研究强度损伤演化的监管下砂岩循环侵蚀

文摘

由于盐侵蚀,云冈石窟的砂岩普遍风化的疾病。可溶性盐开发往复结晶压力作用下干和湿周期降低砂岩强度。最后,几个pore-like和powder-like风化现象形成。探讨砂岩强度的变化在这个过程中,云冈石窟的砂岩为研究对象。在此,单轴压缩试验,XRD测试,和其他方法被研究样本在不同盐侵蚀循环。随着盐伤害的循环次数的增加,砂岩表面的砂颗粒的现象逐渐放大。抗压强度、抗拉强度和弹性模量的降低,砂岩的侵蚀增长周期。曲线被分为两个阶段,砂岩侵蚀后的宏观和微观损伤方程建立了。在整个破坏过程,侵蚀伤害作为负载的基础伤害和影响不同周期,影响负载损伤的发展过程。meso-parameter演化方程,通过建立数值模拟土坡颗粒流模型是用来进行单轴模拟测试,和仿真结果接近宏观的测试结果。 Using the particle flow simulation test parameters under salt erosion, the development of the distribution of “displacement-force chain-crack” was analyzed under different salt erosion cycles. These results further revealed the meso-fracture damage characteristics of the Yungang Grottoes sandstone under the action of salt damage and provided a theoretical basis and a novel method for the protection of Yungang Grottoes against weathering.

1。介绍

盐伤害是砂岩风化的主要原因1,2]。当可溶性盐丰富的孔隙砂岩,可溶性盐经历反复的交替作用下结晶干燥和潮湿的周期。在这个过程中,往复结晶压力。当结晶压力达到水泥的胶结强度,众多微观砂岩裂缝产生,导致砂表面的脱落(3,4]。钙质砂岩的水泥同时与侵蚀溶液反应生成盐产品,如石膏、小说引起了长石和其他矿物质的砂岩颗粒逐渐降低,导致化学风化作用[5- - - - - -7]。盐损伤的作用同时发生的物理和化学的水平,是一个主要因素,导致表面风化砂岩洞穴文物。

石头的破坏文物由于盐损伤是常见的各种类型的石窟在中国遗产。石头在洞穴里文物遗产云岗石窟、大足岩石雕刻,敦煌莫高窟,龙游石窟都是受盐伤害(8- - - - - -10]。云岗石窟的石头岩性feldspar-quartz混合砂岩胶结与钙和镁。地下水渗透表面的石头雕塑沿着裂缝通道,和盐(盐食管(MgSO₄)和石膏(卡索₄水蒸发后))是沉淀。他们表面的结晶,收集石头雕塑,形成毛孔扩张压力的岩石。反复干湿循环作用下很长一段时间,表面岩石的抗拉强度大大降低,逐渐形成雪花,毛孔,和粉风化严重威胁到保护文物的云冈石窟(见图1)。大足华美岩石雕刻都位于一个典型Sichuan-Chongqing取自砂岩在中国地区。砂岩泥含量高,大孔隙度、高含水量、高环境湿度和低蒸发。所有这些条件都有利于可溶性盐晶体的形成。质量的盐破坏文物是突出。盐的主要成分损失在敦煌莫高窟硫酸钠(Na₂所以₄)、食盐(氯化钠),适度可溶性盐石膏(卡索₄),广泛分布在墙上绘画材料和相邻的岩土层的莫高窟。角色已成为最具有破坏性的因素威胁安全的壁画。摘要龙游石窟砂岩泥质水泥在包含更多的蒙脱石。参与等可溶性盐的Na₂所以₄/生理盐水的浓度越高₄^{2 -}和Cl^{- - - - - -}由粘土矿物的溶解水和离子交换,是生产的碳酸盐矿物和更加突出的加速度是砂岩风化。可溶性盐含量高的风化产品揭示了这一行动的机制。

国内外学者进行了广泛的研究,在盐下砂岩破坏的物理和力学性能,揭示了损伤和失效机制通过物理力学和理论研究。燕et al。8)(2013)用芒硝(Na₂所以₄)进行降解模拟试验对云冈石窟砂岩,发现反复结晶过程中可溶性盐,岩石颗粒之间的胶结破坏,岩石孔隙度增加,岩石的刚度和强度等力学参数都受到严重影响。李等人。9)(2008)执行龙游石窟砂岩岩石和矿物分析、粘土矿物分析、和水环境分析和得出结论,通过设置氯化钠和Na2SO4饱和的解决方案来模拟环境恶化、龙游石窟砂岩风化速度大大加快了两个可溶性盐的参与。Steiger [10)进行了物理模拟试验的岩石损伤芒硝(Na₂所以^{4 -}nH₂O)系统,发现扩张和挤压的力量形成的芒硝晶体是0-40 MPa。与此同时,温度越低,晶体压力越大,岩石的抗拉强度一般都小于5 MPa。因此,反复结晶可溶性盐就足以导致岩石损伤。Theoulakis和Moropoulou11]表明,盐造成的损害损害砂岩在不同维度的突出特征物理力学参数,如抗压强度、压缩模量、孔隙度、孔隙分布、和总内表面面积,其影响相关功能在一定程度上。周et al。12)(2020)使用一个动态本构模型的数值研究循环荷载作用下岩石材料的力学性能不同的频率和振幅。多级循环荷载的作用下,损伤变量在第一阶段迅速增加,然后逐渐稳定下来,慢慢地加载应力增加而上升。Zhang et al。13)(2019)用盐沉淀的高盐度致密砂岩岩石基质孔隙度、渗透率、渗透率应力敏感性研究弹性波速度的影响。他们发现,结晶盐沉积在微孔隙,裂缝,和粘土矿物表面不仅降低了孔隙度和渗透率还导致次生裂缝的发展,削弱了岩石矩阵。太阳et al。14)(2019)调查的风化岩石的共同作用下,冻融循环和盐结晶周期。他们发现结晶盐和冰的冻胀压力减少了粒子之间的凝聚力和导致粒子脱落,这是最重要的因素导致砂岩损伤。李等人。15)(2019)进行实验研究砂岩在不同冻融循环的化学溶液,用核磁共振技术研究砂岩的孔隙变化规律和损伤演化机制在不同的化学解决方案。他们发现,化学溶液和冻融循环的耦合效应下,砂岩样品的孔隙度增加,冻融循环的数量。在化学溶液耦合和冻融的影响,所有的样品的孔隙直径是主要集中在两个孔隙直径,和大孔径占主导地位。

目前,研究风化材料的损伤主要集中在实验和现象的分析,而研究岩石的风化破坏之间的定量函数关系和盐损伤和内部损伤机制的模拟是有限的(16- - - - - -18]。本作品使用云冈石窟砂岩为研究对象。通过研究砂岩的成分和环境水质分析,确定盐晶体的主要类型。使用加速测试周期法和循环的砂岩侵蚀盐溶液浸泡试验和测定后砂岩的力学性能不同的周期,建立了砂岩宏观损伤和微观损伤方程。颗粒流模拟方法进一步揭示了云冈石窟细观断裂损伤特征的砂岩在盐的作用下损伤。云冈石窟antiweathering保护路径提供了一种新方法和理论依据19- - - - - -23]。

2。盐侵蚀砂岩的考验

2.1。砂岩成分和水泥分析

云岗石窟砂岩抽样后,x射线衍射仪和偏光显微镜分析矿物成分和胶结的岩石样本。结果表明,云冈石窟砂岩主要是中期和粗粒度quartz-feldspar砂岩结构相对宽松和高透水性。岩石矩阵和结节矿物成分表1。其中,含铁聚结是不规则的多面体,松散,容易吸收水分。

砂岩与结节的x射线衍射结果如图所示2。的主要成分是石英(SiO岩石样本矩阵₂)、长石(KAlSi₃O₈)、高岭石(₄如果₄O₁₀(哦)₈)等。水泥碳酸化合物,包括CaCO)₃和MgCO₃。同时,样本之间有巨大的差异构成赤铁矿(Fe的核心₂O₃)和矩阵。

2.2。测试计划和样品制备

2.2.1。样品制备

代表相同的云岗石窟形成砂岩样品都选中,和云冈石窟砂岩成分进行比较。两个组件在内容上是相似的,属于长石砂岩。为了避免错误导致测试结果的差异不同岩石关节,同一块岩石被选过程砂岩标本和加工成 圆柱和 碟状砂岩的标本。砂岩标本分析前,砂岩标本检测非金属超声波纵波速度,和大型波速度的标本被消除。测试分为两个机械测试类别的压缩和紧张。每个类别分为六组,每组设置了三个平行测试块。总共有36砂岩试件准备,每个试样分组和编号在测试前(S0-S30)。

2.2.2。选择腐蚀液

有几种类型的可溶性盐岩体中包含的云岗石窟。然而,通过验证的相关国内外文献,发现在不同的可溶性盐、芒硝(Na₂所以₄)破坏了岩石更加突出。芒硝不仅构成了严重威胁,云冈石窟的文物,但也有一个很大的影响在其他石窟。其破坏性影响建筑材料也收到了广泛的关注(24- - - - - -26]。因此,本文选取,芒硝进行测试。

2.2.3。侵蚀测试计划

在测试之前,砂岩真空干燥标本并放置到侵蚀液体循环侵蚀测试做好了准备。侵蚀周期分为0、5、10、15、20、30倍。模拟低温、高湿环境在洞穴内部,一个标准的环境箱是用于精确控制干湿循环的测试环境,和腐蚀环境温度设置为15°C,湿度75%。

模拟干湿循环的盐伤害过程由于昼夜温差在云岗石窟,每个侵蚀周期分为两个链接:侵蚀和干燥。单一的侵蚀时间周期是12 h,而干燥时间是10小时。防止温度波动影响砂岩侵蚀的结果,干燥温度指的是洞穴的日常环境温度,设置为40°C。每个周期后,砂岩标本取出自然冷却到室温。样本放入自来水海水淡化处理,和水取代了三次在9小时内确保所有晶体盐被移除。在完成每个侵蚀的循环测试,物理和机械性能测量(见图3)。

2.3。砂岩侵蚀测试结果和分析

2.3.1。明显的侵蚀特点的分析

砂岩在不同的干湿交替的明显特征如图所示4。结果表明,随着腐蚀周期数量的增加,砂岩的表面粗糙度逐渐放大,其棱角变得圆润,沙子脱落的现象逐渐加剧,白色粉末表面上成立。砂岩的一部分标本30个周期后最突出的高度损失侵蚀。通过观察砂岩的侵蚀面结构在光学显微镜下观察,发现Na的增长₂所以₄晶体在结晶产生的砂岩的孔隙压力。当结晶压力达到水泥的强度,大量微裂隙砂岩中生成,导致砂表面的石灰水泥脱落。同时砂岩与侵蚀液体反应形成盐如石膏、钾钠长石是逐步使高岭土化,有一个全面的对物理和化学的影响水平,导致砂岩粒子脱落失效模式。

2.3.2。质量损失特性的分析

砂岩被侵蚀破坏,标本的质量下降和侵蚀的上升周期。这不仅包括粒子脱落等石英砂岩成分也损失由于侵蚀反应产品质量和解体的砂岩组件。更准确地分析砂岩的质量变化规律的循环侵蚀过程和消除错误的结果由于个体差异,质量损失率定义描述砂岩质量的变化与循环侵蚀循环:

的公式,脱盐的初始质量砂岩,而脱盐后砂岩的质量吗周期的侵蚀。

如图5,结果表明,随着侵蚀时间的增加,每个组标本的质量损失率逐渐放大。最大质量损失发生在侵蚀期30 T,质量损失为4.54%。数据显示,芒硝侵蚀液体有一个对砂岩标本的质量产生重大影响。数量上升的周期,标本的质量损失率几乎线性增加,并没有在30周期显著放缓的趋势。

2.3.3。下盐侵蚀砂岩应力-应变曲线特征

研究循环侵蚀对砂岩的macromechanical性质的影响,单轴压缩试验是用来获得的应力-应变曲线在不同侵蚀循环(27- - - - - -29日]。如图6,每组砂岩的应力-应变曲线进行了初始阶段,压实阶段,软化阶段和破坏阶段仍然显示明显的脆性。比较不同的侵蚀周期的应力-应变曲线,当接近峰值应力,有不同程度的压力调整的现象,即。,压力急剧下降的现象,然后继续上升。这是由于定向浸砂岩的侵蚀,造成的损失和损害的程度从表面和里面是不断减少,导致砂岩损伤区域的不平衡。标本负载达到峰值时,首先以外的标本被毁,支承面积迅速减少,剩下的完整又装载了一部分,导致压力调整的现象。然而,在连续加载,短时间内阻力后,岩石完全损坏。

2.3.4。盐侵蚀下的力学参数特征

抗压强度、抗拉强度和弹性模量选择macromechanical参数表征的砂岩的承载能力。表2砂岩力学参数的测试结果显示在不同侵蚀循环。在表中, , ,和的抗压强度、抗拉强度和弹性模量,分别在吗是侵蚀。侵蚀期时从0 T - 30 T,抗压强度从50.42 MPa减少到13.39 MPa,减少73.44%;从3.36 MPa的抗拉强度降低到1.23 MPa,减少63.4%;从8.41绩点和弹性模量降低到2.50的绩点,减少了82.16%。因此,砂岩的力学性能大大降低,腐蚀液有显著影响砂岩的机械损伤。根据测试数据,砂岩的力学参数之间的关系,通过回归,建立了循环周期,这是发现,力学参数之间的关系和侵蚀循环负指数关系。图7显示砂岩力学参数的变化曲线在不同侵蚀循环。抗压强度、抗拉强度和弹性模量的砂岩与侵蚀的增长周期,减少曲线被分为两个阶段。砂岩的抗压强度和弹性模量衰减迅速前15 T,而力学参数降低了慢慢经过15 T。

3所示。模拟盐下砂岩的抗压破坏特征的侵蚀

3.1。模型建设和模拟计划

颗粒流土坡软件被用来构造一个数值单轴测试模型随机生成的粒子半径0.1毫米和0.2毫米之间。数值模型的大小和室内测试是一致的大小,设置 。粒子密度是 ,和孔隙度被设定 。模拟不规则的空间组合结构特征矿物粒子在示例,计算过程中考虑颗粒之间的自锁作用,本工作采用flat-join接触模型(平面粘结接触模型)。不规则的模型模拟了接触特征矿物粒子通过建立连续两个圆形粒子之间的抽象接口。

根据获得的结果在上面的室内盐侵蚀试验,盐中的主体摧毁破坏晶体侵蚀过程样品的颗粒间的胶结。如表所示2,相对应的强度参数变化的衰减计算土坡的弹性模量(emod),内聚强度(fj_cohesion)和抗拉强度(fj_tension),其中最敏感的侵蚀过程内聚强度。晶体颗粒的损伤效应可以忽略不计,和内摩擦角(fj_fric)可以被认为是相对稳定(30.- - - - - -32]。基于上述理解,模拟路径设置为(1)首先,弹性模量、抗拉强度和内摩擦角获得S0组测试作为粒子的计算参数,以及抗压强度作为参考。通过大量的试验计算,内聚强度(fj_cohesion)参数模型校准所需的抗压强度(2)接下来,弹性模量、抗拉强度和内摩擦角从每组获得的室内测试是作为粒子的计算参数,和S0集团凝聚强度(fj_cohesion)参数的过程中获得(1)作为初始值。以抗压强度拟合曲线得到的室内侵蚀试验的基本衰减公式,预测函数转化为内聚强度通过改变初始值如下:

用 在方程(2),每组样本的内聚强度计算参数。数值模拟计算参数表3:

3.2。结果分析

表4显示抗压强度测试值之间的比较和仿真值。仿真结果meso-parameters选定的颗粒流数值模拟相对接近macrotest结果。最大相对误差为7.71%,最小误差为-2.15%。这些结果表明,仿真方案和计算方法是可行的。实现单轴测试参数的反演,数值模拟单轴测试参数的建筑在不同盐侵蚀周期实现。

图8介绍了数值模拟单轴试验曲线在不同盐侵蚀。应变中风是完全不同于室内测试。这是由于数值模型在初始状态达到压缩状态,不能模拟初始压实阶段。数值模型的结果缺乏应变产生的压实阶段。

图9显示“公称力的分布chain-crack”样本粒子在不同盐侵蚀循环。图显示峰值应力条件下样品的显微结构变化。的具体规定进行了总结如下:(1)的粒子位移特征样本在不同盐侵蚀循环图所示9(一个)。循环侵蚀时间的增加,明显渗透单边斜裂缝出现时 。后 ,失效模式逐渐改变了x形。(2)力的分布特征链样本粒子在不同盐侵蚀循环如图9 (b)。随着循环侵蚀时间的增加,力的分布特征链逐渐演变从正则分布无序分布。当 次,力链高峰集中在穿透斜裂缝。当 时期,力链的峰值分布和集中在样品的分不开的碎片。(3)样本裂缝的分布特征在不同盐侵蚀循环图所示9 (c)。随着循环侵蚀时间的增加,破坏裂缝的分布和传播也在一定程度上改变了。当 时代,有一个穿透裂纹内的样本,和其他裂缝的边缘样品开发。当 次,样品内部有两个贯穿裂缝,出现横向X形的。两个主要的裂缝周围的其他裂缝发达。主要和次要裂缝关闭时,他们是在一个菱形形状。

4所示。砂岩盐损伤演化分析

根据测试过程中,砂岩的破坏可以分为两个部分。第一部分是周期性伤害DT盐下砂岩的侵蚀,在造成的伤害主要是结晶压力。第二部分是造成的损伤D砂岩的单轴加载,同时测量macromechanical参数。这两个零件砂岩试样的损伤引起的。砂岩的总伤害可以解决根据广义应变等效原理提出的Zhang et al。换句话说,在测试期间,第一部分的侵蚀破坏和加载破坏的第二部分互相影响。生成的有效应力腐蚀破坏的第一部分会影响的第二部分负荷的压力损失。产生的有效应力的第二部分负载损伤也会作用于第一部分的侵蚀破坏应变。应变的影响值由于两个进程是相等的。传统的损伤本构方程必须是无损的岩石的弹性模量,难以衡量,而弹性模量的广义应变等效原理是岩石初始损伤; hence, it has good applicability. Therefore, the damage constitutive model of the second part can be obtained as 在哪里循环后的线性弹性模量砂岩损伤,然后呢是负载损伤因子,它可以根据统计损伤模型。和第一部分的侵蚀破坏的因素可以通过选择定义线性弹性模量损伤变量:

的公式,线性弹性模量的初始损伤状态下砂岩。

用公式(4)到公式(3),两种本构模型的砂岩损伤后可以获得:

砂岩的全损可以设置,可以通过公式(5):

砂岩的总损失不等于线性的和侵蚀损伤和负载损伤关节损伤物品。岩石材料的强度服从威布尔分布,根据meso-damage力学理论,砂岩侵蚀损伤演化方程是:

的公式,峰值应变,相应的峰值应力,材料参数是描述材料损伤的演化特征。

用公式(4)和公式(7)到公式(6),砂岩的总损伤演化方程

如图10,使用macromechanical测试数据,砂岩循环荷载损伤演化曲线。

应变是0时,砂岩只是被侵蚀的循环流体。随着循环周期的增加,大量的侵蚀破坏逐渐放大,和30 T砂岩的破坏达到了0.70,这是一个相对较大的损害。由于不同的侵蚀破坏,载荷破坏的起点也是不同的,但伤害增加的负载压力的增加,逐步接近1。在加载的初始阶段,内部孔隙、裂缝等缺陷的砂岩压实,压实阶段。随着应变的增加,试样开始进入弹性阶段。在这个时候,损坏是在较低的水平。当标本进入塑性应变阶段,损伤开始加速,直到失败,损失是1。在整个破坏过程,侵蚀伤害是负载的基础伤害和影响不同周期,影响负载损伤的发展过程。

5。结论

(1)进行云岗砂岩的盐侵蚀破坏循环试验,发现随着盐伤害的循环次数的增加,砂岩的表面粗糙度逐渐放大,砂损失的现象逐渐加剧。试样的质量损失率接近线性增加,并没有在30周期显著放缓。通过观察砂岩的侵蚀面结构在光学显微镜下观察,Na的增长₂所以₄晶体在结晶产生的砂岩的孔隙压力。当结晶压力达到水泥的强度,大量微裂隙砂岩中生成,导致砂表面脱落(2)通过单轴压缩试验在不同盐破坏周期,它是发现,抗压强度,抗拉强度和弹性模量的砂岩与侵蚀的上升周期降低。曲线被分为两个阶段。砂岩的抗压强度和弹性模量迅速减少前15 T,而力学参数降低了慢慢经过15 T(3)基于砂岩盐侵蚀试验数据,建立了数值模拟单轴测试,实现了数值模拟单轴测试参数在不同盐侵蚀循环。“公称力的分布chain-crack”砂岩样品的颗粒进行了分析,进一步揭示了meso-fracture云岗石窟盐下砂岩破坏的破坏特征(4)通过建立云岗砂岩侵蚀损伤演化方程,砂岩在不同侵蚀周期的负荷损失进行了分析。得出结论的过程中损坏,侵蚀破坏载荷破坏的基础上,由不同的周期和影响影响加载破坏的发展过程

数据可用性

本文中的数据和解释;读者可以访问数据支持本研究的结论。

信息披露

我想代表我的合著者宣称是原始研究和描述的工作没有以前公布。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

批准所有作者出版的手稿。

确认

这项工作是支持研究和开发面向对象的由无人机摄影测量(无人机)和快速部署在高陡边坡监测和预警设备(2019 yfc1509604),大足区科委项目资金(DZKJ号和2018年abb1011),以及中国的国家自然科学基金(国家自然科学基金委)(41941018)。

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