高温花岗岩动态力学性能研究*

2022-07-13刘成磊李贺庆赵容鹤相其迪钱一锦

现代矿业 2022年6期

刘成磊李贺庆赵容鹤相其迪曹霖钱一锦贾蓬

（东北大学资源与土木工程学院）

高温是影响岩石物理力学性质的重要因素，高温后岩石的的动静态力学特性会发生变化，对岩石工程的稳定性影响不容忽视。寇绍全［1］研究了20～600℃不同温度热处理对Stripa花岗岩变形及破坏特性的影响；张静华等［2］分别对花岗岩断裂韧度的高温效应做了研究；刘泉声等［3］采用单轴SHPB试验系统研究了岩石在冲击荷载作用下的动态力学性能及变形破坏破碎块度的分形特征；许金余等［4］研究了温度作用下三峡花岗岩力学性质及损伤特性。尹土兵等［5］利用SHPB实验装置，测得了不同高温作用后粉砂岩的全应力-应变曲线、峰值应力、峰值应变及弹性模量的变化规律，并对其微观机理进行了分析。宋小林等［6］对高温后大理岩动态劈裂试样的破坏应变进行了研究。

花岗岩作为增强型地热系统热储层最广泛的岩石，其高温下的热力学性质已被广泛研究。Gautam［7］研究了热效应对印度贾洛雷花岗岩的物理特性的影响，并与其他国家的花岗岩的类似性质进行了比较。平琦等［8］对常温和经历100～800℃高温作用后石灰岩试件进行物理参数测试，利用SHPB试验装置开展相同加载条件冲击压缩试验。郤保平等［9］采用宏观力学试验方法，对取自青海共和盆地的花岗岩热损伤的抗压强度、抗剪强度、抗拉强度以及高温状态花岗岩试件自然冷却时裂隙生成进行研究。

尽管国内外研究者对岩石在常温、高压下的各种物理力学特性进行了大量研究，但对高温作用后岩石动态冲击能量耗散的研究较少。本研究旨在探究花岗岩在高温条件下的动态力学特性变化规律。

1 试验设备及方法

本试验选用均匀性及完整性相对较好的花岗岩，根据岩土力学测试要求制定试件，花岩加工为φ100 mm×50 mm的圆柱体岩样，对试件端面磨平，上下表面平行度至0.05 mm以内，端面垂直于试件轴线，表面平面度在0.02 mm以内，试样基本尺寸和加工精度均符合岩石力学试验规定。

本实验所用加热设备为智能温控电窖炉，该加热设备可实现自动升温、控温。把升温设置为200，400，600，800℃共4个等级，将分组后的花岗岩试样置于高温电窖炉内以2℃/min的加热速率分别加热至200，400，600和800℃，恒温4 h后炉内冷却，制成试验用高温花岗岩试样。花岗岩岩石试样的动态冲击试验采用分离式霍普金森试验杆完成，如图1所示。

2 试验结果及分析

2.1 高温作用物理特性研究分析

图2中从左到右依次是200，400，600，800℃高温处理后花岗岩的宏观形貌，花岗岩试样中黑色的斑点随着温度的升高逐渐减少，到达800℃时褐色斑点明显发生变化。花岗岩上黑斑点一般成分为黑云母，呈板状、片状，集合体呈片状或者鳞片状，常温下岩样为灰白色，黑云母黑点密集分布［10］；随着温度逐渐升高，试样颜色发生改变，由灰白色逐渐转变为淡黄色。当温度超过400℃时，整体外观特征表现为黑色斑点减少。

随着作用温度的提高，花岗岩敲击声音特性发生变化。高温作用低于600℃时音色无明显变化，800℃时轻微碰撞即发出清脆响声。说明此时其内部结构已受到严重破坏，试件中的部分杂质成分、含水量逐渐下降，在热应力作用下微裂纹增多，孔隙增多，因此敲击声随温度升高逐渐变得清脆［10］。

质量的变化可以用质量损失率（Km）表示，为样品的质量损失与初始质量之比。Km的计算方法为

式中，M0为样品在25℃时的质量；Mt为温度t下的质量损失。在本研究中，热处理试样的质量损失率与温度呈线性关系。随着温度的增加，质量的损失几乎呈线性增加，如图3所示。

高温处理后岩样质量和体积的变化或与其内部成分和结构变化有关。对于目标温度25～800℃，根据质量和体积变化规律可分为4个阶段。

（1）25～200℃阶段。此阶段的质量损失率较低（低于0.20%），体积变化不大。此阶段初始热能由自由水吸收转变为蒸汽流失。

（2）200～400℃阶段。随着温度升高，一方面自由水在高温下成为蒸汽逸散在空气中，另一方面，随着温度的升高，岩石中的不同矿物颗粒因热应力作用产生变形且胶结能力减弱，当热应力大于矿物粒子之间的相互作用力时，矿物粒子脱落随空气流失，产生微裂纹，并随温度升高数量增多［11］。同时，岩样轻微热胀，产生较小的体积变化。在折线图上表现为岩石质量损失率增加较快，但体积变化和对应的密度变化较小。

（3）400～600℃阶段。质量损失率增大而体积变化率增大，密度变化率也呈现显著增大特征。这是由于随着温度的升高，在573℃时，石英由α相转变为β相，体积显著增大，产生了大量的孔隙和裂纹，导致大量碎屑的产生和矿物粒子的脱落，使花岗岩的致密性减弱。

（4）600～800℃阶段。质量减少而体积膨胀，从而体积变化率和密度变化率升高幅度较大，但相比较第二阶段升高幅度略低。花岗岩中的部分矿物成分分解，不仅自由水散失，矿物成分中的结合水在高温作用下也转变为蒸汽流失，部分水分与矿物成分发生物理化学变化，热应力下微裂纹逐渐增大，从内到外扩散延伸，相互之间贯通，并产生细小碎屑掉落［11］。

由图3可知，花岗岩波速降低率随温度变化，波速与矿物成分、矿物颗粒胶结程度、岩石含水量、孔隙度都有着紧密的联系。花岗岩的波速随温度的升高而降低，随着温度的升高花岗岩的波速降低率呈现升高趋势，但最后又趋于平缓。

在200～400℃时，波速降低率升高了14.12%，主要是因为此阶段自由水逸散导致孔隙度升高，矿物颗粒热作用下膨胀填充空隙，最终表现为波速低幅度降低。

在400～600℃时，波速降低率升高了33.86%，是200～400℃阶段升高百分比的2.40倍，一方面是石英在573℃产生相变导致产生大量微裂纹，孔隙度明显升高，另一方面，由于矿物颗粒的膨胀系数不同，以及自由水和结合水的散失，颗粒胶结程度下降，产生裂纹数量增多，内部结构破坏更加严重［10］，导致花岗岩的波速降低率显著升高。

在600～800℃时，花岗岩的波速降低率升高幅度减小，逐渐趋于平缓。此阶段主要是裂纹数目的增加和空隙的增大，使原有裂隙加宽加长，结果造成纵波波速减小。

2.2 高温作用后动态力学性能研究

图4为花岗岩在不同冲击速率下不同温度的应力应变曲线。经历不同高温后的花岗岩应力-应变曲线变化规律大致分为4个阶段。

第一阶段是压密阶段，由于花岗岩原有的孔隙、裂隙在外冲压力的作用下快速被压实，裂隙闭合，斜率逐渐增大；第二阶段是弹性阶段，岩石被压密之后，应力继续增加，岩样进入弹性阶段，应力、应变呈现正比例关系；第三阶段破裂阶段，此时岩石逐渐失去弹性特征，弹性模量逐渐减小，直到达到峰值应力，弹性模量减小为零；当达到峰值应力之后进入第四阶段，此时应力已经超过了弹性极限，花岗岩的承载能力随着应变的增大应力逐渐降低，其内部结构发生了严重破坏，产生大开裂。

图5为花岗岩分别在200，400，600，800℃温度下高、中、低3种不同冲击速率下的峰值应力与温度的关系。峰值应力随着温度的升高呈现明显的下降趋势。高速冲击过程，从200～800℃整个过程，峰值应力由200℃时的229.3 MPa降低到了800℃时的195.9 MPa，降幅达到了14.74%。

当温度相同时，在不同的冲击速率下峰值应力也发生了较显著变化，整体来看随着冲击速率的减小峰值应力呈现下降趋势。在中速冲击速率下，200～400℃时，峰值应力下降极为快速，从225.4 MPa降低到186.6 MPa，降幅达到了17.21%，而从400～800℃降幅只有9.91%。在中速冲击速率下可以清楚地反映出200～400℃阶段内岩石内部含水量以及矿物粒子胶结程度的差异，表明高温后花岗岩的动态抗压强度表现出加载率强化效应。

对花岗岩应力-应变曲线图上到达峰值应力前的近似直线进行拟合，可以计算到花岗岩的动态弹性模量，如图6所示。花岗岩的弹性模量随着温度的升高而逐渐降低，且花岗岩在400～600℃弹性模量下降最为明显。这是由于高温作用使得花岗岩内部的微裂纹进一步扩展，内部结构破坏更加严重；另一方面由于石英在573℃相变导致大量微裂纹产生，使其相比于其他2个阶段动态弹性模量下降更加明显。

图7为花岗岩在不同冲击速率下能量耗散与时间的关系曲线图。不同冲击速率不同温度下花岗岩试件的能量耗散曲线走势大致相同，0～0.000 1 s能量耗散几乎为零，损伤耗散能随着时间增长缓慢增长。在不同冲击速率下，不同高温作用下的岩石能量消耗具有较大差异。中速冲击速率下，400℃作用花岗岩能量耗散速度较慢，且耗散值较小，在此温度作用下，花岗岩内部微裂纹较小，断裂面产生摩擦能量耗散较低；低速冲击速率下，600℃作用花岗岩能量耗散显著升高，由于石英在573℃相变导致大量微裂纹生成，且伴随碎块抛出有能量耗散，大量微裂纹使断裂面摩擦滑移损耗能量升高。