不同含水率冻融循环岩石类材料力学性能试验研究

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我国寒区分布广泛并且拥有着极其丰富的资源,而岩石作为大部分工程建设的载体,受到冻融循环作用后会引起内部结构产生损伤,导致承载能力下降。并且在自然界中,大多数岩石的含水状态都不相同,在水冰相变的过程中体积会增大约9%,导致内部裂隙和孔隙进一步发育,对相关工程建设造成一定的安全隐患。因此为保证寒区工程建设的稳定、安全,对不同含水状态下冻融后岩石力学性质的研究是非常有必要的。通过对饱水砂岩以及不同含水率的砂浆进行吸水率、纵波波速、冻融系数和破碎形态等物理性质的分析,进行了静态的单轴抗压试验和动态的SHPB试验,分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的静动态力学特性,并结合SEM试验和XRD试验从宏观和微观两方面分析了饱水砂岩和不同含水率砂浆的损伤劣化机理。主要研究内容如下:(1)四组不同含水率砂浆试样与饱水砂岩试样经历过冻融循环之后波速都有所下降。对于干燥状态试样来说,在经历第一次冻融循环之后,波速的降低幅度比较大。各组试样波速随着冻融次数的增加呈现出不同程度的下降,但下降的趋势越来越平缓。(2)在单轴压缩试验中,试样的抗压强度均随着冻融循环次数的增加而降低。饱水砂岩、干燥砂浆、含水率为1%的砂浆和含水率2%的砂浆强度曲线都有减缓的趋势,含水率为3%的砂浆在最后一阶段强度损伤较大,经历过30次冻融循环之后,强度降低最明显。(3)在单轴冲击试验中,试样经过冻融循环作用后,动态应力-应变曲线呈现3个阶段,分别为弹性阶段、非线性变形阶段和破坏阶段。在冲击气压相同的条件下,冻融次数越多,试样的抗压强度越小。在相同含水率的条件下,试样的峰值应力和冲击的气压呈正相关变化。对于试样的峰值应变来说,随着冲击气压的增大,试样的峰值应变也在变大。相同含水率状态下冻融循环次数较多,试样破碎后的的小尺寸粒径所占的比例就越多。(4)相同的冻融循环次数作用下,试样破碎时所吸收的能量与冲击气压呈正相关,冲击气压越大,试样所吸收的能量就越多。在冻融循环次数较少的情况下,砂浆的内部孔隙较少,力学性能也较好,所以在冲击荷载作用时,较多的能量被吸收用来扩展砂浆内部的裂缝直至试件破碎。在冻融次数不断增长的情况下,砂浆内部的裂纹越来越多,破碎时吸收的能量就较低。(5)从SEM图像可以看出干燥状态下砂浆内部结构排列紧密,裂纹和孔隙的数量相对较少。随着砂浆含水率的增加,内部结构变得越来越松散。经历15次冻融循环之后,可以明显的看出试样的表面已经出现了裂纹。经历30次冻融循环之后,砂浆表面的裂缝已经形成贯通,颗粒间的粘结力较小,颗粒脱落,最终导致承载能力的减小。(6)冻融循环过程中,高岭石、凌铁矿和伊利石的占比降低,石英的含量占比增加。高岭石和伊利石吸水后会产生不均匀的膨胀,从而产生微小的孔隙。水进入微裂隙与亲水矿物结合,形成水化粘土,水化粘土具有膨胀性、流变性、分散或絮凝性等特点,因此冻融作用加速了黏土矿物的崩解,岩石孔隙率也进一步增大。图49表5参考文献82
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