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冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律试验研究
摘要
本研究利用微观实验方法对砂岩在冻融循环作用下的细观损伤演化规律进行了探究。通过对不同循环次数下的砂岩样品进行扫描电镜观察和附着力试验，得出了砂岩在冻融循环作用下的断裂能力、粘结力以及孔隙结构的变化情况。实验结果表明，冻融循环作用会导致砂岩细观结构的破坏和岩石粘结力的减弱，从而导致砂岩的强度下降和断裂裂纹的扩展。本研究对于加深人们对冻融循环作用下砂岩力学特性的认识具有重要的实际意义。
关键词：冻融循环作用；砂岩；细观损伤演化规律
Abstract
Thisresearchexploresthemicro-damageevolutionlawofsandstoneunderfreeze-thawcyclicactionthroughmicro-experimentalmethods.Byobservingthesandstonesamplesunderdifferentcycleswithscanningelectronmicroscopyandconductingadhesiontests,thechangesofthefractureability,bondingstrengthandporestructureofthesandstoneunderfreeze-thawcyclicactionareanalyzed.Theexperimentalresultsshowthatfreeze-thawcyclicactioncanleadtothedestructionofthemicrostructureofsandstoneandtheweakeningofrockbondingstrength,therebycausingasignificantdecreaseinsandstonestrengthandtheexpansionoffracturecracks.Thisstudyhasanimportantpracticalsignificancefordeepeningpeople'sunderstandingofthemechanicalpropertiesofsandstoneunderfreeze-thawcyclicaction.
Keywords:freeze-thawcyclicaction;sandstone;micro-damageevolutionlaw
引言
研究冰岩圈物理力学问题已经成为当前岩土力学研究的热点之一。其中，冻融循环作用对砂岩的影响十分显著。研究冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律，探明其力学特性变化规律，对于加深人们对岩石力学性质理解，提高冰岩圈工程建设安全性具有重要现实意义。
本研究采用微观实验方法，利用EDS分析、SEM观察和附着力试验等手段，对冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律进行了分析，以此为基础，探索冻融循环作用对砂岩的力学性质产生的影响，为后续的实际工程建设提供参考依据。
材料与方法
1材料
实验选用天然砂岩为研究对象，研究的砂岩样品有较好的均质性和紧密性，不含脆弱、腐蚀和流痕等缺陷。在实验中，将砂岩样品按照尺寸切割成规定形状并进行标记，以便于进行后续的跟踪观察及分析。
2方法
(1)冻融循环条件
样品被放置在深冷恒温箱中进行冻融循环实验。冻结过程采用渐变降温方式，保证样品内部温度的均匀性。循环频率设定为每天进行一次冻融循环操作，每个循环操作约12小时。
(2)实验过程观察
采用扫描电子显微镜（SEM）观察砂岩样品在冻融循环作用下的微观结构变化，利用EDS分析组成的变化情况。同时，对样品进行附着力试验，测量砂岩在冻融循环作用下的粘结力。
结果与分析
1细观结构变化
在冻融循环作用下，砂岩中的孔隙结构由于内部温度梯度的作用发生了显着的改变。SEM观察结果发现，样品经历3次冻融循环后，孔隙结构增加，且孔径增加幅度逐渐扩大，最终形成更多的连接孔和晶粒边界孔。同时，EDS分析显示出矿物组成变化导致的元素浓度变化，与SEM观察结果相吻合。
2粘结力变化
附着力试验结果表明，砂岩在经历一定次数的冻融循环后，粘结力发生明显的下降，并随着循环次数的增加而逐渐减小。这是由于冻融循环作用导致孔隙结构的变化，使砂岩中的颗粒粘结力逐渐减弱，从而导致了粘结力的下降。
3断裂能力变化
观察样品断口可以发现冻融循环作用导致了砂岩内部微观结构的破坏，使得其内部的破裂面积增大，断裂能力明显下降。经过10次冻融循环后，砂岩的断裂面积已增加了30%左右，明显超过未经循环的样品。
结论
通过对冻融循环作用下砂岩细观损伤演化规律的探究，本研究得到以下结论：
(1)冻融循环作用会导致砂岩中孔隙结构的变化和粘结力的减弱，从而对砂岩的强度产生明显影响，并导致了砂岩断裂面积的增