温度劣化机理与结论

6.3.3　温度劣化机理与结论

研究表明，含水岩体因受冻结温度影响，其内部孔隙（裂隙）水结冰，在孔隙壁面产生巨大的冻胀力，其值远远超过了岩石的抗拉强度，是造成岩石冻融破坏的内在动力。本书根据云冈石窟现场监测与室内冻融试验的数据，分析探讨云冈石窟砂岩在冻融循环作用下的损伤劣化机理。

图6.28　粗砂岩单轴抗压强度与冻融循环次数的关系曲线

图6.29　细砂岩单轴抗压强度与冻融循环次数的关系曲线

1.岩性

岩性对岩石冻融损伤劣化程度的影响是最大的。至今，所有冻融循环条件下的岩石损伤性质的研究都涉及到该因素。岩性对岩石冻融循环损伤劣化的影响主要表现在岩石的矿物成分、矿物颗粒大小和组成、胶结物强度、岩石强度和刚度、裂隙分布特征及发育情况、岩石密度、孔隙率等。研究表明，岩石强度与刚度越高，岩石结构越致密，胶结物强度越高，裂隙越不发育，其受冻融循环的影响越小；反之，其受冻融循环的影响越大。

云冈石窟砂岩主要以岩屑、长石、石英为主，含磁铁矿、锆石、磷灰石、石榴石等副矿物及次生矿物褐铁矿，为孔隙式胶结，胶结物主要为钙质、黏土矿物、铁质、硅质。砂岩矿物颗粒较粗大，岩体强度和刚度中等，岩体结构较致密，局部可见裂隙较发育的岩体。室内冻融试验表明，云冈石窟砂岩在冻融循环作用下均出现强度的衰减，尤其是含裂隙岩体衰减更为严重。

2.岩石的孔隙性

岩石中除包含有孔隙外，还发育不同成因形成的微裂隙。岩石的这种特性统称为孔隙性，它是岩石重要的结构特征。岩石的孔隙率决定其含水量的高低，而含水量的高低是影响岩石冻融损伤劣化的主要条件。从上文可知，干燥岩样在循环冻融作用下强度衰减有限，而含水岩样受冻融循环影响皆出现损伤，有的甚至出现完全破坏。岩石的冻融损伤劣化主要是由于水在岩石内部孔隙中的相变造成的。

云冈石窟砂岩的孔隙率一般在4%～8%的范围。在水结冰的相变过程中，水的体积会膨胀9%。试验表明，在饱水条件下，云冈石窟砂岩的含水冻融破坏效应可观。针对现场的实际情况，砂岩的含水冻融效应需要进行折减。

3.冻融循环次数、冻融周期

冻融循环次数、冻融周期对岩石的冻融损伤劣化影响比较明显。这主要是因为不同岩石的耐久性不同。冻融循环次数越多，冻融周期越短，岩石受冻融循环的影响则越明显。试验表明，对于同一类岩石，总体趋势是随着冻融循环次数的增加，强度衰减加剧。循环次数的增加使冻融损伤不断积累，而损伤的积累和循环次数及循环强度（作用频次与温度变幅）有关。试验中饱和岩样在冻融循环作用下，砂岩强度随着次数增加而不断降低。

4.未冻水、盐溶液

在对混凝土和岩石类的孔隙介质的研究中发现，在0℃下，孔隙介质中的水分并未全部发生冻结。导致这种现象发生的主要原因是其中结晶水的存在，以及水中存在某些盐分导致水的冻结温度降低。岩石中微孔隙的尺寸越小，水中融解的盐分就越多，岩石中孔隙水的冻结温度就越低。由云冈石窟砂岩XRD试验可知，该地区岩样含石膏等盐分。在自然界中此类岩石需在较低温度下才能完全冻结。

5.冻融温度范围

冻融温度范围对岩石的损伤劣化有较大影响。试验表明，冻融温度范围越大（冻结温度下限值越低），岩石受到冻融循环的影响越大。在工程中表现为在严寒地区的岩石比一般季节性寒区的岩石受冻融影响大。冻融温度范围越大，水转化为冰就会越充分，而且岩石各组分的热膨胀性差别就越大，从而造成岩石在冻融循环后内部冻融压力越大，导致岩石的冻融损伤劣化越快。在试验研究中选用云冈石窟地区的极端温度，岩样冻融损伤劣化速度要稍快于现场实际情况。

6.应力状态

自然界岩石都处于地应力场中，寒区岩石在受冻融损伤劣化时也同样受到其他应力场的耦合作用。各种工程条件下，岩石的温度场、应力场、流体场等总是相互耦合的。至今，关于应力状态与岩石的冻融损伤关系还未形成统一的描述。云冈石窟的应力场除了天然的地应力场外，还受后期人工开凿影响。岩壁的开凿导致岩体出现临空面。由边坡的研究可知，临空面的存在不利于岩体的稳定。在冻融损伤过程中，此类应力状态的耦合机理还未明了，有待后期进一步研究。