英语原文共 26 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

冻融和热冲击风化对安山岩的物理和机械性能的影响

Huseyin Yavuz

摘要：当天然石料被用作路面、包层和砖石材料时，被暴露于物理风化，由于暴露受到冻融（F-T）和热冲击（TS）的作用被物理风化。在这项研究中，安山岩的恶化是由10个F-T循环和多达50个周期的TS后测定安山岩样品的物理和机械性能。结果发现，P波速度，施密特硬度和抗压强度减少与F-T和TS而不同程度孔隙度和使用F-T循环水吸收增加，但与TS周期减少。结果表明，F-T具有比TS所研究的材料更具破坏性的影响，虽然磨损损失的测量表明，该该材料的表面上的效果较大值的TS。一个指数模型提出了预测与F-T和TS循环材料特性的变化。

关键词：冻融 热冲击 物理风化 安山岩

1 引言

岩石的物理风化恶劣的气候条件下发生，特别是冻融（F-T）和热冲击（TS）。这引起岩石的微观结构的变化，诱发新的微裂纹和影响其物理和机械性能（Takarlietal.2008; Tugrul2004）。

在寒冷地区，岩石风化是由于水的反复F-T（Chen等，2004）。对F-T的抵抗力取决于一组复杂的材料特性，包括岩石的矿物成分、纹理和孔的特征（利索等，2007）。水的冻结导致在增加约9％的体积，这会导致气孔和裂纹的壁上的压力。当压力达到的材料的抗张强度，现有关节和孔被放大和新微裂缝被开发（Chen等人，2004年）。反复季节性的F-T周期诱导材料的进一步减弱（Mutlutu RK等人，2004）。

矿产有不同的热导率，从而扩大和在与岩石变暖和变冷不同速率（塞尔比，1985）。各向异性的热膨胀可以内部和各个岩石颗粒之间发生，而相邻的晶粒也可以在加热时施加可变压力（哈尔及沙古尔2003）。如果热引起的应力是一个足够的大小，材质是无法调整足够快，以适应所需的快速冷却过程中变形等损坏（Hall 1999;黑尔和沙古尔2003）。

安山岩由于坚硬的、结实的结构、外形美观，作为石材始终处于全球需求。它通常在人行道和台阶所用，以及用在墙壁包层和砖石材料。由于这石主要用在外部位置，耐物理风化是一个至关重要的性能。

Tugrul（2004）在新鲜和风化的岩石样品执行测试，并表明，增加风化导致增加在岩石的抗压强度的孔隙率和降低。Karpuz和Pasame-mitoglu（1997年）建立安卡拉安山岩和有效孔隙度、施密特锤值、点荷载强度和地震波速度的风化程度之间的关系。利用人工神经网络和模糊推理系统，Gokceoglu等（2009）开发的模型来预测一个花岗岩的风化程度从孔隙度、P波速度和单轴抗压强度测定。

Yavuz等（2006）在实验室对碳酸盐岩进行F-T检验，并从最初的劣化岩石的索引属性索引属性和F-T周期建立了模型估计。 Ruedrich和Siegesmund（2007）强调在饱和的重要性多孔砂岩造成的F-T的伤害，而陈等人（2004）研究了饱和的对F-T的效果高度多孔的损伤熔结凝灰岩，发现当饱和的初始度超过70％时，孔隙度和岩石伤害提升显著。黑尔和沙古尔（2003）研究了不同砂岩样本，发现经过F-T周期，在2-7％的范围的孔隙度值引起多个过程中抗压强度降低。十种类型沉积岩由于F-T行动的劣化模式的详细图形记录由Nicholson和尼克尔森（2000）中给出谁表明岩缺陷的存在或不存在单独不控制的劣化模式，但根据岩石强度和结构特性，这种缺陷可能会加剧损害。Mutluturk等（2004）提出了在任何的F-T周期与周期数和一个衰减常数岩石的原始完整性与完整性的比例的指数衰减函数模型，以指示平均相对完整性损失作为任何单一循环的结果。该材料的重要性通过以下事实强调该Tarkarli等人（2008）发现在渗透性的降低并进行F-T花岗岩样品的P波速度条件，而Prikryl等人（2003）记录泥灰岩样品在物理和机械性能着变化经过十个F-T周期没有明显得改变。

Yavuz等人（2006）在实验室对碳酸盐岩进行TS测试，并建立模型来估算指标取决于初始指数劣化岩石性质属性和TS周期数。黑尔和沙古尔（2003）分析了砂岩抗压强度的变化是由于加热和冷却循环摆动。 Mutlutu RK等人（2004）提出的衰减函数模型估计损失是由于加热和冷却岩石完整性。索萨等人（2005）上进行的TS上的效果的调查不同的花岗岩，发现花岗岩P波速度在TS实验后下降。

本文报道了一项研究，调查的效果上安山岩样品的劣化的F-T和TS循环通过其物理和机械性能，例如表观孔隙率，以重量吸水率，P波速度，施密特硬度，单轴抗压强度和Bohme表面磨损损失。

2 所研究的安山岩描述

伊斯帕尔塔安山岩，被称为玫瑰石，是从伊斯帕尔塔城市土耳其（图1）的格尔居克区域获得。它是一个细粒喷出火成岩，在颜色一般灰色用深色辉石和角闪石矿物。岩石的微观字符所示图2和在表1中所报告的化学。安山岩有一个隐晶质，以斑状结构。矿物成分为70％左右钾长石（透长石）用8％辉石，3％黑云母，2％角闪石，2％磁铁矿和15％细粒度地质量。

用70毫米边缘尺寸的立方样品从目视均匀和无缺陷的安山岩块被切断。准备的144个样本中，有一半被用于F-T测试和一半TS测试。每组72个样品被分为6个亚组（12个样品）

图1.各地伊斯帕尔塔地区安山岩地层简化地质图

图2.安山岩样品的微观

3 F-T和TS的实验室模拟条件

在F-T模拟跟随土耳其官方标准TS EN 12371（2003），即6小时冷冻（-20℃），随后通过一个18小时解冻的期间，样品是在20 2℃完全沉浸在水中。一个样品组用作对照，在其上的初始性能进行了测定。其他5子集经受为10，20，30，40或50的F-T循环。

用于进行TS试验所遵循的方法TS EN 14066（2004）。一个TS循环包括放置的在105℃烘箱样品18小时，然后立即它们浸泡在水中室温下6小时。与在F-T的实验中，一部分被用作对照，其他的进行10、20、30、40或50的TS循环。

经过相应次数的F-T或TS周期，样品在105℃烘箱中干燥，直到他们完全脱水，然后冷却。

4 新鲜的物理和机械性能风化安山岩

使用饱和和浮力技术以下ISRM（1981）和TSE699（1987）进行了测定（重量）的岩石样品的表观孔隙度和吸水性。散装样品体积从饱和表面干燥重量和饱和淹没重量之间的重量差确定。

有效孔隙体积从萨图马雷额定光面干重和干样品重量之间的重量差来确定。表观孔隙率除以孔体积的体积的样品体积计算的，而水的吸收是由孔体积的比率来确定干样品重量。与标准偏差（SDS）和变异系数（覆盖）的初始条件和治疗的各10个周期的平均表观孔隙率和水吸收值在表2和3中分别给出。

使用具有54千赫的频率的PUNDIT仪和两个换能器（发射机和接收机）测定所有样品的P波速度;用于测量直接传输方法。速度从行驶距离的比例来计算通过岩石样品行进的P波的时间。平均P波速度，SDS和CoVs表4中给出。

施密特回弹硬度测定以下使用L型施密特锤0.74 Nm的冲击能量ISRM（1981）。二十个垂直影响在两个样品的F-T和TS每十个周期进行;每个测试位置由柱塞的至少直径分离。结果列于表5中给出。

磨损试验是按照TSE699使用BOuml;HME磨耗试验机（1987）进行的。所述样品进行该盘的22匝，该过程重复20次。对F-T和TS的每十个循环的体积损失（初始和磨损样品之间的体积的差）在表6中给出。

单轴抗压强度测定以下TSE699（1987）和ISRM（1981）。应力速率为1和1.2兆帕/ s之间。从18个新鲜样品和9个样品每一个风化治疗的10个周期的结果总结于表7中。

5 结果分析

如下见图3和图4，F-T的50次循环后，孔隙度和水吸收值分别增加了22.3％和19.4％。但是，这些特性经过TS的50次循环后分别减少了7.7和8.4％。孔隙率经过F-T循环的增加是增加微裂纹的数量和孔的结果。在TS循环，加热导致的矿物质扩张，无法在水中冷却时迅速恢复，从而导致损坏其中随着TS循环增加和逐渐减小孔隙率和吸水率。

表1.安山岩的化学成分：

表2. 均值、标准差（SD）和新鲜的显气孔率数值变化（COV）的系数和风化样品

表3. 均值、标准差（SD）和变异系数新鲜水吸收值（COV）和风化样品

表4. 均值、标准差（SD）和变异系数（COV）新鲜和风化样品的P波速度

表5. 均值、标准差（SD）和变异系数（COV）新鲜和风化样品的施密特硬度值

表6. 均值、标准差（SD）和变异系数（COV）的新鲜和风化磨损量损耗值样本

表7. 均值、标准差（SD）和变异系数（COV）的新鲜单轴抗压强度值和风化样品

P波速度测试提供总物质损失的准确估计。两个F-T和TS周期诱导P波速度的下降，由于创造新的微裂纹或者将现有的扩大（Takarliet人，2008年）。但是，这种下降不是为TS显著由于与加热引起的不可恢复变形材料的压实。如见于图如图5所示，P波速度F-T和TS的50次循环后分别减少为初始值的93.8和98.2％。

经过的F-T和TS的50个循环，安山岩样品的施密特硬度分别降低到93.6％和初始硬度值的94.6％（图6）。图7所示由于模拟风化抗压强度的变化; 经过F-T和TS的50个循环后，初始抗压强度值测定分别为86.6％和88.5％。

如该图8所示，安山岩被发现经过TS更容易发生磨损相比F-T，分别经过50个循环之后记录为初始值的60.3％和30.7％。

图3. 在任何周期显气孔率百分比的变化（P n）相对于初始孔隙（Po）

图4. 在任何周期吸水率百分比的变异（WAn）相对于最初的吸水率（WAo）

图5. 在任何周期的P波速度的百分比变化（VPn）相对于初始的P波速度（VPo）

图6. 在任何周期施密特硬度的百分比变化（SHn）相对于初始硬度施密特（SHo）

图7. 在单轴抗压强度百分比的变化任何周期（UCSn），相对于初始抗压强度（UCSo）

图8. 在任何bohme磨损体积损失率的变化周期（BAn）相对于初始bohme磨损体积损失（BAo）

进行回归分析，以从初始材料特性预测劣化安山岩的物理和机械性能。通过Mutluturk等人提出的指数函数（2004）与被发现与所获得的数据有很好的匹配。在任何周期的F-T或TS（N）内，此功能被重排来得到指风化石的指标属性为初始值的百分比如下：

其中In是岩石的F-T或TS的N个周期之后的属性，Io是岩石的初始属性，是指示由任何单一周期的作用的意思完整性损失的衰减常数。配合Eq.1至图3、4、5、6、7和8中给出的数据以后，每个岩石性质的衰减恒定值（lambda;）进行了测定（见表8）。

6 结论

对伊斯帕尔塔安山岩样品进行的多达50个F-T和TS循环后发现，该不良作用是与F-T条件更显著：

1. 经过50个F-T循环后，，P波速度、施密特硬度和压缩强度减少到初始值的93.8％、93.6％和86.6％，相比TS的初始值降到了98.2％，94.6％和88.5％。
2. 经过F-T周期，气孔率、吸水率增加了，但TS周期的下降。
3. 经过50个F-T周期后，磨损量为30.7％，相比下TS为60.3％。
4. 一个指数模型，提出了预测经过F-T和TS循环后石材的性质。

7 参考文献

1. Bilgin A, Sargın S (2003) Building stones and their environmental interaction in Isparta Region (Turkey). In: International symposium on industrial minerals and building stones, pp 259–264

2. Chen TC, Yeung MR, Mori N (2004) Effect of water saturation ondeterioration of welded tuff due to freeze–thaw action. Cold RegSci Technol 38:127–136

3. Gokceoglu C, Zorlu K, Ceryan S, Nefeslioglu HA (2009) A comparative study on indirect determination of degree of weathering of granites from some physical and strength parameters by two soft computing techniques. Mater Charact 60:1317–1327

4. Hale PA, Shakoor A (2003) A laboratory investigation of the effects of cyclic heating and cooling, wetting and drying, and freezing and thawing on the compressive strength of selected sandstones.

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[150580]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word