土木工程的发展

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体积 2020年 |文章的ID 5921901 | https://doi.org/10.1155/2020/5921901

Huren荣、宇Gu Miren荣,Hong Liu Jiayao张郝董, 强度和微观破坏机制在冻融黄砂岩的孔”,土木工程的发展, 卷。2020年, 文章的ID5921901, 13 页面, 2020年 https://doi.org/10.1155/2020/5921901

强度和微观破坏机制在冻融黄砂岩的孔

学术编辑器:豪尔赫·布兰科
收到了 2019年11月10
接受 2020年2月13日
发表 2020年4月30日

文摘

为了研究黄砂岩的破坏特征包含毛孔在冻融循环下,饱和潮湿发霉的黄砂岩的单轴压缩试验与不同冻融循环是由岩石伺服压力机,定性分析了微结构蔡司508立体显微镜,和microdamage机制是定量研究了使用比表面积和孔径分析仪。削弱单孔黄砂岩的力学性能的机理从微观结构的角度阐述了。结果显示如下。(1)冻融循环和单孔直径有显著影响黄砂岩的强度和弹性模量;越冻融循环和孔隙大小越大,黄砂岩的强度越低。(2)黄色砂岩的破坏模式包含毛孔在冻融循环分为五种类型,和黄色砂岩孔隙分为两个区域:洞的边缘和孔之间的距离;随着冻融的循环次数的增加,不同地区显示不同的微观破坏模式。(3)黄色砂岩的破坏程度与冻融循环和孔隙大小是不同的。冻融不仅影响黄砂岩的力学性能,而且也加速毛孔的破坏过程。(4)冻融的黄砂岩的损害是对数函数,和黄色砂岩的破坏是一个幂函数。 The damage equation of the yellow sandstone with pores under the freezing and thawing is a log-power function nonlinear change law and presents a good correlation.

1。介绍

与战略的逐步实施开发西部地区,寒冷地区需要大量的工程建设(1和越来越多的岩石和岩石损伤问题交替的条件下低温和温度;岩石本身就是一个相对含水量。材料越高,加之昼夜温差,使冻融循环出现,伴随着冻拔力的生成和消失,导致累积损伤岩体结构。因此,深化发展的西部地区,它具有十分重要的理论和实践意义研究岩石力学恶化的机制作用下的冻融循环。

目前,国内外学者做了相应研究岩石冻融循环下的性能。大厅等。1,2)研究了在冻融岩石的力学性能;Yamabe et al。3- - - - - -5]研究损伤退化不同类型的岩石冻融循环下;杨et al。6,7)使用CT扫描技术来研究岩石细观损伤传播机制与不同冻融温度;DelRoa et al。8]分析了损伤退化机理,不同类型的花岗岩冻融循环下超声波监测技术通过超声监测技术;使用CT扫描技术,CT图像,扫描电子显微镜由王et al。9- - - - - -11),岩石的力学性能和内部损伤不同饱和状态下冻融循环进行了研究。Zhang et al。12- - - - - -17)发现,砂岩的力学性能恶化的共同作用下,冻融和负载。速度加快;Huseyin [18]分析了恶化的硬度、波速、冻融循环后的安山岩和抗压强度;李等人。19),以冻融循环作用下岩体为研究对象,基于细观损伤理论和宏观损伤模型,建立了单处骨折freeze-thaw-load耦合下砂岩损伤模型。周et al。20.)用NMR实验来研究冻融循环下砂岩的抗压强度。减少的原因如下:田和徐21),基于内部的孔隙特征岩石冻融后,建立了岩石的力学性能之间的关系和孔隙度在冻融循环。

大多数学者研究了物理和岩石冻融后的微观性质。很少有研究岩石的性质与毛孔和冻融后显微镜下明显的损伤特征。本文以岩体在寒冷地区的建筑为背景。毛孔的饱和单孔黄砂岩是研究。饱和黄色砂岩的力学性能与毛孔冻融以下获得的单轴压缩试验。毛孔和黄色被立体显微镜和孔隙大小分析仪。砂岩的微观损伤机理,为岩体工程的建设提供了一个参考在寒冷的地区。

2。测试概述

2.1。样品制备和工作条件

黄砂岩的起源在这个实验中是四川。砂岩的矿物成分主要有石英、长石、莫斯科、粘土和粉砂质材料。明显的屑压实密度和水泥是紧密相连的。根据岩石测试标准和规范,一个长方体的样本30毫米×60毫米×120毫米。选定的试验条件如下:单孔黄色砂岩样品的孔隙直径0毫米(对照组),6毫米,8毫米,10毫米,12毫米。冻融循环试验(0)5、10、20、40倍。在早期阶段,5个样本选择为每个工作状态。在后期阶段,2样品相对较高的色散(机械性能被作为主要引用)被移除,用相对小的分散和3样本中进行分析。

抗压强度的列表和每个样本的平均值补充道,和样品接近平均值列入显微分析。

2.2。测试方法和原则

冻融循环试验方法:使用冻融循环测试机模拟的cold-thaw环境冷区,设置冻融循环温度−20°C∼20°C,温度从20°C−20°C,然后4小时的恒温。后上升到20°C, 4个小时的温度保持不变。默认情况下,这个过程是一个周期。

德国蔡司508立体显微镜原理:显微镜可以清楚地观察到表面和孔隙变化特征的黄色砂岩冻融前后高放大倍数的放大原理。选择一个表面的黄色砂岩表面观察,并观察表面分为A和B两个区域(B区是一个正方形的边长10毫米)和几个点统一在不同区域选择观察,如图1;为了减少测试误差,两个观察冻融前后测试确保房间是在一个黑暗的环境中,唯一的光源是仪器自身的光,使用相同的光强度,和目镜使用相同的放大,确保两个测试条件是完全相同的。

比表面积和孔隙大小分析器的原则:其本质是氮吸附法、氮具有良好的可逆吸附特性,和氮分子作为测量工具。在恒定的温度和压力下,样品的表面形成单分子氮由于分子之间的范德华力。在吸附层,当吸附气体的压力变化,吸附/解吸量的曲线可以得到样品表面的压力,比表面积和孔隙大小分布的样本的选择方法和计算了BJH方法。

测试是基于饱和黄色砂岩如下:①准备黄色砂岩是在水中浸泡48小时然后干重。②饱和样本被放置在德国蔡司508立体显微镜(如图2)。明显的颗粒和孔隙结构是在显微镜下观察到。③饱和样品放置显微镜观察到在冻融循环测试机。④冻融后冻结样品,称重,置于显微镜下观察和较明显的颗粒和孔隙结构的解冻,解冻样本。⑤冻融试验后,带少量的样品在不同冻融循环,使用比表面积和孔径分析仪(图3)。比表面积和孔径的变化检测。⑥冻融后的样品显微观察是受单轴压缩试验来测试机械性能。

3所示。前后力学性能的黄色砂岩冻融循环

3.1。峰强度不同的冻融循环后直径黄色砂岩

12附录中列出了测试样品的抗压强度和微观分析。平均抗压强度如下用于力学性能分析。


微观破坏模式 (1)粒子剥落 (2)颗粒填充孔隙 (3)毛孔扩张 (4)毛孔收缩 (5)孔隙连通性

在显微镜下微观损伤
在显微镜下微观损伤后


标准黄砂岩 孔直径6毫米 孔直径8毫米 孔直径10毫米 孔直径12毫米
抗压强度(MPa) 平均值(MPa) 抗压强度(MPa) 平均值(MPa) 抗压强度(MPa) 平均值(MPa) 抗压强度(MPa) 平均值(MPa) 抗压强度(MPa) 平均值(MPa)

0 * 61.75 60.07 53.46 51.33 46.32 49.95 46.62 45.34 41.96 37.86
0 * 60.20▲ 51.13▲ 48.62▲ 46.19▲ 36.38▲
0 * 58.26 49.32 54.92 43.23 35.23
5倍 56.22 54.89 50.23 48.60 49.82 47.48 45.07 43.20 40.72 37.59
5倍 55.73▲ 48.62▲ 47.06▲ 42.87▲ 36.17▲
5倍 52.73 46.96 45.56 41.65 35.88
10倍 52.67 51.38 51.08 47.68 43.02 41.46 41.06 38.90 32.51 30.55
10倍 50.89▲ 46.62▲ 41.16▲ 39.37▲ 31.12▲
10倍 50.59 45.33 40.21 36.23 28.03
20倍 51.54 48.07 46.26 44.88 41.55 39.26 32.58 31.03 29.23 27.07
20倍 46.56▲ 45.27▲ 39.01▲ 31.29▲ 27.86▲
20倍 46.12 43.12 37.23 29.23 24.13
40倍 43.23 41.3 39.26 38.64 36.71 34.83 31.15 29.79 20.09 19.04
40倍 42.35▲ 39.03▲ 34.03▲ 30.01▲ 20.03▲
40倍 38.32 37.63 33.75 28.21 17.02

▲,样本选择的微观分析。

4是一个图显示不同直径黄砂岩的抗压强度与冻融循环的数量。从图可以看出,随着冻融的循环次数的增加,抗压强度不同直径的五组黄砂岩逐渐减少。0次冻融循环时,黄砂岩的抗压强度具有不同孔隙大小是最大的。40次冻融循环时,黄砂岩的抗压强度具有不同孔隙大小是最小的。完整的12毫米的情况下黄色砂岩具有不同冻融循环为例。描述:完整的黄砂岩的抗压强度为60.07 MPa 0次冻融循环时,抗压强度为54.89 MPa, 51.38 MPa, 48.07 MPa,和41.3 MPa时,冻融周期是5、10、20、40倍。与冻融相比,强度下降了8.62%,14.47%,19.98%,和31.25%,分别。12毫米黄砂岩的抗压强度为37.86 MPa在冷冻和解冻时,冻融循环是5、10、20、40倍。抗压强度为37.59 MPa时,30.55 MPa, 27.07 MPa,和19.05 MPa,分别强度降低了0.71%,19.3%,28.5%,和49.68%,分别。

发现黄砂岩的抗压强度具有相同孔径随冻融循环的数量的增加,表明冻融效应是一个重要因素影响黄砂岩的抗压强度。

此外,不同直径黄砂岩的抗压强度也表现出不同的变化在相同数量的冻融循环。0次冻融循环时,完整的黄砂岩的抗压强度为60.07 MPa,随着孔径的增大,优势是51.33 MPa, 49.95 MPa, 45.34 MPa,分别和37.86 MPa。较完整的黄砂岩强度降低。40次冻融循环时,完整的黄砂岩的抗压强度为41.3 MPa。孔隙大小的增加,抗压强度是38.64 MPa, 34.83 MPa, 29.79 MPa,和19.05 MPa,分别和优点是降低了6.4%,15.67%,27.43%,和53.87%,分别与完整的黄砂岩相比,表明孔隙减少黄色砂岩的抗压强度。孔径越大,越大的减少。

3.2。弹性模量的黄色砂岩与冻融循环后不同的孔隙大小

弹性模量是物理参数特征的黄色砂岩抵制外部弹性变形。图5的曲线是黄色砂岩的弹性模量不同的孔隙大小的函数冻融循环的数量。黄砂岩的弹性模量不同的冻融循环后可以看到从图。类似于抗压强度,总体趋势是逐渐减少。在不同冻融循环,完整的黄砂岩的弹性模量是平均绩点9.653,8.645的绩点,8.31的绩点,平均绩点6.499,和6.32的绩点,分别与冻融0次。减排10.44%,13.91%,32.67%,和34.53%,分别。12毫米的黄色砂岩的弹性模量是平均绩点8.16,6.303的绩点,5.975的绩点,平均绩点4.59,和3.658的绩点,低于冻融0次。他们是22.76%、26.781%、43.75%和55.17%,分别;的冻融循环次数的增加和黄砂岩的弹性模量,减少,减少量增加。不同直径黄砂岩的弹性模量与相同数量的冻融循环进行了分析。可以看出黄砂岩的弹性模量不同的孔隙大小是最大的0次冻融循环时,平均绩点9.653,11.06的绩点,平均绩点7.581,8.78的绩点,分别和8.16的绩点。 The elastic modulus of the 6 mm yellow sandstone is the largest under the number of freeze-thaw cycles, and the elastic modulus of the 8 mm yellow sandstone is the smallest, which indicates that the yellow sandstone has no significant change with the hole. However, as the number of freeze-thaw cycles increases, at the freeze-thaw cycle 5, 10, 20, and 40, the yellow sandstones with different pore sizes show that the elastic modulus decreases with the increase of the pores.

比较不同直径黄砂岩的力学性能在不同冻融周期,发现黄砂岩由于冻融的损伤将会增加黄色砂岩的破坏。

4所示。微观特征不同的冻融循环后直径黄色砂岩

4.1。微观破坏模式分析

不同直径的微观孔隙和颗粒变化黄色砂岩在不同冻融循环观察到显微镜进行了综述,和五个微观损伤模式见表1进行了综述。

4.2。微观的定性分析

为了更清楚地描述冻融和孔隙的影响行动的颗粒和孔隙的黄砂岩、黄砂岩的micropictures不同冻融循环和不同的孔隙大小进行预处理,以及粒子从毛孔中分离了出来。治疗效果如图6,显示黑色区域代表毛孔和白色区域表示粒子。

冻融循环内黄色砂岩造成不同程度的损害。气孔的存在黄砂岩的破坏分为A和B区域如图1。与孔的直径的增加,黄砂岩的A和B区域有以下特点。范围是不同的,但伤害模式保持不变。本文在分析不同的破坏模式A和B地区在不同冻融循环。

结合数据78和显微镜观察,以下发现:①5次冻融循环后,黄砂岩的主要破坏模式在一个地区是毛孔收缩,毛孔是由粒子,和主要破坏模式B地区毛孔扩张,冻融循环的数量。联合行动下的冻胀力和孔效应,B区严重受损,毛孔变得很大。一个地区遭受冻拔力一方面,和优良的冰晶粒子填充毛孔。另一方面,B区有不同的影响。挤压的程度导致毛孔在区变得更小。②10次冻融循环时,黄砂岩的主要破坏模式在A和B区域粒子剥落。在这个周期中,黄色砂岩表面的A和B地区脱落和暴露。内部粒子和毛孔更严重。③20次冻融循环时,黄砂岩的主要破坏模式的一个区域是毛孔扩张,和主要破坏模式在B区孔隙沟通。在循环数下,黄色砂岩颗粒冻拔力的影响。 The intergelation is reduced, the continuous damage in zone A leads to the increase of pores, the effect of pores in zone B accelerates the failure of the rock sample around the hole, and the surface of the yellow sandstone is accompanied by pores. The phenomenon of the pass: ④ When the freeze-thaw cycle is 40 times, the main damage modes of the yellow sandstones in the A and B regions are pore expansion and accompanied by particle spalling, indicating that, under the cycle number, the high-order circulation freeze-thaw causes the rock sample to have larger pores. At the same time, micropores are continuously generated inside. On the other hand, due to serious damage, the pores inside the rock mass penetrate, resulting in larger pores in the A and B regions.

4.3。微观定量研究

在数据910(a)、(b)和(c)是a和b的孔隙体积大小的黄色砂岩区域包含毛孔用氮吸附,从(d), (e)和(f)不同孔隙大小的孔隙体积的相对变化(较冻融循环),相对变化幅度是用来描述不同类型的微观孔隙冻融的反应。

可以看到从(a)、(b)和(c),随着冻融的循环次数的增加,孔隙体积的小洞,中孔和大孔区域(0 ~ 2纳米微孔隙,2 ~ 50 nm中孔和洞超过50 nm大孔根据国际IUPAC定义)增加。只有5次冻融循环中孔体积减少,体积小,中型和大型的毛孔,B地区整体增长。分析(d), (e)和(f)结合显微观察表明,A和B的反应区域的黄色砂岩冻融是不同的。①5次冻融循环时,孔隙体积的一个地区具有以下特点。相对减少−36.67%,大孔隙体积的相对体积为0%,中型和大型的相对增加孔隙体积在B区是83.3%和41.18%,分别。生产周期下号码,免费的矿物颗粒表面的黄色砂岩。在一个地区,孔隙体积减少由于间隙孔的收缩或矿物粒子的填充。的扩张毛孔,毛孔B地区导致了中孔和大孔隙的体积的增加。②当10次冻融循环,一个地区很小。毛孔的相对体积的增加,中孔和大孔隙是100%,54.89%,和16.67%,分别。 The relative volume increases of small, medium, and large pores in B region were 80%, 36.36%, and 4.17%. Under the number of times, the connection between the aggregates of the yellow sandstone aggregates is loose, and the pores in the A region increase. At the same time, due to the spalling of the particles, the mesopores and macropores are continuously generated. The small pores in the B region increase, while the mesopores and macropores do not change significantly. ③ When the freeze-thaw cycle is 20 times, the pore volume in the A region has the following characteristics. The relative increase is 46.67%, the relative increase of macropore volume is 33.33%, the relative increase of pore volume in B region is 6.66%, and the relative increase of macropore volume is 16%. The volume of mesopores and macropores increases in A region due to pore expansion. Severely, the volume of pores communicating with mesopores and large pores increased slightly in the B region due to particle spalling. ④ When the freeze-thaw cycle was 40 times, the relative increases in the volume of small pores, mesopores, and macropores in the A region were 110%, 4.54%, and 42.8%, respectively. The relative increase of the volume of small holes, mesopores, and macropores in B area was 177.78%, 21.87%, and 44.82%. The A and B areas were seriously damaged by freezing and thawing, and the internal cracks were generated by new cracks. The decrease in force causes the particles to peel off continuously, and the volume of small holes, mesopores, and large pores increases.

总之,冻融导致黄砂岩的孔隙不断增加,凝聚力下降,强度不断降低,但单一洞也造成损害。在带一个,10次冻融的阈值一代的小洞,中孔和大孔隙黄色砂岩。在B区,5次冻融的阈值是中孔和大孔隙和冻融是毛孔的阈值的10倍。相比之下,A和B的毛孔地区,中孔和大孔隙明显优于B地区区域。生产时间和数量更早些时候,这表明,冻融作用下,毛孔的冻融破坏的内部黄砂岩,毛孔会进一步加速退化的黄砂岩,然后是力学性能将会加速。

5。黄色砂岩损伤函数在冻融循环

通过研究力量和黄砂岩的微观属性包含毛孔冻融后,众所周知,冻融和孔隙影响岩石造成重大的伤害。图11显示了黄砂岩的破坏过程包含冻融后毛孔。完整的黄砂岩的体积被认为是V1。黄色砂岩孔的有效容积V1。黄色的有效容积包含毛孔冻融下砂岩V2,所以黄色砂岩的伤害值在洞里D1。的伤害值frozen-thawed黄色砂岩D2,的伤害值frozen-thawed黄砂岩是Dt。黄色砂岩在不同的州的损伤的特点是体积密度的变化:

其中, 在哪里e完整的黄砂岩的孔隙体积,e1是黄色砂岩的孔隙体积包含毛孔,e2是黄色砂岩的孔隙体积包含孔隙冻融后,和d是黄砂岩的孔的直径。

根据上面的公式,黄色的总伤害公式包含毛孔在冻融作用下砂岩

的变化率包含毛孔黄砂岩的抗压强度作为衡量冻融后的破坏程度的黄砂岩,这是表示为d

其中,σ0σ是黄砂岩的抗压强度的初始状态(冻融0次,孔直径是0毫米);损害的程度D冻融后的黄砂岩含孔表所示3


冻融次数 孔直径(毫米)
0 6 8 10 12

0 0.000 0.145 0.168 0.245 0.370
5 0.086 0.191 0.210 0.281 0.374
10 0.145 0.206 0.310 0.353 0.491
20. 0.200 0.253 0.346 0.483 0.549
40 0.312 0.357 0.42 0.504 0.683

黄色砂岩的孔隙大小0毫米,黄砂岩的破坏曲线与零度冻融作用下冻融单独安装,和图如图1213被获得。

从图可以看出,frozen-thawed黄砂岩的破坏法律符合物流功能: 在哪里的冻融循环次数。

损坏的黄色砂岩孔隙直径0毫米冻融作用下被定义为D2,黄色砂岩的破坏与零冻融作用下孔隙被定义为D1。从图可以看出,frozen-thawed黄砂岩的破坏曲线符合物流功能。一个人 在哪里d孔的直径。

把公式(5)和(6)(3),非线性方程的冻融循环次数n和直径d洞的 在哪里一个, , 分别的影响因素。

下面是一个拟合岩石损伤的毛孔在冻融循环下。图14显示黄色砂岩的破坏曲线在不同冻融循环时,孔径是6毫米。图15显示了黄色砂岩在不同孔隙大小当冻融循环的数量是5。损失曲线和拟合结果如表所示4。黄色砂岩的破坏价值包含毛孔在冻融所代表的方程。拟合曲线返回散射点成一个函数有一定的物理意义和具有良好的相关性。


试样条件 结合函数
一个 b c R2

孔直径d= 6毫米 0.038 1.05 0.59 0.91
孔直径d= 8毫米 0.85 1.01 0.94 0.8
孔直径d= 10毫米 0.88 1.09 0.65 0.73
孔直径d= 12毫米 0.98 1。2 0.37 0.92
冻融次数n= 5 0.94 1.06 1.86 0.94
冻融次数n= 10 1.05 1.01 0.55 0.87
冻融次数n= 20 1.13 0.84 0.28 0.85
冻融次数n= 40 1.18 0.79 0.45 0.71

通过拟合曲线的分析,发现冻融的影响和对黄色砂岩孔有明显的影响。这个方程可以更好地反映损伤程度的黄砂岩在冻融。

李等人。22和元et al。23]研究了岩石冻融的共同作用下,裂纹(联合)和显示,岩石样品的总损失增加的共同作用下,冻融时间和裂纹。损失与冻融时期,裂纹长度和倾角。宏观损伤及其耦合效应的明显的各向异性岩石的宏观损伤的关节。与冻融循环的数量的增加,有节的岩石样本的宏观各向异性减弱,减弱的程度是相关的共同属性和冻融的程度。的各向异性岩石样本加重了。

根据孔和冻融试验的结果,本文表明,5个冻融循环后,大孔和中孔开始出现在洞口,但是远离洞区,它还没有发生(或生产一些,不能监控)。10个冻融循环后,小洞洞开始形成,然后大孔,中间孔,小孔开始形成时远离洞区域。因此,宏观各向异性孔隙岩石样本改变的行动可分为两个阶段:当清廉冻融循环的次数,洞周围的毛孔模式和远离洞区域是不同的,而且变化规律相反。提高了样品的宏观各向异性孔隙行动。10-40时期反复冻融循环时,孔周围的毛孔模式和远离洞区域相同,变化规律是相同的,和样品的宏观各向异性逐渐削弱。

6。结论

(1)随着冻融次数的增加,孔隙大小、黄砂岩的抗压强度和弹性模量逐渐减少。(2)岩石样品后毛孔冻融破坏分为两个领域:洞的边缘和孔之间的距离;五种microdamage冻融后的黄砂岩模式如下:(1)粒子剥落,(2)孔由粒子,(3)洞,(4)毛孔收缩,和(5)孔隙的交流。(3)随着冻融的循环次数的增加,破坏模式在更远的洞与洞周围的破坏模式不同。远孔的破坏模式由毛孔,毛孔充满粒子(5次),粒子剥落(10次),毛孔扩张(20次),和毛孔扩张和粒子剥落过渡(40倍);毛孔扩张模式在洞的损害(5次),粒子剥落(10次),孔隙连通性(20次),和毛孔扩张和粒子剥落过渡(40倍),在孔隙中孔和大孔隙比毛孔。发生时间早,损失更为严重,表明冻融破坏黄砂岩,并促进黄砂岩的破坏。(4)的共同作用下,孔和冻融,样本各向异性引起的孔分为两个阶段:冻融循环清廉,提高了样品的宏观各向异性孔隙行动;冻融10-40乘以,样本宏观各向异性逐渐削弱。(5)在相同冻融频率,岩石样品的总伤害增加孔直径的增加。具有相同的孔直径,岩石样品的总伤害增加随着冻融次数的增加。黄砂岩的破坏程度密切相关的冻融循环次数和孔隙大小。黄砂岩的损伤方程与毛孔冻融是非线性的。方程能更好地反映岩石的损伤毛孔在冻融破坏岩石的长期稳定提供参考。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本文是由美国国家科学基金会支持的中国(51908344);中国博士后科学基金会(2018 m643821xb);美国国家科学基金会的青海省(2018 zj - 955 q);青年的河北省科技计划教育部门(QN2016066);和张家口科技项目(1611061)。

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