高温对花岗岩细观及宏观力学断裂特性的影响

2022-05-12周磊董玉清朱哲明高维廷杨正艳王兴开

中南大学学报（自然科学版） 2022年4期

周磊，董玉清，朱哲明，高维廷，杨正艳，王兴开

(1. 四川大学建筑与环境学院灾变力学与工程防灾四川省重点实验室，四川成都，610065；2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川成都，610059；3. 绍兴文理学院浙江省岩石力学与地质灾害重点实验室，浙江绍兴，312000)

近年来，随着深埋高放射性核废料的处理、煤炭地下气化以及地热资源的开采等趋于常态化，高温地质环境对深部岩石的影响越来越严重；同时，深部硐室工程经常会遭受突发性高温环境影响(如火灾、瓦斯爆炸)，故深部高温岩石力学问题已成为目前岩石力学领域的重点研究问题之一[1-4]。在大多数地下岩土工程中，裂纹、节理及断层等缺陷因素是评价其稳定性的关键因素之一，且这些因素将对岩石内部裂纹的萌生与贯通等破碎行为产生极大的影响[5-7]，因此，在考虑裂纹影响的前提下，对高温处理后裂隙岩石的断裂力学性质进行研究就变得更为重要。

国内外学者对高温岩石力学特性进行了一系列研究[8-10]。陈宇龙等[11]对不同产地的石灰岩进行了高温处理，然后对体积密度、弹性模量、抗压强度、抗拉强度等力学性质参数进行了分析。FAN等[12]研究了热效应对花岗岩内部微观性能的影响，利用X 射线计算机断层扫描技术和三维图像重建技术观察了孔隙体积变化规律，讨论了热效应对非均质系数与各向异性系数的影响规律。KONG等[13]研究了高温处理后砂岩变形破裂过程中的电磁辐射特征和力学性能，发现电磁辐射信号强度随载荷的增加而增大。侯迪等[14]研究了高温处理对孔隙率、P波波速、裂纹孕育的影响，分析了高温处理与围压组合作用下大理岩的强度变化与变形特征的演变规律。

基于断裂力学原理，国内外学者也对高温裂隙岩石的断裂力学参数进行了研究[15-17]。FUNATSU等[18]研究了温度为0～250 ℃时砂岩材料I/II 复合型断裂韧度的变化规律，并分析了围压载荷对其断裂韧度的影响机制。左建平等[19]研究了花岗岩在高温处理后其断裂特性的演化规律，指出裂纹扩展主要受应力集中、多种矿物力学行为及它们之间的黏结力影响。FENG等[20]采用半圆形弯曲试样研究了高温处理对砂岩I/II复合型和纯II型断裂韧度的影响，结果表明温度超过500 ℃将显著影响裂纹的起裂与扩展行为。

近年来，尽管人们针对高温岩石的力学性质开展了大量的试验与理论研究，但这些研究主要集中于完整岩石的单轴压缩试验或三轴压缩试验[21-22]。对于高温处理后裂隙岩石的试验与理论研究还难以满足工程要求，故有必要对高温岩石的断裂力学特性进行深入分析与研究。本文对高温处理后的直切槽式巴西圆盘试样的断裂力学性质进行试验研究，对裂纹的断裂韧度进行计算，随后分别从细观与宏观角度分析高温对岩石断裂力学性质的影响，以期得到高温岩石断裂特性的变化规律，为深部高温环境地质资源开采与施工提供一定的理论基础与试验数据支撑。

1 试验设计

1.1 试验试样

本文选择直切槽式巴西圆盘试样(cracked straight-through Brazilian disc, CSTBD)进行不同温度下的高温处理试验研究，试件半径R=50 mm，厚度B=30 mm，裂纹长度2a=50 mm，裂纹长度的一半与半径的比值α=a/R=0.5，试件尺寸示意图如图1(a)所示。

选择河南信阳花岗岩作为原材料进行试样制备，通过X射线衍射仪(XRD)分析高温处理试件可知，该花岗岩材料主要由钠长石、石英、微斜长石组成，这3 种矿物成分质量分数分别为56.0%，23.7%与20.3%，如图2 所示。该岩石材料颗粒均匀，结构稳定，可以用于定量分析高温对花岗岩材料矿物成分的影响规律。

该花岗岩材料的力学参数如下：密度ρ=2 641 kg/m3，弹性模量E=60.69 GPa，泊松比μ=0.23，单轴抗压强度σU=82.44 MPa，单轴抗拉强度σT=6.43 MPa，纵波波速CL=4 802 m/s。

分别选择常温(23 ℃)，100，200，300，400，500，600和700 ℃作为目标温度，设置8组高温处理试验(当温度为700 ℃以上时，CSTBD试样容易在裂纹尖端产生热损伤宏观裂缝，静态断裂韧度极低，故未进行700 ℃以上试验)，随后采用马弗炉XMT-8000 进行3 h 高温处理，加热速率设置为10 ℃/min，温度上升曲线如图3所示。高温处理后试样在高温炉内冷却至室温，以防止冷却过程中热冲击效应对试样造成更大的热损伤。在每组温度下制作3个试样，中心直裂纹的加工采用高压水刀冲切形成，这样能够充分保证直槽切割裂纹的贯穿深度与标注尺寸一致，裂缝宽度为1 mm。试件四周采用中等粗糙度砂轮进行机械抛光打磨处理，使得试件尺寸误差在±0.5 mm范围内。

1.2 试验加载

本文采用电液伺服压力机(30T)作为试验加载系统，如图4所示。在试验加载过程中，搭配工业相机摄影系统对加载过程中裂纹的孕育与萌生进行实时观测，随后对高温处理后的花岗岩断裂过程进行分析。加载前，在加载压头上涂抹少量的凡士林作为润滑剂，减少摩擦对试验测试结果的影响，并在CSTBD 试件上下两端放置2 根直径为1 mm 的细钢丝，使得试件加载接近于线载荷加载[23-24]。根据前期巴西圆盘试验测试结果，设置加载速率为0.1 mm/min。在试验加载过程中，计算机自动记录试验过程的载荷-位移曲线，工业相机自动记录整个静态断裂过程。试验加载系统示意图如图5 所示。随后，根据加载过程中的载荷-位移曲线得到CSTBD 试件的静态断裂韧度等断裂力学参数。

由图5 可以看出，经过不同高温处理的CSTBD 试件从明显的脆性断裂特征向延性断裂特征转变。尤其当温度高于500 ℃时，试件无明显的峰值破坏载荷，这是因为高温使得岩石内部产生较大的孔隙率与热损伤微裂缝，试件受到加载时，存在初始压密实阶段，表明高温处理对花岗岩内部结晶体会起到一定的损伤作用，且内部孔隙率与细观裂缝数会增加。

2 试验结果

2.1 花岗岩试件表观颜色与纵波波速的变化规律

花岗岩试件物理外观颜色与表观裂缝变化如图6所示。图6中，红色线条表示花岗岩表面形成的表观裂缝。由图6可以看出，经过不同高温处理后的花岗岩材料表观颜色发生了明显改变，由低温阶段的芝麻白逐渐变成了高温阶段的虎皮红；当温度超过400 ℃时，能够很清晰地看到表面上的某些岩石矿物成分明显发生了改变，并且颜色逐渐变为虎皮黄，说明高温处理改变了花岗岩材料的岩石矿物成分，致使矿物成分颜色发生了改变。由图6还可见：当高温处理温度达到300 ℃时，花岗岩开始出现明显的表观裂缝，且随着温度不断升高，表观裂缝数也逐渐增多。

为了进一步分析高温对花岗岩材料力学损伤特性的影响规律，采用与波速相关的损伤因子D对花岗岩纵波波速的衰减规律进行计算。采用直径×长度为50 mm×100 mm 的圆柱体花岗岩试件分别在23～700 ℃进行处理。随后，采用RSM-SY5(T)非金属声波检测仪对高温处理前后的花岗岩材料的超声波波速进行测试。将每组高温处理试件的测试数据进行统计分析，可以得到花岗岩纵波波速的衰减规律。

研究表明，纵波波速与岩石损伤密切相关，纵波波速与热损伤因子的关系可表示为[25-26]

式中：D为损伤因子；ρ0和ρ1分别为花岗岩试件热处理前、后的密度；c0和c1分别为花岗岩试件热处理前、后的纵波波速。

随后根据式(1)可以计算得到不同高温处理下花岗岩材料的损伤因子与纵波波速的关系，如图7所示。从图7可以看出，随着温度升高，花岗岩纵波波速逐渐降低，且在600 ℃时急剧下降；而随着加热温度逐渐升高，花岗岩材料的损伤程度逐渐增大；在600 ℃时，损伤因子D急剧升高，衰减幅度达到最大，为27.61%；而当温度达到700 ℃时，损伤因子达到0.875，说明此时花岗岩已经几乎完全损伤，物理材料性质也完全改变。

2.2 宏观断裂面与静态断裂过程分析

图8 所示为不同温度下试件破坏形态。从图8可以看出，花岗岩试件的破坏形态均表现出纯I型拉伸断裂特征，这表明高温处理不会明显改变CSTBD 花岗岩试件的破坏特征，但不同温度下试件裂纹扩展路径具有明显不同的特征，如图9 所示。从图9可以看出，高温处理温度越高，扩展路径中越容易形成细小的花岗岩材料颗粒。这是由于高温损伤会导致材料内部形成密集的热损伤细观裂缝结构，晶体间的黏结力降低，最终在裂纹扩展过程中形成不同尺寸的细小花岗岩材料颗粒。

采用工业相机对CSTBD 的整个宏观断裂过程进行全程记录分析，并对裂纹尖端区域扩展特征进行局部放大，如图10 所示。从图10 可以看出：当高温处理温度较低时，试件静态断裂过程呈现出明显的脆性破坏特征，且破坏时间较短，贯穿裂缝瞬间形成且呈明显的直线特性；当高温处理温度达到400 ℃和700 ℃时，静态断裂过程相对较长，呈现明显的延性破坏特征，形成贯穿裂缝需要相对较长的时间且贯穿裂纹的轨迹较为曲折，这是由于内部热损伤裂缝造成晶体结构破坏，高温岩石加载阶段中的压密阶段持续时间较长，故测试过程中高温花岗岩试件的整体加载时间比低温试件的加载时间长。

2.3 静力学断裂韧度计算

基于断裂力学理论，对CSTBD 试样的I 型断裂韧度进行计算，根据CSTBD 试样的尺寸要求，可以推算得到其I 型与II 型断裂韧度的理论计算公式[27-28]：

式中：KIC为I 型断裂韧度；KIIC为II 型断裂韧度；Pmax为试验测试最大载荷；R为CSTBD 试样半径；a为CSTBD 试样中裂纹长度的一半；t为CSTBD试样厚度。

随后将试验测试最大载荷Pmax代入式(2)，可以得到高温处理后试件I 型断裂韧度。对所得I 型断裂韧度进行曲线拟合，结果如图11 所示。从图11 可以看出，花岗岩材料的静力学断裂韧度随着高温处理温度的升高而逐渐减小，表现出明显的线性衰减演变特征；在600 ℃时，其断裂韧度下降最快，相对于常温状态下的断裂韧度下降了76.3%，而当处理温度达到700 ℃时，断裂韧度下降了78.7%，这与其他学者得到的高温处理后巴西圆盘试样抗拉强度的衰减趋势类似[11,29]。

2.4 细观损伤特性分析

为了分析高温处理对花岗岩材料内部矿物成分的影响作用，采用X射线衍射仪(XRD)对花岗岩试件的矿物成分进行定量分析。经700 ℃高温处理后的矿物成分分析结果如图12所示。从图12可以看出：试件中钠长石的质量分数为38.6%，石英质量分数为23.6%，微斜长石质量分数为37.8%，与常温环境下未经过高温处理的花岗岩矿物成分明显不同(见图2)。对每组温度试样的矿物成分进行定量分析，矿物成分随温度的变化如图13 所示。从图13 可以看出，高温处理过程致使钠长石质量分数逐渐降低，石英与微斜长石质量分数整体呈增大趋势，钠长石质量分数减小，直接影响了花岗岩的静态断裂韧度。

细观断裂面分析是指对材料破坏后遗留的关于破坏过程的断裂信息进行分析，比如断裂能量释放率、细观裂缝分布形式，研究细观断裂面可以追溯断裂产生的机理，发现材料细观的结构组成和缺陷。经过近年来的快速发展，材料的断口分析已成为研究材料科学与断裂力学的一种重要手段[30]。本文对图9所示花岗岩不同高温断裂面进行切片处理，随后借助于FEI Inspect F50(FSEM)进行电镜扫描分析，结果如图14所示。

从图14 可以看出：在常温(23 ℃)下(见图14(a))，晶体表面光滑，胶结良好，无明显的热损伤裂缝，结构整体较为稳定，晶体呈现解理状断裂形态；试件经300 ℃高温处理后(见图14(d))，晶体间出现明显缝隙，并且出现微小裂缝，说明此时高温处理已经促使岩石内部晶体之间发生改变；试件经400 ℃高温处理后(图14(e))，裂纹已经开始贯通，形成多条微裂缝，在外力作用下很可能会瞬间产生聚集现象；试件经700 ℃高温处理后(图14(h))，能够明显看到内部裂缝贯穿整个断裂面，形成贯通裂缝，裂纹的数量也明显增加，晶体之间的胶结状态进一步被削弱，晶体结构发生了明显破坏，最终在宏观上表现为静态断裂韧度降低。

为了进一步分析CSTBD 试件断裂表面的损伤机理，采用分形维数对花岗岩断裂面粗糙度进行表征。细观分形维数计算方法包括周长-面积关系法、剖面位形法、幂律普法、自仿射分形法、盒维数法和Hausdroff 维数法等[30-31]，可以利用MATLAB 程序进行计算。本文选择盒维数法计算得到分形维数，并与花岗岩静态断裂韧度的变化趋势进行对比分析。

盒维数分形法的计算原理如下：在现有的反二值图像上有大量长度为δ的闭合盒子，这些封闭的盒子排列整齐，不互相堆积重叠。对含黑色内容物的箱子进行盒子数计数，总计为N(δ)。当标尺δ趋于无穷小时，所得极限值即为该图像的分形维数Ds：

但在分形维数计算过程中，标尺δ只能够到达一定程度的有限值，故通常采用最小二乘法进行数据拟合，得到如式(6)所示表达式，然后根据截距确定分形维数。

根据上述分形维数计算原理，采用MATLAB程序计算反二值图像的分形维数。从电子显微镜扫描得到的断裂面图片经过MATLAB 处理后，得到反二值图像如图15所示。由图15可见：该图像由一系列像素点组成，且可以看作是m×m的像素点矩阵，其内部为孪晶断裂形式。以1个黑色像素点为1个封闭盒子标尺，选择512像素×512像素的区域进行分析，计算包含不同尺度黑色像素盒子的数量，得到log2N(δ)与log2(1/δ)之间的对应关系，从而得到不同高温处理后试件裂纹断裂面的分形维数与静态断裂韧度之间的关系，如图16所示。

根据分形维数理论分析结果可知，分形维数越大，试件断裂面越复杂，沿晶断裂面占比可能越大，宏观上，单位面积上产生裂缝断裂面所消耗的能量越大，压裂破坏所需要的能量也越大。但从图16 可以看出，经700 ℃高温处理试件的分形维数为1.809 8，在常温(23 ℃)下试件的分形维数为1.769 5。造成这种现象的主要原因是花岗岩经过高温处理后，沿晶断裂经过热损伤已经产生，致使内部产生许多细观裂缝且连接贯通，最终在宏观上表现为静态断裂韧度降低。从图16 还可以发现，花岗岩的静态断裂韧度与分形维数呈反比，主要是由于在低温下，花岗岩晶体之间黏结较密实，破坏形式主要是穿晶断裂破坏，而经过高温处理的花岗岩晶体间会产生热损伤微裂缝，故高温处理后的细观断裂面较粗糙，以沿晶断裂为主，导致其分形维数较大。