水-热循环花岗岩的物理力学性质试验研究

余 莉，彭海旺，张 钰，李国伟，祝瀚政，韩子豪

(1.河北省建筑科学研究院有限公司，石家庄 050021；2.石家庄铁道大学土木工程学院, 石家庄 050043；3.河北大学建筑工程学院，保定 071002)

随着地下资源和地下空间的不断开发建设，深部岩石力学问题成为研究热点，目前，在矿山开采、隧道开挖、核废料处理，以及地热开采过程中的岩体稳定问题已有广泛的研究[1-8]。近年来，增强型地热系统(EGS)在中国开始发展，高温岩石的相关力学问题也成为当下的研究问题之一。在热损伤试验方面，郤保平等[9]采用自主研制的岩石热冲击破裂试验台对青海共和盆地花岗岩进行热冲击破裂处理，测试了抗压强度、抗拉强度、黏聚力等宏观力学参数，发现600 ℃花岗岩经100 ℃水-热冲击处理后其抗压强度和抗拉强度仅为250 ℃经20 ℃水-热冲击作用后的30%，黏聚力随着热冲击破裂程度的加剧呈减小趋势，内摩擦角呈明显增大趋势。吴云等[10]对25～650 ℃高温作用后的花岗岩进行了单轴压缩下的声发射特征试验研究,分析了高温作用后的花岗岩纵波波速、最大强度及振铃计数随时间的变化规律，发现花岗岩的纵波波速和最大强度随着温度的升高而下降。胡跃飞等[11]对花岗岩进行温度100～600 ℃、应力上限分别为各温度下70%和85%单轴抗压强度的温度和应力循环试验,揭示了温度和应力循环过程中花岗岩力学特性的变化规律，结果发现从变形条件研究岩石的稳定性比强度条件研究岩石的稳定性更符合试验规律。余莉等[12]将花岗岩在不同温度下进行热-液循环处理，采用单轴压缩试验分析了花岗岩峰值强度、弹性模量等力学性质的变化规律。卢运虎等[13]通过GCTS RTR-1500岩石测试系统,辅助以X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)等测试手段,探讨了温度及围压对干热岩力学特性的影响,分析了温度使干热岩力学性能劣化的机理。Yin等[14]采用半圆形弯曲试样进行了断裂试验研究了循环加热和冷却处理对花岗岩I型断裂特征的影响，分析了断口分形维数，监测了声发射事件,并用扫描电镜(SEM)分析了花岗岩在循环处理下的微观结构变化。Kumari等[15-16]研究升温(从室温到800 ℃)和两种冷却方法(快速和缓慢)对澳大利亚Strathbogie花岗岩在单轴条件下的力学行为的影响，并通过一系列微观和宏观实验，研究淬火对澳大利亚Strath-bogie花岗岩力学和流动特性的影响。软件模拟方面，钱庆波等[17]采用PFC数值模拟软件,分析了花岗岩变形破坏过程中不同类型新生裂隙变化的过程，结果表明,峰值荷载前后新生裂隙扩展表现出明显不同的特点,在峰值荷载之前新生裂隙经受了压密、剪切裂隙增长、拉伸裂隙和剪切裂隙共同增长等阶段,在峰值荷载之后新生裂隙主要经受了拉伸裂隙和剪切裂隙快速增长阶段。龙恩林等[18-19]基于花岗岩单轴压缩试验得到的应力-应变曲线，完成了PFC3D数值试验的参数标定，探讨了不同循环次数下数值试件内部总能量、弹性应变能和耗散能的变化规律，以及不同循环次数下数值试件内部裂纹数目、分布和角度的变化规律，建立了一定循环次数下耗散能随应力变化的演化方程。Vázquez等[20]采用多矿物微观结构的有限元模拟(OOF)软件对加热过程进行了模拟，模型以石英、长石和黑云母含量为变量，研究矿物学对花岗岩热弹性响应的影响,结果证明了将有限元模型应用于多矿物岩石的可行性。

综上所述，目前中外学者在花岗岩高温实验方面已有了初步的研究成果。但主要集中于单一的高温处理后力学实验或高温并用不同的冷却方式冷却后力学试验，比较花岗岩力学性能的差异，对于花岗岩多温度下多次高温水冷循环试验的研究较少，对全面认识花岗岩的损伤演化机制鲜少涉及，没有形成较成熟的理论。但其试验和理论的研究可以为高温岩石工程中岩石稳定性问题提供一定的参考，因此，研究水-热循环次数对花岗岩物理性质和力学性质的影响，分析其劣化演化机理具有重要意义。

1 试验准备

1.1 试验选样与分组

试验所选用的花岗岩来自山东，化学成分以石英、长石、云母为主。按国际岩石力学标准，从石板上钻取直径为50 mm，高为100 mm的圆柱试样，并在制备好的样品中选取直径误差不超过0.3 mm，两端的不平行度不超过0.05 mm的样品，样品需表面矿物成分分布均匀，无肉眼可见裂隙。初步选取样品后，为尽量控制初始条件相同，采用ZBL-U510非金属超声检测仪进一步对岩样进行无损波速测试，挑选了纵波波速较为相近的一批岩样，波速为(4.655±0.1)km/s。图1为选取的200 ℃及常温下的花岗岩样品。

图1 部分花岗岩样品

试验设置两个影响变量，分别是温度和水-热循环次数。将花岗岩试样按温度水平分为200、300、400、500、600 ℃ 5个温度梯度，每个温度梯度下分别设置2、4、6、8、10、12、15次水-热循环试验组，每组共3个平行试样。另外选取3个天然试样作为0次循环组，一共36组实验，共计108块岩样。

1.2 试样过程与设备

(1)将经过编号的花岗岩试样置于SX-12-5.0箱式电阻马弗炉[图2(a)]中进行高温作用，平均升温速率为20 ℃/min，升温时间为10～30 min，并在相应温度下恒温作用4 h。

(2)将花岗岩试样从马弗炉中取出，测量质量后，放入盛满冷水的真空饱和装置[图2(c)]中进行冷却，并将饱和缸中气压抽至-0.1 MPa,保持8 h。

(3)将花岗岩试样从饱和缸中取出，擦干表面水分，再次测量质量，重新放入马弗炉中，再次进行高温作用，同时烘干。图3为循环试验流程，按此方法进行所有温度多次水-热循环试验。

图2 试验设备

图3 试验流程图

(4)水-热循环结束后观察每一循环组下花岗岩试样外观并取照。

(5)采用WAW-3300微控电子万能试验机[图2(b)]对循环后的花岗岩试样进行静态压缩试验，加载方式为位移控制方式，加载速率为1 mm/min。

2 花岗岩物理性质分析

2.1 外观分析

水-热循环实验后，选取了经过每一温度作用下具有较大差异性的2次循环组与15次循环组典型花岗岩试样作为对比(图4)，可以发现与试样相比，经过不同条件处理后的花岗岩外观发生了明显变化。当作用温度为200 ℃与300 ℃时，花岗岩试样表面颜色出现发黑现象，15次循环后，黑色加深，即花岗岩表面随着循环次数的增加逐渐变黑。当作用温度增加到400 ℃时，经过2次循环后，试样表面不再显黑，而是出现橙色斑点，15次循环后，斑点数增多，出现连片大块黄斑，这是高温致使岩石中含铁矿物氧化导致，循环次数增加，氧化更加剧烈，且此时试样表面出现了部分可见小裂纹(图中红圈标出)，说明400 ℃时经过多次的水-热循环后的花岗岩表观已经发生了开裂损伤。当作用温度达到 500 ℃ 时，试样表面明显变白，呈白灰色，橙色斑点数减少，15次循环后，表面同样出现可见裂纹，裂纹更宽更深。当作用温度升高至600 ℃时，经过水-热循环后试样表面由灰色转变为灰白色，不再有黄色斑点出现，15次循环后，花岗岩试样开裂损伤严重，表面出现较深裂纹。

图4 花岗岩外观

2.2 饱和吸水率变化分析

花岗岩的饱和吸水率(ωsa)计算公式为

(1)

式(1)中：msa为花岗岩吸水饱和时的质量；mdr为花岗岩经过高温干燥的质量。

图5(a)所示为各水-热循环次数下，花岗岩饱和吸水率随温度的变化趋势图，图5(b)所示为各温度下，花岗岩饱和吸水率随水-热循环次数的变化趋势图，图5(d)所示为饱和吸水率随温度、水-热循环数的等值线图。

图5 饱和吸水率变化规律

2.2.1 饱和吸水率随温度变化分析

从图5(a)可以看出，花岗岩饱和吸水率随温度增加分为3个阶段：①缓慢增加，温度从室温到 400 ℃ 为缓慢增加阶段,增幅大约占全部增幅的25%；②400～500 ℃快速增加,增幅约占全部增幅的45%；③500～600 ℃减缓增加，增幅约占全部增幅的25%。400～500 ℃阶段增幅较大，说明此阶段花岗岩内部发生严重变化，产生了较多的孔隙，导致了饱和吸水率的增大。对各温度下饱和吸水率的平均值进行拟合[图5(c)]，拟合公式为ωsa=0.003 04T-0.170 28,R2=0.918 5。

400 ℃前，在高温的作用下，花岗岩内部自由水首先逸出，导致花岗岩内部孔隙增加，饱和吸水率发生第1阶段增加。当温度达到400～500 ℃时，花岗岩内部结合水汽化逸出，导致花岗岩晶格发生破坏，内部结构发生较大变化，孔隙增加大，饱和吸水率发生第2阶段增加，500 ℃后，花岗岩石英矿物发生相变，导致了饱和吸水率第3阶段的增加。

2.2.2 饱和吸水率随循环次数变化分析

对各温度作用下15次循环组试样每次经过饱和装置饱和后的饱和吸水率进行计算比较，如图5(b)所示，可以看出，饱和吸水率在前两次循环增加较多，之后变为缓慢增加，200、300、400、500、600 ℃ 下前两次增幅占全部增加的18.56%、48.28%、57.17%、69.65%、68.66%。这表明花岗岩孔隙在前两次高温循环中产生较多，孔隙是由于岩石内部本身的水分在高温循环过程中逸出产生，温度越高，逸出越严重，孔隙产生越多。进一步分析，当作用温度低于400 ℃时，饱和吸水率较小，始终不超过1%，随着循环次数的增加，饱和吸水率平缓增加，增幅较小，200、300、400 ℃下经过15次循环后饱和吸水率分别增加了0.003 288、0.005 876、0.007 410。当作用温度高于400 ℃后，花岗岩饱和吸水率基本在1%以上，随着循环次数的增加而增加，500、600 ℃ 经过15次循环后试样饱和吸水率分别增加了0.015 59、0.018 328，增幅明显。

花岗岩在水-热循环过程中，一方面，循环的高温、冷却、吸水和失水，使花岗岩内部矿物晶体受到反复的热胀冷缩作用，晶体与晶体间的结合被弱化，导致部分细小晶体脱落，进入水中形成沉淀，部分则随水分汽化逸出，孔隙增大；另一方面，不同种类的矿物晶体热膨胀率不同，在膨胀和收缩过程中晶体间相互挤压产生拉张应力，促进了裂隙发育。这些都将导致花岗岩内部缺陷和孔隙增加，从而导致花岗岩的饱和吸水率增加。

2.2.3 饱和吸水率随温度、循环次数等值线图分析

从等值线图中可看出，饱和吸水率峰值出现在600 ℃下，循环次数为12次循环之后，随着循环次数和温度的不断增加，饱和吸水率不断增加，且温度对饱和吸水率的变化梯度影响更大。

3 花岗岩力学性质分析

3.1 应力-应变曲线变化分析

图6所示为选取的每一温度下2、6、10、15次水-热循环典型试样的应力-应变曲线，可以看出，应力-应变曲线的变化基本分为4个阶段[图6(a)]：①压密阶段、②弹性变形阶段、③累进性破裂阶段为④破裂后阶段。

3.1.1 压密阶段

此阶段为非弹性形变，由于岩石中存在空洞和孔隙，在压缩过程中随着应力的增加，孔隙闭合，岩石更加致密。比较图6中不同温度下应力-应变曲线，可以发现，200、300、400 ℃时，曲线压密阶段较短，500、600 ℃时压密阶变长，各温度下，随着循环次数的增加，压密阶段增长。

图6 应力-应变曲线

3.1.2 弹性变形阶段

压密阶段后出现弹性变形阶段，曲线近似直线，200、300 ℃时弹性阶段会出现一到两次微小跌落，跌落是压缩过程中岩石微小开裂使强度突然下降导致，但未造成整体的失稳破坏，400 ℃时跌落程度较大，500、600 ℃由于曲线峰值大幅减小，跌落不再明显。

3.1.3 累进性破裂阶段

应力继续增加，岩石试样表面出现较多开裂，200、300 ℃时此阶段较短，花岗岩呈脆性，400 ℃后此阶段明显增长，表明岩石的延性增加，破坏为渐进式破坏。

3.1.4 破裂后阶段

花岗岩应力达到峰值后，曲线迅速下降，200、300 ℃时峰后曲线光滑，破坏为脆性突发式失稳破坏，400 ℃时，峰值明显降低，峰后曲线不再光滑，分多段下降，600 ℃时峰值已降到较小值，峰后塑性流动较明显，破坏为塑性破坏。

3.2 峰值强度

在花岗岩的应力-应变曲线中，应力峰值即为花岗岩的峰值强度。图7(a)所示为各循环次数下，花岗岩峰值强度随温度的变化趋势，图7(b)所示为各温度下，花岗岩峰值强度随循环次数的变化趋势，图7(d)所示为峰值强度随温度随循环数的等值线图。

图7 峰值强度变化规律

3.2.1 峰值强度随温度变化情况

从图7(a)可以看出，花岗岩的峰值强度随温度的增加持续下降，600 ℃时2、6、8、10、12、15次循环组的峰值强度相对200 ℃时各循环组的峰值强度分别下降了72.37%、70.74%、73.33%、77.23%、73.02%、72.00%、68.60%。且最终降至22.71、23.17、21.28、19.39、18.84、18.56、17.72 MPa。对各温度下峰值强度取平均值进行线性拟合，如图7(c)所示，拟合公式为σ=-0.143 97T+104.584,R2=0.982 62。

高温对峰值强度劣化的影响较严重，温度增加，岩石内部水分汽化逸出，岩石内部出现孔隙缺陷，而由于花岗岩内部矿物晶体不同的热膨胀率，会导致热应力的产生，热应力促使晶体间微裂隙的产生，温度越高，越严重，最后表现为随着温度的升高，峰值强度的不断下降。

3.2.2 峰值强度随循环次数变化情况

从图7(b)可以看出，在各温度下随循环次数的增加，峰值强度变化情况分为3个阶段。①下降阶段，当温度在200、300、400 ℃时，循环次数在2～8时,存在一个缓慢下降阶段，200、300、400 ℃各下降了2.92%、6.17%、5.60%；②上升阶段，在各温度下，峰值强度随循环次数的增加存在上升阶段，随温度的增加，上升区间逐渐提前，200 ℃时上升区间在6～8循环，300、400 ℃时上升区间在4～6循环，500、600 ℃时上升区间在2～4次循环，且较下降前分别上升了7.53%、10.24%、26.12%、7.99%、2.03%；③持续下降阶段，在上升阶段之后，峰值强度随循环次数增加持续下降，各温度下分别下降33.72%、40.31%、44.37、32.36%、16.73%。200、300、400、500、600 ℃下峰值强度最终降至56.44、46.46、32.18、21.47、17.72 MPa。

当温度低于400 ℃时，一方面，高温作用使岩石内部的孔隙水汽化逸出，产生了部分微孔隙和缺陷，另一方面，岩石内部矿物晶体经过高温作用后膨胀，使这些孔隙闭合，花岗岩更加致密，从而导致峰值强度先下降，后又出现上升，且在400 ℃时达到最大幅度，而温度越高，岩石矿物晶体膨胀越剧烈，孔隙闭合越快，所以温度越高，上升区间越靠前，当温度高于400 ℃后，热应力使岩石内部发生较大损伤，上升阶段很小并不明显，若温度继续增加，热应力将促使岩石内部产生更多的微裂隙，花岗岩峰值强度随循环次数的增加将持续下降。

3.2.3 峰值强度随温度、循环次数等值线图分析

从等值线图[图7(d)]中可看出，峰值强度峰值出现在作用温度为200 ℃、循环次数小于9次时，随着循环次数和温度的不断增加，峰值强度不断减小，且温度对峰值强度的变化梯度影响更大。

3.3 峰值应变

峰值应变是花岗岩应力-应变曲线峰值强度对于的轴向应变值，反映出花岗岩单轴压缩破坏时的轴线变形情况，计算各温度下与各循环次数下峰值应变平均值。图8(a)所示为峰值应变随温度变化规律，图8(b)所示为峰值应变随循环次数变化规律，图8(d)所示为峰值应变随温度、循环数的等值线图。

3.3.1 峰值应变随温度变化情况

可以看出峰值应变随温度的升高分3个阶段：①当温度在200～400 ℃时，峰值应变小幅度下降，从1.62%减小到1.55%，降幅只有4.32%，说明在200～400 ℃时温度对峰值应变影响较小，此时应变处于较小值，花岗岩呈脆性；②当温度在400～500 ℃时，峰值应变出现上升，从1.55%增加到2.02%，增幅达到30.32%，表明此时花岗岩内部结构发生较大变化，温度升高使花岗岩的延性增加；③当温度由500 ℃升至600 ℃时，峰值应变再次减小，虽然此时花岗岩的延性较大，但温度已对花岗岩造成了较大的损伤，强度较小，单轴压缩时花岗岩很快达到峰值强度便破坏，导致峰值应变较小，从2.02%降至1.74%，下降13.86%。对各温度下峰值应变平均值进行拟合，如图8(c)，拟合公式为

图8 峰值应变变化规律

σ=-8.17×10-10T4+1.25×10-6T3-0.000 68T2+0.15T-10.53，R2=1。

3.3.2 峰值应变随循环次数变化情况

从图8(b)可以看出，峰值应变随循环次数的升高分两个阶段变化：①当循环次数在2～6次时，峰值应变随循环次数增加逐渐上升，从1.60%升至1.95%，增加幅度为21.88%，说明此阶段内随着循环次数的增加，花岗岩的延性增加；②当循环次数在6～15次时，峰值应变随循环次数增加缓慢下降，每次循环过后，峰值应变小幅度下降，峰值应变从6次的1.95%降低至15次的1.62%，下降16.92%，表明此阶段循环次数的累计对峰值应变的影响较小。

3.3.3 峰值应变随温度、循环次数等值线图分析

从等值线图中可看出峰值应变出现多峰情况，在作用温度为500 ℃，循环次数为12次时，出现最大值，当循环次数为2次，温度为200～400 ℃时，出现最小值。400 ℃以下，循环次数对峰值应变的变化梯度影响不大，温度对峰值应变的变化梯度影响较大。

3.4 弹性模量

计算花岗岩单轴压缩应力-应变弹性变形阶段斜率作为花岗岩的弹性模量，弹性模量反映了岩石弹性变形的特征。图9(a)所示为弹性模量随温度变化趋势，图9(b)所示为弹性模量随循环次数变化趋势。图9(d)所示为弹性模量随温度、循环次数的等值线图。

图9 弹性模量变化规律

3.4.1 弹性模量随温度变化情况

从图9(a)可以看出，在相同的循环次数下，花岗岩的弹性模量随着温度的升高持续下降，各循环次数下，2、4、6、8、10、12、15次下的弹性模量分别从200 ℃时的9.60、9.44、10.04、10.60、9.65、8.61、8.45 GPa下降到600 ℃时的2.93、3.13、3.12、3.13、2.75、2.58、2.54 GPa。下降幅度分别为69.51%、66.79%、68.90%、70.49%、71.51%、70.07%、69.89%。表明花岗岩抵抗弹性变形的能力随着温度的增加逐渐下降，对各温度下弹性模量平均值进行拟合，如图9(c)所示，拟合公式为E=-0.017 59T+13.54,R2=0.969 32。

3.4.2 弹性模量随循环次数变化情况

从图9(b)可以看出，当温度在200～400 ℃时，弹性模量随循环次数的增加总体分3个阶段：①下降阶段，出现在2～6次循环，200、300、400 ℃时分别下降了1.76%、7.72%、7.35%；②上升阶段，出现在4～8次循环，200、300、400 ℃时分别较下降前上升了12.34%、10.15%、14.21%；③持续下降阶段，8次循环之后弹性模量持续下降。当温度达到500 ℃后，弹性模随循环次数的增加先上升，后发生下降，上升区间在2～6次循环，500、600 ℃下各上升23.57%、7.02%，6次循环之后弹性模量持续缓慢下降。15次循环后，200、300、400、500、600 ℃下的弹性模量分别较2次循环时弹性模量下降了12.06%、34.61%、33.88%、25.66%、13.15%。

3.4.3 弹性模量随温度、循环次数等值线图分析

从等值线图中可看出，弹性模量峰值出现在温度为200 ℃，循环次数为6～8次时，最小值出现在600 ℃时，比较发现温度对花岗岩弹性模量变化梯度影响较大，弹性模量基本随着温度的升高而降低，随循环次数的增加变化不大。

3.5 变形模量

各温度下各循环组花岗岩的变形模量计算公式为

(2)

式(2)中：σ50为50%峰值应力；ε50为对应应变值，变形模量可以反映岩石的总体变形特征。图10(a)所示为变形模量随温度变化趋势图，图10(b)所示为变形模量随循环次数变化趋势。图10(d)所示为变形模量随温度、循环次数的等值线图。

图10 变形模量变化规律

3.5.1 变形模量随温度变化情况

从图10(a)可以看出，变形模量随温度的升高分3个阶段下降：①当温度在200～400 ℃时，变形模量小幅度下降，从2.76 GPa减小到2.41 GPa，降幅12.68%。②当温度在400～500 ℃时，变形模量快速下降，从2.41 GPa减小至1.16 GPa，降幅达到56.56%，表明此时花岗岩内部结构发生较大变化，花岗岩抗变形能力减弱；③当温度升至600 ℃时，变形模量再次减小，由1.16 GPa降至0.89 GP，下降23.28%。对变形模量平均值随温度的变化进行曲线拟合，如图10(c)所示,拟合公式为E50=1.07×10-7T3-0.000 14T2+0.050 5T-2.68,R2=0.971 79。

变形模量的下降表明随着温度的增加花岗岩延性增强，抵抗变形的能力减弱。

3.5.2 变形模量随循环次数变化情况

从图10(b)可以看出，变形模量随循环次数的增加分不同阶段：①当循环次数在2～6次时，变形模量随循环次数增加快速下降，从3.06 GPa降至1.53 GPa，降低幅度为50%。说明此阶段内随着循环次数的增加，花岗岩的变形能力增强；②当循环次数在6～8次时，变形模量出现上升，从1.53 GPa增加2.23 GPa，增幅46%；③8次循环后，变形模量不断下降，最终降低至1.55 GPa。

3.5.3 变形模量随温度、循环次数等值线图分析

从等值线图[图10(c)]中可以看出，弹性模量峰值出现在温度为200 ℃，循环次数为6、8次时，最小值出现在600 ℃时，比较发现温度对花岗岩弹性模量变化梯度影响较大，弹性模量基本随着温度的升高而降低，随循环次的增加变化不大。

4 相关性分析与讨论

以上分析可以看出，温度和循环次数的增加都导致了花岗岩的物理性质和力学性质的弱化，峰值强度下降根本原因是花岗岩内部孔隙裂隙的增加以及矿物晶体间结合减弱所导致，而饱和吸水率的增加同样是由于花岗岩内部的孔隙增加导致，故以下对花岗岩的峰值强度和饱和吸水率之间关系进行了分析。

4.1 各温度下饱和吸水率与峰值强度关系

岩石的饱和吸水率实质反映了岩石内部的孔隙多少，比较各温度下峰值强度与饱和吸水率的平均值，对两者关系进行拟合，如图11(a)所示，发现花岗岩的峰值强度随着饱和吸水率的增加呈线性下降趋势，拟合公式为σ=-38.53ωsa+82.78,R2=0.943 32。

图11 各温度下、各循环次数下饱和吸水率与峰值强度关系

当温度在200～400 ℃时，花岗岩内部自由水汽化逸出，增大了岩石内部孔隙，峰值强度减小，饱和吸水率增大；400～500 ℃时，花岗岩内部结合水汽化逸出，岩石内部结构弱化，缺陷孔隙增加，饱和吸水率迅速增加，峰值强度进一步下降；500 ℃后，花岗岩内部石英发生相变，岩石内部结构彻底弱化，导致了花岗岩内部孔隙的最终增加，相应地使饱和吸水率的最终增加和峰值强度的最终下降。

4.2 各循环次数下饱和吸水率与峰值强度关系

花岗岩在水-热循环作用下，岩石矿物晶体发生反复膨胀收缩现象，由于不同晶体颗粒间膨胀率不同，导致在晶体颗粒间产生了拉张应力，即热应力，引发了微裂隙的产生，随着循环次数的增加，裂隙加大，裂隙数增加。同时，试样在进行真空饱和时，水分从表面裂缝中充分进入岩石内部，一方面，水分可以溶解部分晶体，带走脱落晶体，另一方面，水分子削弱了矿物颗粒间结合，促进了颗粒的脱落，这都加大了花岗岩的孔隙，导致了花岗岩饱和吸水率的增加，峰值的强度降低。

4.3 讨论

在图11(a)中峰值强度的变化范围为20～80 MPa，饱和吸水率的变化范围为0.15%～1.8%，而图11(b)中值强度变化范围为35～55 MPa,饱和吸水率的变化范围为0.7%～1.2%，温度的影响范围为循环次数影响范围的3倍，这说明温度造成的花岗岩的物理性质和力学性质的劣化要远大于水-热循环次数造成的花岗岩的物理性质和力学性质的劣化，

5 结论

(1)温度的升高使花岗岩外观发生了较大变化，200、300 ℃高温循环作用后，试样表面逐渐变黑；400 ℃时表面不再变黑出现黄色斑点，随着水-热循环次数增加，斑点数变大增多；500 ℃高温循环作用后，黄色斑点数减少，试样表面逐渐变白，600 ℃ 高温循环作用后，黄色斑点消失，循环次数增加，试样表面同样逐渐变白。

(2)在相同水-热循环次数下，随着温度的增加，花岗岩的饱和吸水率分阶段增加，平均饱和吸水率从200 ℃时的0.36%上升至600 ℃时的1.80%；峰值强度呈线性下降，600 ℃峰值强度平均值相对200 ℃时下降72.69%；弹性模量与变形模量都下降，表明花岗岩随着温度的增加抵抗变形能力减弱，也表明花岗岩延性的增加。

(3)在相同的温度作用下，随着水-热循环次数的增加，花岗岩的饱和吸水率逐渐增加，平均饱和吸水率从2次循环时的0.72%上升15次循环的1.1%；峰值强度、弹性模量和变形模量出现先下降、后小幅上升、最后持续下降的变化现象，峰值强度平均值从2次循环时的52.35 MPa下降至15次循环的34.85 MPa，峰值应变先小幅度上升后又下降,表明循环次数对花岗岩变形的影响较弱。

(4)花岗岩单轴压缩破坏的应力-应变曲线分为4个阶段，分别为压密阶段、弹性变形阶段、累进性破裂阶段与破裂后阶段。随着温度的升高，花岗岩延性增加，应力-应变曲线幅度逐渐减小，压密阶段与累进性破裂阶段都增长，峰后曲线从光滑跌落过渡到分段跌落，随着水-热循环次数的增加，呈现出相似的变化。

(5)高温作用后，由于不同矿物晶体间不同的热膨胀率，使矿物晶体间产生张拉热应力，导致了岩石内部微裂隙的产生，温度的升高一方面增大了热应力，促进了微裂隙的发育，另一方面使岩石内部水分逸出，导致石英发生相变，弱化了岩石内部结构；而水-热循环次数的增加一方面促进岩石内部微裂隙发育扩展的同时，另一方面水分的作用也削弱了岩石内矿物晶体间的结合，所以，温度的增加和水-热循环次数的增加都会导致花岗岩内部缺陷和孔隙的增加，即随着饱和吸水率的增加，峰值强度减小，但经比较发现，温度升高对花岗岩造成的物理力学性质劣化要远远大于循环次数增加对花岗岩造成物理力学性质劣化。