冻融花岗岩细观损伤演化的核磁共振
周科平，张亚民，李杰林，许玉娟
(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙，410083)
摘要：为研究岩石经历冻融循环后的细观损伤演化特征，选取寒区花岗岩岩心为试样，划分为5组，在饱和状态下分别对各组进行多轮冻融循环试验，利用核磁共振技术在每轮冻融循环结束之后对试样进行检测，获得岩石在不同冻融阶段的试件表面变化、质量变化、弛豫时间T2分布、孔隙度变化和孔隙分布及结构成像等。通过对冻融循环数与试样质量、孔隙度等之间的关系进行分析对比，表明试样在冻融循环作用下岩石内部孔隙不断损伤扩展，孔隙度提高，使得试样在饱和状态下的质量增加。通过对比不同轮次核磁共振结构成像图，结合孔隙分布和孔隙度增长规律，总结岩石在冻融循环试验中的细观损伤的演化模式，为研究寒区岩体的破坏机理提供一定的理论依据。
关键词：冻融循环; 核磁共振; 细观损伤; 核磁共振成像
中图分类号：TU 458+.2 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2013)08-3384-06
Granite microstructure deterioration characteristic under condition of freezing-thawing based on NMR technology
ZHOU Keping, ZHANG Yamin, LI Jielin, XU Yujuan
(School of Resource and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)
Abstract: To get the microscopic damage of rock, granite rock from cold region was selected as samples (saturated) to conduct freeze-thaw cycle experiment of different cycle index. Nuclear magnetic resonance (NMR) technology was used to detect microscopic damage of rock samples after each cycle group. The changes of samples’ surface, variation of mass, T2 spectrum, porosity changes distribution and porosity NMR images of different stage were obtained. The results indicate that pores in the rock expand and porosity increases, mass of samples in the condition of saturated also grows with the growing cycle numbers. Degradation evolution mode is obtained by comparative analysis of NMR images and porosity distribution and its increasing principle of different cycle index. This research will provide theoretical basis for the study of rock deterioration principle in cold region.
Key words: freezing and thawing cycles; nuclear magnetic resonance (NMR); microscopic damage; magnetic resonance imaging (MRI)
随着人类社会、工程活动的加剧，工程的复杂性及地质灾害的触发率越来越高，其中多与岩石的风化密切相关[1]。岩石的风化作用过程包括物理风化和化学风化2个方面，而对于寒区岩体工程而言，冻融循环效应对于岩石的损伤就是一个不容忽视的问题[2-3]。目前，对于冻融岩石的研究主要包括物理力学参数变化特性、损伤劣化机理及细观孔隙损伤特征等，获得了很多有益成果：Nicholson等[4]对十余种含有原生裂隙的沉积岩进行冻融循环试验，分析了原生裂隙对岩石冻融破坏的影响，并将其归类成4种冻融劣化模式；陈玉超等[5]总结了砂岩和页岩在冻融循环后的破坏机理；徐光苗[6]研究了2种岩石在开放饱水条件下的冻融循环试验，分析了相应的力学特性，并建立了岩石冻融的温度-渗流-应力损伤本构模型；王家禄等[7]利用CT扫描及三维技术构建了岩心的三维孔隙变化模型；刘成禹等[8]利用电镜扫描对冻融作用下的花岗岩进行了损伤机理研究。这些成果表明，针对冻融岩石的试验研究已经取得了很大进展。但对于岩石在冻融作用下细观损伤扩展的研究相对较少，特别是在对岩石微孔隙损伤演化的测试研究方面，多以CT扫描技术、电镜扫描法、声发射、高速摄影等传统手段为主，而这些方法均存在不足，如电镜扫描法要求试样体积很小，只能实时观测；声发射技术检测的频率等指标很难与岩石裂纹参数形成定量关系；CT扫描技术则难以反映细观结构的特点[9]。核磁共振技术(NMR)作为研究岩石细观结构的新型检测方式，通过核磁共振弛豫来获取岩石孔隙分布及孔隙结构特征、渗透率、流体含量等信息，具有无损、反复和快速等优点[10]，核磁共振成像可清晰直观地表现岩石内部孔隙损伤的发展，目前NMR技术在岩土工程领域已经得到了初步应用，在岩石无损检测、孔隙渗流、微观结构探测等方面表现出了独特的优势[11-13]。本文作者通过对寒区花岗岩岩心试样进行多轮冻融循环试验，利用核磁共振技术对每轮冻融循环结束后的试样进行核磁共振弛豫时间测量和微孔隙成像，通过分析试样质量变化、T2分布图谱、孔隙度变化和核磁共振成像与冻融循环数之间的关系，得到了岩石在冻融作用下的细观损伤演化规律。
1 试验原理及方案
1.1 冻融循环试验
冻融循环试验主要模拟寒区工程受到当地特定气候影响而产生的损伤破坏规律。通过设置不同的试验条件，包括冻融持续时间、冻融温度和冻融数等，对岩芯试样进行反复冻结和融解，得到的试样物理力学参数变化，分析得到寒区岩体的冻融损伤特征和劣化机理。试验仪器采用苏州市东华试验仪器有限公司生产的TDS-300型冻融循环试验机。
1.2 核磁共振技术原理
核磁共振岩心测量的基础是原子核的磁性及其与外加磁场的相互作用，主要测量岩石孔隙中含H流体的弛豫特征[14]。水饱和样品中的H质子在静磁场和交变磁场的影响下，会出现能量的释放，即为核磁共振信号。通过这些信号差别可以得到横向弛豫时间T2分布，并且绘制岩心核磁共振成像(MRI)，直观反映岩石孔隙结构的变化特征。试验仪器核磁共振岩心分析采用上海纽迈电子科技有限公司生产的MiniMR-60核磁共振成像分析系统。
1.3 试验方案设计
试样为花岗岩，取自黑龙江省某矿山，按《水利水电工程岩石试验规程》(SL264-2001)中相关规定制作完成。参照取样地的气候条件，在-40 ℃的温度下冻结4 h，然后在20 ℃的水中融解4 h，即每个冻融循环周期为8 h。
试验步骤为：(1) 将试样分成5组Z1~Z5，每组3块，分别对各组试样进行编号，编号为N-1~N-15；(2) 测量试样的质量、尺寸，并观察其外观，如实记录；(3) 第1轮冻融试验对5组试样分别进行0，10，20，30和40次冻融循环；(4) 去除试样称质量并观察试样外观变化，记录；(5) 对试样进行核磁共振检测；(6) 对完整试样进行第2轮冻融循环，均为20次，随后进行第(4)和(5)步，并重复至第4轮；(7) 结束试验。具体试验方案见图1。
图1 试验方案流程图
Fig. 1 Sketch map of experiment process
2 试验结果分析
2.1 岩石质量变化
冻融作用对于岩石的损伤破坏主要体现在2方面：岩石在冻结过程中，内部孔隙水结成固体，产生冻胀力并对微孔隙造成损伤，而融解过程加强了水在岩石内部的迁移，加速了损伤[15]；另一方面，由于组成岩石的介质颗粒不均匀性，温度变化使得颗粒间的相互作用加强，加速微裂隙的产生[16]。
图2所示为5组试样在不同冻融数下的质量变化。从图2可以看出：冻融前后试样的质量总体呈现出增长的趋势，增长幅度各有不同；部分试样在不同轮次冻融循环结束之后，质量出现略微降低，例如N-7，N-11，N-13和N-15等试样。这是因为岩石在水的冻结融解和颗粒间的作用等2种损伤作用下，内部孔隙不断扩展，导致试件在饱和状态下的含水率提高，试样质量增加；同时随着冻融循环数的增加，试样表面可能出现片落、剥蚀等现象，从而导致试件的质量有所下降。
2.2 核磁共振T2分布变化
采用核磁共振技术，对不同冻融阶段的试样进行了测试，得到了横向弛豫时间T2分布。T2分布反映了孔隙尺寸信息，T2弛豫时间与孔隙直径成正比，信号强度则反映了不同孔径孔隙的数量，通过观察T2谱的变化可以反映出岩石内部孔隙结构的变化。
以N-5试样为例，图3(a)所示为N-5试样在4轮冻融循环后的核磁共振T2分布曲线，从图3(a)可看出：从10~30次循环过程中，T2谱的3个峰均出现小幅度增长，说明此阶段的孔隙在冻融作用下已开始出现损伤；30~50次循环过程中，T2谱形变化较大，特别是最右侧的第3个波峰，信号强度大幅提高，而第1、第2波峰呈现略微下降的趋势，表明该阶段岩石内大尺寸孔隙增长迅速，而中、小尺寸孔隙发育的趋势变缓，岩石内部的微孔隙处于不断扩展阶段；在50~70次的循环过程中，左侧第1、第2波峰有了很大增长，而最右侧的第3波峰变化幅度较小，说明该阶段孔隙以中、小孔隙发育为主，大尺寸孔隙扩展趋势变缓。图3(b)所示为试样50次冻融后的情况，可以看出：试样在50次冻融循环后表面出现了宏观可见的裂纹，该现象与图3(a)中冻融50次后曲线中最右侧第3波峰的大幅度变化结果相印证，说明核磁共振的检测结果与实际情况相符。
图2 冻融循环作用试样的质量变化
Fig. 2 Quality variation of granite samples
图3 N-5号试样在4轮冻融后的T2谱及其50次冻融后表面情况
Fig. 3 Image of N-5 and its T2 spectrum with different freeze-thaw cycle index
2.3 岩石孔隙度变化
通过核磁共振技术检测到的弛豫时间T2分布，可以换算岩石的孔隙度。本次试验以第1轮核磁共振检测(5组试样冻融数分别为0，10，20，30和40次)得到的孔隙度为试样初始测量值。
图4 Z2组试样在不同冻融数下的孔隙度变化
Fig. 4 Porosity variation of Z2 group samples under different freezing-thawing cycles
图4所示为Z2组试样在不同冻融循环数后(经历了10，30，50和70次冻融循环)孔隙度的变化曲线。从图4可以看出：同一岩性试样的初始孔隙度存在一定差异，随着冻融循环的进行，试样的孔隙度逐渐提高，试样之间的孔隙度差也在不断增大；不同试样在不同轮次的冻融循环中孔隙度的增长幅度均有所不同，N-4和N-5试样在第3轮冻融过程中孔隙度变化幅度最大，而N-6试样的孔隙度则在第4轮冻融过程中增长幅度较大。
图5所示为不同组次试样在4轮冻融循环后组均孔隙度的变化曲线。结合图4第1轮冻融后的试样孔隙度情况及图5中不同冻融数孔隙度变化可见，由于试样在试验前的原始孔隙度差异和冻融过程对试样的冻融效果的不同，冻融循环数与孔隙度之间的相关关系较为复杂。
图5 5组试样在4轮冻融后的平均孔隙度变化
Fig. 5 Average porosity variation of 5 group samples under different freezing-thawing cycles
图5中4轮循环过程中平均孔隙度的变化可见，随着冻融循环轮数的增加，各组试样的孔隙度均值不断提高，提高幅度逐轮增加；以第1轮核磁共振检测得到的孔隙度为初始测量值，5组试样经历4轮冻融循环之后，孔隙度分别增加了230.3%，218.6%，165.1%，181.8%和139.5%，对比孔隙度增长幅度与试样第1轮孔隙度，表明试样初始孔隙度与冻融循环数成正相关关系。不考虑组成岩石颗粒的各向异性，岩体的孔隙度越大，环境冻融作用对其造成的损伤越大。
3 核磁共振成像分析
利用核磁共振技术检测，得到每轮冻融循环试验后试样的MRI图像。截取与试样轴向垂直的5个面进行成像，图像中亮色区域代表存在流体的孔隙，亮度越大孔隙越大，无孔隙及周边为黑色底色。
图6(a)所示为编号N-1试样在第1轮冻融(0次冻融循环)结束后的MRI图像(第1轮冻融结束后成像图中下侧外圈白色轮廓为载床)。由图6可见：不同截面中的空隙数量和分布均有所不同，其中左数第3、第4和第5截面白色光点少而暗淡，均存在1个光团，说明这2个截面附近孔隙度低，以中、小孔隙为主；而在第1、第2截面中亮点较多，并且存在多个光团，表明这2个区域孔隙密度较高，大尺寸孔隙含量多。
图6(b)所示为试样同一截面(垂直岩芯轴向中心处截面)位置在4轮冻融循环后的MRI成像对比(以Z2组MRI成像结果为例)。从图6(b)可见：10次冻融后截面孔隙数量少，且以中、小尺寸孔隙为主，孔隙中含水多为束缚水。
图6 岩石在不同冻融数下的核磁共振成像
Fig. 6 NMRI results of samples under different freezing and thawing cycles
30次冻融后，N-4中孔隙数量和尺寸均有一定程度提高，形成了3个大尺寸孔隙集中区，周围中、小孔隙有所发展；N-5试样产生了几个由孔隙形成的小区域，明亮程度不高，以中小孔隙为主(N-6试样第2轮MRI图像存在异常)，说明冻融循环数的增加使得截面上孔隙数量和尺寸均有了一定的增长趋势，但是增长幅度有所不同。
50次冻融后，N-4试样各尺寸孔隙均保持了较好的扩展速度，中、小孔隙与大孔隙之间开始相互影响；N-5试样的孔隙变化最大，各尺寸孔隙数量大幅增加，大孔隙密集区逐渐贯通；N-6试样则形成了诸多孔隙密集区，而密集区之间的发展迟缓。
70次冻融循环后，N-4试样的孔隙密集程度进一步提高，孔隙密集区域数量增多，岩石损伤严重；N-5试样截面出现大幅度变化，孔隙集中区与周边中、小孔隙贯通并覆盖了试样大半截面，可见局部细观损伤已经扩展到宏观破坏的程度；N-6试样截面中孔隙发展以孔隙集中区向外辐射为主，速度缓慢，孔隙区之间很难相互贯通。
以上分析表明，在冻融循环过程中岩石微孔隙损伤程度的演化可以通过试样孔隙分布结构的变化归纳为2种情况：各尺寸孔隙均匀分布和大部分孔隙形成局部密集型分布。对比岩石实际损伤程度发现前一种演化模式更容易造成孔隙间的贯通，从而在孔隙扩展中对岩石形成严重破坏。
4 结论
(1) 冻融循环作用下，试样受到2种劣化模式的相互作用，内部微孔隙不断损伤扩展，甚至在一定冻融数后试样表面出现明显裂纹。岩石内孔隙的增加也加强了水的迁移，使得试样的质量增加。
(2) 核磁共振检测到试样的弛豫T2分布由3个峰组成，随着冻融循环数的增加，波峰信号强度均呈现出增长的趋势。试样在50次冻融后表面出现了宏观裂纹，与其在50次后T2谱第3波峰的大幅度提高相印证，说明核磁共振的检测结果与实际情况相符。
(3) 随着冻融循环试验的进行，岩石内部孔隙逐渐增多，孔隙尺寸增大；岩石在冻融过程中孔隙度的增长幅度与试样初始孔隙度成正比。岩石内部分区域由于原始孔隙集中，在冻融循环达到一定次数之后可能贯通并出露试样表面形成宏观裂纹。
(4) 通过分析岩石内部孔隙尺寸结构和孔隙的分布情况，可定性判断冻融循环试验对岩石的冻融效果。分析表明孔隙结构合理且分布较为均匀的岩体更容易受到环境温度变化的影响。
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(编辑 陈爱华)
收稿日期：2012-10-06；修回日期：2012-12-19
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51074178)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20090162110036)
通信作者：周科平(1964-)，男，湖南衡阳人，博士，教授，博士生导师，从事矿山岩石力学方面的研究；电话：0731-88879965；E-mail：kpzhou@263.net
