含水裂隙花岗岩表面表观冻融锋面演化的全场红外可视化研究

《Water》：Full-Field Infrared Visualization of Surface Apparent Freeze–Thaw Front Evolution in Water-Filled Fractured Granite

　　

水-热耦合运移与水-冰相变是裂隙岩石冻融劣化中的关键过程，但其连续的表面热学表现迄今仍未得到充分表征。本研究采用红外热成像技术（Infrared Thermography），对含一条人工裂隙的100 mm饱和花岗岩立方体在?20 °C冻结及随后自然融化过程中的表面温度场进行监测，并以饱和完整试件作为对照。表面0 °C等温线被追踪为表观热锋面（apparent thermal front）；该等温线并未被视为内部三维冰-水相边界的直接测量结果。裂隙试件表现出显著非均匀的表观锋面传播特征，与完整花岗岩近似线性的行为形成对比。冻结过程中，表观锋面以扇形模式扩展并在裂隙附近积聚；融化过程中，则呈马蹄形模式传播。表观锋面速度在裂隙附近发生急剧变化，这与裂隙引起的热流再分布以及裂隙水的显热和潜热储存效应一致。由于未独立测量含水量和液态水位移，本研究结果被解释为试件尺度的表面热学特征，而非内部水分迁移的直接可视化。该研究为该试件几何形状和边界条件建立了受控实验室基准。向天然裂隙网络、冻胀损伤或工程尺度预测的外推，需在裂隙几何形状、岩石类型、应力状态、含水条件和热边界等方面开展额外试验，并结合内部水力学和力学测量。

论文解读：含水裂隙花岗岩表面表观冻融锋面演化的红外热成像研究

一、研究背景与问题

寒区约占北半球陆地面积的37.82%，高海拔铁路隧道、输水隧道、岩质边坡、坝基和地下储库等岩体工程结构长期遭受冻融作用。冻融循环会劣化含水地质材料的力学性能，促进裂隙岩石中裂纹的萌生与扩展。温度、水-冰相变、孔隙压力或水分迁移以及裂隙特性在冻结过程中相互作用，水-热耦合迁移会重新分配液态水并影响相变发生的位置，因此阐明其可观测的热学表现对于理解寒区岩体工程的冻害具有重要意义。

目前，理论描述方面已有分离势方法、冰透镜生长和冻结缘的热力学处理以及裂隙尺度冻胀模型等；低场核磁共振（NMR）和孔隙结构测量已量化饱和砂岩冻结过程中未冻水的演化；裂隙花岗岩的室内研究考察了冻楔作用、分离冰生长、裂隙水迁移和相变行为。数值模型虽能解析冻融过程中的温度、孔隙水压力和渗流场，但其预测对本构假设、尺度、裂隙网络复杂性、应力状态和边界条件高度敏感。红外热成像（IRT）可提供非接触、全场、实时的表面温度测量，但此前尚未被系统用于追踪含水裂隙岩石冻融过程中表面0 °C等温线的连续演化。本研究旨在利用红外热成像技术，对含水裂隙花岗岩与完整花岗岩在冻结和自然融化过程中的表面温度场进行全场监测，追踪表面0 °C等温线作为表观热锋面的传播规律，并提取固定虚拟观测点的同步温度历史，为冻融过程的表面热学响应建立受控实验室基准。

二、研究内容与主要结论

研究人员选取致密均质、无可视天然节理或宏观裂隙的花岗岩，制备100 mm × 100 mm × 100 mm立方体试件，分为裂隙组和完整组。裂隙组在试件中心切割一条长100 mm、开度4 mm、深50 mm的人工裂隙，裂隙面经抛光处理以保证几何一致性。每组包含5个独立制备的试件，每个试件经历两次连续冻融循环，共获得每组10次运行记录。试件经真空饱和48小时后，裂隙开口局部用柔性硅酮密封以防水分流失。冻结在?20 °C恒温箱中进行270分钟，随后在20 °C、相对湿度50%的实验室中自然融化。红外热像仪以1帧/秒的速率记录辐射热像图，并从固定虚拟观测点T1–T9提取同步表面温度时间序列。

研究得出以下主要结论：含水裂隙导致表面表观锋面演化显著非均匀。冻结时表观锋面从试件底部两侧出现，以扇形模式向上向内扩展并在裂隙附近局部积聚后消失；融化时从试件顶部起始，向下向外传播，在裂隙附近积聚后向底部中心收缩。完整试件则呈现近似线性的冻结表观锋面和较规则的马蹄形融化表观锋面。表观锋面速度表现出明显的阶段性和方向依赖性。冻结过程经历缓慢增长、稳定增长和快速增长三个阶段，锋面接近裂隙控制热区时速度显著增大；融化过程中横向路径呈稳定和快速增长，平行于裂隙的路径则先增后减。表面温度演化分为五个阶段：快速冷却、相变冻结、稳定冻结、低温吸热和完全融化。虚拟点曲线中的多个峰值与空间分布孔隙和缺陷中异步冻结或融化一致，相应潜热释放或吸收叠加于箱温变化和局部传导传热之上，暂时改变了表面冷却或升温速率。裂隙组平均冻结表观锋面速度比完整组高25.5%，平均融化表观锋面速度低19.0%，平均最大垂直表面温度梯度低16.2%，主冻结转变平均提前12.8分钟完成，总融化完成时间几乎相同。

三、关键技术方法

本研究采用的主要技术方法包括：红外热成像系统（FOTRIC 348A，非制冷焦平面阵列探测器，640 × 480像素，光谱响应7–14 μm，热灵敏度<0.03 °C），用于全场表面温度采集；实验前进行黑体校准源标定，建立实验特定辐射校正，残差范围?0.31至+0.13 °C，均方根误差约0.179 °C；基于已知100 mm试件尺寸建立空间坐标系，以0.160 mm/网格间距的校正分析网格进行坐标插值配准；表面0 °C等温线通过保留?0.35至+0.35 °C候选过渡带并线性插值定位零交叉点提取；沿三条固定测量路径（垂直裂隙于裂隙开口和裂隙尖端、平行于裂隙于尖端下方）计算表观锋面速度，采用Δt = 100 s帧间隔以降低噪声。所有试件均来自同一批致密均质花岗岩。

四、研究结果

3.1 冻结和融化过程中表面表观0 °C等温线的传播

通过对比含水裂隙试件与完整试件在冻结和融化过程中的表面表观0 °C等温线传播，发现裂隙试件冻结时经历三个阶段：表观锋面首先出现在试件底部两侧，以扇形模式向上向内传播，随后在裂隙附近局部积聚后消失；完整试件则从底部起始近似线性稳定向上推进，无扇形扩展或局部积聚。融化时裂隙试件表观锋面从顶部起始向下向外扇形传播，在裂隙附近积聚后向底部中心收缩；完整试件则以马蹄形模式收缩后在试件中下部消失。沿三条固定路径的表观锋面速度曲线显示，冻结速度呈三阶段模式，裂隙附近速度显著增大；融化速度呈两阶段模式，垂直裂隙路径速度相似但顶部路径更高，平行裂隙路径先增后减。

3.2 冻融过程中裂隙岩石温度场演化

通过全场热像图和九个固定虚拟观测点T1–T9的温度历史，将裂隙试件表面热演化划分为五个阶段：快速冷却（表面温度降至0 °C以下，部分点短暂过冷后出现潜热响应）、相变冻结（孔隙水异步冻结释放潜热，表面温度曲线出现波动）、稳定冻结（表面与环境温差逐渐减小至准稳态）、低温吸热（融化开始，冰融化吸收潜热局部减缓升温速率）和完全融化（表面温度继续升至与室温环境平衡）。T1–T9曲线中的多个峰值被解释为空间分布孔隙和缺陷中异步相变、潜热交换和局部传热差异的宏观表面热传递表现。

3.3 含水裂隙与完整试件的定量比较

基于每组5个独立试件水平值（每次试件两次运行取平均）进行描述性定量比较。裂隙组平均冻结表观锋面速度0.03400 ± 0.00361 mm s^?1（95% CI: 0.02952–0.03848），完整组0.02710 ± 0.00306 mm s^?1（95% CI: 0.02330–0.03090），裂隙组高25.5%。融化速度裂隙组低19.0%。裂隙组最大垂直表面温度梯度低16.2%，主冻结转变提前12.8分钟完成，总融化完成时间几乎相同（90.1 vs 89.8 min）。阶段时长比较显示裂隙组Stage I较长、Stage II较短、Stage III较长、Stage IV略长、Stage V较短。研究明确说明未进行推断性统计检验，这些差异为描述性结果而非统计显著性证据。

五、讨论与结论

讨论部分指出，裂隙试件与完整试件表观锋面形态的差异反映两个耦合因素：裂隙作为结构不连续体中断矿物骨架、减小固-固接触面积、引入热接触电阻；裂隙水作为流体贡献，形成导热桥、储存显热并释放或吸收潜热，产生瞬态温度缓冲区。扇形锋面和裂隙附近积聚被解释为热流再分配和水相关热缓冲的联合效应。由于裂隙几何和水含量未独立变化，其各自贡献无法从现有数据中量化。研究强调，红外热成像仅解析观测表面温度，未测量内部温度场、含水量再分布、孔隙压力、冻胀压力、变形、裂纹扩展或力学损伤；表观0 °C等温线是可复现的宏观热学指标而非实际三维冰-水边界。

研究结论翻译如下：（1）含水裂隙产生显著非均匀的表面表观锋面演化。冻结时表观锋面从试件底部两侧出现，以扇形模式向上向内扩展并在裂隙附近局部积聚后消失；融化时从顶部起始向下向外传播，在裂隙附近积聚后向底部收缩。完整试件则呈现近似线性冻结锋面和较规则马蹄形融化锋面。这些对比表明裂隙引起的热流再定向和裂隙水显热与潜热储存共同产生局部表面温度缓冲和表观锋面弯曲。（2）表面表观锋面速度具有明显阶段和方向依赖性。冻结经历缓慢增长、稳定增长和快速增长阶段，锋面接近裂隙控制热区时速度显著增大；融化时横向路径呈稳定和快速增长，平行裂隙路径先增后减。（3）表面温度演化分为快速冷却、相变冻结、稳定冻结、低温吸热和完全融化五个阶段，虚拟点曲线中的多个峰值与空间分布孔隙和缺陷中异步冻结或融化一致。（4）红外热成像实现了试件表面温度场的连续、全场、非接触观测，追踪的表面0 °C等温线是可复现的宏观热学指标而非实际三维冰-水边界。在测试的100 mm试件、单一人工裂隙几何、饱和状态和热边界条件下，结果为表面热演化提供了实验室基准，但未直接确立冻胀压力、力学损伤、本构模型有效性或工程尺度预测能力。未来研究需将表面热成像与内部含水量、温度、压力、变形和裂纹扩展测量相结合，并考察多种裂隙网络、岩石类型、应力状态和试件尺度，方可尝试现场预测或冻胀损伤模型验证。