2021年发表在岩石力学与采矿工程领域顶级期刊《International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences》上，来自武汉大学吴志军教授和翁磊副研究员团队，主要研究饱水砂岩冻结过程中的未冻水含量演化过程的定量表征及其冻胀损伤特性。文章中最核心的部分是利用低场核磁共振测试系统定量表征了冻结作用下砂岩的未冻水含量演化过程，对于揭示了冻结砂岩的冻胀损伤机理有重要意义。

研究背景

近些年，越来越多的重大岩土工程项目建设在高寒海拔地区，比如中国西北最低温低至-41.5℃，且一年中有三个月以上的时间气温低于-20℃。寒冷地区的工程岩体在极端低温和地表水/冰耦合作用下引发岩体微破裂甚至失稳，严重威胁着寒区基础工程设施的安全和运行。低温下岩体的物理和力学劣化机理一直是研究中的热点问题，然而目前的研究大多集中于冻结岩石的宏观力学性质劣化规律，且常规的测试手段难以从细观层面揭示岩石的细观损伤演化过程。

作为一种无损检测方法，核磁共振测试技术可以对标准尺寸试样（直径50mm*高度100mm）的孔隙结构与孔径分布信息进行快速准确地测定，精度可达0.1nm，远超压汞法、氮气吸附法和Micro-CT等。本研究基于低场核磁共振技术，对不同砂岩的冻结过程中核磁信号特征进行分析，定量分析了未冻水含量的演变规律，探讨了束缚水和可动水对岩石冻结损伤的贡献机制。

实验设计及方法

原料及样品制备

本研究选取了来自中国5个不同地区的砂岩试样为研究对象，这些地区包含山东、西南的四川和云南等地（图1）。XRD测试分析表明，5种砂岩所含的石英、长石和方解石等均超过80%，但是其黏土类矿物有明显差异，它们的孔隙度和孔径分布明显不同。对5种砂岩分别冻结至不同的温度水平，每个温度水平下均进行核磁共振测试，从而获得冻结过程中的岩石核磁共振信号参数的演变规律。

图1 取样地点

实验系统

实验设备采用苏州纽迈分析仪器股份有限公司研制的MacroMR12-150H-1型核磁共振测试系统，配合高精度低温环境箱，对冻结岩石的横向弛豫时间开展CPMG序列测试，能够获得冻结岩石内部未冻水的尺寸分布信息和含量。

图2 MacroMR12-150H-1型核磁共振测试系统

未冻水含量计算

通过对不同低温下的岩石开展核磁共振测试，获得该状态下的核磁信号强度，利用下式可定量计算未冻结水的质量：

其中，a是水的核磁信号强度与质量间的转化参数，本文通过对干燥过程中岩石的核磁信号衰减规律回归得到。因此，负温下岩石的未冻水含量计算式为：

T2分布曲线上可根据峰面积比例得到岩石束缚水和流动水的比例，因此，根据T2谱分布可以计算得到未冻束缚水、未冻可动水的含量：

各个参数的具体含义可参看原文。

实验结论分析

01 砂岩在不同负温下的横向弛豫时间分布

图3 砂岩冻结过程中的T2谱分布曲线变化

从图中可以看到，T2谱呈现出2个谱峰，且2个谱峰的峰值信号强度明显不同。T2截止值左边的谱峰面积表征了束缚水的赋存状态，而T2截止值右边的谱峰面积表征了可动水的赋存状态。冻结初期（常温至-5℃），可动水的谱峰强度和面积均骤降至接近0，而束缚水的谱峰强度和面积随着温度下降而缓慢下降。当温度下降至-50℃时，仍可检测到一部分束缚水的核磁信号强度。

02 砂岩冻结过程中未冻水含量的演化规律

图4 5种砂岩的未冻水含量随冻结温度的演变规律

从图中可以看到，未冻水含量在0℃至-5℃范围内急剧下降，而后呈现出缓慢下降趋势。当温度下降至-50℃，岩石孔隙中仍有3%-7%的水分没有被冻结。利用指数型衰减函数可以很好的拟合未冻水含量随低温的变化规律。同时，上图也表明不同岩石内孔隙水的冻结速率有明显差异，岩石孔隙水的冻结速率与其孔隙尺寸分布特征有密切关系。

图5 5种砂岩未冻束缚水和未冻可动水随冻结温度的演变规律

利用前面的公式，分别对未冻束缚水、未冻可动水含量进行计算，从图中可以看到，极端低温下岩石中的未冻水主要是未冻束缚水。冻结初期，岩石的冻胀效应主要由可动水的水冰相变作用导致，随着温度继续下降，束缚水的冻结作用进一步增大了压实内部孔隙的冻胀压力，2种孔隙水联合作用下产导致了岩石的冻胀损伤。

03 冻胀应变的理论推导

岩石冻结作用下的总冻胀应变为：

公式的推导过程和各个参数的具体含义可参看原文。

图6 左：冻胀应变随冻结温度的变化； 右：束缚水与可动水对总冻胀应变的贡献

可以看到，冻胀应变在0℃至-10℃范围内快速增大，然后随着温度继续下降而趋于稳定。理论计算的冻胀应变演化规律与核磁共振测试的未冻水含量演化规律非常吻合。结合上述对未冻束缚水和未冻可动水的分析，可以很清楚的计算冻结过程中束缚水和可动水对总冻胀应变的贡献。

 结论

核心结论

(1) 可动水的谱峰强度和面积在0℃至-5℃范围内骤降，进一步降低温度对可动水的核磁信号影响不大；而束缚水的谱峰强度和面积随着冻结温度的下降而逐渐减小。

(2) 在-5℃以下时未冻可动水含量几乎为0，而冻结至-50℃时仍有相当一部分未冻束缚水存在。

(3) 孔隙尺寸分布决定了水冰相变的速率以及岩石内部总的冰含量，较大的等效平均孔隙尺寸会导致更快速的冻结速率。

(4)对于等效平均孔隙尺寸大的岩石，由可动水冻结诱发的冻胀应变对岩石的冻结损伤起主要作用；对于等效平均孔隙尺寸较小的岩石而言，束缚水对岩石冻结损伤起主导作用

原文：

Weng, L., Wu, Z.*, Liu, Q., Chu, Z. & Zhang, S. (2021) Evolutions of the unfrozen water content of saturated sandstones during freezing process and the freeze-induced damage characteristics. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 142:104757.