高溫后花崗巖巴西劈裂抗拉實(shí)驗(yàn)及超聲特性研究

支樂鵬，許金余,，劉志群，劉 石，陳騰飛

(1. 空軍工程大學(xué) 工程學(xué)院，西安 710038；2. 西北工業(yè)大學(xué) 力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710072；3. 空軍工程大學(xué) 校務(wù)部，西安 710051)

1 引 言

巖石的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度，而拉應(yīng)力往往是巖體工程開裂的關(guān)鍵。近年來，隨著深部礦山的開發(fā)，城市地下空間的利用，火災(zāi)后巖石體程（如礦山、大壩、隧道洞庫重要地下硐室）的修復(fù)和重建逐漸成為國(guó)際上廣泛關(guān)注的課題。 高溫作用后，巖體裂隙增多增大，特別在主拉應(yīng)力作用區(qū)域裂隙更是個(gè)容易積聚[1]，進(jìn)而導(dǎo)致高溫后巖體工程的整體強(qiáng)度發(fā)生變化。因此，研究高溫后巖石抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能，對(duì)巖體工程的安全性評(píng)估及災(zāi)后的修復(fù)、加固都具有重要的意義。

在大量進(jìn)行的巖體工程實(shí)踐中，超聲波測(cè)試便利，且測(cè)試過程不會(huì)引起材料新的損傷，逐漸成為一種理想的探測(cè)手段。溫度作用后，巖石自身結(jié)構(gòu)特性會(huì)發(fā)生很大改變，超聲波測(cè)試結(jié)果也相應(yīng)的發(fā)生了變化。關(guān)于巖石超聲特性的研究日益成為一個(gè)熱點(diǎn)課題[2－3]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖石常溫下的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)力學(xué)特性研究較為深入，對(duì)高溫下的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了較多的研究，但對(duì)高溫后花崗巖的的超聲特性研究以及高溫后的拉強(qiáng)度特性研究比較少見。李海波等[4]采用高壓動(dòng)三軸實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了花崗巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性，指出花崗巖的抗壓強(qiáng)度隨圍壓的增加而增加。李夕兵等[5]研究了動(dòng)靜組合加載下巖石的力學(xué)特性，結(jié)果表明應(yīng)變率和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度存在明顯的相關(guān)性。蘇承東等[6]對(duì)高溫后粗砂巖的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明超過100 ℃后，粗砂巖超聲波縱波波速、初始模量與溫度大致線性降低。萬志軍等[7]、許錫昌等[8]對(duì)高溫下花崗巖的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了研究，認(rèn)為存在某一個(gè)溫度閥值，超過這個(gè)閥值后花崗巖的抗壓強(qiáng)度顯著減小。夏小和等[9]研究了高溫下大理巖的抗壓強(qiáng)度及變形規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，大理巖的抗壓強(qiáng)度，變形模量，彈性模量都不同程度降低，并且，降低也存在一些突變性。

本文通過測(cè)試高溫后花崗巖的超聲波和進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，比較分析經(jīng)歷不同溫度（25 ℃～1000 ℃）作用后，花崗巖的外觀形態(tài)、縱波波速、波形曲線以及劈裂抗拉強(qiáng)度的特征，研究了花崗巖縱波波速、劈裂抗拉強(qiáng)度、溫度三者之間的關(guān)系，研究成果可為高溫后的巖體工程的研究借鑒及參考。

2 試驗(yàn)概況

2.1 巖樣制備

巖樣均取自陜西秦嶺某工程，在實(shí)驗(yàn)室加工成直徑為50 mm，高25 mm的圓餅型試件。試件的上下表面平行度控制在0.05 mm以內(nèi),表面的平行度控制在0.02 mm以內(nèi)。制作的花崗巖試樣外觀為灰褐色，有細(xì)粒狀斑點(diǎn)。

經(jīng)過陜西國(guó)土資源部西安礦產(chǎn)資源監(jiān)督監(jiān)測(cè)中心檢驗(yàn)，花崗巖試樣的礦物主要成分見表 1。試驗(yàn)前通過縱波波速測(cè)試，挑選的波速較為接近的花崗巖試樣，分成7組，每組3塊，共計(jì)21塊。試驗(yàn)分25、100、200、400、600、800、1000 ℃共 7 個(gè)溫度等級(jí)。

表1 花崗巖的礦物組成Table1 Components of granite

2.2 試驗(yàn)設(shè)備以及試驗(yàn)方法

本次加熱設(shè)備采用的是武漢華中電爐設(shè)備有限公司生產(chǎn)的RX3-20-12型箱式電阻爐，設(shè)計(jì)最高溫度為1200 ℃，見圖1(a)。將花崗巖試樣放入電加熱爐膛內(nèi)，升溫速率為10 ℃/min，分別加熱到相應(yīng)的溫度并保持恒溫 2 h，保證試件內(nèi)外溫度達(dá)到均勻。然后打開爐門冷卻，制成高溫后的花崗巖試樣。

測(cè)試巖石波速所用的儀器，為武漢中科智創(chuàng)巖土技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 RSM-5N非金屬超聲波檢測(cè)分析儀。采用平面式超聲換能器探頭，主頻為50 kHz。縱波測(cè)試時(shí)，采用黃油耦合，在換能器上均勻涂抹1層薄黃油，高溫前后均進(jìn)行質(zhì)量和幾何尺寸量測(cè)，并進(jìn)行超聲波檢測(cè)。該儀器可以將測(cè)量值、處理結(jié)果、狀態(tài)信息直接顯示出來，見圖1(b)。

圖1 試樣加熱爐和超聲波檢測(cè)儀Fig.1 Instruments for sample heating and Ultrasonic detector

2.3 巴西劈裂抗拉實(shí)驗(yàn)

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISPM）標(biāo)準(zhǔn)和中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程》[10]，對(duì)試驗(yàn)所采用的花崗巖試件進(jìn)行巴西劈裂抗拉試驗(yàn)。試驗(yàn)所用的設(shè)備為 HYY型電液伺服材料試驗(yàn)系統(tǒng)，采用φ50 mm×25 mm巴西圓盤試樣。試驗(yàn)時(shí)，試件立于試驗(yàn)機(jī)的承壓板中央，選用1 mm的細(xì)鋼絲墊于試件和試驗(yàn)機(jī)的承壓板間，對(duì)試件施加線荷載，確保受力均勻，以0.5 MPa/s的速率向花崗巖試件施加荷載，直至破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 超聲檢測(cè)結(jié)果及分析

（1）縱波波速檢測(cè)結(jié)果

超聲波檢測(cè)結(jié)果量的變化有良好的相關(guān)性，圖2反映了高溫后花崗巖縱波波速與溫度的變化關(guān)系。從圖中可以看出，高溫前所有巖樣的超聲縱波波速值在 4600～5500 m/s之間。隨著溫度的增加，縱波波速逐漸下降，這與郤保平等[11]的研究結(jié)果一致。溫度達(dá)200、400、600 ℃后，縱波波速分別下降到初始平均波速的 66%、44%、26%，經(jīng)歷1000 ℃高溫后的波速下降到常溫的10%左右。

圖2 高溫后花崗巖縱波波速與溫度的關(guān)系Fig.2 Relations between the longitudinal wave velocity and temperature of under granite post-high temperatures

由于巖石是由不同礦物組成的多晶體，不同礦物成分具有不同的熱膨脹系數(shù)及熱膨脹各向異性。同時(shí)，礦物晶體的結(jié)晶方向和空間排列方式也不相同，導(dǎo)致晶格能的差異[12]。隨著溫度的增加。巖石內(nèi)部的礦物晶體間發(fā)生了不同程度的膨脹，導(dǎo)致新裂紋的產(chǎn)生，裂紋間的空隙又會(huì)阻礙超聲波的傳播，從而引起超聲波縱波波速的不斷降低。

（2）波形圖分析

發(fā)射換能器向被測(cè)試件中發(fā)射超聲波脈沖，被測(cè)試件勻質(zhì)且密時(shí)，聲波傳播路徑簡(jiǎn)單，換能器接受到的波形就規(guī)律整齊；試件的勻質(zhì)性較差，存在較多裂隙孔隙和缺陷等，聲波傳播到這些部位將發(fā)生反射、折射、繞射等，這時(shí)接受端換能器接受到的波形比較零亂和弱小。

圖3為經(jīng)歷不同溫度后花崗巖試樣的超聲波波形圖。圖中，橫坐標(biāo)為時(shí)間T（us）；縱坐標(biāo)為幅值A(chǔ)（mA）。由于是原始截圖，文中沒顯示坐標(biāo)，同時(shí)溫度200、1000 ℃波形圖相對(duì)前一個(gè)溫度等級(jí)變化不大，這里沒有給出。對(duì)比不同溫度下的波形圖發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的不斷增高，波形總體上由整齊變混亂，有密集變稀疏，首波振幅總體上由高變低。這反映出隨著溫度的升高，試樣內(nèi)部出現(xiàn)了阻礙聲波傳遞的空隙，主要來自于溫度升高導(dǎo)致巖樣出現(xiàn)的裂隙和損傷[13]。

（3）熱損傷分析

巖石的損傷程度與波速變化率有關(guān)，波速變化率越大，巖石損傷越嚴(yán)重，巖石的熱損傷D可用式（1）計(jì)算。

式中：Vp前、Vp后分別為高溫前后的縱波波速。

圖4為花崗巖的熱損傷D隨溫度的變化規(guī)律。隨著溫度的升高，熱損傷總體上在不斷地變大，尤其在200～400 ℃之間，損傷變化最為劇烈。800 ℃之后，熱損傷隨著溫度的變化漸漸緩和，與文獻(xiàn)[14]的研究一致。高溫后損傷后，試樣脆性增加，變得輕脆易碎。圖4的黑色虛線是對(duì)熱損傷與溫度關(guān)系的擬合曲線，見式(2)。

圖3 經(jīng)歷不同溫度后的波形圖Fig.3 Graphs of waveform after different temperatures

圖4 溫度和熱損傷D關(guān)系Fig.4 Relations between damageD and temperature of granite

通過超聲法判斷的熱損傷D′（彈性模量法計(jì)算的損傷）與傳統(tǒng)力學(xué)用彈性模量法計(jì)算熱損傷有些區(qū)別[15]，公式為

式中：ET1、ET1分別為T1、T2溫度條件下彈性模量。

究其原因，本文的熱損傷D′是建立在巖石超聲特性的基礎(chǔ)之上，而傳統(tǒng)彈性模量計(jì)算的損傷是從巖石力學(xué)的角度出發(fā)，角度不同，差異有所不同。超聲波法分析熱損傷具有便捷，快速的特點(diǎn)，但通常會(huì)比較籠統(tǒng)，具備一定的參考價(jià)值，在具體的工程中，如果要細(xì)致地分析熱損傷，還應(yīng)該從實(shí)際工程力學(xué)角度出發(fā)分析研究。

3.2 巴西劈裂抗拉實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

（1）抗拉破壞形態(tài)研究

圖5為經(jīng)歷不同溫度后花崗巖試樣的巴西劈裂抗拉破壞形態(tài)。由圖中發(fā)現(xiàn)，不同溫度下劈裂破壞都是沿直徑方向破裂，隨著溫度的增加破壞形態(tài)差距不明顯。只是在較低溫度下，斷裂面邊緣致密、光亮、堅(jiān)硬，而在較高溫度下，斷裂面更加粗糙、暗淡、易破碎。從圖5(d)可見，劈裂后從斷裂面脫落的顆粒，脫落的顆粒表明花崗巖經(jīng)歷高溫后，內(nèi)部的成之間的膠結(jié)程度降低，水分散失，脆性增加，更加容易破碎。高溫后花崗巖劈裂抗拉破壞形態(tài)和單軸壓縮試驗(yàn)的破壞特征有很大差異，這是因?yàn)榛◢弾r是脆性材料，抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度大多。在巴西劈裂試驗(yàn)中，試樣受力主要是沿軸向的拉應(yīng)力，很小的微應(yīng)變，可使脆性強(qiáng)的巖石劈裂。溫度的不同只改變了花崗巖的脆性、強(qiáng)度，而不會(huì)改變劈裂抗拉受力的方式。因此，花崗巖不同溫度后的劈裂抗拉的破壞形態(tài)比較相近，這也從另一個(gè)角度印證劈裂抗拉試驗(yàn)的有效性。

圖5 花崗巖在不同溫度條件下的破壞形態(tài)Fig.5 Failure forms of granite under different temperatures

（2）抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系

試樣的劈裂抗拉強(qiáng)度和溫度的關(guān)系如圖 6所示。隨著溫度的升高，溫后花崗巖抗拉強(qiáng)度不斷下降。200～400 ℃時(shí)抗拉強(qiáng)度下降不明顯，但400～800 ℃之間抗拉強(qiáng)度下降很明顯。在經(jīng)歷1000 ℃高溫后，抗拉強(qiáng)度下降到常溫條件下的35%左右。這是由于花崗巖是由不同礦物組成的非均質(zhì)體，各礦物在高溫條件下的熱膨脹系數(shù)不同[16]，因此，巖石試樣受熱后各種礦物顆粒的變形不一致，導(dǎo)致裂隙數(shù)目的增加，從而進(jìn)一步引起了花崗巖抗拉強(qiáng)度的降低。

圖6 高溫作用后花崗巖劈裂抗拉強(qiáng)度與溫度的關(guān)系Fig.6 Relations between splitting-tensile strengths and temperatures of granite post-high temperatures

（3）抗拉強(qiáng)度和縱波波速分析

經(jīng)歷不同溫度等級(jí)之后，花崗巖試樣的縱波波速和劈裂抗拉強(qiáng)度之間表現(xiàn)出了明顯的相關(guān)性，如圖7所示。

圖7 高溫作用后花崗巖劈裂抗拉強(qiáng)度與縱波速的關(guān)系Fig.7 Relations between splitting-tensile strength and longitudinal wave velocity of granite post-high temperatures

隨著花崗巖試樣溫度的升高，縱波波速不斷下降，同時(shí)其劈裂抗拉強(qiáng)度也在不斷降低。李巖等[17]指出巖石的縱波和抗拉強(qiáng)度間近似存在指數(shù)關(guān)系為

式中：σt、Vp分別為巖石的劈裂抗拉強(qiáng)度和縱波波速；a、b為常數(shù)。

對(duì)高溫后花崗巖的劈裂抗拉強(qiáng)度和縱波波速的離散值點(diǎn)進(jìn)行指數(shù)擬合，見式（5）。在實(shí)際工程中，可將式（4）中的b值取為2。高溫后花崗巖的劈裂抗拉強(qiáng)度與縱波波速所表現(xiàn)出的這種指數(shù)分布規(guī)律，僅僅是一種統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并非絕對(duì)意義上的力學(xué)關(guān)系[18]。但是，這種關(guān)系為花崗巖劈裂抗拉強(qiáng)度的粗略判定，提供了便捷、可行的方法、對(duì)實(shí)際工程來講具有較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié) 論

（1）隨著溫度的升高，花崗巖試樣波速逐漸降低，經(jīng)歷1000 ℃高溫后，波速下降到常溫下的10%左右。超聲波波形也發(fā)生明顯的變化，整體上由整齊變混亂，由強(qiáng)大變?nèi)跣　?/p>

（2）隨著溫度增加，熱損傷不斷增大，800 ℃后，熱損傷增加程度漸漸趨于緩和。經(jīng)歷1000 ℃后，由于熱損傷的影響，試樣脆性增加，變得輕脆易碎。

（3）高溫后不同溫度下花崗巖劈裂抗拉試驗(yàn)的破壞形態(tài)差異不明顯，隨著溫度的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度明顯降低，經(jīng)歷1000 ℃高溫后，抗拉強(qiáng)度下降到常溫條件時(shí)的35%左右。

（4）隨著溫度增加，縱波波速和劈裂抗拉強(qiáng)度都在減小，并且波速和劈裂抗拉強(qiáng)度之間存在一定的相關(guān)性，服從σt的指數(shù)分布。

[1]黃達(dá),金華輝,黃潤(rùn)秋. 拉剪應(yīng)力狀態(tài)下巖石裂隙擴(kuò)展的斷裂力學(xué)機(jī)制及物理模型試驗(yàn)[J]. 巖土力學(xué),2011,32(4): 997－1002.HUANG Da,JIN Hua-hai,HUANG Rui-qiu. Mechanism of fracture mechanics and physical model test of rocks crack expanding under tension-shear stress[J]. Rock and soil Mechanics,2011,32(4): 997－1002.

[2]趙明階,吳德倫. 單軸受荷條件下巖石的聲學(xué)特性模型與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),1999,21(5): 540－545.ZHAO Ming-jie,WU De-lun. Experimental study on the ultrasonic characteristic of rock under uniaxle loading[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,1999,21(5): 540－545.

[3]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無損檢測(cè)分會(huì). 超聲波檢測(cè)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[4]李海波,趙堅(jiān),李俊如,等. 三軸情況下花崗巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 爆炸與沖擊,2004,24(5): 470－475.LI Hai-bo,ZHAO Jian,LI Jun-ru,et al. Triaxial compression tests of a granite[J]. Explosion and Shock Waves,2004,24(5): 470－475.

[5]李夕兵,左宇軍,馬春德. 中應(yīng)變率下動(dòng)靜組合加載巖石的本構(gòu)模型[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,25(5):865－874.LI Xi-bing,ZUO Yu-jun,MA Chun-de. Constitutive model of rock under coupled static-dynamic loading with intermediate strain rate[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25(5): 865－874.

[6]蘇承東,郭文兵,李小雙. 粗砂巖高溫作用后力學(xué)效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(6); 1162－1170.SU Cheng-dong,GUO Wen-bing,LI Xiao-shuang.Experiment research on mechanical properties of coarse sandstone after high temperatures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(6): 1162－1170.

[7]萬志軍,趙陽升,董付科,等. 高溫及三軸應(yīng)力下花崗巖體力學(xué)特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(1): 72－77.WAN Zhi-jun,ZHAO Yang-sheng,DONG Fu-ke,et al.Experimental study on mechanical characteristics of granite under high temperature and trixial stresses[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(1): 72－77.

[8]許錫昌,劉泉聲. 高溫下花崗巖基本力學(xué)性能初步研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(3): 332－335.XU Xi-chang,LIU Quan-sheng. A preliminary study on basic mechanical properties for granite at high temperature[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2000,22(3): 332－335.

[9]夏小和,王穎軼,黃醒春,等. 高溫作用對(duì)大理巖強(qiáng)度及變形特性影響的試驗(yàn)研究[J]. 上海交通大學(xué)報(bào),2004,38(6): 996－1002.XIA Xiao-he,WANG Ying-yi,HUANG Xing-chun,et al.Experimental study on high temperature effect’s influence on the strength and deformation properties of marble[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2004,38(6):996－1002.

[10]中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院. JTG E41－2005 公路工程巖石試驗(yàn)規(guī)程[S]. 北京: 人民交通出版社,2005.

[11]郤保平,趙陽升. 600 ℃內(nèi)高溫狀態(tài)花崗巖遇水冷卻后力學(xué)特性試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(5): 892－899.XI Bao-ping,ZHAO Yang-sheng. Experimental research on mechanical properties of tercooled granite under high temperatures within 600℃[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(5): 892－899.

[12]譚啟,駱循,李仕雄,等. 巖石熱破裂研究進(jìn)展評(píng)述[J].露天采礦技術(shù),2006,21(6): 16－20.TAN Qi,LUO Xun,LI Shi-xiong,et al. Comments on rock thermal fracturing study progress[J]. Opencast Mining Technology,2006,21(6):16－20.

[13]方華,伍向陽,楊偉. 巖石中裂紋對(duì)彈性波速度的影響[J]. 地球物理學(xué)進(jìn)展,1998,13(4): 79－83.FANG Hua,WU Xiang-yang,YANG Wei. Effect of micro-crack in rock to ultrasonic velocity[J]. Advance of Geophysics,1998,13(4): 79－83.

[14]徐小麗,高峰,高亞楠,等. 高溫后花崗巖力學(xué)性質(zhì)變化及結(jié)構(gòu)效應(yīng)研究[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,37(3):402－406.XU Xiao-li,GAO Feng,GAO Ya-nan,et al. Effect of high temperatures on the mechanical characteristics and crystal structure of granite[J]. Journal of ChinaUniversity of Mining & Technology,2008,37(3):402－406.

[15]許錫昌,花崗巖熱損傷特性研究[J]. 巖土力學(xué),2003,24(增刊 2),188－192.XU Xi-chan,Study on the characteristics of thermal damage for granite[J]. Rock and Soil Mechanics,2003,24(Supp. 2),188－192.

[16]吳揚(yáng)科. 高溫后粗砂巖劈裂抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究[J]. 河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,26(5): 572－573.WU Yang-ke. Experimental study on uniaxial tensile strength characteristic of grit stone after high temperature[J]. Journal of Henan Poly Technical University (Natural Science),2007,26(5): 572－573.

[17]李巖,胡景松. 巖塊抗拉強(qiáng)度與聲波速度關(guān)系初探[J].黑龍江水利科技,2003,(3),12－15.LI Yan,HU Jing-song. Preliminary discussion on the uniaxial tensile strength and longitudinal wave velocity of rocks[J]. Heilongjiang Science and Technology of Water Conservancy,2003,(3),12－15.

[18]尤明慶,蘇承東,李小雙. 損傷巖石試樣的力學(xué)特性與縱波速度關(guān)系研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2008,27(3): 458－467.YOU Ming-qing,SU Cheng-dong,LI Xiao-shuang. Study of relation between mechanical properties andlongitudinal wave velocities for damaged rock samples[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(3): 458－467.