巖石凍融試驗的中美標準對比研究

王 旭， 湯 大 明， 夏 驪 娜

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 引 言

巖石是由一種或多種礦物所組合而成的，具有一定結(jié)構(gòu)構(gòu)造的集合體，也有少數(shù)包含有生物的遺骸或遺跡(即化石)。巖石是構(gòu)成地殼和上地幔的物質(zhì)基礎(chǔ)，是構(gòu)成地球巖石圈的主要成分。巖石根據(jù)其成因主要分為三大類：沉積巖、巖漿巖(也可稱為火成巖)、變質(zhì)巖。

巖石凍融試驗，是指巖石在飽和狀態(tài)下經(jīng)過多次凍融后，測定其質(zhì)量損失率和飽和單軸抗壓強度的變化，據(jù)此說明巖石的抗凍性能。巖石經(jīng)過多次凍融后，其強度將降低，甚至破壞。

熱脹冷縮是自然界大多數(shù)物質(zhì)(物體)具有的一種基本屬性，這是由于物體內(nèi)的粒子(原子)運 動振幅會隨溫度改變。巖石自然也不例外，但情況卻變得更加復雜，因為巖石除了自身的固體顆粒外，還存在一定孔隙(裂隙)，在地表以下孔隙內(nèi)常常充滿了水，因此，除了巖石自身顆粒的熱脹冷縮外，巖石內(nèi)部孔隙水產(chǎn)生的凍脹力也會對巖石物理及力學性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，從而使巖石凍融變得更加復雜。

近年來，隨著我國經(jīng)濟、科技的高速發(fā)展，在建設(shè)領(lǐng)域取得了舉世矚目的成績，國際地位不斷攀升，參與國際事務(wù)和國際工程建設(shè)越來越多。國際工程合作中，眾多國家工程建設(shè)均采用美國標準。目前，國內(nèi)外針對巖石凍融試驗的研究很多，但就中國標準與美國標準的差異性研究，并不多見。

在我國工程建設(shè)領(lǐng)域，規(guī)程規(guī)范眾多，一般各行業(yè)都有自己的相關(guān)標準。巖石凍融試驗屬于巖石試驗的一部分，在我國，涉及巖石凍融試驗的標準既有國家標準，也有行業(yè)標準。國家標準為《工程巖體試驗方法標準》GB/T50266；行業(yè)標準則在水電工程、水利工程、鐵路工程、公路工程等行業(yè)的巖石試驗規(guī)程中均有巖石凍融試驗項目，但在試驗設(shè)備、要求、方法、步驟上都差別不大，大同小異。水電工程一般具有體量大、規(guī)模大、工程等級高、荷載級別高等特點，其要求普遍高于其他行業(yè)標準。

美國標準體系的建設(shè)一般由民間社會團體或部門、企業(yè)主導，是一自下而上的過程，制定的標準體系具有多元化特點，美國工程建設(shè)領(lǐng)域標準主要有美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標準、美國陸軍工程師兵團(USACE)標準或手冊和美國墾務(wù)局(USBR)標準或手冊，而USACE巖石試驗手冊和USBR巖石手冊(第二部分)中許多試驗方法是直接參見ASTM中的相關(guān)標準，以ASTM相關(guān)試驗標準最為齊全。經(jīng)查找，美國ASTM相關(guān)試驗標準中D5312-04和美國陸軍工程兵團(USACE)巖石試驗手冊中RTH 119-05均為巖石凍融試驗標準，且RTH 119-05與ASTM中D5312-04完全相同，而USBR巖石手冊中未找到巖石凍融試驗相關(guān)內(nèi)容。

因此，本文僅以我國水電行業(yè)標準——《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》(DL/T5368-2007)為依據(jù)，與美國ASTM相關(guān)試驗標準中D5312-04標準進行對比分析研究。

1 中美標準差異性

通過對中國標準《水電水利工程巖石試驗規(guī)程》(DL/T5368-2007)與美國標準ASTM D5312-04中“巖石凍融試驗”的對比研究，發(fā)現(xiàn)兩者之間大體上相一致，同時，也存在一定差異。

(1)中美標準對于“巖石凍融試驗”的目的和使用范圍、要求基本一致，但在試件形狀、尺寸、數(shù)量、設(shè)備、操作及冷凍循環(huán)上存在差異。

(2)縱觀中美標準中“巖石凍融試驗”全過程，最大差異表現(xiàn)為：中國標準除了通過試驗獲得凍融質(zhì)量損失率外，還需進行凍融前后飽和單軸抗壓強度試驗，進而求得凍融系數(shù)；而美國標準只要求通過該項試驗獲得凍融質(zhì)量損失率。

表1 巖石凍融試驗中美標準主要差異

2 中美差異性分析

2.1 試件要求差異

中國規(guī)程規(guī)定：試件為圓柱體，直徑宜為48～54 mm，高徑比宜為2.0～2.5，并對試件兩端面的平行度、沿試件高度上直徑誤差和兩端面與試件軸線的垂直偏差進行了要求；試件數(shù)量為6個，其中3個用于求取質(zhì)量損失率，3個用于求取凍融系數(shù)。

美國標準要求試件形狀為板塊狀，厚度64±6 mm，邊長不小于125 mm，試件數(shù)量沒明確，但取樣時，樣品不能少于五塊巖性單位。

由于中國標準需要進行凍融前后試件飽和單軸抗壓強度試驗，進而求得凍融系數(shù)，因此，要求將巖樣制成規(guī)則試件，并有嚴格的尺寸誤差要求，以方便進行單軸抗壓強度試驗；美國標準只要求試件大致為板塊狀，厚度和邊長要求并不嚴格。

在尺寸上，美國標準的試件尺寸更大。對于試件數(shù)量，美國標準雖沒明確，但要求相同巖性不少于五塊巖性單位；中國標準用于求取質(zhì)量損失率的試件實際只有3個，因此，試件數(shù)量少于美國標準。巖石由于節(jié)理、裂隙、風化等影響，常常表現(xiàn)為非均質(zhì)性，各種試驗成果均存在一定的離散度，巖石試驗成果取值更在于它的統(tǒng)計意義，因此，試件數(shù)量越多，其統(tǒng)計成果具有更好的代表性，或更能反映實際情況。因此，在這一點上美國標準要求更嚴謹。

2.2 試驗設(shè)備差異

巖石凍融試驗，中美標準在主凍設(shè)備上基本一致，都是采用冰柜、冷凍庫或凍融試驗機，但美國標準試驗設(shè)備較中國標準多了照相機和立體顯微鏡，以用于凍融前后對試件凍脹、開裂、掉塊等破壞進行微觀觀察和描述、拍照等，因此，美國標準更細致，更注意細節(jié)。

2.3 凍融溫度與時間

中國規(guī)程要求，烘干溫度為105 ℃～110 ℃，冷凍溫度為-20 ℃±2 ℃，冷凍時間為4 h；解凍溫度為20 ℃±2 ℃，解凍時間為4 h。美國標準要求，烘干溫度為110 ±5 ℃，冷凍溫度為-18 ℃±2.5 ℃，冷凍時間為至少12 h；解凍溫度為32±2.5 ℃，解凍時間為至少8 h(但不超過12 h)。

烘干溫度，中美標準沒有本質(zhì)的區(qū)別，都能達到烘干的目的。凍融溫度存在差別，可能跟各自國家高寒地區(qū)的年溫度變幅有關(guān)。且美國標準凍融溫差更大，冷凍和融解時間更長(或許與試件尺寸更大有關(guān))，這將有助試件在凍融過程中的凍脹、開裂、剝落和掉塊，因此，按美國標準進行試驗得到的凍融質(zhì)量損失率可能更大。

2.4 凍融循環(huán)次數(shù)

中國規(guī)程規(guī)定，凍融循環(huán)次數(shù)為25次，根據(jù)需要也可定為50次或100次；美國標準要求，重復凍融過程至循環(huán)總數(shù)，循環(huán)總數(shù)可由相關(guān)圖表查詢得知，決取決于工程所在地理區(qū)域，不同區(qū)域有不同的循環(huán)總數(shù)要求。

2.5 計算差異

與美國標準相比，中國標準通過該項試驗獲得更多的試驗參數(shù)，除了取得凍融質(zhì)量損失率外，還進行凍融前后飽和單軸抗壓強度試驗，并計算求得凍融系數(shù)。

對于凍融質(zhì)量損失率，中國規(guī)程采用凍融前后飽和試件質(zhì)量差來進行計算，而美國ASTM標準是采用凍融前后試件烘干質(zhì)量差來進行計算。由于凍融后，試件可能新開裂或隱裂隙擴張導致吸入更多水份，這會導致質(zhì)量損失率偏低；還可能出現(xiàn)在凍融前后稱量時擦拭程度不均勻而引發(fā)誤差，因此，相比之下，美國標準更科學嚴謹。

2.6 計量單位不一致

中國規(guī)程計量單位全部采用國際單位制；美國標準計量單位采用英制單位。

2.7 其他差異

中美文化有差異，兩種標準體系不同，中國標準條款較為剛性，一般只提要求，少解釋，條款較具體、可操作性較強，但給工程師選擇的空間較??；而美國標準則規(guī)定主要原則，條款多采用講解敘述形式，并闡述十分詳細，給工程師留有較大的靈活應(yīng)對空間，因此，在使用美國標準時應(yīng)轉(zhuǎn)變思維方式，工程師要根據(jù)工程實際情況決定試驗方案，充分發(fā)揮主觀能動性。

3 結(jié) 論

(1)巖石凍融試驗，中美標準在主凍設(shè)備、試驗操作等方面基本一致，但試件形狀、尺寸、數(shù)量，凍融溫度、凍融時間，凍融循環(huán)次數(shù)及計算取值、計量單位等都有差別，這些差異對試驗結(jié)果會產(chǎn)生一定影響。

(2)因中美文化的差異，兩種標準體系建立機制不同。美國標準體系以敘述講解方式，講述非常詳細，尤其在一些細節(jié)上，這恰恰可能是中方技術(shù)人員可能忽視的地方，同時，美國標準又給了工程師較大靈活處理的空間，因此，中國水電工程技術(shù)人員，在承接以美國標準為要求的國際工程業(yè)務(wù)進行相關(guān)試驗時，應(yīng)仔細閱讀勘測設(shè)計文件及相關(guān)標準，把控好細節(jié)，工作扎實、全面，并充分發(fā)揮主觀能動性，更好地為國外業(yè)主做好服務(wù)。