezing and thawing cycles. KEY WORDS granite; freezing; thawing; deterioration; nuclear magnetic resonance 岩石是自然界中各种矿物的集合体，由于组成 岩石的各种矿物成分在物理力学性质上的差异以及 岩石内部存在的节理、微裂隙、粒间空隙和空洞等 缺陷，决定了岩石是一种非均匀材料. 寒区岩体在 特殊环境下受到温度效应、荷载作用和化学侵蚀等 多种因素的交互组合影响作用，导致材料性能的不 可逆劣化及承载能力下降，内部的结构、构造处于 一种缓慢而长期的损伤破坏过程当中，最终引起寒 收稿日期：2012-08-16 基金项目：国家自然科学基金资助项目 (51074178)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目 (20090162110036) DOI:10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.002

·1250 北京科技大学学报 第35卷 区岩土工程的灾害川.所以，研究寒区岩石的损伤 及演化规律进行研究 劣化机制，以及在多种损伤劣化作用下岩石的力学 1试验概况 反映特性，必将对大量兴起的寒区工程建设具有重 要意义 1.1试样的制备 为深入了解冻融岩石内部在不同条件下的损 岩样采用花岗岩，取自黑龙江省某露天金矿， 伤破坏特征，许多学者进行了大量室内试验，通过 岩石按照组成颗粒可分为粗粒花岗岩和细粒花岗岩 对岩石宏观性质和细观结构的研究，结合理论方法 两种，所属地层呈倾斜间隔分布，取深度均为50~ 和计算力学分析岩石的损伤扩展形式及其本构关系 100m,选作试样的两种花岗岩岩芯高差不超过 等.Sondergeld和Rai?研究了饱和盐水的贝雷砂 10m,均属碱长花岗岩.粗粒花岗岩成岩颗粒的粒 岩在冻融循环后的相关参数的变化情况.Yavuz) 径为0.2~7mm,其化学成分为（质量分数，%）：碱 对安山岩在冻融循环和热冲击循环复合作用下岩样长石4656，斜长石10~15，石英2535，黑云母 的P波速、硬度和抗压强度等.徐光苗和刘泉声13.细粒花岗岩成岩颗粒粒径为0.12mm,其化 通过两种岩石在开放饱水条件下的冻融循环试验， 学成分为（质量分数，%）：碱长石52~58，斜长石 分析了相应的力学特性，并建立了岩石冻融的温 10~15,石英2530，黑云母0.52.按照《水利水电 度-渗流一应力损伤本构模型.张慧梅和杨更 工程岩石试验规程》(SL264一2001)中相关规定加工 社5-)]研究了不同冻融循环次数下岩石在冻融和 制作成圆柱体标准试样，高径比为100mm×50mm 荷载耦合作用下的损伤演化特性及其损伤模型.王 试验时，两种岩样各取12块，每3块岩样为1组， 家禄等可等利用CT扫描及三维技术构建了岩心 共8组. 的三维孔隙变化模型.刘成禹等母利用电镜扫描 1.2试验方案 对冻融作用下的花岗岩进行了损伤机理研究.可以 参照取样地的气候条件，冻融温度为在-40℃ 看出，目前对于岩石冻融特性的研究主要集中在室 的温度下冻结4h,然后在20℃的水中融解4h, 内试验上，通过改变岩石岩性、冻融时间和冻融次 即每个冻融循环周期为8h.①对已分组岩样进行 数等试验条件来分析岩石基本宏观力学性质和冻融 标记，分别测量岩样的尺寸和质量，观察其外观并 破坏特性，而对组成颗粒不同的同类岩石冻融损伤 记录：②对岩样用真空抽气法进行强制饱和，测量 特性及其演化规律研究较少 真空饱和状态下岩样的质量：③采用岩芯核磁共振 目前岩石的细观损伤检测主要以CT扫描技 成像分析系统对真空饱和后岩样进行检测，得到岩 术、电镜扫描法、声发射等传统检测手段为主，但这 样冻融前的核磁共振T2分布图谱和截面孔隙成像 些方法在有效定量冻融过程对岩石的损伤程度方面 图：④将粗粒和细粒两类花岗岩岩样放入冻融试验 稍有欠缺.核磁共振技术(NMR)作为一种岩石物 机，分别进行0、30、60和90次冻融循环：⑤取出 理试验分析的新型检测手段，用于裂缝识别、孔隙 结束冻融岩石，观测其外观变化，再次真空饱和后 分布、岩石渗透率和岩石内流体介质特性等方面的 进行称重：⑥对冻融后岩样进行第二次核磁共振检 试验研究，具有无损、快速、准确、可重复和孔隙 测，得到冻融后岩样的核磁共振T2分布图谱和截 成像等显著优点[9-10.核磁共振技术主要测量岩 面孔隙成像图：⑦在室温下对岩样进行单轴抗压试 石孔隙中含氢流体的弛豫特征，固体骨架对观测信 验 号影响较小，通过核磁共振T2(横向驰豫时间)分 2 试验结果分析 布谱获取其孔隙分布及孔隙结构特征参数等信息， 从而定量岩石内部孔隙度并对孔隙分布结构进行成 2.1岩石质量变化 像.目前核磁共振技术在岩土工程领域已经得到了 冻融作用对岩样质量的影响主要表现在两个 初步的应用，取得了一定的有益成果1-1 方面：冻融作用对岩石内部微裂隙造成了一定程度 针对以上分析，本文利用核磁共振技术的特 的损伤，导致试样孔隙度增加，真空饱和后岩样含 点，对冻融循环试验中岩石内部的细观特征变化进 水率提高，岩样质量增加：随着冻融循环次数的增 行弛豫测量和成像测量，得到了粗、细粒花岗岩在 加，岩样表面出现剥蚀、游离颗粒等，导致岩样质 冻融前后的T2分布谱图、孔隙度的变化和岩石的 量降低5-16.试验对两类花岗岩岩样在冻融前后 内部孔隙分布特征等，结合宏、细观损伤理论和岩 的质量进行了测定，测定结果见表1.从表1可以看 石力学试验结果对不同粒径花岗岩的冻融损伤特性 出，随冻融循环试验的进行，使得各组岩样质量均

· 1250 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 区岩土工程的灾害 [1] . 所以，研究寒区岩石的损伤 劣化机制，以及在多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重 要意义. 为深入了解冻融岩石内部在不同条件下的损 伤破坏特征，许多学者进行了大量室内试验，通过 对岩石宏观性质和细观结构的研究，结合理论方法 和计算力学分析岩石的损伤扩展形式及其本构关系 等. Sondergeld 和 Rai[2] 研究了饱和盐水的贝雷砂 岩在冻融循环后的相关参数的变化情况. Yavuz[3] 对安山岩在冻融循环和热冲击循环复合作用下岩样 的 P 波速、硬度和抗压强度等. 徐光苗和刘泉声 [4] 通过两种岩石在开放饱水条件下的冻融循环试验， 分析了相应的力学特性，并建立了岩石冻融的温 度 – 渗流 – 应力损伤本构模型. 张慧梅和杨更 社 [5−6] 研究了不同冻融循环次数下岩石在冻融和 荷载耦合作用下的损伤演化特性及其损伤模型. 王 家禄等 [7] 等利用 CT 扫描及三维技术构建了岩心 的三维孔隙变化模型. 刘成禹等 [8] 利用电镜扫描 对冻融作用下的花岗岩进行了损伤机理研究. 可以 看出，目前对于岩石冻融特性的研究主要集中在室 内试验上，通过改变岩石岩性、冻融时间和冻融次 数等试验条件来分析岩石基本宏观力学性质和冻融 破坏特性，而对组成颗粒不同的同类岩石冻融损伤 特性及其演化规律研究较少. 目前岩石的细观损伤检测主要以 CT 扫描技 术、电镜扫描法、声发射等传统检测手段为主，但这 些方法在有效定量冻融过程对岩石的损伤程度方面 稍有欠缺. 核磁共振技术 (NMR) 作为一种岩石物 理试验分析的新型检测手段，用于裂缝识别、孔隙 分布、岩石渗透率和岩石内流体介质特性等方面的 试验研究，具有无损、快速、准确、可重复和孔隙 成像等显著优点 [9−10] . 核磁共振技术主要测量岩 石孔隙中含氢流体的弛豫特征，固体骨架对观测信 号影响较小，通过核磁共振 T2 (横向驰豫时间) 分 布谱获取其孔隙分布及孔隙结构特征参数等信息， 从而定量岩石内部孔隙度并对孔隙分布结构进行成 像. 目前核磁共振技术在岩土工程领域已经得到了 初步的应用，取得了一定的有益成果 [11−14] . 针对以上分析，本文利用核磁共振技术的特 点，对冻融循环试验中岩石内部的细观特征变化进 行弛豫测量和成像测量，得到了粗、细粒花岗岩在 冻融前后的 T2 分布谱图、孔隙度的变化和岩石的 内部孔隙分布特征等，结合宏、细观损伤理论和岩 石力学试验结果对不同粒径花岗岩的冻融损伤特性 及演化规律进行研究. 1 试验概况 1.1 试样的制备 岩样采用花岗岩，取自黑龙江省某露天金矿， 岩石按照组成颗粒可分为粗粒花岗岩和细粒花岗岩 两种，所属地层呈倾斜间隔分布，取深度均为 50 ～ 100 m，选作试样的两种花岗岩岩芯高差不超过 10 m，均属碱长花岗岩. 粗粒花岗岩成岩颗粒的粒 径为 0.2∼7 mm，其化学成分为 (质量分数，%)：碱 长石 46∼56，斜长石 10∼15，石英 25∼35，黑云母 1∼3. 细粒花岗岩成岩颗粒粒径为 0.1∼2 mm，其化 学成分为 (质量分数，%)：碱长石 52∼58，斜长石 10∼15，石英 25∼30，黑云母 0.5∼2. 按照《水利水电 工程岩石试验规程》(SL264—2001) 中相关规定加工 制作成圆柱体标准试样，高径比为 100 mm×50 mm. 试验时，两种岩样各取 12 块，每 3 块岩样为 1 组， 共 8 组. 1.2 试验方案 参照取样地的气候条件，冻融温度为在 –40 ℃ 的温度下冻结 4 h，然后在 20 ℃的水中融解 4 h， 即每个冻融循环周期为 8 h. ①对已分组岩样进行 标记，分别测量岩样的尺寸和质量，观察其外观并 记录；②对岩样用真空抽气法进行强制饱和，测量 真空饱和状态下岩样的质量；③采用岩芯核磁共振 成像分析系统对真空饱和后岩样进行检测，得到岩 样冻融前的核磁共振 T2 分布图谱和截面孔隙成像 图；④将粗粒和细粒两类花岗岩岩样放入冻融试验 机，分别进行 0、30、60 和 90 次冻融循环；⑤取出 结束冻融岩石，观测其外观变化，再次真空饱和后 进行称重；⑥对冻融后岩样进行第二次核磁共振检 测，得到冻融后岩样的核磁共振 T2 分布图谱和截 面孔隙成像图；⑦在室温下对岩样进行单轴抗压试 验. 2 试验结果分析 2.1 岩石质量变化 冻融作用对岩样质量的影响主要表现在两个 方面：冻融作用对岩石内部微裂隙造成了一定程度 的损伤，导致试样孔隙度增加，真空饱和后岩样含 水率提高，岩样质量增加；随着冻融循环次数的增 加，岩样表面出现剥蚀、游离颗粒等，导致岩样质 量降低 [15−16] . 试验对两类花岗岩岩样在冻融前后 的质量进行了测定，测定结果见表 1. 从表 1 可以看 出，随冻融循环试验的进行，使得各组岩样质量均

第10期 周科平等：粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律 1251· 出现了一定的增长：试验过程中岩样表面逐渐出现 孔径的孔隙在两种花岗岩内部含量较大，可依此将 细小的游离颗粒，且随着冻融次数的增加而增多： 岩石内孔隙分为大、中、小三类，岩样中孔隙以中 细粒花岗岩质量变化率较小，说明冻融作用对细粒 小孔隙为主.对比图1(a)和图1(b)可以发现：在 花岗岩损伤程度比粗粒花岗岩低 相同的冻融条件下，细粒花岗岩检测到的信号幅度 2.2核磁共振T,分布及孔隙度变化 比粗粒花岗岩要略低：粗粒花岗岩T,时间最大值 (1)横向弛豫时间T2分布变化.核磁共振T2 为464.2~811.1ms,细粒花岗岩T2时间最大值为 分布反映了孔隙的分布情况，T2值与孔隙尺寸呈 403.7533.7ms,表明细粒花岗岩内的孔隙数量和 正比关系.采用Mini-60型核磁共振分析系统，对 最大孔隙孔径均比粗粒花岗岩少；随着冻融次数的 冻融循环前后岩样的孔隙变化进行了测试，得到了 增加，两种岩样的孔隙在温度变化和成岩颗粒两种 不同粒径岩样的横向弛豫时间T2图谱，如图1所 效应的交互作用下不断萌生、发育和扩展，使得核 示.从图1中可以看出，花岗岩的T2分布图主要 磁共振检测到的信号值大幅度提高，说明岩样在冻 由三个波峰组成，从左往右第一、二波峰均较为明 融损伤作用下孔隙数量有了很大的提高. 显，而第三波峰信号较弱，说明这三个波峰所对应 表1冻融循环试验前后试样的质量及其变化率 Table 1 Mass and change rate of granite samples before and after freezing-thawing cycle 冻融次数 粗粒花岗岩 细粒花岗岩 冻融前质量/g 冻融后质量/g 质量变化率/%冻融前质量/g 冻融后质量/g 质量变化率/% 0 459.38 479.42 30 475.50 477.35 0.39 485.36 486.52 0.24 60 456.45 459.48 0.66 475.51 475.89 0.08 90 471.49 473.65 0.46 482.50 482.69 0.04 800r (a) 700 800[b) 700 600 一0次冻融循环 600 ·一0次冻融循环 500 →30次冻融循环 ,30次冻融循环 400 ,60次冻融循环 500 60次冻融循环 90次冻融循环 400 90次冻融循环 300 300 200 200 100 100 0 0.01 0.1 110100100010000 0.010.1 110100100010000 T2/ms T/ms 图1粗粒花岗岩(a)和细粒花岗岩(b)在不同冻融循环次数下的T2谱 Fig.1 T2 distribution of coarse-grain granite (a)and fine-grain granite (b)under different freezing-thawing cycles (2)岩样孔隙度变化.核磁共振T2分布中每一 (3)岩石细观结构损伤演化.核磁共振技术检 个T2值都代表了一种孔径的孔隙，而信号幅度可 测得到冻融前后岩样的孔隙成像如图2所示.成像 以通过计算转化成孔隙度，即T2分量值所代表孔 中圆形亮色区域为样品图像，周围黑色区域是底色. 径孔隙在岩样中的孔隙度，由此可通过T弛豫时 图像的亮度反映了岩石中含水量，即色泽越亮，代 间计算岩样的孔隙度.冻融前后8组花岗岩试样的 表的孔隙孔径越大.从图2中可见，冻融前后，成像 孔隙度见表2.从表2可见：通过核磁共振检测得 中亮色区域的变化明显，图2(a)、2(c)和2(e)为粗 到的真空饱和岩样的初始孔隙度（冻融前）存在一 粒花岗岩经历30、60和90次冻融循环后的成像对 定的个体差异，随着冻融次数的增加，各组试样的 比.可见冻融前均存在一个或多个亮度明显的孔隙 孔隙度均有了一定程度的提高，孔隙度变化率与冻 集中区，冻融后这些孔隙集中区在范围和亮度上均 融循环次数呈正相关关系：冻融试验前后，相同冻 有了很大的提高，并且开始与集中区周边的孔隙进 融次数下细粒花岗岩的孔隙度较粗粒花岗岩要小， 行联接贯通：其中经历了60次冻融循环的试样比 表明细粒花岗岩致密性较高 其他两组孔隙密集度更高，表明冻融前后该岩样孔

·1252 北京科技大学学报 第35卷 隙度变化最大.图2(b)、2(d)和2(f)为细粒花岗岩 表明：饱和试样在试验过程中处于饱水状态，孔隙 经历30、60和90次冻融循环后的成像对比.冻融 水在冻融作用下发生相变从而导致孔隙的扩展，温 前亮度较小，多以细小的孔隙为主：而随着冻融次 度变化时岩石矿物颗粒不同的膨胀系数也会产生新 数的增加，这些细小区域的孔隙不断发展扩散，亮 的微裂隙：花岗岩内孔隙在冻融循环的作用下处于 度增加，最终各细小区域慢慢联通，形成大面积的 不断萌生、发育和扩展，在弛豫图谱中各个T2时 高亮度区域，且随着冻融次数的增加，孔隙密集度 间值及其所对应的信号强度不断提高；独立孔隙随 越发明显 着冻融循环次数的增加逐渐相互贯通，形成较大的 (4)花岗岩细观结构损伤特征分析.结合冻融损 孔隙，在核磁共振成像中高亮孔隙点逐渐增多，贯 伤原理及横向弛豫T2分布的变化进行分析，结果 通孔隙相互联接最终形成宏观损伤. 表2冻融循环试验前后岩样的孔隙度 Table 2 Porosity of rock samples before and after freezing-thawing experiment 粗粒花岗岩 细粒花岗岩 冻融次数 冻融前孔隙度/% 冻融后孔隙度/% 冻融前孔隙度/% 冻融后孔隙度/% 0 1.96 1.28 30 1.78 3.54 1.31 3.17 60 2.02 4.58 1.22 3.98 90 1.85 5.60 1.38 5.11 (b) (c) (d) (e) (日 注：冻融前真空饱和岩样孔隙成像中下侧半月型较亮部分为试验中用于托放样品的载床，T2分布检测及冻融后成像检测未使用载 床 图2冻融循环试验前后岩样核磁共振成像图.()粗粒花岗岩，30次冻融；(b)细粒花岗岩，30次冻融；(c)粗粒花岗岩，60次冻 融；(d)细粒花岗岩，60次冻融：（©）粗粒花岗岩，90次冻融；()细粒花岗岩，90次冻融 Fig.2 NMR images of rock samples under different freezing and thawing cycles.(a)coarse-grain granite,30 freezing-thawing cycles;(b)fine-grain granite,30 freezing-thawing cycles;(c)coarse-grain granite,60 freezing-thawing cycles;(d)fine-grain granite, 60 freezing-thawing cycles;(e)coarse-grain granite,90 freezing-thawing cycles;(f)fine-grain granite,90 freezing-thawing cycles

第10期 周科平等：粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律 1253· 2.3岩样力学特征变化 循环之后，粗粒花岗岩最大强度损失43.3%，细粒花 两类花岗岩经历冻融后的单轴压缩试验结果 岗岩最大强度损失20.8%，粗粒花岗岩受冻融循环 见表3.从表3可以看到：随着冻融的进行，两类 引起的损伤影响较细粒花岗岩大.以上分析表明花 花岗岩的抗压强度及弹性模量均有了不同幅度的降 岗岩的冻融损伤程度受到冻融循环次数的影响，相 低.随着冻融循环次数的增加，不同颗粒花岗岩强 同冻融条件下粗粒花岗岩强度损失比细粒花岗岩的 度损失逐渐变大，说明冻融试验对岩样造成的损伤 强度损失更大 随着冻融次数多的增加而不断叠加；经历90次冻融 表3冻融试验前后两种岩样的力学性能 Table 3 Mechanical properties of two kinds of rock samples before and after freezing-thawing experiment 冻融次数 粗粒花岗岩 细粒花岗岩 单轴抗压强度/MPa 弹性模量/GPa泊松比 单轴抗压强度/MPa弹性模量/GPa 泊松比 0 48.3 12.80 0.290 115.2 28.71 0.266 30 39.9 10.71 0.265 105.6 23.51 0.261 60 32.3 8.71 0.254 98.2 20.21 0.249 90 27.4 7.17 0.195 91.2 18.48 0.169 3冻融岩石宏、细观损伤演化规律分析 式中，Y为裂纹密度参数，a为圆形微裂纹面半 岩石的破坏一般是累积损伤过程：在物理上是 径，a为a3的平均值，M为裂纹数目，V为基 微结构变化的累积过程，在力学上是宏观缺陷的产 体体积. 生与扩展的累积过程.在冻融循环作用下，岩石的 根据自洽理论，对于圆形币状裂纹，E和E关 损伤引起材料微结构的变化和受力性能的劣化，而 系可简化为 宏、细观损伤规律的研究即是在不同层面上选择度 E=1-16×1-2)10-3 (3) 量岩石内部损伤的基准.在分析之前，首先进行 Eo 45 -Y, 2-元 如下假设：①岩样在冻融前为初始状态：②岩样内 式中，E为岩样有效弹性模量，⑦为有效泊松比. 部微裂隙形状为圆形币状 也可通过无损泊松比v和有效泊松比心进行 3.1冻融岩石宏、细观损伤本构关系 计算： (1)宏观唯象损伤理论.根据宏观唯象损伤力学 45 (u-ù)(2-0) y=16×(1-2)川10w-(1+30 (4) 概念，岩石宏观物理性能的响应能够代表材料内部 的劣化程度.材料的弹性模量在冻融循环过程中更 式中，v为冻融前的无损泊松比. 便于分析和测量，由此岩石冻融损伤变量D可定 将式(4)代入式(3)，得到损伤变量的计算公 义为 式： Dn =1-En (1) D=-)10-3) (5) Eo 10u-0(1+3w) 式中，D,为n次冻融循环之后岩石的损伤变量，E 以上通过宏、细观损伤两种理论从不同层面对 为岩样经历n次冻融循环之后的弹性模量，E为 岩石损伤进行了公式推导，可以看出冻融损伤在宏 初始无损弹性模量. 观上可以用岩石弹性模量的变化直接进行表征，而 (2)细观损伤自洽理论.在细观损伤力学中，自 自洽理论则对微裂隙在具有自洽等效模量基体中的 洽理论采用平均化的方法，把细观结构损伤机制 模量变化进行平均化，并最终将有效模量的变化简 研究的结果反映到材料的宏观力学行为的描述中， 化为有效泊松比与无损泊松比的关系公式. 自洽法将微裂隙置于具有自洽等效模量的基本材料 3.2冻融损伤演化规律 中，分析单个微裂纹的模型及其引起的模量的变化， 图3所示为利用岩石力学参数，由式(1)和（⑤） 通过对所有微裂纹取总体平均并建立含有效模量的 计算得到的粗、细两类花岗岩冻融损伤变量与冻融 方程17.定义微裂纹密度参数Y: 循环次数的关系曲线.从图3中可以看出：粗、细 颗粒两类花岗岩随着冻融循环次数的增多，岩石的 Y- (2) 损伤劣化程度不断增大；利用宏观唯象损伤理论计

·1254 北京科技大学学报 第35卷 算的损伤值随着冻融次数的增多，其增长趋势趋于 逐渐增加，不同冻融条件下岩石孔隙度变化率呈现 平缓，细粒花岗岩尤为明显：而通过自洽理论得到 降低的趋势，说明冻融作用对于两种粒径花岗岩的 的细观损伤值则随着冻融循环次数的增加而呈现出 损伤程度慢慢减少，由此而言宏观损伤理论计算得 急剧增大的趋势.从表2中可知，随着冻融次数的 到的冻融损伤演化规律更符合实际 0.5 0.4 y=-0.00962+0.1959x-0.18854 y=0.03022+0.2695x-0.23874 0.4 R=0.9992 R2=0.9999 0.3 0.3 ■细观损伤值 ■细观损伤值 0.2 ·宏观损伤值 2 ▲宏观损伤值 照 0.1 ◆ 0.1 y=0.03x-0.0399x+0.0214 y=0.03472-0.0811r+0.0535 R=0.9609 0 0 RP=0.9796 30 60 90 30 60 90 冻融次数 冻融次数 图3冻融次数对粗粒花岗岩()和细粒花岗岩(b)宏、细观损伤变量的影响 Fig.3 Effect of freezing-thawing cycles on the damage variables of coarse-grain granite(a)and fine-grain granite(b) 4结论 同冻融条件下细粒花岗岩的损伤变量较粗粒花岗岩 (1)粗、细两类花岗岩随着冻融循环的进行，核 低，即细粒花岗岩的冻融耐久性更强 磁共振T分布图谱中最大弛豫时间和信号强度均 不断提高，即岩样内孔隙孔径和孔隙度不断提高： 参考文献 而饱和岩样质量受到孔隙水和表面劣化的影响存在 一定变化：核磁共振成像将岩样内部孔隙在冻融条 [1]Li N,Cheng G D.Xie D Y.Geomechanics development in civil construction in Western China.Chin J Geotech 件下的变化进行具象化，直观展现了细观损伤的演 Eng,2001,23(3:268 化过程 (李宁，程国栋，谢定义.西部大开发中的岩土力学问题.岩 (②)冻融循环过程中，饱水花岗岩在孔隙水相 土工程学报，2001,23(3)：268) 变和成岩颗粒差异性的交互作用下，内部孔隙处于 [2]Sondergeld C H,Rai C.Velocity and resistivity changes 萌生、发育、扩展到不断贯通联接的过程，使得可检 during freeze-thaw cycles in Berea sandstone.Geophysics, 测信号的T2最大值和信号强度不断提高，在孔隙 2007,72(2):99 成像上则表现为亮点亮度和密集程度大幅提高.孔 [3]Yavuz H.Effect of freeze-thaw and thermal shock weath- 隙密集区域内孔隙间的逐渐联通将最终导致宏观破 ering on the physical and mechanical properties of an an- 坏 desite stone.Bull Eng Geol Environ,2011,70(2):187 [4]Xu G M,Lin Q S.Analysis of mechanism of rock failure (3)根据岩石力学试验，两类花岗岩均随着冻 due to freeze-thaw cycling and mechanical testing study 融循环次数的增加，强度和弹性模量不断降低，其 on frozen-thawed rocks.Chin J Rock Mech Eng,2005. 中粗粒花岗岩在90次冻融循环之后强度损失达到 24(17):3076 43.3%,细粒花岗岩的强度损失相对较小，说明相同 (徐光苗，刘泉声.岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验 试验条件下粗粒花岗岩对冻融循环更敏感 研究.岩石力学与工程学报，2005,24(17)：3076) (4)以宏观唯象理论和自洽理论为基础建立了 5]Zhang H M,Yang G S.Research on damage model of 岩石冻融损伤变量与冻融次数之间的关系，并结 rock under coupling action of freeze-thaw and load.Chin J Rock Mech Eng.2010,29(3):471 合冻融过程中岩石的孔隙度变化特征，对所得到的 (张慧梅，杨更社.冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的 粗、细花岗岩的冻融损伤变量的演化曲线进行了比 研究.岩石力学与工程学报，2010,29(3：471) 较.研究认为：宏观损伤理论结果更符合核磁共 (6]Zhang H M,Yang GS.Freeze-thaw cycling and mechani- 振检测结果，即随着冻融循环次数的增加，花岗岩 cal experiment and damage propagation characteristics of 的损伤变量的提升幅度逐渐降低，趋于稳定；在相 rock.J China Univ Min Technol,2011,40(1):140

· 1254 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 35 卷 算的损伤值随着冻融次数的增多，其增长趋势趋于 平缓，细粒花岗岩尤为明显；而通过自洽理论得到 的细观损伤值则随着冻融循环次数的增加而呈现出 急剧增大的趋势. 从表 2 中可知，随着冻融次数的 逐渐增加，不同冻融条件下岩石孔隙度变化率呈现 降低的趋势，说明冻融作用对于两种粒径花岗岩的 损伤程度慢慢减少，由此而言宏观损伤理论计算得 到的冻融损伤演化规律更符合实际. 图 3 冻融次数对粗粒花岗岩 (a) 和细粒花岗岩 (b) 宏、细观损伤变量的影响 Fig.3 Effect of freezing-thawing cycles on the damage variables of coarse-grain granite (a) and fine-grain granite (b) 4 结论 (1) 粗、细两类花岗岩随着冻融循环的进行，核 磁共振 T2 分布图谱中最大弛豫时间和信号强度均 不断提高，即岩样内孔隙孔径和孔隙度不断提高； 而饱和岩样质量受到孔隙水和表面劣化的影响存在 一定变化；核磁共振成像将岩样内部孔隙在冻融条 件下的变化进行具象化，直观展现了细观损伤的演 化过程. (2) 冻融循环过程中，饱水花岗岩在孔隙水相 变和成岩颗粒差异性的交互作用下，内部孔隙处于 萌生、发育、扩展到不断贯通联接的过程，使得可检 测信号的 T2 最大值和信号强度不断提高，在孔隙 成像上则表现为亮点亮度和密集程度大幅提高. 孔 隙密集区域内孔隙间的逐渐联通将最终导致宏观破 坏. (3) 根据岩石力学试验，两类花岗岩均随着冻 融循环次数的增加，强度和弹性模量不断降低，其 中粗粒花岗岩在 90 次冻融循环之后强度损失达到 43.3%，细粒花岗岩的强度损失相对较小，说明相同 试验条件下粗粒花岗岩对冻融循环更敏感. (4) 以宏观唯象理论和自洽理论为基础建立了 岩石冻融损伤变量与冻融次数之间的关系，并结 合冻融过程中岩石的孔隙度变化特征，对所得到的 粗、细花岗岩的冻融损伤变量的演化曲线进行了比 较. 研究认为：宏观损伤理论结果更符合核磁共 振检测结果，即随着冻融循环次数的增加，花岗岩 的损伤变量的提升幅度逐渐降低，趋于稳定；在相 同冻融条件下细粒花岗岩的损伤变量较粗粒花岗岩 低，即细粒花岗岩的冻融耐久性更强. 参 考 文 献 [1] Li N, Cheng G D, Xie D Y. Geomechanics development in civil construction in Western China. Chin J Geotech Eng, 2001, 23(3): 268 (李宁, 程国栋, 谢定义. 西部大开发中的岩土力学问题. 岩 土工程学报, 2001, 23(3): 268) [2] Sondergeld C H, Rai C. Velocity and resistivity changes during freeze-thaw cycles in Berea sandstone. Geophysics, 2007, 72(2): 99 [3] Yavuz H. Effect of freeze-thaw and thermal shock weath￾ering on the physical and mechanical properties of an an￾desite stone. Bull Eng Geol Environ, 2011, 70(2): 187 [4] Xu G M, Lin Q S. Analysis of mechanism of rock failure due to freeze-thaw cycling and mechanical testing study on frozen-thawed rocks. Chin J Rock Mech Eng, 2005, 24(17): 3076 (徐光苗, 刘泉声. 岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验 研究. 岩石力学与工程学报, 2005, 24(17): 3076) [5] Zhang H M, Yang G S. Research on damage model of rock under coupling action of freeze-thaw and load. Chin J Rock Mech Eng, 2010, 29(3): 471 (张慧梅, 杨更社. 冻融与荷载耦合作用下岩石损伤模型的 研究. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(3): 471) [6] Zhang H M, Yang G S. Freeze-thaw cycling and mechani￾cal experiment and damage propagation characteristics of rock. J China Univ Min Technol, 2011, 40(1): 140

第10期 周科平等：粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律 ·1255· (张慧梅，杨更社.岩石冻融力学实验及损伤扩展特性.中[12 Wang S.Analysis of rock pore structural characteristic 国矿业大学学报.2011,40(1)：140) by nuclear magnetic resonance.Xinjiang Pet Geol,2009, [7]Wang JL.Gao J,Liu L.Porosity characteristics of sand- 30(6):768 stone by X-ray CT scanning system.Acta Pet Sin,2009, (王胜.用核磁共振分析岩石孔隙结构特征.新疆石油地质， 30(6):887 2009,30(6):768) (王家禄，高建，刘莉.应用CT技术研究岩石孔隙变化特 [13]Xiao L Z.A study on the application of NMR imaging to 征.石油学报.2009,30(6)：887) EOR.Acta Pet Sin,1995.16(3):106 [8 Liu C Y,He M C,Wang S R,et al.Experimental inves- (肖立志.核磁共振成像在EOR研究中的应用.石油学报， tigation freeze-thawing damage characteristics of granite 1995,16(3):106) at low temperature.J Hunan Univ Sci Technol Nat Sci. [14]Shi Q,Pan Y S.A method of nuclear magnetic resonance 2005,20(1):37 imaging analyzed in the crack and flu id pass way of coal (刘成禹，何满潮，王树仁，等.花岗岩低温冻融损伤特性的 body.Coal Min Technol,2005,10(6):6 实验研究.湖南科技大学学报：自然科学版，2005,20(1)： (石强，潘一山.煤体内部裂隙和流体通道分析的核磁共振 37) 成像方法研究.煤矿开采，2005,10(6)：6) [9]Xiao L Z.Some important issues for NMR logging appli- cations in China.Well Logging Technol,2007,31(5):401 [15]Zhang Y Z,Xiao L Z.Experimental study of the NMR (肖立志.我国核磁共振测井应用中的若干重要问题.测井 characteristics in rock under uniaxial load.Nucl Electron 技术，2007,31(5)：401) Detect Technol.2006,26(6):731 (张元中，肖立志.单轴载荷下岩石核磁共振特征的实验研 [10]Wang H Q,Fu C D,Jing L J,et al.Application of NMR 究.核电子学与探测技术，2006.26(6)：731) imaging technology in rock petrophysics experiment.Well Logging Technol,2005,29(2):95 [16 Xu X C.Liu Q S.A preliminary study on basic mechan- (王洪强，付晨东，井连江，等.核磁共振成像技术在岩石物 ical properties for granite at high temperature.Chin J 理实验中的应用.测井技术，2005,29(2)：95) Geotech Eng,2000.22(3):332 (11]Chen SS,Li R,Yu J,et al.The principle and application (许锡昌，刘泉声.高温下花岗岩基本力学性质初步研究 of nuclear magnetic resonance analyst instrument in low- 岩土工程学报，2000,22(3)：332) field.Life Sci Instrum,2009,7(10):48 [17 Yu S W,Feng X Q.Damage Mechanics.Beijing:Tsing- (陈姗姗，李然，俞捷，等.永磁低场核磁共振分析仪原理和 hua University Press,1997 应用.生命科学仪器，2009,7(10)：48) (余寿文，冯西桥.损伤力学.北京：清华大学出版社，1997)

第 10 期 周科平等：粗、细粒径花岗岩冻融损伤机理及其演化规律 1255 ·· (张慧梅, 杨更社. 岩石冻融力学实验及损伤扩展特性. 中 国矿业大学学报, 2011, 40(1): 140) [7] Wang J L, Gao J, Liu L. Porosity characteristics of sand￾stone by X-ray CT scanning system. Acta Pet Sin, 2009, 30(6): 887 (王家禄, 高建, 刘莉. 应用 CT 技术研究岩石孔隙变化特 征. 石油学报, 2009, 30(6): 887) [8] Liu C Y, He M C, Wang S R, et al. Experimental inves￾tigation freeze-thawing damage characteristics of granite at low temperature. J Hunan Univ Sci Technol Nat Sci, 2005, 20(1): 37 (刘成禹, 何满潮, 王树仁, 等. 花岗岩低温冻融损伤特性的 实验研究. 湖南科技大学学报：自然科学版, 2005, 20(1): 37) [9] Xiao L Z. Some important issues for NMR logging appli￾cations in China. Well Logging Technol, 2007, 31(5): 401 (肖立志. 我国核磁共振测井应用中的若干重要问题. 测井 技术, 2007, 31(5): 401) [10] Wang H Q, Fu C D, Jing L J, et al. Application of NMR imaging technology in rock petrophysics experiment. Well Logging Technol, 2005, 29(2): 95 (王洪强, 付晨东, 井连江, 等. 核磁共振成像技术在岩石物 理实验中的应用. 测井技术, 2005, 29(2): 95) [11] Chen S S, Li R, Yu J, et al. The principle and application of nuclear magnetic resonance analyst instrument in low- field. Life Sci Instrum, 2009, 7(10):48 (陈姗姗, 李然, 俞捷, 等. 永磁低场核磁共振分析仪原理和 应用. 生命科学仪器, 2009, 7(10): 48) [12] Wang S. Analysis of rock pore structural characteristic by nuclear magnetic resonance. Xinjiang Pet Geol, 2009, 30(6): 768 (王胜. 用核磁共振分析岩石孔隙结构特征. 新疆石油地质, 2009, 30(6): 768) [13] Xiao L Z. A study on the application of NMR imaging to EOR. Acta Pet Sin, 1995, 16(3): 106 (肖立志. 核磁共振成像在 EOR 研究中的应用. 石油学报, 1995, 16(3): 106) [14] Shi Q, Pan Y S. A method of nuclear magnetic resonance imaging analyzed in the crack and flu id pass way of coal body. Coal Min Technol, 2005, 10(6): 6 (石强, 潘一山. 煤体内部裂隙和流体通道分析的核磁共振 成像方法研究. 煤矿开采, 2005, 10(6): 6) [15] Zhang Y Z, Xiao L Z. Experimental study of the NMR characteristics in rock under uniaxial load. Nucl Electron Detect Technol, 2006, 26(6): 731 (张元中, 肖立志. 单轴载荷下岩石核磁共振特征的实验研 究. 核电子学与探测技术, 2006, 26(6): 731) [16] Xu X C, Liu Q S. A preliminary study on basic mechan￾ical properties for granite at high temperature. Chin J Geotech Eng, 2000, 22(3): 332 (许锡昌, 刘泉声. 高温下花岗岩基本力学性质初步研究. 岩土工程学报, 2000, 22(3): 332) [17] Yu S W, Feng X Q. Damage Mechanics. Beijing: Tsing￾hua University Press, 1997 (余寿文, 冯西桥. 损伤力学. 北京: 清华大学出版社, 1997)