循环高温-快速冷却处理后的花岗岩力学特性及声发射响应特征*

谢晋勇 陈占清 吴疆宇

(①中国矿业大学力学与土木工程学院，徐州 221116，中国)

(②中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州 221116，中国)

0 引 言

高温下岩石的力学特性严重影响地热资源开发、高放射核废料储存等地质工程的稳定性。因此，大量学者对高温对岩石力学特性影响规律的研究依然采用了变形和强度的指标。Chen et al. (2012)通过单轴压缩试验分析了温度对花岗岩力学特性的影响，得到了温度与花岗岩单轴抗压强度、弹性模量和峰值应变的关系。Kožuníkovet al. (2017)认为随着温度的升高，花岗岩的物理和结构特性发生明显变化，总孔隙率不断增大，使其超声波传播速度、热传导率降低，渗透率升高； 方新宇等(2016)通过巴西劈裂试验推导和验证了高温岩体热损伤演化方程和热-力耦合本构方程； 吴顺川等(2018)研究了温度对红砂岩抗拉强度的影响，试验结果表现为随着处理温度的升高，其内部矿物组分间的胶结能力减弱，导致抗拉强度不断下降； 王春萍等(2014)分析了温度对花岗岩蠕变特性的影响规律，建立了单轴蠕变损伤本构模型，得到了温度对花岗岩的蠕变率和破坏时间的影响规律； Sun et al. (2015)探索了花岗岩在25～800 ℃条件下物理力学特性的演变规律，高温使花岗岩的破坏形式由脆性破坏向塑性破坏转变，证实了热处理后花岗岩物理力学特性之间的重要关联； Yang et al.(2017)研究表明，在25～600 ℃内，花岗岩的破坏模式为脆性断裂，形成贯通的劈裂裂纹； 700～800 ℃时，在韧性断裂过程中会产生较大的塑性变形； 平琦等(2019)试验证明了实时高温条件下砂岩的动态峰值应力与加载速率呈二次多项式函数关系； 赵国凯等(2019)得到了花岗岩在实时温度作用下的应力-应变变化规律，随着温度升高，单轴抗压强度与弹性模量呈下降的趋势。吴刚等(2015)探讨了温度与花岗岩细观结构形态和声发射响应的关系，试验证明花岗岩的内部裂纹和声发射活动频率与温度呈正相关关系，与岩样内部裂纹网格的形成具有对应关系； 陈世万等(2017)采用电镜扫描技术发现， 100～573 ℃处理后，花岗岩的裂纹主要集中在晶粒边界， 573 ℃后，开始出现穿晶裂纹，贯通整个晶粒与周围晶粒裂纹连接，形成裂隙网络； 赵亚永等(2017)发现高温处理后的花岗岩内部裂纹发育状况随着温度的上升愈加明显，认为热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关； 张帆等(2018)利用纳米压痕技术研究了花岗岩矿物组分和微观结构对其力学特性的影响，花岗岩内部石英加热超过500 ℃时，晶体结构发生相变，硬度急剧降低； 张志镇等(2016)分析了温度对岩石孔隙分布的影响规律，建立了孔隙分布的分形模型，得到了温度与孔隙分维数之间的关系。

以上学者大多考虑高温对地热岩石的物理力学特性、微观结构特征等的影响。事实上，在地热资源开发过程中，高温岩体通常承受地热提取液的反复快速冷却作用(赵阳升等， 2004)。试验证明岩体颗粒或晶体结构破裂裂纹会使岩体劣化(陈国庆等， 2018； 董艳辉等， 2018； 林冠宇等， 2018； 韩振华等， 2019； 王林均等， 2019)，而地热提取液的存在会使岩石颗粒或晶体结构发生改变(Peng et al.，1972； Tapponnier et al.，1976； 赵阳升等， 2004)，孔隙水压力也会加速岩石裂纹从不稳定扩展到宏观失稳(胡少华等， 2016)。因此，仅考虑高温对岩石力学特性的影响不能完全描述地热资源开发中高温岩体的工程行为。然而，目前针对循环高温-快速冷却对地热岩体力学特性影响的相关研究仍较少，对循环高温-快速冷却下地热岩体力学特性的演化规律仍不清楚。

因此，本文对花岗岩开展了循环高温-快速冷却试验，研究了温度和快速冷却次数对花岗岩应力-应变行为的影响规律，分析了循环高温-快速冷却后花岗岩承载全程的声发射响应特征，讨论了温度和快速冷却次数与循环高温-快速冷却后花岗岩应力-应变、单轴抗压强度和峰值应变的关系。

1 试验方案与试验设备

1.1 岩样的制备

图1 花岗岩的X射线衍射谱

根据试验要求，将温度设置为25 ℃、150 ℃、300 ℃、450 ℃及600 ℃，其中25 ℃下岩样不进行高温处理。其他每个温度水平又分为4个循环次数水平，分别为1次、5 次、10 次及15次。25 ℃制备6块岩样，其他每组温度和循环次数各制备4块岩样，共17组， 70块岩样。将岩样以10 ℃·min-1的速率分别加热至目标温度，然后恒温保持2 h。完成高温处理后，快速且稳定地将岩样放置在蒸馏水中冷却至25 ℃，岩样冷却至预定温度后，将岩样从水中取出放置在阴凉处，待岩样表面干燥，使用烘干箱对其进行干燥处理(在50 ℃条件下烘24 h)。为了确保冷却水的温度恒定在25 ℃，使用了150 L的水箱作为容器，并对冷却水进行了实时更新。

1.2 试验设备

本次花岗岩高温处理试验在CW-3000型高温炉(图2)上完成，该设备使用温度≤1600 ℃，升温速率≤20 ℃·min-1。高温处理后的花岗岩单轴压缩试验均在MTS815电液伺服岩石力学试验系统(MTS815 Electrohydraulic Servocontrolled Rock Mechanics Testing System)(图2)上完成。在花岗岩进行单轴压缩试验过程中采用位移控制的加载方式，速率为0.002mm·s-1； 与此同时，开启AE21C声发射监测系统(图2)，以获取声发射信号。设置加载设备MTS815系统采集信号时间间隔为0.5 s，声发射AE21C系统采集信号时间间隔为1 s。

图2 MTS815电液伺服岩石力学实验系统、AE21C声发射监测系统和CW-3000型高温炉

2 试验结果与分析

2.1 常温条件下的花岗岩应力-应变行为和声发射响应特征

为了了解循环高温-快速冷却后花岗岩力学特性演化规律，首先需要了解常温状态下花岗岩在加载过程中的应力-应变演化特征。图3给出了常温状态下的花岗岩岩样的应力-应变曲线，大致可将其分为5个阶段(Bieniawski， 1967； 蔡美峰等， 2002； Wu et al.， 2017； Zhou et al.，2019)。第1阶段为孔隙压密阶段(o-cc)，此阶段σ-ε曲线呈上凹型，可以理解为原生孔隙和裂隙的压密闭合，因此在此阶段声发射信号较弱； 第2阶段为弹性变形阶段(cc-ci)，此阶段σ-ε曲线呈线性变化，声发射信号较平稳，甚至没有声发射信号产生； 第3阶段为裂纹稳定扩展阶段(ci-cd)，岩样内已闭合的原生孔隙和裂隙以及新生裂纹开始扩展，使得此阶段σ-ε曲线表现出一定的非线性，声发射信号增强； 第4阶段为裂纹非稳定扩展阶段(cd-c)，此阶段裂纹扩展加剧，致使σ-ε曲线的非线性增大，且容易出现较大裂纹的扩展贯通，由此表现出声发射信号的突增，见图3中cd-c间的声发射突增； 第5阶段为破坏阶段(c点之后)，岩样达到峰值应力后，裂纹扩展贯通形成破裂面，导致声发射信号的突增。峰后岩样的承载能力主要依靠裂隙面间的颗粒摩擦承载，局部的颗粒断裂形成裂纹也在峰后表现出一定的声发射信号。

图3 常温条件下花岗岩岩样轴向应力-轴向应变-声发射曲线

2.2 循环高温条件下的花岗岩应力-应变行为和声发射响应特征

2.2.1 温度的影响

为了研究温度对花岗岩应力-应变行为和声发射响应特征的影响，固定循环次数，以温度为变量进行研究。取5次循环处理的花岗岩岩样为例，探究温度对花岗岩岩样轴向应力和轴向应变的影响(图4)。由图4可知，在不同温度水平下，花岗岩岩样均经历了上述5个阶段，花岗岩岩样的单轴抗压强度和峰值应变在温度作用后发生明显的变化。由图4可知，温度为150 ℃、300 ℃、450 ℃及600 ℃下岩样的单轴抗压强度分别为112.94 MPa、84.43 MPa、58.42 MPa和16.16 MPa，花岗岩试样单轴抗压强度随着温度的升高而减小，呈负相关关系； 其对应峰值应变分别为0.007 73、0.008 71、0.010 89、0.021 50，峰值应变随着温度的升高而逐渐增大，呈正相关关系。由图4中4条不同温度应力-应变曲线的形态可以看出，随着温度升高，花岗岩轴向应力-轴向应变行为的变化越来越明显，岩石的塑性特征明显增强。

图4 不同温度下花岗岩岩样的轴向应力-轴向应变曲线

岩石内部颗粒在荷载的作用下断裂滑移形成裂纹，其断裂产生的能量释放了声发射信号，因此，可以通过声发射信号来表征岩石材料的损伤状态。图5给出了花岗岩岩样在不同温度下的轴向应力-轴向应变-声发射曲线。

图5 不同温度下花岗岩岩样的轴向应力-轴向应变-声发射曲线

由图5可知，温度使花岗岩岩样声发射信号响应特征产生明显的变化。循环次数相同的条件下，花岗岩试样声发射振铃计数率最大值和声发射累计振铃计数在150～450 ℃内随着温度的上升而增大； 需要注意的是，在600 ℃时，无论是声发射振铃计数率最大值还是累计振铃计数都发生明显的降低，这和翟松韬等(2013)试验结果一致，认为这是由热熔效应导致花岗岩裂纹闭合造成的。由声发射信号分布特征可以看出，随着温度的升高，声发射信号响应由间歇活动向连续活动过渡，声发射信号的密集程度逐渐增大。由此可得，高温会造成岩样内部的结构劣化，而声发射信号趋于连续则表现出岩石延性的增加。通过对比图3和图5还可以发现，图3、图5a和图5b中，在单轴抗压强度2/3的位置存在明显的“跌坎”(郭清露等， 2015)，即应力跌落。针对应力跌落的产生，谢和平等(2006)认为单轴压缩过程中原已压密的原生裂隙孔隙在轴向应力继续作用下不断产生新生裂隙，并迅速扩展汇合成宏观贯通裂隙，且不可控制； 其应力跌落点声发射信号反应剧烈，声发射柱状图上出现峰值。随着温度的升高，这种应力跌落的现象趋于消失，说明了岩石的脆性衰弱，塑性增强。

2.2.2 循环次数的影响

为了研究循环次数对花岗岩应力-应变行为和声发射响应特征的影响，固定加热温度，以循环次数为变量进行研究。取450 ℃高温处理后的花岗岩岩样为例，研究花岗岩单轴抗压强度和轴向应变的变化规律(图6)。由图6可知，在不同循环次数的条件下，花岗岩岩样均经历了上述5个阶段，其单轴抗压强度和峰值应变皆因循环次数的增加而发生明显的变化。循环次数为1次、5次、10次和15次下岩样的单轴抗压强度分别为87.18 MPa、58.42 MPa、35.37 MPa和23.93 MPa，单轴抗压强度随循环次数升高而减小，单轴抗压强度与循环次数呈负相关关系； 其对应峰值应变分别为0.010 07、0.010 89、0.013 99、0.016 48，峰值应变随着循环次数的增加而增大，呈正相关关系。从图6的应力-应变曲线可以看出，随着循环次数的增加，轴向应力-轴向应变曲线趋于扁平，使其塑性特征更加明显。

图6 不同循环次数下花岗岩岩样的轴向应力-轴向应变曲线

图6显示出循环次数对轴向应力-应变的影响，为了便于表达这种损伤状态，图7给出了花岗岩岩样在不同循环次数下的轴向应力-轴向应变-声发射曲线。

图7 不同循环次数下花岗岩岩样的轴向应力-轴向应变-声发射曲线

由图6和图7可知，循环次数对花岗岩岩样声发射信号分布特征产生了较大的影响。声发射振铃计数率最大值、累计振铃计数、分布密集度等皆发生明显的改变，如声发射振铃计数率最大值随着循环次数的增加而降低； 声发射累计振铃计数在循环1次到5次时呈现增大的趋势，而循环5次到循环15次呈现下降的趋势； 声发射信号由间断活动向连续活动过渡，声发射信号的密集程度明显升高。由此可得，花岗岩试样在循环次数的影响下，其岩石延性趋于增强。

3 结 论

本文利用MTS815电液伺服岩石力学试验系统和AE21C声发射监测系统开展了花岗岩的单轴压缩试验和声发射监测试验，分析了温度和循环次数对花岗岩轴向应力-轴向应变行为和声发射响应特征的影响规律，得到了温度和循环次数与花岗岩单轴抗压强度、变形和声发射信号的剧烈程度、分布特征的关系。主要结论如下：

(1)花岗岩轴向应力-轴向应变行为、单轴抗压强度和峰值应变与温度和循环次数密切相关。温度和循环次数均削弱了花岗岩承载能力，而加强了花岗岩的变形能力，表现为花岗岩的承载力持续减弱，花岗岩试样结构承载力达到峰值时的变形量持续增加，即单轴抗压强度与温度和循环次数呈负相关关系，峰值应变与温度和循环次数呈正相关关系，岩石塑性变形能力趋于增强。

(2)花岗岩试样在温度影响下，声发射信号的剧烈程度(声发射振铃计数率最大值)和声发射累计振铃计数呈现先增大后降低的趋势，应力跌落的现象弱化甚至消失，声发射信号由间歇活动向连续活动过渡。可以看出，温度影响下的花岗岩试样脆性降低而韧性增强。

(3)循环次数加剧了温度对花岗岩试样内部结构的影响，使声发射信号响应特征发生巨大变化。声发射振铃计数率最大值和声发射累计振铃计数随着循环次数的增加而减小，声发射信号密集程度加大，声发射信号由间歇活动向连续活动转变。因此，循环次数弱化了花岗岩的脆性及增强了塑性。