热调理后Macigno砂岩水致变形的连续监测

《Materials》：Continuous Monitoring of Hydric Deformation in Macigno Sandstone After Thermal Conditioning

　　

水致变形可能导致建筑石材发生渐进式损伤，尤其是当水分引起的应变与既有组构各向异性及热致微结构变化相互作用时。研究人员对六个Macigno砂岩棱柱试样（20 mm × 20 mm × 200 mm）进行了检测，其中三个纵轴垂直于层理（MTO），三个平行于层理（MTP），这些试样在60 °C干燥以及350和500 °C连续热调理后进行了考察。在每个阶段，研究人员在水浸8400 min期间连续监测水致变形，并在每次试验结束时测量试样吸水率和超声波脉冲速度。在60 °C参考状态下，MTO的平均最终水致变形为0.54 mm m^?1，MTP为0.44 mm m^?1。沿连续调理路径，在500 °C时分别降至0.18和0.10 mm m^?1，而吸水率从约0.42 wt.%增至0.58–0.59 wt.%。超声波脉冲速度从MTO的4347 m s^?1降至3915 m s^?1，从MTP的4770 m s^?1降至4437 m s^?1。层理相关各向异性持续存在，而吸水率和水致变形呈现相反趋势。连续采集进一步表明，热调理后，快速初始变形随后逐渐接近近稳定响应的总体时间模式得以保留，尽管初始变形速率系统性降低。

本研究发表于《Materials》，针对建筑石材在环境湿度和温度波动下的水致变形（Hydric deformation, HD）问题展开。环境湿度和温度变化可在沉积岩中引起尺寸变化，尽管应变通常较小，但反复膨胀与收缩会产生局部应力，促进微结构劣化，导致长期耐久性损失。水致变形是指初始干燥岩石在湿润时产生的无约束尺寸应变，反映孔隙结构、矿物–水相互作用和岩石组构的集体响应。砂岩中水致变形受矿物组成、孔隙结构、胶结物分布和组构共同控制，尤其含粘土砂岩中粘土水化/脱水可产生显著尺寸变化。层理导致的组构各向异性也会造成平行与垂直层理方向应变不同。此外，热暴露可改变孔隙结构、晶界接触和微结构连续性，影响石材后续含水响应。然而，以往对Macigno砂岩的研究较少跟踪同一组试样在连续热调理后水致响应的演变。因此，研究人员采用重复测量设计，旨在表征水致变形连续演化及其层理方向依赖性，并确定连续热调理如何改变同一试样的水致变形。

研究人员从意大利东北托斯卡纳Matraia采石场采集新鲜未风化Macigno砂岩，制备六个棱柱试样（20 mm × 20 mm × 200 mm），其中三个纵轴垂直于层理（MTO），三个平行于层理（MTP）。试样在60 °C干燥至恒重获得参考态，随后依次在350 °C和500 °C进行热调理（thermal conditioning）。在每个阶段，使用先前开发的膨胀计装置在20.0 ± 0.1 °C蒸馏水中连续监测水致变形8400 min，同时测定吸水率（Water absorption, AW）和超声波脉冲速度（Ultrasonic pulse velocity, VP）。研究发现，热调理后水致变形大幅降低，而吸水率增加；层理相关各向异性依然存在，且吸水率与变形呈逆相关。该研究揭示了热调理砂岩中水吸收与变形能力并不等价，提出吸水率不能单独作为水致变形能力的指标，对耐久性评估具有参考价值。

主要关键技术方法包括：使用先前开发的膨胀计装置，通过摇臂系统提供三倍机械放大，数字比较器记录长度变化，采样间隔10 min连续记录约8400 min；计算初始变形速率（前120 min线性回归）和特征时间t₅₀、t₉₀。吸水率在浸水8400 min后称重获得，相对于该阶段干质量计算。超声波脉冲速度采用54 kHz换能器直接透射法，沿试样纵轴测量P波速度。热调理在箱式炉中进行，目标温度保温2 h，然后在含硅胶干燥器中冷却至室温。试样来源为意大利Matraia采石场。

### 3.1 连续水致变形（Continuous Hydric Deformation）

通过连续膨胀测量发现，两种层理取向试样的水致变形均随热调理温度升高而系统性降低。60 °C参考态下，MTO平均最终变形为0.54 mm m^?1，MTP为0.44 mm m^?1；350 °C后分别降至0.41和0.30 mm m^?1；500 °C后进一步降至0.18和0.10 mm m^?1。相对参考态，350 °C时MTO和MTP分别减少约25%和32%，500 °C时减少约67%和76%。垂直层理方向的变形始终大于平行层理方向，方向关系保持。动力学参数显示初始变形速率系统性降低，而t₅₀和t₉₀变化较小，说明热调理主要影响变形幅度和早期强度。

### 3.2 吸水率（Water Absorption）

吸水率与水致变形呈相反演化方向。60 °C时MTO和MTP吸水率均为0.42 wt.%；350 °C时增至0.50和0.51 wt.%；500 °C时增至0.59和0.58 wt.%，相对参考态增加约20%和38–41%。吸水率没有表现出一致的层理方向依赖性，MTO和MTP之间的差异远小于水致变形中的方向差异。

### 3.3 超声波脉冲速度（Ultrasonic Pulse Velocity）

超声波脉冲速度随热调理温度升高而逐渐下降，但幅度远小于水致变形。MTO平均VP从4347 m s^?1降至4143和3915 m s^?1，相对参考态分别减少约5%和10%；MTP从4770 m s^?1降至4610和4437 m s^?1，分别减少约3%和7%。各阶段MTP的VP始终高于MTO，且MTP测量离散性随温度增大。

### 3.4 水致变形、吸水率和超声波脉冲速度的耦合演化（Coupled Evolution）

三个参数沿连续热调理路径表现出明显不同的响应：吸水率增加，水致变形大幅减小，超声波脉冲速度中度下降。例如MTO从60 °C到500 °C，吸水率从0.42增至0.59 wt.%，而水致变形从0.54降至0.18 mm m^?1，VP从4347降至3915 m s

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