凍融作用下水灰比對(duì)類巖石材料物理力學(xué)特性影響研究

劉艷章 王 瑾 黃詩(shī)冰 盧澤鑫 劉雅甜 郭赟林

（1.武漢科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北武漢430081；2.冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢430081）

近年來(lái)，隨著寒區(qū)礦山邊坡、巷道等巖土工程建設(shè)的大力推進(jìn)，寒區(qū)工程巖體出現(xiàn)了眾多凍融損傷與開(kāi)裂掛冰現(xiàn)象。巖體是一種非常復(fù)雜的地質(zhì)材料，孔、裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育明顯，在低溫下孔、裂隙中水冰相變將產(chǎn)生較大的凍脹力，在凍脹力反復(fù)作用下會(huì)引起巖體結(jié)構(gòu)損傷與強(qiáng)度弱化［1］。目前關(guān)于完整巖石的凍融損傷機(jī)制及表征模型研究較多，一般采用原巖進(jìn)行凍融試驗(yàn)獲取凍融后巖石的物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行其凍融損傷的表征［2-4］。但研究表明，裂隙水在低溫下更容易發(fā)生凍結(jié)，且產(chǎn)生的凍脹力超過(guò)7 MPa，在如此大的凍脹力作用下裂隙會(huì)擴(kuò)展、貫通，甚至引起巖體斷裂，對(duì)寒區(qū)巖體工程危害極大［5-6］。然而，目前在原巖中預(yù)制各種不同種類的裂隙卻相對(duì)困難，且不易滿足試驗(yàn)精度要求?，F(xiàn)有關(guān)于裂隙巖體凍融試驗(yàn)的研究較多采用類巖石材料代替原巖［7-12］。由于制作的類巖石試樣與原巖性能相似且成本低廉，裂隙制作也較為容易，因此被廣泛應(yīng)用于研究各種復(fù)雜裂隙巖體的物理力學(xué)特性。

水灰比是影響類巖石材料相似程度、抗凍性能等的關(guān)鍵因素，也是配比設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)的變量，一般需要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試獲取。目前關(guān)于水灰比對(duì)類巖石材料物理力學(xué)性質(zhì)影響的研究取得了一些進(jìn)展。CHEN等［13］采用壓汞法定量分析了不同水灰比水泥砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)分布特征，研究結(jié)果表明，隨著水灰比增大，水泥的水化程度與試樣孔隙率均增加；楊為民等［14］通過(guò)試驗(yàn)研究表明，增加水灰比可以使類巖石材料的初始孔隙率增加；趙文杰等［15］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著水灰比增加，水泥砂漿的孔隙率增加，而試樣的致密性下降；KIM等［16］發(fā)現(xiàn)隨著水灰比從0.45增加到0.6，水泥砂漿的孔隙率提高了150%，而單軸抗壓強(qiáng)度降低了75.6%；CONSOLI等［17］系統(tǒng)研究了水泥含量、孔隙率、水分含量等因素對(duì)類巖石材料強(qiáng)度的影響，認(rèn)為可將孔隙率與水泥含量之比作為定量化評(píng)價(jià)類巖石材料單軸抗壓強(qiáng)度的參數(shù)指標(biāo)。不僅類巖石材料的孔隙率受水灰比影響較大，其單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)水灰比的變化也較為敏感［18］。ESKANDARI-NADDAF等［19］認(rèn)為水灰比是水泥砂漿等膠凝材料最重要的配合比設(shè)計(jì)參數(shù)，通常試樣單軸抗壓強(qiáng)度與水灰比呈負(fù)相關(guān)；WAND等［20］進(jìn)行了水泥砂漿材料的單軸壓縮試驗(yàn)和超聲波檢測(cè)，指出水灰比的增加使砂漿力學(xué)性能弱化，抗壓強(qiáng)度降低，超聲波波速下降；HAACH等［21］研究了水灰比對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明，水灰比增加會(huì)引起水泥砂漿的力學(xué)性能弱化；ZHOU等［22］利用霍普金森壓桿（SHPB）開(kāi)展了水灰比對(duì)水泥砂漿動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響試驗(yàn)，在相同的應(yīng)變速率下，高水灰比試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線峰后下降較快，動(dòng)態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度更低。

前期也有部分學(xué)者對(duì)工程建設(shè)中使用的水泥砂漿材料的抗凍性進(jìn)行了研究，如劉洪珠等［23］考慮了水灰比的變化，提出了凍融作用下水泥砂漿動(dòng)彈模量和抗壓強(qiáng)度的劣化模型；蔣正武等［24］研究了超低溫凍融循環(huán)條件下水灰比和初始含水量對(duì)水泥砂漿力學(xué)性質(zhì)的影響，指出降低水灰比和初始含水量有利于提高水泥砂漿的抗凍性。目前，水泥砂漿也是研究巖石凍融特性常用的相似材料，多用于模擬裂隙巖體的凍融損傷與斷裂特性。劉紅巖等［7］采用類巖石材料——水泥砂漿，探討了節(jié)理巖體的物理力學(xué)性質(zhì)及其對(duì)凍融損傷破壞的影響機(jī)制；王永巖等［8］發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后不同孔隙率的頁(yè)巖相似材料的力學(xué)性能發(fā)生了不同程度的劣化，初始孔隙率不同，受凍融循環(huán)的影響程度不同，當(dāng)孔隙率為9.4%～13.6%時(shí)，受凍融循環(huán)影響最大；李新平等［9］對(duì)含有不同裂隙的類巖石試樣進(jìn)行了凍融循環(huán)試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，得到了凍融循環(huán)次數(shù)、裂隙傾角、裂隙長(zhǎng)度和裂隙數(shù)目對(duì)巖樣的損傷破壞模式的影響規(guī)律；申艷軍等［10］考慮裂隙中水冰相變作用，分析了飽和類砂巖試樣的局部損傷效應(yīng)及端部斷裂特性；黃詩(shī)冰等［11］預(yù)制了含有不同幾何尺寸裂隙的類巖石材料試樣，初步觀測(cè)到了裂隙凍脹力隨凍結(jié)溫度、裂隙長(zhǎng)度和寬度的演化規(guī)律；劉艷章等［12］開(kāi)展了預(yù)冷和不預(yù)冷兩種凍結(jié)方式下的類砂巖飽水裂隙凍融循環(huán)試驗(yàn)，獲得了凍融與受荷作用下單裂隙巖體斷裂破壞特征與強(qiáng)度損失規(guī)律。

上述分析表明，已有部分學(xué)者開(kāi)始關(guān)注不同水灰比下水泥砂漿的抗凍性能，但上述有關(guān)類巖石材料凍融損傷與斷裂機(jī)制的研究中涉及水灰比方面的內(nèi)容較少。為了探究水灰比對(duì)類巖石凍融過(guò)程中的物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制，本研究以水泥砂漿為模型材料，采用常用的類巖石材料配比方案，通過(guò)改變水灰比得到不同性質(zhì)的類巖石材料，進(jìn)行凍融前后的物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試，提出類巖石材料凍融損傷與水灰比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系方程，為各類類巖石材料配比設(shè)計(jì)及水泥砂漿抗凍特性研究提供參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 模型材料選取

本研究對(duì)有關(guān)類巖石材料配比的部分研究成果進(jìn)行了總結(jié)［7-9，11-12，25-29］，結(jié)果如表 1 所示。類巖石試樣基本上采用水泥砂漿作為原材料進(jìn)行配比設(shè)計(jì)，其中水灰比大多集中在0.3～0.45，因此本試驗(yàn)對(duì)該水灰比范圍進(jìn)行全部覆蓋，設(shè)計(jì)的水灰比分別為0.3、0.325、0.35、0.375、0.4、0.425、0.45共7個(gè)組。參考文獻(xiàn)［9，11-12］，確定類巖石材料組分及其配合比為32.5R硅酸鹽水泥∶石英砂∶硅粉∶蒸餾水∶減水劑∶固體消泡劑為 10∶10∶1.2∶w∶0.1∶0.15（w代表蒸餾水含量比值，取值范圍為3～4.5）。為保證試樣表面光滑，石英砂粒徑控制在0.5 mm以下，硅粉粒徑為0.15 mm左右；添加聚羧酸系高性能減水劑主要為了防止水泥砂漿成分的離析，提高抗?jié)B性；添加固體消泡劑是為了避免攪拌中產(chǎn)生大量氣泡，防止試樣出現(xiàn)蜂窩麻面現(xiàn)象。

1.2 試樣制作及篩選

采用直徑50 mm、高度為100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱模具制作類巖石試樣，如圖1（a）所示。制作過(guò)程分為以下步驟：①在模具內(nèi)壁及底面均勻涂抹機(jī)油以方便后期脫模，再精確稱量不同配比下各配料相應(yīng)的質(zhì)量；②分別將不同水灰比的混合料在攪拌器中均勻攪拌3 min，然后在相應(yīng)編號(hào)的模具中澆筑對(duì)應(yīng)水灰比的類巖石材料，并放在振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)、搗鼓，直到無(wú)氣泡溢出；③等待約48 h脫模后，將試樣立即放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d，最終形成不同水灰比的標(biāo)準(zhǔn)類巖石試樣，如圖1（b）所示。通過(guò)觀察養(yǎng)護(hù)完成后試樣表面的平整度，測(cè)定其直徑、高度以及質(zhì)量，并采用超聲波測(cè)速儀逐個(gè)進(jìn)行測(cè)試，剔除表面不平整、尺寸不標(biāo)準(zhǔn)以及波速差異較大的試樣，最終保留了42件標(biāo)準(zhǔn)試樣。主要試驗(yàn)儀器如圖1（c）所示。

1.3 基本物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試

將滿足試驗(yàn)要求的試樣放入烘箱中，在110℃的溫度條件下烘干24 h直到恒重，待冷卻至室溫后取出，測(cè)量其質(zhì)量；接著將干燥試樣放入真空強(qiáng)制飽和裝置中，保持真空壓力值為-0.1 MPa連續(xù)抽氣6 h，然后將試樣在該裝置中飽水靜置24 h，直至試樣表面無(wú)氣泡溢出為止，取出試樣并沾去表面水分后稱量，可測(cè)得飽和試樣的密度、縱波波速以及孔隙率。試樣波速采用RSM-SY5（T）非金屬聲波測(cè)試儀獲得，在微機(jī)控制電液伺服壓力機(jī)WAW-300上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)可以獲得類巖石試樣的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量。凍融前不同水灰比類巖石試樣的基本物理參數(shù)如表2所示。

1.4 凍融循環(huán)試驗(yàn)

將所有42件試樣根據(jù)水灰比不同分為7組，每組包含6件試樣，分別進(jìn)行0、10、20、30、40以及50次凍融循環(huán)。根據(jù)工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［30］和試樣內(nèi)部溫度跟蹤，凍融過(guò)程中，首先將試樣置于-20℃的低溫試驗(yàn)箱中凍結(jié)6 h，然后放入20℃的恒溫水箱中融化6 h，即12 h為1個(gè)凍融循環(huán)周期；每隔10次凍融循環(huán)測(cè)定1次類巖石試樣的縱波波速；對(duì)完成設(shè)定凍融循環(huán)周期的試樣，在WAW-300電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)（圖1（d）），試驗(yàn)采用軸向位移控制，位移速率為0.04 mm/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 凍融前水灰比對(duì)密度及孔隙率的影響

圖2為不同水灰比類巖石試樣的密度—水灰比曲線，可以得出，隨著水灰比（w/c）的增加，類巖石試樣的干燥密度與飽和密度均逐漸減小，且兩者的密度差越來(lái)越大，從干燥到飽和狀態(tài)需要的吸水量越多。

類巖石試樣的孔隙率—水灰比曲線如圖3所示。由圖3可知：隨著水灰比增大，類巖石試樣的孔隙率逐漸增加，孔隙率與水灰比之間基本成線性關(guān)系。水灰比從0.3增加到0.45過(guò)程中，類巖石試樣的孔隙率增加了74.5%。這主要是因?yàn)樵嚇又械乃袃煞N方式存在，一種參與水泥的水化反應(yīng)，另一種以自由水的形式存在，而自由水的含量決定了試樣的孔隙率，因此類巖石材料的水灰比越大，自由水在類巖石材料中所占的空間越多，試樣成型后其孔隙率就越高。

2.2 凍融過(guò)程中水灰比對(duì)縱波波速的影響

通過(guò)分析類巖石試樣的縱波波速隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線（圖4）可以看出，不同水灰比的類巖石試樣縱波波速均隨凍融次數(shù)的增加而降低，這主要是由于飽水類巖石試樣在凍脹力和溫度應(yīng)力的反復(fù)作用下，引起內(nèi)部原有孔（裂）隙擴(kuò)展和新裂紋萌生，阻礙了波的傳播，延長(zhǎng)了波的傳播距離。同時(shí)隨著水灰比增加，試樣的縱波波速逐漸降低。由圖3可知：水灰比增大會(huì)引起類巖石試樣孔隙率迅速升高，而波在孔隙中的傳播速度遠(yuǎn)低于固體顆粒骨架，導(dǎo)致整體波速降低。凍融前，不同水灰比試樣之間的初始波速差別相對(duì)較小，其波速的最大差值為334 m/s，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加，不同水灰比試樣之間的波速差異逐步擴(kuò)大，達(dá)到50次凍融循環(huán)后，波速的最大差值為591 m/s，相比增加了76.95%，說(shuō)明隨著凍融次數(shù)增加，水灰比較大的類巖石試樣損傷程度加劇。

類巖石試樣的縱波波速損失率變化曲線如圖5所示。由圖5可知：不同水灰比類巖石試樣的縱波波速損失率隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大，且水灰比與縱波波速損失率之間表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性：水灰比越大，波速損失率增長(zhǎng)越快。經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后，w/c=0.3試樣的波速損失率為5.97%，而w/c=0.45試樣的波速損失率為14.28%。不同水灰比試樣之間的縱波波速損失率有顯著的差異性，主要是由于水灰比不同造成試樣初始孔隙率的不同，試樣的初始孔隙率越大，飽水后受到凍融損傷的效果越顯著，波速損失率越大。

2.3 凍融過(guò)程中水灰比對(duì)力學(xué)特性的影響

凍融循環(huán)作用下不同水灰比試樣的單軸抗壓強(qiáng)度曲線如圖6所示。由圖6可知：隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度均有顯著的下降，w/c=0.325與0.35試樣的單軸抗壓強(qiáng)度相對(duì)較高，w/c=0.45試樣的單軸抗壓強(qiáng)度最低。圖7為不同水灰比試樣的抗凍系數(shù)曲線，抗凍系數(shù)是指巖樣經(jīng)歷凍融循環(huán)后，巖樣抗壓強(qiáng)度下降量與凍融前試樣的初始抗壓強(qiáng)度比值。可見(jiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，所有試樣的抗凍系數(shù)均逐漸增加。通過(guò)50次凍融循環(huán)后，w/c=0.325與0.35試樣的強(qiáng)度損失率相對(duì)較低，但最小損失率也超過(guò)了25%；其余水灰比試樣的強(qiáng)度損失率更大，部分試樣強(qiáng)度的最大損失率甚至超過(guò)了50%。說(shuō)明在相同的凍融條件下，w/c=0.325與0.35這兩種水灰比的類巖石材料抗凍性相對(duì)較好。

為了更加清晰地反映水灰比對(duì)試樣單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律，繪制了不同凍融次數(shù)下的單軸抗壓強(qiáng)度—水灰比曲線，如圖8所示。由圖8可知：試樣的單軸抗壓強(qiáng)度與水灰比和凍融循環(huán)次數(shù)均相關(guān)。水灰比低于0.325時(shí)，水的含量較少，水化反應(yīng)不充分，顆粒之間膠結(jié)作用較差，導(dǎo)致強(qiáng)度較低；水灰比高于0.35時(shí)，水泥顆粒相對(duì)較少，顆粒間距離較大，過(guò)多的水分蒸發(fā)后留下較多的孔隙，使混凝土強(qiáng)度降低。因此，隨著水灰比逐漸增大，單軸抗壓強(qiáng)度先增大后逐漸減小，在水灰比為0.325～0.35附近達(dá)到峰值；隨著凍融次數(shù)的增加，不同水灰比試樣的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸下降。

圖8中各曲線形狀基本相似，均符合Gauss分布特征，本研究對(duì)其進(jìn)行了擬合分析，得到Gauss曲線函數(shù)方程簡(jiǎn)化后的表達(dá)式為

式中，參數(shù)a、b、c取值如表3所示。

式（1）中的各參數(shù)a、b、c隨著凍融循環(huán)次數(shù)的變化而變化，本研究將水灰比作為一種初始損傷，得到參數(shù)a、b、c與凍融循環(huán)次數(shù)n的線性關(guān)系式為

式（2）中參數(shù)a、b、c與凍融循環(huán)次數(shù)n的變化擬合結(jié)果如圖9所示。

由圖9可知：參數(shù)a、b、c均隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸減小，但各參數(shù)的減小程度有明顯區(qū)別，經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后，上述各參數(shù)分別減小25.84%、5.04%、62.90%。為了進(jìn)一步分析參數(shù)a、b、c在0～50次凍融循環(huán)過(guò)程中的變化規(guī)律，繪制了各參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化率曲線，如圖10所示。分析圖10可知：參數(shù)a、b、c隨凍融循環(huán)次數(shù)增加線性遞減，但各參數(shù)對(duì)式（1）中函數(shù)值的影響程度不同。

根據(jù)表4中Gauss曲線的特性可知，參數(shù)a影響曲線整體的高低程度，代表不同水灰比類巖石試樣單軸抗壓強(qiáng)度的整體水平，由參數(shù)a的變化規(guī)律可知：在不考慮其他參數(shù)影響的前提下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，單軸抗壓強(qiáng)度整體線性減小。參數(shù)b決定了Gauss曲線的對(duì)稱軸，即曲線峰值處所對(duì)應(yīng)類巖石試樣的水灰比，而參數(shù)b在經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后只下降了5.04%，所受凍融循環(huán)次數(shù)的影響程度很小，故可認(rèn)為參數(shù)b是不受凍融循環(huán)次數(shù)影響的常量，可見(jiàn)水灰比在0.325～0.35范圍內(nèi)的試樣抗凍性最佳，且該值不隨凍融循環(huán)次數(shù)而變化，說(shuō)明了本研究得到的抗凍較好的水灰比穩(wěn)定、可靠。參數(shù)c與曲線“鐘形”的寬度有關(guān)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，曲線“鐘形”寬度越來(lái)越小，說(shuō)明不同水灰比試樣之間單軸抗壓強(qiáng)度的變化更加劇烈，這是由于不同水灰比試樣之間受凍融循環(huán)的損傷程度存在差異，隨著凍融循環(huán)次數(shù)不斷增加，水灰比位于0.325～0.35范圍之外的試樣凍融損傷程度加劇，強(qiáng)度下降較快，而水灰比在0.325～0.35附近的試樣，受凍融影響相對(duì)較小。

2.4 凍融過(guò)程中水灰比對(duì)變形特性影響

由圖11可知：類巖石試樣的彈性模量隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加整體上逐漸減小，經(jīng)過(guò)50次凍融循環(huán)后，7種水灰比類巖石材料的彈性模量分別降低49.56%、35.81%、42.88%、52.01%、44.71%、51.54%、48.23%。在相同的凍融循環(huán)次數(shù)時(shí)，隨著水灰比增加，試樣的彈性模量總體上呈現(xiàn)出先增大再逐漸減小的趨勢(shì)，與單軸抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出的規(guī)律相類似。

凍融循環(huán)作用下不同水灰比類巖石試樣應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖12所示，圖中兩條虛線分別表示曲線中試樣孔隙壓密階段的最小和最大應(yīng)變，均分別對(duì)應(yīng)于0次和50次凍融循環(huán)試樣。類巖石試樣破壞前的應(yīng)力—應(yīng)變曲線同樣可劃分為典型的3個(gè)階段，即孔隙壓密階段、彈性階段和屈服階段。在孔隙壓密階段，試樣中原有的微孔隙或微裂隙逐漸閉合，試樣被壓密，形成早期的非線性變形，此階段曲線呈上凹形，隨著凍融次數(shù)增加，孔隙壓密階段延長(zhǎng)；當(dāng)試樣內(nèi)部的孔隙被壓縮到應(yīng)變極限狀態(tài)后，應(yīng)力—應(yīng)變曲線開(kāi)始逐步呈線性變化，但各曲線之間的斜率不同，隨著凍融次數(shù)增加，斜率降低，說(shuō)明彈性模量隨著凍融次數(shù)增加而減小，類巖石材料表現(xiàn)出了明顯的凍融軟化特征；隨著應(yīng)變繼續(xù)增加，試樣開(kāi)始由彈性階段轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄坞A段，此階段試樣內(nèi)部裂隙萌生并擴(kuò)展，試樣強(qiáng)度達(dá)到峰值后迅速破壞，峰值強(qiáng)度同樣隨著凍融次數(shù)增加而降低。

比較圖12中不同水灰比試樣之間的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，發(fā)現(xiàn)隨著水灰比增加，孔隙壓密階段的應(yīng)變均逐漸增大，主要是因?yàn)殡S著水灰比增加，巖石初始孔隙率較大所致（圖3）。當(dāng)w/c=0.3時(shí)，0、50次凍融循環(huán)對(duì)應(yīng)的孔隙壓密階段最小和最大應(yīng)變分別為0.2%和0.46%；當(dāng)w/c=0.45時(shí)，0、50次凍融循環(huán)后類巖石試樣對(duì)應(yīng)的孔隙壓密階段的最小和最大應(yīng)變分別為0.57%和0.86%，此時(shí)孔隙壓密階段的最小、最大應(yīng)變?yōu)閣/c=0.3的2.85倍和1.87倍。以上數(shù)據(jù)說(shuō)明，壓密階段的總應(yīng)變與試樣的水灰比呈正相關(guān)，水灰比越大，類巖石試樣初始孔隙率越大，壓密階段越長(zhǎng)。

3 水灰比對(duì)類巖石材料的凍融影響機(jī)制

從上述不同水灰比類巖石試樣波速、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)作用對(duì)類巖石材料的損傷是漸進(jìn)性的。巖石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可視為由巖石骨架與孔隙共同組成［31］，在微觀層面上，可將凍融循環(huán)損傷過(guò)程認(rèn)為是對(duì)巖石骨架結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)不斷累積破壞的過(guò)程。類巖石試樣在凍結(jié)過(guò)程中，礦物顆粒冷卻收縮，骨架之間的接觸以拉應(yīng)力為主，而孔隙中的自由水由于體積膨脹形成凍脹力，又反作用于巖石骨架上，導(dǎo)致原有孔隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步擴(kuò)展發(fā)育；而巖石融化過(guò)程中，礦物顆粒受熱膨脹，骨架之間的作用力以壓應(yīng)力為主［32］，孔隙中的冰融化使體積減小，對(duì)巖石骨架的作用力消失。反復(fù)的凍融循環(huán)使礦物之間的拉壓作用力頻繁轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致類巖石材料骨架整體性下降，同時(shí)孔隙水的相態(tài)變化產(chǎn)生的凍脹力使巖石骨架也受到不同程度的損傷。試樣骨架結(jié)構(gòu)損傷表現(xiàn)為內(nèi)聚力減小，黏結(jié)能力下降，孔隙結(jié)構(gòu)損傷表現(xiàn)為孔隙結(jié)構(gòu)不斷擴(kuò)展貫通。

水灰比會(huì)直接影響類巖石材料的水化反應(yīng)過(guò)程和試樣的初始孔隙率，而這兩者對(duì)類巖石試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)性作用，從而進(jìn)一步影響試樣的物理力學(xué)性質(zhì)。當(dāng)水灰比大于0.35時(shí)，隨著水灰比增加，試樣孔隙結(jié)構(gòu)更加發(fā)育、力學(xué)性能進(jìn)一步弱化；在凍融過(guò)程中，等效凍脹力會(huì)隨著孔隙率的增加而增大［32］，因此高水灰比類巖石試樣的凍融損傷程度更大。當(dāng)水灰比小于0.325時(shí)，雖然類巖石試樣初始孔隙率較小，但是水泥砂漿基質(zhì)間的黏結(jié)作用相對(duì)較弱，因此單軸強(qiáng)度反而較低，此時(shí)凍脹力雖然較小，但是孔隙更容易發(fā)生凍融斷裂擴(kuò)展，引起巖石基質(zhì)發(fā)生較大的凍融損傷。因此，在進(jìn)行類巖石材料配比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該根據(jù)需要模擬的原巖性質(zhì)，選擇合理的水灰比，尤其是利用類巖石材料進(jìn)行凍融研究時(shí)，應(yīng)該考慮材料配比對(duì)凍融的影響。

4 結(jié) 論

本研究通過(guò)不同水灰比的類巖石試樣的凍融循環(huán)試驗(yàn)及其凍融后的單軸壓縮試驗(yàn)，探究了凍融作用下不同水灰比對(duì)類巖石材料的基本物理力學(xué)性質(zhì)的影響機(jī)制，結(jié)果表明：

（1）凍融前，隨著水灰比的增大，類巖石材料的干燥、飽和密度均逐漸減小，孔隙率不斷增大，進(jìn)而導(dǎo)致其波速下降；同時(shí)凍融過(guò)程中，波速隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小，且水灰比越大，波速損失率越高。

（2）類巖石材料的單軸抗壓強(qiáng)度受水灰比和凍融循環(huán)次數(shù)的共同影響。隨著水灰比的增大，類巖石材料的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量均出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，當(dāng)w/c為0.325～0.350時(shí)，試樣的單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到峰值，且抗凍性能最佳；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量逐漸下降，不同水灰比試樣間的凍融損傷程度存在明顯差異，但強(qiáng)度峰值處對(duì)應(yīng)的水灰比取值基本不受凍融循環(huán)次數(shù)的影響。

（3）隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，類巖石試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線逐漸扁平化，延性增加，且水灰比越大，試樣孔隙壓密階段變形越大。凍融過(guò)程中，水灰比較大試樣孔隙凍脹力較大，而水灰比較小試樣基質(zhì)黏結(jié)作用較弱，均容易發(fā)生凍融損傷。上述分析結(jié)果可為類巖石材料配比設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。