高溫作用后硅質(zhì)砂巖力學(xué)性能試驗(yàn)

梁書鋒， 方士正， 韋貴華， 朱現(xiàn)磊， 李煒煜， 馬健起

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

由于巖石的多相組成，在溫度影響下，巖石力學(xué)性質(zhì)將會發(fā)生顯著的變化。地下礦山瓦斯爆炸、巖石地下工程火災(zāi)后重建、高溫核廢料處理等工程建設(shè)都不可避免地涉及高溫后巖石的強(qiáng)度及變形特性[1-4]，而其相關(guān)力學(xué)參數(shù)是巖石地下工程開挖、支護(hù)設(shè)計(jì)、圍巖穩(wěn)定性分析不可或缺的基本依據(jù)，這就需要考慮巖石在高溫作用后的物理力學(xué)性質(zhì)。

目前已有論著報(bào)道了高溫對巖石礦物組分和力學(xué)性質(zhì)的影響。張淵等[5]在細(xì)觀尺度下觀測了不同高溫條件下細(xì)砂巖的礦物組分、微結(jié)構(gòu)及其發(fā)展變化情況。諶倫建等[6]觀測了鶴壁煤層頂板砂巖微觀結(jié)構(gòu)在常溫至1 200 ℃高溫條件下的變化規(guī)律，得出其微觀結(jié)構(gòu)變化是有機(jī)物析出與遷移、礦物晶體轉(zhuǎn)化及體積膨脹等所產(chǎn)生的熱應(yīng)力共同作用的結(jié)果。劉均榮等[7]分析了高溫加熱對3種不同巖石中礦物成分的影響，發(fā)現(xiàn)巖石礦物成分隨著加熱溫度的升高而發(fā)生變化，且部分晶粒結(jié)構(gòu)遭受破壞。Zhang等[8]建立了不同溫度區(qū)間巖石內(nèi)部的成分及結(jié)構(gòu)變化與相應(yīng)的宏觀物理力學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系。

高溫后巖石內(nèi)部礦物成分及微觀結(jié)構(gòu)的改變在宏觀上體現(xiàn)為巖石力學(xué)性質(zhì)的變化。David等[9]以法國La Peyratte花崗巖為研究對象，進(jìn)行了熱處理致裂以及壓力致裂的試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)熱處理致裂引起的裂縫發(fā)展呈現(xiàn)出各向同性，而壓力致裂則表現(xiàn)出顯著的各向異性。吳剛等[10]對25～1 200 ℃溫度作用后砂巖的力學(xué)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，認(rèn)為高溫引起的礦物成分和微結(jié)構(gòu)變化，以及熱應(yīng)力作用是導(dǎo)致其力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化的主要原因。秦本東等[11]對25～700 ℃作用后的石灰?guī)r和砂巖進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)高溫對2種巖石強(qiáng)度均有弱化作用，同等溫度條件下，石灰?guī)r強(qiáng)度的降低幅度明顯大于砂巖。尹光志等[12]對不同高溫處理后的煤層頂板粗砂巖進(jìn)行了常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，當(dāng)圍壓一定時(shí)，巖石的強(qiáng)度、黏聚力和內(nèi)摩擦角隨溫度升高先增大后減小。趙國凱[13]采用多功能巖石高溫試驗(yàn)機(jī)研究花崗巖隨溫度變化的物理特性，發(fā)現(xiàn)花崗巖的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高總體呈降低趨勢，溫度對極限應(yīng)變的影響規(guī)律呈W型。楊永明等[14]利用CT掃描獲得巖石物理模型的空隙分布特征，探討了溫度作用下孔隙微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，孔隙率對泊松比的影響逐漸減弱；溫度引起物理模型內(nèi)部孔隙幾何形態(tài)和孔隙數(shù)量的改變是引起宏觀力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化的主要內(nèi)因。Yang等[15]對高溫后砂巖的力學(xué)性質(zhì)及滲透性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)砂巖力學(xué)和滲透性變化的臨界溫度為400～500 ℃。王成虎等[16]以玄武質(zhì)凝灰?guī)r為研究對象，在實(shí)驗(yàn)溫度為200～800 ℃開展高溫高壓實(shí)驗(yàn)，得出在圍壓一定，實(shí)驗(yàn)溫度不斷升高的條件下，巖樣的彈性模量和屈服強(qiáng)度都不斷降低，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度達(dá)到700 ℃，巖樣變形主要以流變?yōu)橹鳌Ｏ犁萚17]對飽和巖石隨溫度變化情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其結(jié)果顯示：飽和巖石隨著溫度升高，彈性模量和波速減?。浑S著溫度繼續(xù)升高，彈性模量和波速又隨溫度升高而增大。Zuo等[18]采用電子掃描顯微鏡技術(shù)對高溫下巖石的斷裂行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)溫度的改變對巖石的斷裂機(jī)理、力學(xué)參數(shù)均具有顯著影響。

不同種類巖石經(jīng)歷高溫后其力學(xué)行為不完全相同，因此有必要開展相關(guān)試驗(yàn)，進(jìn)一步豐富高溫后巖石力學(xué)性能的研究。本文對不同高溫作用后的硅質(zhì)砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，分析了高溫作用后硅質(zhì)砂巖力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律，并深入探討了高溫對巖石強(qiáng)度和變形特性的影響。

1 試件制備及試驗(yàn)過程

1.1 試件制備過程

所用硅質(zhì)砂巖取自四川省自貢市某巖石工程施工現(xiàn)場，按照國際巖石力學(xué)學(xué)會推薦尺寸[19]，加工成直徑50 mm，高100 mm的圓柱形試件，試件兩端的平整度控制在0.02 mm以內(nèi)。由于采用濕法加工，試樣加工完成后，在自然條件下晾干，時(shí)間為一周，如圖1所示。

圖1 部分加工好的試件Figure 1 Specimens prepared

試件晾曬完成后，放置于馬弗爐(圖2)內(nèi)進(jìn)行熱處理，溫度分別設(shè)置為200 ℃、400 ℃、600 ℃和800 ℃，加熱時(shí)間為4 h。熱處理完成后，取出置于陰涼處自然冷卻，熱處理完成后的試件如圖3所示。從圖3中可以看出，隨著溫度的增加，巖石的表觀也在不斷地變化，由常溫時(shí)的灰色向800 ℃時(shí)的褐色呈現(xiàn)出規(guī)律性的改變。

圖2 馬弗爐Figure 2 Muffle furnace

圖3 經(jīng)歷高溫后的巖石試樣Figure 3 Rock sample after high temperature

1.2 加載設(shè)備及加載方式

試驗(yàn)所用設(shè)備為TAW-3000伺服巖石三軸試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)過程通過自帶的計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)控制，使用軸向傳感器、徑向引伸計(jì)測量試驗(yàn)過程中巖樣的受力與變形，加載采用位移控制方式進(jìn)行，加載速率為0.06 mm/min，即應(yīng)變速率為10-5/s，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備及加載過程Figure 4 Test equipment and loading process

2 高溫對巖石強(qiáng)度和變形特征的影響

2.1 巖石礦物成分隨溫度的變化規(guī)律

根據(jù)X射線衍射(XRD)結(jié)果分析了巖石礦物成分的變化，如圖5所示。經(jīng)歷高溫前，硅質(zhì)砂巖中的主要礦物是石英(61.3%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、長石(14.6%)、云母(6.2%)、高嶺石(8.5%)和綠泥石(9.4%)?？梢园l(fā)現(xiàn)，石英是硅質(zhì)砂巖中的主要礦物成分，當(dāng)溫度從25 ℃升高到800 ℃時(shí)，石英含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))從61.3%增加到75.2%，增加了大約13.9個(gè)百分點(diǎn)。在常溫或低溫下，石英是典型的脆性材料，而在高溫下，石英會受熱膨脹，這種膨脹一方面可以促進(jìn)巖石內(nèi)部原始裂縫的閉合，另一方面，由于礦物膨脹系數(shù)不一致，將在巖石內(nèi)部引起結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力，并導(dǎo)致新的裂紋的形成。石英性質(zhì)的變化是砂巖力學(xué)性質(zhì)變化的原因之一。此外，400 ℃后的綠泥石和高嶺石的分解以及600 ℃后的長石的分解，也對硅質(zhì)砂巖的力學(xué)性質(zhì)的變化有顯著影響。

圖5 高溫后巖石礦物成分變化Figure 5 Mineral composition variation of siliceous sandstone under different heating treatments

2.2 巖石波速與溫度的關(guān)系

應(yīng)用聲波測試儀對熱處理后巖石試件的縱波波速進(jìn)行測試，其變化規(guī)律如圖6所示。總體上巖石波速隨溫度的增加而減小，其變化可以分為3個(gè)階段：Ⅰ階段，巖石波速逐漸降低，與溫度的增量呈線性關(guān)系；Ⅱ階段，巖石波速急劇降低，降低幅值達(dá)1 227 m/s；Ⅲ階段，巖石波速降低趨緩，與600 ℃相比降低294 m/s，降低幅值最小。高溫后巖石波速降低的原因可能在于：一是因?yàn)閹r石中的晶體或者膠結(jié)物在高溫下發(fā)生變化，進(jìn)而影響波速；二是因?yàn)閹r石內(nèi)部微裂隙在熱應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展，導(dǎo)致巖石力學(xué)參數(shù)劣化。

圖6 縱波波速隨溫度的變化Figure 6 Longitudinal wave velocity changes with temperature

2.3 巖石強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律

圖7為高溫后巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖8為巖石單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度的變化曲線。由圖7、8可以看出，對于5種不同試樣，在單軸加載條件下，都會經(jīng)歷壓密、彈性、加速破壞、完全破壞的過程，但是不同巖樣在每個(gè)過程的持續(xù)時(shí)間明顯不同：在常溫至400 ℃范圍內(nèi)，表現(xiàn)出較小的壓密段，較長的彈性階段，以400 ℃為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在經(jīng)歷600 ℃及800 ℃ 2個(gè)溫度后，巖石的壓密階段明顯延長，非線性彈性特征更顯著?？傮w上來看，隨著巖石經(jīng)歷的溫度不斷升高，巖石的強(qiáng)度逐漸降低，且在400 ℃發(fā)生明顯轉(zhuǎn)折，在25～400 ℃之間符合y1=-0.016x+150.8，在400～800 ℃之間以y2=-0.124x+194.5的規(guī)律變化。

圖7 高溫后巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Figure 7 Stress-strain curves of rock after high temperature

圖8 單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度變化曲線Figure 8 UCS-temperature curve

2.4 溫度對巖石應(yīng)變的影響

圖9(a)為巖石的軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變隨溫度變化的曲線，圖9(b)為巖石的軸向峰值應(yīng)變和體積峰值應(yīng)變隨溫度的變化曲線。從圖9(b)可以看出，在25～400 ℃,巖石的軸向峰值應(yīng)變和體積峰值應(yīng)變在較小的范圍內(nèi)浮動(dòng)，當(dāng)溫度從400 ℃分別增加至600 ℃和800 ℃時(shí)，巖石變形顯著增加，軸向峰值應(yīng)變相對于25～400 ℃時(shí)的平均值分別增加73.5%和124.7%，體積峰值應(yīng)變分別增加118.2%和145.0%。

圖9 經(jīng)歷不同溫度后的巖石應(yīng)力-應(yīng)變變化Figure 9 Rock strain-stress changes after varying temperatures

2.5 試件破碎后的形態(tài)

圖10為單軸壓縮時(shí)巖石的破壞形態(tài)。常溫下，巖石產(chǎn)生一條明顯的主裂紋，其破壞形式為壓剪破裂；經(jīng)過高溫處理后，單軸條件下巖石試件出現(xiàn)多個(gè)破裂面，且產(chǎn)生張拉裂紋，張拉破壞的成分比增加，巖石由壓剪破裂向張拉破裂轉(zhuǎn)變。巖石的破壞是由于其內(nèi)部微裂紋在溫度和外荷載作用下演化擴(kuò)展、貫通直至破壞的過程。隨著溫度的增加，越來越多的微裂紋吸收能量，并形成貫通裂紋，使得巖石的破壞加劇，裂紋數(shù)量增多。

圖10 巖石破碎后形態(tài)Figure 10 Rock fragmentation after loading

2.6 高溫后彈性模量的變化規(guī)律

巖石的彈性模量隨溫度的變化關(guān)系如圖11所示。高溫對巖石的彈性模量影響較大：在200 ℃前，巖石的彈性模量隨溫度的升高而增大，即彈性模量由常溫的29.9 GPa增大為34.0 GPa，增幅達(dá)13.71%；200 ℃后，巖石的彈性模量隨溫度的升高而下降；400 ℃后，巖石的彈性模量急劇下降；600 ℃時(shí)降低至16.9 GPa，相比于常溫降幅達(dá)43.48%；此后，巖石的彈性模量下降趨勢有所減緩。

圖11 彈性模量與溫度關(guān)系Figure 11 Relationship between elastic modulus and temperature

3 高溫后巖石的熱損傷

聲波在巖石內(nèi)的傳播特性體現(xiàn)了巖石的綜合物理性質(zhì)，因此聲波可以用來表現(xiàn)巖石熱損傷的變化[20]。為了描述高溫作用后巖石的內(nèi)部損傷特性變化情況，采取縱波波速來定義硅質(zhì)砂巖的熱損傷因子DT，定義常溫狀態(tài)下的熱損傷因子為0，其他溫度下的溫度損傷按照式(1)計(jì)算：

(1)

式中：VTi為硅質(zhì)砂巖試件經(jīng)過溫度Ti處理后的縱波波速，Ti取200、400、600、800 ℃；VT0為硅質(zhì)砂巖25 ℃時(shí)的縱波波速。

巖石的熱損傷因子可以反映巖石內(nèi)部的破壞程度，隨著硅質(zhì)砂巖的加熱溫度的上升，硅質(zhì)砂巖的縱波速度減小，這在某種程度上體現(xiàn)了巖石內(nèi)部的損傷變化情況。硅質(zhì)砂巖熱損傷與溫度的關(guān)系如圖12所示。

圖12 硅質(zhì)砂巖熱損傷與溫度關(guān)系Figure 12 Relationship between thermal damage and temperature

從圖12可知，總體上，硅質(zhì)砂巖的熱損傷因子隨著溫度的上升而增大。在400 ℃以下時(shí)，硅質(zhì)砂巖的熱損傷增長速率相對平緩；400～600 ℃時(shí)，巖石熱損傷開始急劇增加，主要原因可能是巖石內(nèi)部礦物成分發(fā)生明顯變化，在熱應(yīng)力的作用下微裂隙擴(kuò)展或產(chǎn)生大量新生裂隙，加快了巖石的內(nèi)部損傷；在600～800 ℃，巖石損傷又出現(xiàn)緩和現(xiàn)象，表明巖石內(nèi)礦物成分的變化已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，微裂隙逐漸停止擴(kuò)展。

經(jīng)回歸分析，硅質(zhì)砂巖熱損傷因子隨溫度的變化可由多項(xiàng)式函數(shù)表示，其表達(dá)式為

(2)

將硅質(zhì)砂巖材料視為各向同性，則在單軸應(yīng)力情況下，表征廣義力閾值的損傷應(yīng)變能釋放率θ由式(3)給出：

(3)

式中：σ為巖石單軸狀態(tài)下所受應(yīng)力；DT為巖石熱損傷因子。

圖13為高溫作用后硅質(zhì)砂巖損傷應(yīng)變能釋放率與溫度關(guān)系，從圖中可以得出，在400 ℃之前，硅質(zhì)砂巖的損傷應(yīng)變能釋放率變化不大；400 ℃之后，硅質(zhì)砂巖的損傷應(yīng)變能釋放率快速增加，因此，對于該硅質(zhì)砂巖而言，損傷應(yīng)變能釋放率變化的閾值溫度為400 ℃。

圖13 硅質(zhì)砂巖損傷應(yīng)變能釋放率與溫度關(guān)系Figure 13 Relationship between damage strain energy release rate and temperature

4 結(jié)論

(1)高溫作用對硅質(zhì)砂巖礦物成分及縱波波速有顯著影響，巖石縱波波速隨著溫度的增加而減小，尤其是在400～600 ℃，巖石的縱波波速降低速度明顯加快。

(2)經(jīng)歷高溫作用后，巖石力學(xué)性能劣化。隨著溫度的上升，巖石的強(qiáng)度表現(xiàn)出減小的趨勢，400 ℃后巖石強(qiáng)度降低最顯著。在25～400 ℃，巖石破壞時(shí)峰值應(yīng)變的變化并不十分明顯，超過400 ℃后，峰值應(yīng)變顯著增加。對于巖石的彈性模量，200 ℃以下，巖石彈性模量隨溫度的上升出現(xiàn)小幅度增加，溫度超過200 ℃后則隨溫度的增大而逐漸降低，尤以400～600 ℃時(shí)下降幅度最大。

(3)高溫作用后，單軸條件下巖石出現(xiàn)多個(gè)剪切破裂面，伴有次級張拉裂紋，巖石的破壞形式由壓剪破壞向張拉破壞轉(zhuǎn)化，而溫度是影響巖石破壞形式的主控因素。

(4)經(jīng)歷高溫作用后，硅質(zhì)砂巖的熱損傷隨著溫度的上升而增大，溫度達(dá)到400 ℃后，巖石熱損傷開始急劇增加，在600～800 ℃，巖石的損傷演化趨于穩(wěn)定狀態(tài)。