岩石高温作用后静态力学性能研究

赵文博，邓凯仁，徐彬洋

（中国矿业大学（北京）力学与建筑工程学院，北京 100083）

岩石材料是重要的工程材料之一。岩石在具体的应用过程中可能会遭受复杂的荷载效应，比如，岩石可能会遭受高温等影响。世界各地每年频繁发生火灾事故，带来巨大的人员伤亡和经济损失。那么，火灾结束时建筑物是否仍然保持安全状态，受到大火摧残后建筑物内部是否还能继续正常使用，是否可以采取修补、加固等防护措施使得整个建筑物恢复正常的使用功能呢？因此，有必要对岩石的高温力学性能进行研究。

岩石由各种矿物质和多类岩浆状颗粒构成，岩石内部的许多微细缺陷、微观裂纹都会随着其温度的不断升高而逐渐扩大和延伸，在一定范围内表现为岩石受力特征和力学性能的变化，这都可能对岩石造成损伤或破坏。赵阳升等利用显微CT（计算机断层扫描）技术对25～500 ℃作用后的花岗岩热破裂过程做了试验研究，研究结果表明，200 ℃时花岗岩已经出现极少微观裂纹，200～300 ℃温度范围内裂纹逐渐扩展，部分裂纹搭接形成较大裂纹，裂纹长度增加10 倍左右，300～500 ℃温度范围内裂纹逐渐贯通并形成封闭多边形，使花岗岩呈现糜棱状的晶体颗粒结构体。杨涛等研究了高温作用下花岗岩细观特性，在1 250 ℃条件下花岗岩矿物的胶结成分发生熔融，而在冷却过程中会产生孔洞，这是其孔隙率增加的主要原因。吴刚等采用光显微镜研究了高温下花岗岩细观结构，高温下花岗岩细观结构形态的变化主要体现在不同温度下裂纹萌生及扩展度的不同。有研究针对地层中经过一定时间的高温处理后再次冷却的花岗岩、砂岩的力学性质进行实证试验，分析了地层中高温处理后岩石的应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量和泊松比等的变化，研究表明，大多数岩石强度随温度的升高有所下降，而下降的趋势和岩石的种类有关。

1 试验方案设计

试验装置采用CSS-44100 电子万能试验机，加载采取位移控制的方式，其加载速度一般为0.05 mm/min。采用的高温加热装置是由山东省龙口市电炉厂制造的陶瓷纤维电阻炉。

试验拟采用同一批次砂岩试件，标准圆柱体试件的尺寸为Φ50 mm×50 mm，试件个数为24 块。本试验设计4 种不同的试验温度，分别是室温、200 ℃、400 ℃、600 ℃，分别用A、B、C、D 四个字母代表。

用陶瓷纤维电阻炉对试件进行加热，使试件内外形成均匀的温度场，加热时间根据数值计算得到。每次试验同时加热6 块砂岩试件，炉内达到试件指定的加热温度后将6 块试件放入其中。将达到指定加热条件的试件分成2 组，每组3 块，待其自然冷却至常温后对其中一组进行单轴压缩试验，另一组进行静态劈裂试验。

2 试验结果及分析

常温状态下，砂岩为暗灰色，加工好的试件表面较平整，其表面无特别的缺陷。经200 ℃高温加热后，其表观形态开始有微小的变化，岩石试件的表面颜色逐步地加深，试件体积无明显变化；400 ℃时，岩石表观颜色进一步加深，体积变化不明显，总体而言，在400 ℃之前，试件主要呈暗灰色，随着温度的上升，其表面颜色开始逐步偏褐色，但体积变化较小，略微有所收缩。当温度达到600 ℃时，砂岩的表观形态特征变化较为明显，主要体现在岩石的表面颜色开始由常温状态的暗灰色向褐色过渡，且表面存在裂纹，从外观形态变化可以感觉到岩石内部热损伤较为严重。试件的单轴压缩试验和静态劈裂试验结果分别如表1、表2所示。

表1 高温后单轴压缩试验结果

表2 高温后静态劈裂试验结果

由表1 可知，常温至400 ℃，岩石的抗压能力变化缓慢，总体趋势是随着温度的升高，抗压能力变化减小，但当加热超过400 ℃后，砂岩抗压强度急剧下滑。从整体来说，温度越高，砂岩抗压强度越小，在常温至400 ℃范围内，表现出较小的起伏，以400 ℃为转折点，抗压强度随温度上升有明显降低。

由表2 可知，在静态加载条件下，常温至200 ℃，岩石的抗拉强度变化缓慢，总体趋势是随着温度升高，抗拉强度有所减小，当加热超过200 ℃后，砂岩抗拉强度有所上升，但温度超过400 ℃后，其强度急剧下降。从整体来说，抗拉强度在室温至400 ℃有一定波动，400～600 ℃急剧降低，以400 ℃为转折点。

3 结论

本文主要利用单轴压力试验机对高温处理后的砂岩分别进行单轴压缩试验和静态劈裂试验，探究了温度对砂岩表观形态的影响，研究了不同高温处理下砂岩的静态力学性能，分析了砂岩单轴抗压强度及静态抗拉强度随温度的变化规律。一是温度对砂岩表观形态有显著影响。在常温至400 ℃时，砂岩由暗灰色逐渐转向褐色，特别是在400～600 ℃时颜色有明显变化，且原本光滑平整的表面在600 ℃时出现裂纹，体积有轻微膨胀，可看出其热损伤较强。二是温度对砂岩的力学特性有显著影响。随着温度上升，砂岩的单轴抗压强度整体呈下降趋势，400 ℃为一个转折点，400～600 ℃下降幅度较大；从砂岩抗拉强度来说，随着温度的上升，常温至400 ℃呈较小的波动变化，同样400 ℃为转折点，400～600 ℃有明显下降。考虑砂岩抗压强度和抗拉强度的关系，考虑试件本身存在瑕疵及差异性，再参考相关文献资料可得，砂岩强度在常温至400 ℃波动变化且变化幅度较小，400 ℃为其一转折点，抗压强度和抗拉强度均在400～600 ℃下降幅度较大，呈明显的下降趋势。