劉少赫， 許金余,2， 王 鵬, 劉 石

(1. 空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系， 西安 710038； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安 710072)

凍融紅砂巖的SHPB試驗研究及細(xì)觀分析

劉少赫1， 許金余1,2， 王 鵬1, 劉 石1

(1. 空軍工程大學(xué) 機(jī)場建筑工程系， 西安 710038； 2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院， 西安 710072)

使用100 mm直徑分離式霍普金森壓桿對不同凍融循環(huán)次數(shù)的紅砂巖試件進(jìn)行沖擊試驗，得到了凍融紅砂巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線，分析了峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變和彈性模量的變化。使用掃描電鏡對凍融后的巖樣進(jìn)行檢測，分析了凍融循環(huán)對紅砂巖的影響。研究結(jié)果表明，隨凍融次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力降低，且峰值應(yīng)力具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，采用峰值應(yīng)力相對損失量ξ對不同應(yīng)變率作用下的試件進(jìn)行歸一化處理，ξ隨凍融循環(huán)的進(jìn)行近似線性變化。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)變逐漸增加，試件的彈性模量逐漸降低。利用掃描電鏡對凍融試件的進(jìn)行掃描，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)后紅砂巖試件的膠結(jié)物質(zhì)大量脫落，顆粒間聯(lián)接減弱。定量分析表明，孔隙面積的增加與紅砂巖強(qiáng)度的降低有明顯的相關(guān)關(guān)系。

凍融循環(huán)；霍普金森壓桿；沖擊力學(xué)特性；掃描電鏡

隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，在青藏高原等寒區(qū)開展了大量的工程建設(shè)，諸如青藏鐵路、大坂山隧道、青藏公路等，寒區(qū)工程在建設(shè)過程中所遇到的各種困難越來越引起學(xué)者的重視[1]。巖石是工程施工中常見的材料，寒區(qū)巖石經(jīng)歷的凍融循環(huán)對巖石的力學(xué)性質(zhì)有重要影響。同時，在防護(hù)工程建設(shè)、巖石爆破開挖、采礦等環(huán)境下都要考慮巖石在動載作用下的強(qiáng)度特性[2]。因此，研究凍融巖石的動態(tài)抗壓力學(xué)性能對寒區(qū)工程的順利開展具有重要意義。紅砂巖是一種分布廣泛的巖石，本文以其為研究對象分析凍融循環(huán)對巖石的破壞作用，具有一定的代表性。

對凍融循環(huán)巖石的相關(guān)性質(zhì)分析已有學(xué)者開展了研究并取得了一些成果。Al-Omari等[3]選取了兩種不同孔隙率的石灰?guī)r，在8種不同含水率的情況下進(jìn)行50次凍融循環(huán)，試驗結(jié)果表明，當(dāng)含水率達(dá)到80%～85%時，較少次數(shù)的凍融循環(huán)就會對巖石造成破壞，當(dāng)飽水時，破壞會更為迅速。吳剛等[4]對飽水及干燥大理巖進(jìn)行了60次凍融循環(huán)，通過聲發(fā)射試驗及力學(xué)試驗得到了凍融循環(huán)下大理巖的主要物理力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)巖樣質(zhì)量損失主要是水分散失引起的，且凍融循環(huán)后巖石強(qiáng)度明顯下降，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，巖石的動彈性模量變化逐漸趨緩。劉華等[5]對花崗巖和安山巖進(jìn)行了30次凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)初期的凍融循環(huán)對裂縫的發(fā)育有較大貢獻(xiàn)，在后期的循環(huán)中裂縫變化不大，孔隙率較大的安山巖較花崗巖破壞嚴(yán)重，巖石的超聲波速同凍融循環(huán)的周期成指數(shù)關(guān)系下降，且凍融過程可能出現(xiàn)負(fù)泊松比。陳有亮等[6]對具有不同初始損傷的凍融花崗巖進(jìn)行單軸抗壓試驗，得到了不同試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線，并建立了損傷演化方程。張慧梅等[7]對紅砂巖進(jìn)行40次凍融循環(huán)，在凍融過程中同時觀察巖石的基本物理特性變化，并進(jìn)行了單軸抗壓試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析了凍融循環(huán)對砂巖基本物理力學(xué)特性的影響。 雖然對凍融巖石的力學(xué)性質(zhì)已有較多研究，但是從之前的研究工作中可以發(fā)現(xiàn)，學(xué)者們大多對凍融巖石的靜態(tài)力學(xué)性能展開研究，而針對凍融巖石的動力學(xué)性質(zhì)開展的研究還很不充分，較少見諸報道。本文利用直徑100 mm的霍普金森壓桿(SHPB)對凍融紅砂巖的動力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，并使用掃描電鏡初步分析了凍融后紅砂巖的變化，研究結(jié)果對寒區(qū)的工程建設(shè)有一定的指導(dǎo)意義。

1 試驗原理及試驗方案介紹

1.1 試驗試件制備

試驗所用紅砂巖采自云南迪慶地區(qū)橫斷山脈某國防重點工程，經(jīng)國土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心檢測巖石的礦物成分：石英81%，斜長石10%， 鉀長石3%，方解石3%，伊利石1%，綠泥石1%，赤鐵礦1%及其他微量礦物。根據(jù)ISRM巖石力學(xué)試驗標(biāo)準(zhǔn)將紅砂巖試件加工成Φ96 mm×48 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，控制端面平行度在±0.05 mm以內(nèi)，表面平整度在±0.02 mm以內(nèi)。對試件進(jìn)行超聲波檢測，選取超聲波波速相近的試件，以確保試件內(nèi)部的均勻性。同時預(yù)制掃描電鏡觀測用長方體試件，材料與力學(xué)試驗試件相同，尺寸為10 mm×5 mm×5 mm。

由于含水率對砂巖試件的強(qiáng)度有明顯影響，且凍融試件均為飽水狀態(tài)開始凍融，所以為了對比研究凍融對巖石的破壞作用，消除含水率對試件強(qiáng)度的影響，以飽水試件作為對照組。凍融循環(huán)次數(shù)分別為0，5，10，15，25次，凍融0次組即為飽水狀態(tài)試件對照組。根據(jù)凍融次數(shù)將試件分為5組，每組9個力學(xué)試驗試件(SHPB試驗設(shè)置三種彈速等級，每個等級3個試件)和2個掃描電鏡觀測試件，所有試件在沸煮箱內(nèi)沸煮6小時進(jìn)行強(qiáng)制飽水處理，然后進(jìn)行凍融循環(huán)。進(jìn)行凍融循環(huán)時，試件放入凍融試驗機(jī)內(nèi)降溫到-20 ℃下恒溫凍結(jié)4 h，然后注水升溫到20 ℃保溫4 h進(jìn)行融化，即為一個循環(huán)。凍融循環(huán)結(jié)束后將試件取出放入水中保存。

1.2 凍融巖石的表觀形貌

紅砂巖在經(jīng)歷不同次數(shù)的凍融循環(huán)后，表觀及巖石內(nèi)部都發(fā)生了明顯變化，圖1為紅砂巖凍融后的圖片，每組試件只挑選一個典型試件。從圖中可見，隨凍融次數(shù)的增多，試件的破壞越來越嚴(yán)重。凍融5次時，試件邊緣出現(xiàn)小裂隙，上下表面有少量巖屑脫落，隨著凍融次數(shù)增多，裂隙擴(kuò)展，巖石表面脫落越發(fā)嚴(yán)重，在凍融循環(huán)達(dá)到25次時，邊緣裂縫向內(nèi)部發(fā)展，形成T形裂縫，同時部分試件在圓周出現(xiàn)橫向裂縫，試件上下表面巖屑脫落嚴(yán)重。

(a)凍融0次 (b)凍融5次 (c)凍融10次

(d)凍融15次 (e)凍融25次圖1 凍融循環(huán)后的紅砂巖試件Fig.1 Red sandstone specimens after freeze-haw cycle

1.3 試驗設(shè)備及控制條件

目前，霍普金森壓桿裝置(SHPB)是研究材料動態(tài)力學(xué)性能的主要儀器之一，廣泛的應(yīng)用于巖石動態(tài)力學(xué)性能研究領(lǐng)域[8]，本試驗中所用的直徑100 mm SHPB試驗設(shè)備主要由發(fā)射裝置、吸能裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及桿件等組成，設(shè)備如圖2所示。在試驗時，發(fā)射裝置對試件進(jìn)行沖擊加載，吸能裝置吸收傳遞到后部的應(yīng)力波，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過粘貼與桿件上的應(yīng)變片實時采集應(yīng)力波數(shù)據(jù)。

圖2 Φ100 mm霍普金森壓桿設(shè)備Fig.2 Split Hopkinson pressure bar of 100 mm diameter

SHPB試驗的基本原理是細(xì)長桿中彈性應(yīng)力波傳播理論，采用三波法進(jìn)行分析，根據(jù)試驗采集的數(shù)據(jù)得到動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(1)

開展試驗時，沖擊試驗設(shè)定三種沖擊壓力，通過調(diào)整沖擊子彈的裝彈長度和沖擊氣壓對沖擊彈速進(jìn)行控制，從而得到不同的入射應(yīng)力波，但是由于空氣阻力、溫度和彈膛摩擦等因素的不同，即使精確控制試驗條件，入射應(yīng)力波的強(qiáng)度也會在一個小區(qū)間內(nèi)波動，經(jīng)過多次試驗確定三種入射波強(qiáng)度，范圍為308～346 MPa；418～452 MPa；622～683 MPa。

2 SHPB試驗結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

使用SHPB對飽水及凍融循環(huán)5次，10次，15次，25次的五組紅砂巖試件進(jìn)行沖擊試驗并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄處理，得到了紅砂巖試件在不同沖擊強(qiáng)度下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，選取典型曲線進(jìn)行分析，如圖3。

(a)飽水巖樣 (b)凍融循環(huán)5次 (c)凍融循環(huán)10次

(d)凍融循環(huán)15次 (e)凍融循環(huán)25次圖3 不同入射波強(qiáng)度沖擊下紅砂巖應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curve of red sandstone under different impact of incident intensity

由圖3可以發(fā)現(xiàn)，隨凍融次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的變化有較強(qiáng)的規(guī)律性。經(jīng)過凍融循環(huán)后，各試件的應(yīng)力應(yīng)變曲線大致分為壓密、彈性變形、裂紋發(fā)展及破壞4個階段。對比不同沖擊強(qiáng)度的曲線，可以發(fā)現(xiàn)低沖擊強(qiáng)度作用下的曲線破壞階段陡直，應(yīng)變小，呈明顯的脆性破壞特征；在高沖擊強(qiáng)度下的曲線破壞階段下降趨緩，應(yīng)變顯著增加，呈現(xiàn)延性破壞的特點。不同凍融循環(huán)次數(shù)的試件在沖擊破壞時有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，隨入射波強(qiáng)度的增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線升高，峰值應(yīng)力明顯增大。同時可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，曲線峰值點右移，峰值應(yīng)變逐漸增加。

2.2 凍融次數(shù)與峰值應(yīng)力的關(guān)系

根據(jù)紅砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線得到了凍融次數(shù)與峰值應(yīng)力σ的關(guān)系曲線，如圖4所示。由圖可見隨凍融次數(shù)的增加，σ逐漸減小，在凍融5次后峰值應(yīng)力降低最顯著，在高沖擊強(qiáng)度作用下，σ從377.5 MPa下降到266.5 MPa，下降了29.4%，而在中低強(qiáng)度的沖擊下，σ分別從211.8 MPa下降到169.1 MPa，和從154.1 MPa下降到120.8 MPa，下降了20%和21%，這說明高沖擊強(qiáng)度對凍融循環(huán)更為敏感。在之后的循環(huán)后，峰值應(yīng)力繼續(xù)下降，但是下降幅度較小。經(jīng)過了25次凍融作用，在試件的峰值應(yīng)力下降了37%～53%，凍融循環(huán)顯著降低了試件的動壓強(qiáng)度。

圖4 峰值應(yīng)力隨凍融次數(shù)的變化曲線Fig.4 Peak stress curve with number of freeze-thaw

凍融對紅砂巖的力學(xué)性質(zhì)有明顯影響，同時在沖擊荷載作用下試件的強(qiáng)度表現(xiàn)出應(yīng)變率效應(yīng)，為了研究不同應(yīng)變率下凍融次數(shù)與紅砂巖峰值應(yīng)力變化的關(guān)系，引入峰值應(yīng)力相對損失量ξ

(2)

式中：σt為經(jīng)歷不同凍融次數(shù)后巖石的峰值應(yīng)力，σ0為凍融0次巖石的峰值應(yīng)力。ξ反映了凍融循環(huán)對不同沖擊強(qiáng)度作用下試件峰值應(yīng)力的影響，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作圖5(a)。

(a)隨凍融循環(huán)次數(shù)的變化曲線

(b)擬合直線圖5 ξ與凍融循環(huán)的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between ξ and number of freeze-thaw cycle

圖中代表不同沖擊強(qiáng)度的三條曲線相互交叉，這說明在不同沖擊強(qiáng)度作用下，試件峰值應(yīng)力相對損失量ξ隨凍融次數(shù)的變化具有相似性，ξ不具有應(yīng)變率效應(yīng)，這就可以在不考慮應(yīng)變率效應(yīng)的情況下研究凍融巖石動載強(qiáng)度的變化情況。由于三條曲線變化的相似性，對圖中各數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合，如圖5(b)得到直線

y=0.02x+0.1

(3)

該直線在一定程度上揭示了不同沖擊強(qiáng)度作用下凍融循環(huán)對巖石動載峰值應(yīng)力的影響，對研究凍融巖石的動力學(xué)強(qiáng)度具有一定參考意義。

2.3 凍融次數(shù)與峰值應(yīng)變的關(guān)系

圖6為凍融循環(huán)次數(shù)與峰值應(yīng)變的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，峰值應(yīng)變也具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，不同強(qiáng)度的沖擊入射波所對應(yīng)的峰值應(yīng)變有較大不同，隨沖擊強(qiáng)度的提高，峰值應(yīng)變增大。同時，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，峰值應(yīng)變呈現(xiàn)上升趨勢。在凍融循環(huán)的初期，峰值應(yīng)變的變化較小，凍融10次后峰值應(yīng)變開始增大，在凍融15次后較飽水試件增長了12%～19%，且沖擊強(qiáng)度越高增速越快。凍融25次之后，峰值應(yīng)變顯著增大，在低強(qiáng)度沖擊下，相較于飽水試件增長了19%，而高強(qiáng)度沖擊時增幅可達(dá)到49%。凍融循環(huán)10次后試件的峰值應(yīng)變有了顯著增加，且在高沖擊強(qiáng)度作用下峰值應(yīng)變增速更快。

圖6 峰值應(yīng)變與凍融循環(huán)的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between peak strain and number of freeze-thaw cycle

2.4 凍融循環(huán)與彈性模量的關(guān)系

對照組28例患者行多巴絲肼治療:口服,治療第1周,125mg/次,2次/d,以后每周,日服量增加125mg,最大劑量≤1g,3~4次/d。

巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線成非線性變化，曲線的彈性段不明顯，所以根據(jù)曲線上截取線段的不同，彈性模量E也不同，本文選取40%和60%峰值應(yīng)力點的連接線段為研究對象，其斜率即為彈性模量

(4)

式中：下標(biāo)1和2分別代表40%和60%峰值應(yīng)力的兩點，σ和ε分別為該點對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變。根據(jù)式(4)計算各試件的彈性模量，同組試件取平均值后，根據(jù)計算數(shù)據(jù)作圖7。

圖7 彈性模量與凍融循環(huán)的關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between elastic modulus and number of freeze-thaw cycle

從圖7可以看出，彈性模量的變化同樣具有應(yīng)變率效應(yīng)，但是變化趨勢有一定的起伏，隨凍融循環(huán)次數(shù)增多，彈性模量整體下降，凍融15次～25次，下降幅度較大。從凍融0次到凍融25次，在三種沖擊強(qiáng)度作用下的彈性模量下降了56%～63%，且沖擊強(qiáng)度越高，所對應(yīng)的試件彈性模量下降越多。

3 紅砂巖凍融劣化的細(xì)觀分析

3.1 凍融紅砂巖的細(xì)觀圖像

凍融循環(huán)促進(jìn)巖石微裂隙的發(fā)育，對巖石的細(xì)觀形貌有明顯影響。目前，掃描電鏡是巖石細(xì)觀研究的主要儀器之一，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于巖石研究領(lǐng)域。本文使用掃描電鏡對經(jīng)歷不同凍融循環(huán)次數(shù)后的觀測用巖石試件進(jìn)行觀察。圖像的放大倍數(shù)決定了一張圖像所包含的信息，如果放大倍數(shù)過小，就會有較多細(xì)節(jié)顯示不出來，丟失信息；如果放大倍數(shù)過大，則一張圖像所顯示的實際區(qū)域太小，在取樣時工作量過大。結(jié)合前人的研究成果[9-12]，確定主要采集圖像的放大倍數(shù)為300倍，部分特征區(qū)域采集更高倍數(shù)的圖像。每個試件采集圖像200張以上，由于圖像數(shù)量較多，僅挑選典型圖片如圖8所示。

(a)飽水試件(×300) (b)凍融5次(×300) (c)凍融10次(×300)

(d)凍融15次(×300) (e)凍融25次(×300) (f)巖石內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)(×1 000) 圖8 凍融巖石的細(xì)觀圖像Fig.8 Microcosmic image of freeze-thaw sandstone

由圖8可見，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，紅砂巖的細(xì)觀形貌發(fā)生了較明顯的變化。凍融0次的試件礦物顆粒之間存在一些孔隙，不同顆粒之間有膠結(jié)物質(zhì)連接，且膠結(jié)物質(zhì)較多，黏結(jié)穩(wěn)固。凍融5次后試件表面有少量膠結(jié)物質(zhì)脫落，總體變化較小，凍融10次后可以發(fā)現(xiàn)巖石礦物顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)減少，顆粒表面裸露，凍融15次后紅砂巖表面膠結(jié)物質(zhì)大量脫落，顆粒間的孔隙略有增大，有少量顆粒脫落，在凍融25次后礦物顆粒間膠結(jié)物質(zhì)流失嚴(yán)重，顆粒間出現(xiàn)明顯裂隙，孔隙率顯著增大。

掃描電鏡的觀測結(jié)果表明：紅砂巖內(nèi)部含有較多孔隙，且礦物顆粒間的膠結(jié)物質(zhì)為多孔海綿狀結(jié)構(gòu)，這就導(dǎo)致紅砂巖有很好的吸水性。在進(jìn)行凍融循環(huán)時，顆粒間的水分凍結(jié)，體積膨脹，破壞了顆粒間膠結(jié)物質(zhì)的完整性，使其發(fā)生流失。另一方面，紅砂巖所含的不同物質(zhì)在溫度變化下有不同的體積變化率，同樣促進(jìn)了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞。在這兩方面的因素共同作用下，經(jīng)過多次循環(huán)后，膠結(jié)物質(zhì)大量流失，大量巖石礦物顆粒之間黏結(jié)性減弱甚至消失，從而導(dǎo)致宏觀力學(xué)性能大幅度下降。

巖石的細(xì)觀圖像包含大量的信息，本文使用Image-Pro Plus 6.0圖像分析軟件對試驗采集的大量圖像進(jìn)行分析。試驗采集的放大300倍的圖像分辨率為640像素×480像素，經(jīng)計算可得每個像素代表實際0.666 7 μm，根據(jù)圖中像素?fù)Q算到實際面積，對凍融巖石的孔隙面積進(jìn)行研究。在進(jìn)行圖像處理時使用irregular工具，根據(jù)區(qū)域生長算法，點選不同的孔隙區(qū)域。如圖9所示，選定區(qū)域后對指定區(qū)域進(jìn)行計數(shù)即可得到孔隙面積。

圖9 選擇孔隙區(qū)域示意圖Fig.9 Schematic of choose pore region

對各孔隙面積進(jìn)行計算后，將數(shù)據(jù)輸出到EXCEL表格中，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到每張圖所包含孔隙的平均面積St，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)作圖10(a)。

(a)孔隙面積與凍融循環(huán)的關(guān)系曲線

(b)孔隙面積與凍融循環(huán)的擬合直線圖10 孔隙面積與凍融循環(huán)的關(guān)系Fig.10 Relationship between pore area and number of freeze-thaw cycle

從圖10可見，隨凍融次數(shù)的增多，紅砂巖的平均孔隙面積逐漸增多，凍融5次試件較飽水試件孔隙面積提高了40%，但是凍融5次～15次之間變化較小，凍融25次后孔隙面積又有了顯著提高，孔隙面積增大了42%。在凍融5次時紅砂巖內(nèi)部松散的膠結(jié)物質(zhì)脫落，但是一些聯(lián)接穩(wěn)固的膠結(jié)物質(zhì)影響不大。在凍融5次到15次之間，膠結(jié)物質(zhì)與顆粒之間的聯(lián)結(jié)受到破壞，少量膠結(jié)物質(zhì)及巖屑脫落。經(jīng)歷25次凍融循環(huán)后，顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度受到極大破壞，在凍脹力的多次作用下孔隙率大幅提高。

為了研究孔隙面積變化與強(qiáng)度變化的關(guān)系，對孔隙面積取相對值δ

(5)

式中:St為經(jīng)歷不同凍融循環(huán)后的平均孔隙面積，S0為凍融0次時的孔隙面積。根據(jù)式(5)計算后做圖10(b)。對圖中數(shù)據(jù)點進(jìn)行擬合可得公式為

y=0.05x+0.01

(6)

觀察式(6)與式(3)可知，凍融紅砂巖的沖擊抗壓強(qiáng)度隨著孔隙面積增大而降低，兩者有較好的相關(guān)性，孔隙面積在一定程度上影響紅砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度。但是兩者變化趨勢不盡相同，這是由于凍融循環(huán)除了增大了孔隙面積，還破壞了殘留的膠結(jié)物質(zhì)，使水大量存在于顆粒之間起到了潤滑作用。多種因素的共同作用導(dǎo)致了試件的強(qiáng)度降低。

4 結(jié) 論

本文對凍融紅砂巖進(jìn)行了SHPB試驗，并使用掃描電鏡研究了凍融對紅砂巖的影響，及其與紅砂巖動態(tài)壓縮強(qiáng)度的關(guān)系，得到以下結(jié)論：

(1)凍融循環(huán)對紅砂巖的表觀狀態(tài)有嚴(yán)重影響，在凍融25次后，巖石表面脫落大量巖屑，在邊緣處形成T形裂縫，且圓周出現(xiàn)橫向裂縫，紅砂巖試件破壞嚴(yán)重。

(2)凍融循環(huán)后試件在沖擊荷載作用下表現(xiàn)為脆性破壞，而且具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，凍融次數(shù)較低時，在低沖擊強(qiáng)度作用下應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)回彈，且試件有大塊留芯。

(3)在不同的沖擊強(qiáng)度作用下，紅砂巖的峰值應(yīng)力隨凍融次數(shù)的增加而降低，在凍融5次后下降幅度最大，高沖擊強(qiáng)度作用下試件的峰值應(yīng)力降低最為明顯。引入峰值應(yīng)力相對損失量ξ可以消除沖擊荷載作用時的應(yīng)變率效應(yīng)，反映凍融循環(huán)對不同沖擊強(qiáng)度作用下的試件的影響，ξ隨凍融循環(huán)近似線性變化。

(4)凍融紅砂巖的峰值應(yīng)變隨凍融循環(huán)的變化具有應(yīng)變率效應(yīng)，而且在凍融初期峰值應(yīng)變變化較小，隨凍融循環(huán)的進(jìn)行，峰值應(yīng)變逐漸增大。凍融紅砂巖的彈性模量也具有應(yīng)變率效應(yīng)，隨凍融循環(huán)的增加而降低，凍融15次后下降幅度較大。

(5)使用掃描電鏡對凍融試件進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)的進(jìn)行，試件的孔隙面積增大，膠結(jié)物質(zhì)減少，這是由于水冰相變，以及溫度變化時，不同物質(zhì)的體積變化不同導(dǎo)致的。在宏觀上表現(xiàn)為強(qiáng)度降低，紅砂巖試件細(xì)觀的變化與宏觀的物理力學(xué)性質(zhì)有顯著關(guān)系。定量分析表明，紅砂巖細(xì)觀孔隙面積的變化與具有近似的變化趨勢，這說明兩者具有較好的相關(guān)關(guān)系。

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ASHPBexperimentalstudyandmicroscomicanalysisoffreeze-thawredsandstone

LIU Shaohe1， XU Jinyu1,2, WANG Peng1, LIU Shi1

(1. Department of Airfield and Building Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China;2. College of Mechanics and Civil Architecture, Northwest Polytechnic University, Xi’an 710072, China)

A 100 mm diameter split Hopkinson pressure bar (SHPB) was used to perform impact testing on red sandstone specimen of different freeze-thaw cycles in the work. The dynamic properties of red sandstone, including stress-strain curves and variations of peak stress, peak strain and elastic modulus, were studied. The effects of red sandstone caused by freeze-thaw cycles were tested by an ultrasonic detector and a scanning electron microscopy. The results show that with the increase of the number of freeze-thaw cycles, peak stress reduces, and peak stress presents strain rate effect significantly. Peak stress relative lossξwas used to normalize specimen under different strain rates.ξis approximately linear with the freeze-thaw cycles. With increasing number of freeze-thaw cycles, peak strain gradually increases, and elastic modulus of specimens decreases. Scanning freeze-thaw cycle’s specimens using scanning electron microscopy shows that, after freeze-thaw the cementation material of specimens of red sandstone falls off largely, and the coupling between the particles decreases. Quantitative analysis shows that the increase of porosity area and reduce of strength of red sandstone have obvious correlation.

freeze-thaw cycle; split Hopkinson pressure bar; impact mechanical behaviors; scanning electron microscopy

國家自然科學(xué)基金(51378497)

2016-05-25 修改稿收到日期： 2016-08-28

劉少赫 男，博士生，1991年生

許金余 男，教授，博士生導(dǎo)師，1963年生

TU 457

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.20.031