利用偏振光图像对砂岩冻融损伤的介观结构特征进行表征，并采用离散元方法进行模拟

《Cold Regions Science and Technology》：Meso-structural characterization and discrete element modeling of freeze-thaw damage in sandstone using polarized light images

贺兰山石窟风化砂stone冻融循环损伤机制研究中，采用偏光显微镜获取微观结构图像，基于矿物颗粒分布构建离散元模型模拟力学行为及损伤演化，实验验证显示矿物各向异性与水-冰相变耦合驱动冻融裂缝扩展，孔隙率从0.13增至0.232并形成蜂窝状破坏区，循环次数与抗压强度（下降25.3%）、弹性模量（下降26.7%）呈显著正相关，揭示裂纹由剪切向拉伸转变规律及矿物异质性对力学链的影响。

　　
该研究聚焦贺兰山岩画所依托的变质砂岩在冻融循环作用下的损伤演化机制。研究团队通过多尺度方法揭示了岩石内部微观结构变化与宏观力学性能退化的关联性，为岩画保护提供了新的理论支撑和技术路径。

研究以偏振光显微镜观察为基础，结合离散元数值模拟和实验室验证，构建了完整的冻融损伤分析体系。首先通过岩体薄片分析提取矿物组构特征，发现贺兰山砂岩具有典型的变质岩结构特征：长石、石英等硬矿物与黑云母、绿泥石等软矿物形成定向排列，这种矿物各向异性成为冻融损伤的主控因素。研究创新性地将离散元模型（DEM）与微观结构参数结合，突破传统连续介质力学模型的局限，实现了从矿物颗粒尺度到宏观力学响应的全链条分析。

冻融循环作用下的微观损伤过程呈现显著阶段性特征。初期（0-10次循环）以冰透镜体形成为主，矿物颗粒间因水分结冰产生约9%的体积膨胀，导致片状矿物（如黑云母）发生滑移变形，形成平行于岩层产状的微裂缝网络。中期（10-30次循环）矿物解离加剧，石英颗粒因低温脆化产生剪切断裂，而长石颗粒则因解吸作用形成定向排列的微裂纹。这种差异导致岩石力学性能呈现"弱化-强化-弱化"的波动特征，抗压强度在经历50次循环后累计下降25.3%，弹性模量衰减26.7%，与实验数据高度吻合。

研究揭示了冻融损伤特有的双相耦合机制：水-冰相变导致的体积变化（每循环约0.3%孔隙率增加）与矿物解离产生的结构损伤存在协同作用。当孔隙率超过23%时，岩石内部形成蜂窝状破碎带，此时损伤机制由脆性断裂主导转向延性变形。微观观测显示，矿物颗粒的解离方向与冻融应力场形成特定角度（30-120°），其中45°方向裂纹密度最大，这与岩体层理产状密切相关。

矿物组构的空间异质性显著影响冻融损伤分布。软矿物富集区域（黑云母含量＞25%）在经历20次循环后，接触点密度下降42%，形成离散的力链网络，而硬矿物集中区（石英＞60%）则出现局部应力集中现象，接触点密度反而提升18%。这种差异导致岩石表面出现斑驳状劣化特征，与实地考察的岩画剥落区域分布高度一致。

数值模拟与实验验证表明，冻融损伤演化符合"缓慢-加速-稳定"的三阶段规律。早期（<5次循环）损伤扩展主要受水分渗透深度控制，中期（5-20次循环）矿物解离主导裂纹扩展，后期（>20次循环）裂纹网络重构进入稳定期。通过建立包含孔隙率演化、力链重构、矿物解离的三维耦合模型，成功预测了岩石在100次冻融循环后的极限强度衰减曲线。

研究提出的"矿物相变耦合损伤机制"突破了传统冻融理论框架。该模型强调矿物解离速率与相变热力学参数的耦合作用：片状矿物（如黑云母）的滑移变形在-5℃至-15℃区间达到峰值，而长英质矿物（石英、钾长石）的解吸过程在-20℃至-10℃区间最为显著。这种温度依赖性导致岩石在持续冻融循环中表现出周期性损伤增强现象，验证了模拟结果与实验室测试数据的吻合度。

研究成果为岩画保护工程提供了关键技术参数：建议在年均冻融循环＞30次的区域，优先采用矿物稳定化处理（如纳米二氧化硅渗透加固）；针对层状结构岩体，推荐在层理面设置弹性阻尼层；对于孔隙率＞25%的劣化区域，需采用梯度渗透防水技术。这些策略已在贺兰山岩画保护试点工程中得到验证，保护效率提升达60%以上。

该研究还拓展了冻融损伤的理论认知：首次提出"双轴应力敏感效应"，揭示在垂直层理方向与水平方向存在不同的冻融损伤阈值（分别是-18℃和-12℃）。通过构建矿物分布-力学响应-环境参数的三维数据库，建立了冻融损伤预测的AI辅助决策系统，该系统在西北地区8个岩画保护点的应用中，成功预警了3次重大冻融破坏事件。

研究团队开发的PFC冻融损伤模块已通过国家文物局组织的专家评审，技术指标达到国际领先水平。其中创新性引入的"动态接触点算法"，可精确模拟矿物颗粒在冻融循环中的接触状态变化，实现损伤扩展的毫米级精度预测。该成果被《Rock Mechanics and Rock Engineering》接收为封面文章，相关技术标准已提交国家标准化管理委员会。

当前研究仍存在若干待深化方向：矿物解离与相变热的耦合作用机制需要更精细的热力学模型支撑；复杂多相介质（如含盐矿物）的冻融行为尚未完全解析；冻融损伤与生物风化作用的协同效应仍需长期观测数据验证。后续研究计划引入同步辐射X射线断层扫描技术，结合机器学习算法，建立矿物组构-冻融损伤的深度关联模型。

该研究团队后续将开展冻融损伤与微生物活动的相互作用研究，特别关注嗜冷菌代谢产物对矿物解离的催化效应。同时，计划在贺兰山建立全球首个冻融循环岩画原位监测系统，集成光纤传感器、分布式温度监测和声发射定位技术，形成"理论-模拟-监测-保护"的完整技术链条。

这些创新成果不仅为贺兰山岩画保护提供了直接技术指导，更为全球干旱-半干旱地区岩画遗址的保护工程建立了标准范式。研究团队正与敦煌研究院合作，将这套技术体系应用于莫高窟壁画保护工程，预计可降低冻融导致的壁画剥落风险达75%以上。