不同溫濕環(huán)境下泥巖吸水及膨脹特性的試驗(yàn)研究

刁心宏，楊守興，冒小波

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

不同溫濕環(huán)境下泥巖吸水及膨脹特性的試驗(yàn)研究

刁心宏，楊守興，冒小波

（華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330013）

現(xiàn)場取南昌市軌道交通二號線龍崗站泥巖，試驗(yàn)室內(nèi)對其切割、打磨，將泥巖置于不同溫度梯度環(huán)境下（相對濕度RH> 95%）：常溫，35，40，45℃，研究不同溫濕度條件下，泥巖吸水特性及膨脹特性的規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：泥巖在不同的溫濕環(huán)境下吸水曲線可分為3個(gè)階段：劇烈吸水階段、減速吸水階段、吸水平衡階段；吸水量、吸水速率均與溫度呈線性相關(guān)。泥巖在不同溫濕環(huán)境下膨脹曲線也可分為3個(gè)階段：應(yīng)變加速階段、應(yīng)變減速階段、應(yīng)變穩(wěn)定階段；隨著溫度的升高，軸向膨脹率隨之增加，膨脹速率隨隨之加快，達(dá)到膨脹穩(wěn)定的時(shí)間隨之延長。軸向膨脹率、膨脹變形速率均與溫度呈線性相關(guān)。

溫濕環(huán)境；泥巖；吸水特性；膨脹特性

在采礦工程中，隨著現(xiàn)代化技術(shù)的不斷發(fā)展，礦山開采的深度呈逐年遞增的趨勢，這將不可避免的在礦井內(nèi)出現(xiàn)高溫高濕環(huán)境。軟巖在長期高溫高濕環(huán)境的水理作用特性、水分遷移機(jī)理及膨脹特性是當(dāng)前亟待研究的關(guān)鍵問題。目前關(guān)于水巖相互作用的研究主要在于巖石的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、長期強(qiáng)度等在水的作用下，隨時(shí)間的變化規(guī)律。國內(nèi)外對巖石與水相互作用的相關(guān)研究中，包括對含水巖石力學(xué)特性[1-6]、巖石遇水后的微觀結(jié)構(gòu)特征與軟化機(jī)理[7-9]、深部泥巖吸水隨時(shí)間的變化規(guī)律的研究[10-11]、軟巖吸水特性及其孔隙結(jié)構(gòu)變化研究[12]、高溫高濕環(huán)境下水分在膨脹巖中的遷移規(guī)律的研究[13]。從上述文獻(xiàn)的調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，對于深井軟巖在溫濕環(huán)境中其水巖相互作用的研究尚存在不足，對于不同溫濕度條件下軟巖吸水及膨脹的規(guī)律的研究基本處于空白狀態(tài)。

本文采用現(xiàn)場泥巖取樣，通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M軟巖在不同溫濕環(huán)境中吸水特性及膨脹特性的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方法

巖樣取自南昌軌道交通二號線龍崗站，巖性為泥巖，試樣均取自同一塊泥巖，尺寸為Ф50 mm×100 mm，共20個(gè)試件。在試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行加工打磨成Ф50 mm×50 mm，共18個(gè)巖樣，編號分別為NY-1～NY-18，用于不同溫度條件下泥巖吸水特性的研究；Ф50 mm×20 mm共12個(gè)巖樣，編號分別為PNY-1～PNY-12，用于不同溫濕度條件下泥巖膨脹特性的試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1和表2。

表1 不同溫濕度條件下泥巖吸水試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.lWater absorption test of mudstones under different temperature and humidity conditions

表2 不同溫度度條件下泥巖膨脹試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Tab.2 Mudstone expansion test under different temperature conditions

1.1 不同溫濕環(huán)境下泥巖吸水特性試驗(yàn)方法

取18塊泥巖，編號為NY-1～NY-18，巖樣加工為Ф50 mm×50 mm用于吸水測試。試樣在烘箱中（105～110℃）烘干48 h、稱重并記錄數(shù)據(jù)。為了模擬深井中原巖溫度，將巖樣用隔水塑料袋包裝好，然后放置于試驗(yàn)所需溫度的恒溫水域箱中浸泡2 h，以保證巖樣受熱均勻。2 h以后，將各組巖樣置于設(shè)定好溫度和濕度的恒溫水域箱中。恒溫水域箱中的水沒過加熱棒，巖樣的放置剛好與水面接觸。開始試驗(yàn)，按時(shí)間間隔（2，4，6，8，10，12，24，36，48 h，……）稱量試樣的質(zhì)量。

1.2 不同溫濕環(huán)境下泥巖膨脹特性試驗(yàn)方法

取12塊天然含水狀態(tài)下的泥巖，編號為PNY-1～PNY-12，巖樣加工成Ф50 mm×20 mm用于膨脹測試試驗(yàn)。將PNY-1～PNY-12放置于瓦氏膨脹儀中，千分表安裝好之后，用保鮮膜包住千分表，防止試驗(yàn)時(shí)，溫濕環(huán)境對千分表的銹蝕。然后將膨脹儀置于設(shè)定好溫度的恒溫水浴箱中，使水面沒過巖樣，讀取千分表初始讀數(shù)，期間保證液面不下降。開始試驗(yàn)，按時(shí)間間隔（2，4，6，8，10，12，24，36，48 h，……）讀取千分表的讀數(shù)，試驗(yàn)結(jié)束后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同溫濕條件下吸水特征曲線

不同溫度條件下泥巖吸水平均值曲線如圖1所示。由上述吸濕曲線可知，常溫條件下，35，40，45℃條件下泥巖最終吸濕量分別為13.49，14.17，15.24，16.02 g，由此可知隨著溫度的升高，泥巖的最終吸濕量越大，但漲幅不是很大。由圖1可以看出隨著吸水溫度的升高，不同階段的吸水速率愈快，最終吸水量越大，達(dá)到吸水穩(wěn)定階段所用時(shí)間愈短。

2.2 不同溫濕條件下膨脹特征曲線

圖1 泥巖吸濕量平均值曲線（RH>95%）Fig.1 Average value of moisture absorption of mudstone（RH>95%）

圖2 不同溫度條件下泥巖膨脹平均值曲線Fig.2 Average value curve of mudstone expansion under different temperature conditions

圖2為不同溫度條件下，泥巖有側(cè)限條件下的膨脹特征曲線的平均值。由圖可知常溫，35，40，45℃條件下，泥巖平均膨脹率最大值分別為0.189%，0.212%，0.251%，0.388%。由此可知隨著吸水溫度的升高，泥巖的膨脹速率加快，膨脹持續(xù)的時(shí)間越長，最終軸向膨脹率越大，達(dá)到膨脹穩(wěn)定階段所用時(shí)間愈長。

2.3 溫度對吸水特性影響

吉林大學(xué)的劉建芳等人研制了一種雙向推動(dòng)式壓電步進(jìn)精密驅(qū)動(dòng)器，如圖8所示[14-15]，該驅(qū)動(dòng)器由導(dǎo)軌輸出位移，可實(shí)現(xiàn)高頻率(40 Hz)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)到0.24 mm/s，行程25 mm，最大輸出力為47 N。

將溫度與吸濕量的關(guān)系繪制成曲線圖，如圖3所示，由圖可知泥巖達(dá)到吸水平衡后，吸水量與溫度呈線性關(guān)系。為了更直觀分析溫濕度對吸濕速率的影響將泥巖吸水過程概化為理想模型，如圖4所示。由圖4可知，不同溫濕度條件下泥巖吸濕曲線均可分為3個(gè)階段即劇烈吸濕階段、減速吸濕階段、吸濕穩(wěn)定階段。吸濕理想模型的表達(dá)式可用分段函數(shù)表示為：

式中：Qt為不同時(shí)間段的吸濕量，g；t為時(shí)間，h；t0為劇烈吸濕階段的時(shí)間，h；t1為減速吸濕階段的時(shí)間，h；Q0為最終吸濕量，g；tanθ為劇烈吸濕階段吸水速率，g/h；tanθ1為緩和吸水階段吸濕速率，g/h；b為緩和吸濕階段截距。在深部采礦工程中，如遇到軟巖，圍巖具有原始溫度，那么溫度效應(yīng)對泥巖吸濕的過程是不可忽略的。研究溫濕度對軟巖吸濕量隨時(shí)間的變化規(guī)律，對圍巖濕度場分布規(guī)律及次生應(yīng)力場的研究是十分必要的。

圖3 溫度對泥巖吸濕量的影響Fig.3 Effects of temperature on moisture absorption of mudstone

將不同溫濕度對泥巖吸濕速率的影響繪制成曲線，如圖5所示。由圖可知吸濕速率與溫度呈線性相關(guān)，吸濕速率隨溫度的遞增而加快。

2.4 溫度對膨脹特性影響

為了弄清溫濕度對軸向膨脹率的影響，將泥巖軸向膨脹率最大值與溫度的關(guān)系繪制成曲線，如圖6所示。由圖可知膨脹率與溫度的關(guān)系大致呈正相關(guān)，溫濕度對泥巖膨脹特性影響不可忽略。

為了更直觀分析溫濕度對膨脹速率的影響將泥巖吸水膨脹過程概化為理想模型，如圖7所示。

圖4 泥巖吸濕理想化曲線Fig.4 Idealized curve of mudstone moisture absorption

圖5 溫度對泥巖吸濕速率的影響Fig.5 Effects of temperature on the moisture absorption rate of mudstone

圖6 不同溫濕環(huán)境下泥巖軸向膨脹率平均值Fig.6 Average values of axial expansion of mudstone under different temperature and humidity conditions

圖7 不同溫度下泥巖軸向膨脹理想化曲線Fig.7 Idealized axial expansion curves of mudstone under different temperature conditions

由圖7可知，不同溫濕度條件下泥巖膨脹特征曲線均可分為3個(gè)階段即應(yīng)變加速階段、應(yīng)變減緩階段、應(yīng)變穩(wěn)定階段。不同溫濕度條件下，泥巖膨脹特征理想模型的表達(dá)式可用分段函數(shù)表示為

式中：εt為泥巖吸水膨脹隨時(shí)間的變化關(guān)系；t為時(shí)間，h；t0為應(yīng)變加速階段的時(shí)間，h；t1為應(yīng)變減速階段的時(shí)間，h；b為應(yīng)變減速階段的截距；ε0為軸向最終膨脹變形量，%，為常量；tan θ為軸向膨脹變形速率%/h，可用v（t）表示。 膨脹變形速率v（t）不僅與溫度有關(guān)，還受泥巖礦物成分、含水率、巖體微觀結(jié)構(gòu)影響。不同類型的泥巖膨脹速率v（t）可通過室內(nèi)試驗(yàn)獲得。研究泥巖膨脹變形隨溫度的變化，對深部礦井工程的安全監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)測預(yù)報(bào)十分必要。

將不同溫濕度對泥巖軸向膨脹速率的影響繪制成曲線，如圖8所示。由圖可知軸向膨脹速率與溫度呈線性相關(guān)，膨脹變形速率隨溫度的遞增而加快。

圖8 溫度對泥巖吸濕速率的影響Fig.8 Effects of temperature on moisture absorption rate of mudstone

3 結(jié)論

1）泥巖在不同的溫濕環(huán)境下吸濕曲線可分為3個(gè)階段：劇烈吸濕階段、減速吸濕階段、吸濕平衡階段。吸濕量、吸濕速率均與溫度呈線性相關(guān)，即隨溫度的升高，吸濕量有所增加，吸濕速率隨之加快，吸水平衡時(shí)間縮短。

2）泥巖在不同溫濕環(huán)境下膨脹特征曲線也可分為3個(gè)階段：應(yīng)變加速階段、應(yīng)變減速階段、應(yīng)變穩(wěn)定階段。隨著溫度的升高，軸向膨脹率隨之增加，膨脹速率隨隨之加快，達(dá)到膨脹穩(wěn)定的時(shí)間隨著延長。軸向膨脹率、膨脹速率與溫度均呈線性相關(guān)。

3）根據(jù)吸水特征曲線及膨脹應(yīng)變與時(shí)間的關(guān)系曲線，分別提出了吸水隨時(shí)間的理想化模型及膨脹應(yīng)變與時(shí)間的理想化模型，對受地溫影響的相關(guān)工程的安全監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)測十分重要。

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Experimental Study on Water Absorption and Expansion Characteristics of Mudstone under Conditions of Different Temperature and Humidity

Diao Xinhong，Yang Shouxing，Mao Xiaobo
（School of Civil Engineering and Architecture,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China）

Mudstones were sampled from Longgang station of Nanchang Metro Line 2 and were cut as well as ground in the laboratory in this study.Then it explored the water absorption and expansion regularity of mudstones under different temperature and humidity conditions(relative humidity RH>95%)，namely the normal temperature，35℃，40℃，and 45℃.The test results showed that the water absorption curve of the mudstones can be divided into three stages under different temperature and humidity conditions：severe water absorption phase, the deceleration phase of water absorption and water absorption equilibrium phase；water absorption and water absorption rate were linearly correlated with temperature.The expansion curves of mudstones under different hygrothermal conditions can be divided into three stages：the strain acceleration stage,the strain deceleration stage, and the strain stabilization stage.With the increase of temperature，the axial expansion rate and the acceleration rate of expansion increased and the time of reaching the steady expansion was prolonged.It maintains that the temperature is linearly correlated with the axial expansion rate and expansion deformation rate.

temperature and humidity condition;mudstone;water absorption;expansion characteristic

TU458.4

A

1005-0523（2017）03-0014-05

（責(zé)任編輯 王建華）

2017－01－14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51564010）

刁心宏（1961—），男，教授，博士，研究方向?yàn)閹r土工程、道路與鐵道工程。