賈志剛，齊 平，李 科，曾洪彪

(1.中國地質(zhì)大學 工程學院，武漢 430074；2.黃淮學院 建筑工程學院，河南 駐馬店 463000)

巖石毛細吸水試驗新方法

賈志剛1,2，齊 平2，李 科1，曾洪彪1

(1.中國地質(zhì)大學 工程學院，武漢 430074；2.黃淮學院 建筑工程學院，河南 駐馬店 463000)

毛細作用下巖石吸水作為一種水分傳輸現(xiàn)象在諸多領(lǐng)域有極其重要的影響。推導了巖石毛細直管吸水模型，在詳細討論已有吸水試驗方法的基礎(chǔ)上提出了一種吸水量量測新方法。結(jié)論如下：① 新試驗方法以稱量剩余水量為基礎(chǔ)，可以實現(xiàn)巖石吸水過程中吸水量連續(xù)、精確的量測，且可以滿足一維或三維2種邊界條件；② 采用試驗新方法，在石膏質(zhì)巖初始吸水階段，其吸水量與時間的關(guān)系基本上滿足毛管理論模型，新方法能較好地適用于巖石毛細吸水試驗；③ 分析了吸水試驗數(shù)據(jù)擬合時相關(guān)系數(shù)-頻次的關(guān)系，證明了試驗新方法具有較小的系統(tǒng)誤差，試驗數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定與可靠。

石膏質(zhì)巖；毛細作用；巖石吸水；試驗方法；量測方法

1 研究背景

絕大部分的巖體工程在建設(shè)與營運過程中都不可避免地與水接觸，水巖之間會發(fā)生復雜的物理、化學與力學等作用，導致巖體的強度、變形等工程性能出現(xiàn)不同程度的劣化。

從水侵入巖石的驅(qū)動力看，毛細吸水作為巖石介質(zhì)的一種水分傳輸現(xiàn)象在諸多領(lǐng)域有極其重要的影響，如：① 各類水利樞紐工程。高速泄流時，水利樞紐附近一定范圍內(nèi)會形成一種密集霧雨，雨水沿地表的裂(孔)隙逐步浸潤巖石，在潛水面之上會形成毛細飽和區(qū)[1]，致使非飽和帶巖體的含水量逐漸增大，導致其抗剪強度降低，從而誘發(fā)地質(zhì)災害；② 石質(zhì)類文物的破壞與保護方面。北京西黃寺[2]、洛陽龍門石窟[3]、大同云岡石窟[4]等石質(zhì)文物病害形成機制的研究表明，大氣降水和空氣凝結(jié)水滲入巖石表層形成孔(裂)隙水，在溫度效應(yīng)或溶蝕作用下巖石表面產(chǎn)生劣化；③ 建筑材料方面，主要以混凝土(再生)骨料和裝飾石材的方式在建筑業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。(再生)骨料的毛細吸水率對混凝土的早期收縮、抗裂等性能有重要影響[5]；裝飾石材在服役過程中必然處于室內(nèi)濕度、室外大氣降水等不利環(huán)境之中，毛細水攜帶各種離子在其微孔隙內(nèi)傳輸為各種物理化學作用提供了途徑，致使石材表面出現(xiàn)的銹斑、黃斑、水斑等“病癥”，嚴重影響其裝飾效果。從水巖物理作用的途徑考查，上述工程問題有一個共同的特征，即無壓水聚集或附著在巖石介質(zhì)表面，在毛細作用下沿著微裂(孔)隙慢慢浸潤巖石，巖石在水溶液離子、溫度或干濕等外在條件下工程性能產(chǎn)生劣化，其長期耐久性受到影響。

可見，要想從根本上解決這類工程問題需要從2個方面入手：① 毛細作用下巖石吸水動力特性；② 巖石吸水過程量測新方法。圍繞上述2個問題，本文總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究成果，以石膏質(zhì)巖吸水試驗為例，試圖從巖石吸水過程函數(shù)、吸水率時間效應(yīng)與吸水量量測方法等方面進行分析、評價與探討，旨在使相關(guān)從業(yè)人員對這方面的研究有更清晰的認識。

2 巖石吸水毛管模型

巖石是一種典型的多孔介質(zhì)材料，毛細作用下巖石的水分傳輸特性主要取決于其內(nèi)部孔裂隙的數(shù)量、大小、張開程度及其連通性，同時也受其礦物成分、組成晶粒大小等因素的重要影響。其水分傳輸機制包括液態(tài)水的運輸和水蒸氣的擴散凝結(jié)。若巖石常常處于低飽和度水蒸氣的環(huán)境下，水分也會通過水蒸氣擴散凝結(jié)的形式進行傳輸。但是，對于與液態(tài)水直接接觸的巖石來說，相比毛細吸水的速度這種水蒸氣擴散凝結(jié)的傳輸機制很慢，盡管在開始階段這2種傳輸機制可能都會存在。目前，大多數(shù)學者主要通過室內(nèi)試驗研究巖石吸水特性，并且從毛細吸水動力特性闡述其吸水過程的物理機制。

Whashburn[6]首先從多孔介質(zhì)的角度對巖石吸水動力特性進行了理論研究，并提出了理論模型。假設(shè)巖石介質(zhì)由一束平行的毛細管組成，且毛細管的直徑相同，若忽略重力的影響，圓柱管內(nèi)毛細水流為穩(wěn)定層流，可用哈根泊蕭葉方程描述：

(1)

式中：V為毛細水流的速度；Q為流量；t為吸水的時間；h為毛細水上升的高度；η為水的粘度；rH為水力半徑；ΔP為毛細壓力降。

吸水過程中壓力梯度分布用拉普拉斯方程描述：

(2)

式中：σ為水的表面張力；θ為接觸角；r為毛細圓柱管半徑。

單根毛細管的體積為πr2dh，將毛細管體積和式(2)代入式(1)可得出威布方程：

(3)

即

(4)

若t=0時h0=0，水的密度為ρ，且每根毛細管與巖石樣的長度相等。那么，巖石單位吸水面積的吸水方程為

(5)

式中：w為巖石吸水質(zhì)量；S為巖石吸水面的面積；?為孔隙率。

從式(5)可以看出，巖石的吸水量與巖石的孔隙率，與吸水時間、有效孔隙半徑及接觸角的平方根成正比。也就是說，巖石吸水具有明顯的時間效應(yīng)。對于一定的巖石來說，即吸水初期吸水量增長很快，隨著吸水時間延長吸水量增長逐漸變慢。

3 現(xiàn)有巖石吸水試驗方法及不足

3.1 現(xiàn)有巖石吸水試驗

從已經(jīng)公開出版的文獻可知，巖石毛細吸水的室內(nèi)試驗方法大體相同，試驗裝置原理見圖1。

圖1 巖石吸水裝置

試驗方法的主要步驟可以概括如下：①將需要吸水的巖樣烘干或風干至恒重，質(zhì)量記為m0，放置在密閉的容器內(nèi)等待試驗；②向盛水容器內(nèi)注水至淹沒支座，具體高度依據(jù)試驗需求而定；③將巖石樣迅速放入試驗容器內(nèi)，開始吸水試驗；④在吸水后某時刻tn盡可能快的取出巖石樣，用預先備好的濕抹布擦拭巖石吸水表明多余的自由水，完畢后稱重，質(zhì)量記為mn，稱量完成后迅速放回吸水容器內(nèi)繼續(xù)試驗；⑤重復步驟④的做法直至試驗完成。那么，巖石在經(jīng)歷tn后單位表面積累計吸水量可表示為

(6)

將式(6)計算的吸水量作為縱坐標，吸水試驗的歷時作為橫坐標，就可以得到巖石吸水過程累計吸水量與時間的散點圖，運用數(shù)值擬合得到吸水過程函數(shù)。

需要提到的是，Vivian等[7]在仔細分析了英國有關(guān)巖石骨料吸水方面的標準后，設(shè)計了一種可用于再生巖石骨料吸水邊界條件的試驗新裝置(見圖2)。該試驗方法既可以測試巖石的吸水率，也可以實現(xiàn)對巖石吸水的連續(xù)測量。

圖2 再生巖石骨料 吸水裝置[7]

利用該試驗裝置量測巖石吸水的原理如下，將備好的巖石骨料放入比重瓶內(nèi)，然后給比重瓶內(nèi)注水直至注滿，在吸水tn時間段后再次給比重瓶內(nèi)注水直至注滿，并稱重，質(zhì)量記為mn，可見mn包含了比重瓶、水與巖石骨料的質(zhì)量總和。在吸水tn+1時間段后巖石骨料吸水引起比重瓶內(nèi)水位下降，需要再次給比重瓶內(nèi)注水直至注滿，并稱重，質(zhì)量記為mn+1，那么巖石骨料單位表面積的累積吸水量為

(7)

式(7)雖然形式上與式(6)極為相似，但該試驗方法的巧妙之處在于通過稱量整個裝置的不斷增加的質(zhì)量求解巖石吸水量，從而避免了頻繁稱量巖石質(zhì)量造成其吸水過程的中斷，實現(xiàn)了巖石吸水連續(xù)狀態(tài)下吸水量的量測。同時也避免了稱量巖石過程中用濕毛巾擦拭巖石表面多余水分時的隨意性，以及用濕毛巾擦拭某些軟巖可能產(chǎn)生的掉塊問題。因此，該試驗方法在一定程度上滿足了巖石毛細吸水的要求。

3.2 存在的問題

結(jié)合文獻采用的試驗方法與規(guī)范的條文，筆者認為毛細作用下巖石吸水試驗方法有以下3點值得商榷。

(1) 巖樣烘干溫度的設(shè)定問題。國內(nèi)規(guī)范[8-9]及英國的規(guī)范[7]中關(guān)于烘干溫度的設(shè)定均為105℃～110℃。這種溫度的設(shè)置對于除去一般巖石的自由水來說沒有問題，但是，若組成巖石的礦物含有結(jié)晶水時，該溫度下巖石礦物結(jié)晶水有可能失去，且其內(nèi)部結(jié)構(gòu)可能也會發(fā)生改變。如生石膏巖在105℃～110℃時會變成熟石膏，化學方程式如下：

可見，這類巖石在此溫度下烘干會造成較大的試驗誤差，一方面來源于結(jié)晶水被誤認為自由水，另一方面含結(jié)晶水礦物因失去結(jié)晶水對巖石微觀結(jié)構(gòu)的改變。因此，不同類型的巖石烘干需要設(shè)定不同的溫度。

(2) 巖樣在吸水過程中邊界條件的設(shè)定問題。需要特別指出的是，文獻[7]提出的試驗方法是把巖石骨料完全浸泡于水中，巖石骨料的整個外表面都與水直接接觸，這種吸水邊界條件與巖石骨料在混凝土硬化過程中實際工況吻合，屬于三維吸水邊界條件。但實際工程中巖石吸水的邊界條件并非全是如此，如建筑石材作為維護或裝飾材料時就只有裸露于外界環(huán)境的界面才會發(fā)生毛細吸水現(xiàn)象；或者是石質(zhì)類文物的劣化，我們關(guān)心的是巖石表面劣化厚度問題。顯然，這2類情況下巖石吸水與巖石骨料的邊界不同，其吸水邊界條件可以認為是一維的，與圖1描述的吸水邊界條件相同。

研究表明不同的吸水邊界條件下巖石的吸水動力特性有很大的不同。因此，巖石毛細吸水試驗應(yīng)該依據(jù)具體工況確定其相應(yīng)的吸水邊界條件，選擇對應(yīng)的試驗方法。

(3) 試驗規(guī)范、規(guī)程的差異性。從不同文獻具體操作來看，試驗過程中的諸多細節(jié)又不甚相同，造成這種狀況的原因很大程度上可以歸咎為沒有相關(guān)的專門試驗規(guī)范、規(guī)程。國內(nèi)巖石毛細吸水試驗主要依據(jù)的規(guī)范為《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》(DL-T5368—2007)[8]、《公路工程巖石試驗規(guī)程》(JTG-E41—2005)[9]。這2個規(guī)范中雖然有巖石吸水性方面的具體試驗操作方法，但規(guī)范中巖石吸水性試驗目的僅為了得到巖石的吸水率，因此運用該試驗方法不能反映巖石吸水過程的數(shù)據(jù)。顯然，上述規(guī)范提供的試驗方法不能滿足考查巖石毛細吸水動力特性的要求。

4 巖石毛細吸水試驗新方法

4.1 試驗新方法原理

鑒于現(xiàn)有巖石吸水試驗方法的局限性，筆者提出了一個新的試驗方法，試驗裝置見圖3。

圖3 巖石吸水裝置簡圖

新試驗方法主要步驟如下：①給燒杯內(nèi)加水，加水深度由吸水邊界條件而定，若是三維吸水條件，加水深度約為巖樣高度的1.5倍，若是一維吸水條件，加水深度以適宜巖樣放置即可；②將巖石樣用細線固定在支架上，并用密封膜將燒杯口密封，防治燒杯內(nèi)水分蒸發(fā)。若是三維吸水條件，巖樣在水中應(yīng)處懸浮狀態(tài)，若是一維吸水條件，巖樣在水中應(yīng)處于漂浮狀態(tài)，且其吸水底面應(yīng)處于水面以下若干毫米，要依據(jù)試驗預先設(shè)計確定；③巖樣與水接觸后開始吸水，在吸水tn時刻讀取電子天平的讀數(shù)，記為mn，在吸水tn+1時刻讀取電子天平的讀數(shù)，記為mn+1；④那么巖樣單位表面積累積吸水量可表示為

(8)

⑤試驗結(jié)果誤差分析與修正，本試驗過程中誤差的來源可能是一維吸水條下巖石受的浮力會有變化。設(shè)巖樣圓柱狀，直徑×高度為(D巖×h巖)，巖樣的孔隙率為?，燒杯直徑為D杯，巖樣在tn時刻與tn+1時刻之間的吸水量為mn-mn+1，此時燒杯內(nèi)水位降低的高度可表示為

(9)

燒杯內(nèi)水位下降時，巖樣受到的浮力下降造成的稱量誤差Δ為

(10)

誤差修正后巖樣單位表面積累積吸水量為

(11)

由上述試驗原理可知，本文提出的巖石吸水試驗新方法是通過稱量容器內(nèi)剩余水量反求巖石吸水量的。該方法在滿足巖石毛細吸水要求的基礎(chǔ)上，還可以滿足一維或三維吸水多種吸水邊界條件，適用性范圍更好。

4.2 試驗新方法驗證

為證明本文提出的新方法具有更好的適用性，以石膏質(zhì)巖吸水為例分別開展了基于新方法與已有方法的對比試驗，其中已有方法是指圖1所示的方法。巖石樣取于國家重點公路工程杭(州)蘭(州)高速公路宜巴段十字埡隧道ZK1718+238處，呈灰白色，晶質(zhì)粒狀和纖維狀結(jié)構(gòu)，薄層或紋層構(gòu)造，礦物分析(XRD)顯示，滑石含量為3%，石膏含量為97%。試驗圓柱巖樣共40個，新試驗方法與已有試驗方法各使用20個。巖樣持續(xù)吸水5 d后基本都達到了毛細飽和。

圖4 巖石吸水量與時間

4.2.1 試驗新方法的適用性

分析新方法下石膏質(zhì)巖累計吸水量與歷時數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)兩者在一定范圍內(nèi)的關(guān)系與式(4)吻合。選取了有代表性的5個圓柱巖樣，巖樣的基本參數(shù)與吸水試驗結(jié)果見表1、圖4。表1中干密度指巖樣在烘箱內(nèi)40℃時烘干直到恒重，質(zhì)量與體積之比；飽和吸水率指毛細吸水直到質(zhì)量穩(wěn)定，累積吸水的質(zhì)

表1 巖樣的參數(shù)

量與巖樣的質(zhì)量之比。由表1可知，5個巖樣的孔隙率從5.79%到21.07%不等，飽和吸水率也從0.61%到7.45%不等，說明5個巖樣具有不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。

總體上，巖石吸水速度存在明顯的時間效應(yīng)，需要從2個階段考查，即短期效應(yīng)段和長期效應(yīng)段，2個階段的分界點約為t=30 min。由圖4(a)可知，從毛細吸水過程較長時間看，單位面積累計吸水量與時間的關(guān)系近似為線性關(guān)系。由圖4(b)可知，在短期效應(yīng)內(nèi)，此段吸水過程函數(shù)可以用式(12)進行數(shù)據(jù)擬合，參數(shù)a擬合結(jié)果見表2。

(12)

圖5 參數(shù)a與 孔隙率關(guān)系

理論式(4)與擬合式(9)在形式上一致的，同時分析表1中巖樣的孔隙率與表2中的擬合參數(shù)a，發(fā)現(xiàn)式(9)中的參數(shù)a與其巖樣的孔隙率線性相關(guān)，具體見圖5。

圖5表明，參數(shù)a可以用巖樣孔隙率的線性函數(shù)表達，也可以理解為參數(shù)a包含了影響巖石吸水快慢的諸多因素，即式(5)中的孔隙率等。在本質(zhì)上講，式(12)與式(5)等效的，該階段試樣吸水特性基本上滿足毛管理論模型，也說明了本文提出的新方法能夠適用于巖石毛細吸水試驗。

4.2.2 試驗新方法的可靠性

為了驗證新方法得到的試驗數(shù)據(jù)是否可靠，在采用新試驗方法的巖樣初次達到毛細飽和、烘干后，再次重復進行吸水、烘干，共循環(huán)2次。這樣就得到了巖樣經(jīng)歷0次、1次與2次干濕循環(huán)下吸水的60組數(shù)據(jù)，時長小于30 min內(nèi)的吸水數(shù)據(jù)用式(9)進行最小二乘法擬合。除了吸水試驗操作方法不同外，已有方法的吸水巖石組采用相同的試驗方案和數(shù)據(jù)擬合方法。

試驗數(shù)據(jù)擬合相關(guān)系數(shù)-頻次關(guān)系見圖6。圖6(a)中的虛線為趨勢線，可以看出，當相關(guān)系數(shù)增加時其頻次也是增加的；而在圖6(b)中相關(guān)系數(shù)與其頻次呈現(xiàn)了某種程度的隨機性。試驗用40個巖樣是被隨機地分成2組，試驗方案與擬合函數(shù)也都相同，圖6(b)中相關(guān)系數(shù)與其頻次的隨機性應(yīng)該與系統(tǒng)誤差(試驗方法)有關(guān)，這與試驗過程中觀察到巖樣掉塊的隨機性、抹布擦拭的隨意性以及每次稱重過程時長不等性有很大的關(guān)系，也說明了本文提出的新方法能夠成功避免這些意外因素的干擾，試驗數(shù)據(jù)也更加穩(wěn)定與可靠。

圖6 相關(guān)系數(shù)頻率分布Fig．6 Relationshipbetweencorrelationcoefficientandfrequency

5 結(jié) 論

(1) 現(xiàn)有巖石吸水試驗方法的不足主要體現(xiàn)在：對于含有結(jié)晶水巖石的烘干溫度沒有做出具體的規(guī)定，吸水邊界條件與實際不符等。

(2) 提出了以稱量剩余水量為基礎(chǔ)的新的試驗方法，并給出了方法原理圖。該方法可以實現(xiàn)巖石吸水過程中吸水量連續(xù)、精確的量測，且可以滿足一維或三維2種邊界條件。

(3) 采用試驗新方法，石膏質(zhì)巖初始吸水階段吸水量與時間的關(guān)系基本上滿足毛管理論模型。新方法能夠適用于巖石毛細吸水試驗。

(4) 相比已有的毛細吸水方法，試驗新方法具有較小的系統(tǒng)誤差，試驗數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定與可靠。

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[8] DL-T5368—2007,水電水利工程巖石試驗規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2007. (DL-T5368—2007, Code for Rock Tests of Hydroelectric and Water Conservancy Engineering[S]. Beijing: China Electric Power Press, 2007. (in Chinese))

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(編輯：王 慰)

《長江科學院院報》榮獲湖北省優(yōu)秀期刊、湖北期刊“特色欄目”等獎項

2015年2月初，備受我省期刊界關(guān)注的“第九屆湖北優(yōu)秀期刊”和“第五屆湖北省優(yōu)秀期刊工作者”評選結(jié)果揭曉，《長江科學院院報》(以下簡稱“《院報》”)榮獲“湖北省優(yōu)秀期刊”和湖北省“特色欄目”稱號。特色欄目為“水資源與環(huán)境”。同時，《院報》編輯部主任姜小蘭榮獲“湖北省優(yōu)秀期刊工作者”稱號。這是《院報》在以往多次獲得“湖北省優(yōu)秀期刊”的基礎(chǔ)上取得的又一佳績。

(本刊編輯部)

New Approach in Measuring Capillary Water Absorption of Rock

JIA Zhi-gang1,2，QI Ping2，LI Ke1，ZENG Hong-biao1

(1.Faculty of Engineering, China University of Geoscience, Wuhan 430074, China; 2.Architecture Engineering College, Huanghuai University, Zhumadian 463000, China)

Capillary water absorption in porous rock, as a water transport phenomenon, is of extreme importance in many fields. The kinetics of capillary water absorption of rock was derived and discussed in detail, and then a new

approach of measuring the capillary water absorption was proposed. We conclude that 1) the new approach is based on measuring residual water, thus is simple and accurate in continuously measuring the genuine water absorption rate of rocks, and meets two-dimensional or three-dimensional boundary conditions; 2) in the initial stage of water absorption of gypsum rocks, the relationship between water absorption value and time is consistent with capillary theoretical model; 3) the relationship between correlation coefficient and frequency during the fitting of test data proves that the new approach has small errors and the test data is stable and reliable.

gypsum rocks;capillary phenomenon; rock imbibitions; test method; measurement method

2013-12-13 ；

2014-02-20

國家自然科學基金資助項目(41272377)

賈志剛(1977-)，男，河南湯陰人，講師，博士研究生，從事巖土工程方面的研究，(電話)13783350253(電子信箱)jiazhigang77@163.com。

10.3969/j.issn.1001-5485.2015.05.018

2015,32(05):95-99,104

TV6

A

1001-5485(2015)05-0095-05