高溫花崗巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究*

劉成磊 李賀慶 趙容鶴 相其迪 曹 霖 錢(qián)一錦 賈 蓬

（東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院）

高溫是影響巖石物理力學(xué)性質(zhì)的重要因素，高溫后巖石的的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)特性會(huì)發(fā)生變化，對(duì)巖石工程的穩(wěn)定性影響不容忽視?？芙B全［1］研究了20～600℃不同溫度熱處理對(duì)Stripa花崗巖變形及破壞特性的影響；張靜華等［2］分別對(duì)花崗巖斷裂韌度的高溫效應(yīng)做了研究；劉泉聲等［3］采用單軸SHPB試驗(yàn)系統(tǒng)研究了巖石在沖擊荷載作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及變形破壞破碎塊度的分形特征；許金余等［4］研究了溫度作用下三峽花崗巖力學(xué)性質(zhì)及損傷特性。尹土兵等［5］利用SHPB實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)得了不同高溫作用后粉砂巖的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變及彈性模量的變化規(guī)律，并對(duì)其微觀機(jī)理進(jìn)行了分析。宋小林等［6］對(duì)高溫后大理巖動(dòng)態(tài)劈裂試樣的破壞應(yīng)變進(jìn)行了研究。

花崗巖作為增強(qiáng)型地?zé)嵯到y(tǒng)熱儲(chǔ)層最廣泛的巖石，其高溫下的熱力學(xué)性質(zhì)已被廣泛研究。Gautam［7］研究了熱效應(yīng)對(duì)印度賈洛雷花崗巖的物理特性的影響，并與其他國(guó)家的花崗巖的類(lèi)似性質(zhì)進(jìn)行了比較。平琦等［8］對(duì)常溫和經(jīng)歷100～800℃高溫作用后石灰?guī)r試件進(jìn)行物理參數(shù)測(cè)試，利用SHPB試驗(yàn)裝置開(kāi)展相同加載條件沖擊壓縮試驗(yàn)。郤保平等［9］采用宏觀力學(xué)試驗(yàn)方法，對(duì)取自青海共和盆地的花崗巖熱損傷的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及高溫狀態(tài)花崗巖試件自然冷卻時(shí)裂隙生成進(jìn)行研究。

盡管?chē)?guó)內(nèi)外研究者對(duì)巖石在常溫、高壓下的各種物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量研究，但對(duì)高溫作用后巖石動(dòng)態(tài)沖擊能量耗散的研究較少。本研究旨在探究花崗巖在高溫條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本試驗(yàn)選用均勻性及完整性相對(duì)較好的花崗巖，根據(jù)巖土力學(xué)測(cè)試要求制定試件，花巖加工為φ100 mm×50 mm的圓柱體巖樣，對(duì)試件端面磨平，上下表面平行度至0.05 mm以?xún)?nèi)，端面垂直于試件軸線，表面平面度在0.02 mm以?xún)?nèi)，試樣基本尺寸和加工精度均符合巖石力學(xué)試驗(yàn)規(guī)定。

本實(shí)驗(yàn)所用加熱設(shè)備為智能溫控電窖爐，該加熱設(shè)備可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)升溫、控溫。把升溫設(shè)置為200，400，600，800℃共4個(gè)等級(jí)，將分組后的花崗巖試樣置于高溫電窖爐內(nèi)以2℃/min的加熱速率分別加熱至200，400，600和800℃，恒溫4 h后爐內(nèi)冷卻，制成試驗(yàn)用高溫花崗巖試樣?；◢弾r巖石試樣的動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)采用分離式霍普金森試驗(yàn)桿完成，如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 高溫作用物理特性研究分析

圖2中從左到右依次是200，400，600，800℃高溫處理后花崗巖的宏觀形貌，花崗巖試樣中黑色的斑點(diǎn)隨著溫度的升高逐漸減少，到達(dá)800℃時(shí)褐色斑點(diǎn)明顯發(fā)生變化?；◢弾r上黑斑點(diǎn)一般成分為黑云母，呈板狀、片狀，集合體呈片狀或者鱗片狀，常溫下巖樣為灰白色，黑云母黑點(diǎn)密集分布［10］；隨著溫度逐漸升高，試樣顏色發(fā)生改變，由灰白色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈S色。當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)，整體外觀特征表現(xiàn)為黑色斑點(diǎn)減少。

隨著作用溫度的提高，花崗巖敲擊聲音特性發(fā)生變化。高溫作用低于600℃時(shí)音色無(wú)明顯變化，800℃時(shí)輕微碰撞即發(fā)出清脆響聲。說(shuō)明此時(shí)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)已受到嚴(yán)重破壞，試件中的部分雜質(zhì)成分、含水量逐漸下降，在熱應(yīng)力作用下微裂紋增多，孔隙增多，因此敲擊聲隨溫度升高逐漸變得清脆［10］。

質(zhì)量的變化可以用質(zhì)量損失率（Km）表示，為樣品的質(zhì)量損失與初始質(zhì)量之比。Km的計(jì)算方法為

式中，M0為樣品在25℃時(shí)的質(zhì)量；Mt為溫度t下的質(zhì)量損失。在本研究中，熱處理試樣的質(zhì)量損失率與溫度呈線性關(guān)系。隨著溫度的增加，質(zhì)量的損失幾乎呈線性增加，如圖3所示。

高溫處理后巖樣質(zhì)量和體積的變化或與其內(nèi)部成分和結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。對(duì)于目標(biāo)溫度25～800℃，根據(jù)質(zhì)量和體積變化規(guī)律可分為4個(gè)階段。

（1）25～200℃階段。此階段的質(zhì)量損失率較低（低于0.20%），體積變化不大。此階段初始熱能由自由水吸收轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝魇А?/p>

（2）200～400℃階段。隨著溫度升高，一方面自由水在高溫下成為蒸汽逸散在空氣中，另一方面，隨著溫度的升高，巖石中的不同礦物顆粒因熱應(yīng)力作用產(chǎn)生變形且膠結(jié)能力減弱，當(dāng)熱應(yīng)力大于礦物粒子之間的相互作用力時(shí)，礦物粒子脫落隨空氣流失，產(chǎn)生微裂紋，并隨溫度升高數(shù)量增多［11］。同時(shí)，巖樣輕微熱脹，產(chǎn)生較小的體積變化。在折線圖上表現(xiàn)為巖石質(zhì)量損失率增加較快，但體積變化和對(duì)應(yīng)的密度變化較小。

（3）400～600℃階段。質(zhì)量損失率增大而體積變化率增大，密度變化率也呈現(xiàn)顯著增大特征。這是由于隨著溫度的升高，在573℃時(shí)，石英由α相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪?，體積顯著增大，產(chǎn)生了大量的孔隙和裂紋，導(dǎo)致大量碎屑的產(chǎn)生和礦物粒子的脫落，使花崗巖的致密性減弱。

（4）600～800℃階段。質(zhì)量減少而體積膨脹，從而體積變化率和密度變化率升高幅度較大，但相比較第二階段升高幅度略低?；◢弾r中的部分礦物成分分解，不僅自由水散失，礦物成分中的結(jié)合水在高溫作用下也轉(zhuǎn)變?yōu)檎羝魇?，部分水分與礦物成分發(fā)生物理化學(xué)變化，熱應(yīng)力下微裂紋逐漸增大，從內(nèi)到外擴(kuò)散延伸，相互之間貫通，并產(chǎn)生細(xì)小碎屑掉落［11］。

由圖3可知，花崗巖波速降低率隨溫度變化，波速與礦物成分、礦物顆粒膠結(jié)程度、巖石含水量、孔隙度都有著緊密的聯(lián)系?；◢弾r的波速隨溫度的升高而降低，隨著溫度的升高花崗巖的波速降低率呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但最后又趨于平緩。

在200～400℃時(shí)，波速降低率升高了14.12%，主要是因?yàn)榇穗A段自由水逸散導(dǎo)致孔隙度升高，礦物顆粒熱作用下膨脹填充空隙，最終表現(xiàn)為波速低幅度降低。

在400～600℃時(shí)，波速降低率升高了33.86%，是200～400℃階段升高百分比的2.40倍，一方面是石英在573℃產(chǎn)生相變導(dǎo)致產(chǎn)生大量微裂紋，孔隙度明顯升高，另一方面，由于礦物顆粒的膨脹系數(shù)不同，以及自由水和結(jié)合水的散失，顆粒膠結(jié)程度下降，產(chǎn)生裂紋數(shù)量增多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞更加嚴(yán)重［10］，導(dǎo)致花崗巖的波速降低率顯著升高。

在600～800℃時(shí)，花崗巖的波速降低率升高幅度減小，逐漸趨于平緩。此階段主要是裂紋數(shù)目的增加和空隙的增大，使原有裂隙加寬加長(zhǎng)，結(jié)果造成縱波波速減小。

2.2 高溫作用后動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究

圖4為花崗巖在不同沖擊速率下不同溫度的應(yīng)力應(yīng)變曲線。經(jīng)歷不同高溫后的花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律大致分為4個(gè)階段。

第一階段是壓密階段，由于花崗巖原有的孔隙、裂隙在外沖壓力的作用下快速被壓實(shí)，裂隙閉合，斜率逐漸增大；第二階段是彈性階段，巖石被壓密之后，應(yīng)力繼續(xù)增加，巖樣進(jìn)入彈性階段，應(yīng)力、應(yīng)變呈現(xiàn)正比例關(guān)系；第三階段破裂階段，此時(shí)巖石逐漸失去彈性特征，彈性模量逐漸減小，直到達(dá)到峰值應(yīng)力，彈性模量減小為零；當(dāng)達(dá)到峰值應(yīng)力之后進(jìn)入第四階段，此時(shí)應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)了彈性極限，花崗巖的承載能力隨著應(yīng)變的增大應(yīng)力逐漸降低，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重破壞，產(chǎn)生大開(kāi)裂。

圖5為花崗巖分別在200，400，600，800℃溫度下高、中、低3種不同沖擊速率下的峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系。峰值應(yīng)力隨著溫度的升高呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。高速?zèng)_擊過(guò)程，從200～800℃整個(gè)過(guò)程，峰值應(yīng)力由200℃時(shí)的229.3 MPa降低到了800℃時(shí)的195.9 MPa，降幅達(dá)到了14.74%。

當(dāng)溫度相同時(shí)，在不同的沖擊速率下峰值應(yīng)力也發(fā)生了較顯著變化，整體來(lái)看隨著沖擊速率的減小峰值應(yīng)力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。在中速?zèng)_擊速率下，200～400℃時(shí)，峰值應(yīng)力下降極為快速，從225.4 MPa降低到186.6 MPa，降幅達(dá)到了17.21%，而從400～800℃降幅只有9.91%。在中速?zèng)_擊速率下可以清楚地反映出200～400℃階段內(nèi)巖石內(nèi)部含水量以及礦物粒子膠結(jié)程度的差異，表明高溫后花崗巖的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出加載率強(qiáng)化效應(yīng)。

對(duì)花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖上到達(dá)峰值應(yīng)力前的近似直線進(jìn)行擬合，可以計(jì)算到花崗巖的動(dòng)態(tài)彈性模量，如圖6所示。花崗巖的彈性模量隨著溫度的升高而逐漸降低，且花崗巖在400～600℃彈性模量下降最為明顯。這是由于高溫作用使得花崗巖內(nèi)部的微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞更加嚴(yán)重；另一方面由于石英在573℃相變導(dǎo)致大量微裂紋產(chǎn)生，使其相比于其他2個(gè)階段動(dòng)態(tài)彈性模量下降更加明顯。

圖7為花崗巖在不同沖擊速率下能量耗散與時(shí)間的關(guān)系曲線圖。不同沖擊速率不同溫度下花崗巖試件的能量耗散曲線走勢(shì)大致相同，0～0.000 1 s能量耗散幾乎為零，損傷耗散能隨著時(shí)間增長(zhǎng)緩慢增長(zhǎng)。在不同沖擊速率下，不同高溫作用下的巖石能量消耗具有較大差異。中速?zèng)_擊速率下，400℃作用花崗巖能量耗散速度較慢，且耗散值較小，在此溫度作用下，花崗巖內(nèi)部微裂紋較小，斷裂面產(chǎn)生摩擦能量耗散較低；低速?zèng)_擊速率下，600℃作用花崗巖能量耗散顯著升高，由于石英在573℃相變導(dǎo)致大量微裂紋生成，且伴隨碎塊拋出有能量耗散，大量微裂紋使斷裂面摩擦滑移損耗能量升高。

3 結(jié)論

（1）隨著作用溫度升高，質(zhì)量損失率、體積變化率、密度變化率、波速降低率逐漸升高。

（2）高溫導(dǎo)致花崗巖的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能劣化，且高溫后花崗巖表現(xiàn)出加載率效應(yīng)。隨溫度升高，花崗巖的強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)彈性模量降低，破壞應(yīng)變?cè)黾?，破壞時(shí)的脆性減弱逐漸表現(xiàn)出延性性質(zhì)；加載速率的提升，對(duì)各個(gè)溫度段的花崗巖均起到強(qiáng)化作用。

（3）花崗巖能量耗散在不同高溫作用下的衰減規(guī)律基本一致。中速?zèng)_擊速率下，400℃作用下花崗巖能量耗散值較??；低速?zèng)_擊速率下，600℃作用花崗巖能量耗散顯著升高。