高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

李庆森,杨圣奇,陈国飞

(中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221008)

高温后节理砂岩强度及变形破坏特性

李庆森,杨圣奇,陈国飞

(中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州 221008)

利用单轴压缩试验对经历不同温度后节理砂岩的物理力学性质进行分析研究,得出了关于节理砂岩高温后应力－应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量等参数随温度的变化规律。同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射分布特征,探讨不同温度对于变形破坏机理的影响。分析结果表明:温度对于节理砂岩性质的影响是多方面的。当经历温度较低时,温度对于节理砂岩性质的增强效果大于削弱效果;而当温度较高时,则反之。400℃为试验的温度阈值。在400℃前后,节理砂岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量等均呈现不同的变化趋势。节理砂岩经历高温后,产生的裂纹主要分布在节理附近,且经单轴压缩破坏后,裂隙同样主要沿节理分布,受热后,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。

高温后;节理砂岩;物理力学性质

随着煤矿地下工程向深部发展,出现了越来越多的涉及到高温后岩石物理力学特性问题[1－4],如矿山瓦斯爆炸、岩石工程火灾后重建等。由于砂岩具有其独特的物理力学性质,国内外众多学者针对砂岩高温后的物理力学性质进行了研究。左建平、苏承东等[5－8]认为温度对砂岩的作用结果与砂岩的矿物组成、矿物形状、热膨胀不均等多方面因素有关。温度对试样的力学特性的影响包括两种形式:一是温度增高产生热熔变形使原始裂隙愈合增强岩样力学特性;二是温度变化在岩样内部产生结构热应力,使试样内部产生微裂纹,降低试样承载能力和抗变形能力。温度越高,砂岩热损伤越明显。热开裂分布具有随机性。赵奎、康志强等[9－11]研究分析了砂岩受力过程中的声发射参数特征及时间特征,认为砂岩的声发射特性与加载方式有关,研究表明不同岩样在加载过程中的声发射率与声发射能量参数呈正比关系,并且最终得到不同岩样的岩石应力－应变曲线与声发射特性之间的规律。上述研究并没有考虑节理对岩石性质的影响,节理是影响岩石力学性能的重要因素之一。王在泉、夏才初、陈新等[12－14]从多方面对节理岩石进行了分析研究,研究表明节理岩石破坏形式有两种:穿切节理面和沿节理面破坏;节理岩石的变形特性与应力路径有关;节理连通率越大,岩石延性越强,连通率相同时,岩石强度在节理倾角为90°时最大。

研究不同类型的岩石高温后的力学特性很有必要。本文通过节理砂岩的单轴压缩试验,研究节理砂岩在经历20～800℃各温度段的强度及变形特性,探讨高温对砂岩峰值强度、峰值应变、弹性模量等的影响,并从岩石内部微观结构变化及组成成分讨论砂岩在高温作用下的破坏机理,同时利用声发射仪器监测岩石压缩过程中的声发射现象,探讨不同温度对于节理砂岩变形破坏机理的影响。

1 试样及试验方法

1.1 节理砂岩

岩样取自兴安煤矿,兴安矿地层有大量泥岩、砾岩、砂岩,且节理裂隙极其发育。所取节理砂岩(图1)呈暗灰色,有黑色连续节理。试样为标准圆柱体,规格ϕ50 mm×100 mm。经XRD衍射分析可知,在节理砂岩中成分最多的为高岭石,约占总质量的37%;其次为石英,约占总质量的23%;长石、伊/蒙混层、伊利石所占比例近似,分别为总质量的11%,10%, 8%;另外在节理砂岩中还含有少量的绿泥石和菱铁矿和其他成分,共占11%。岩石共10个试样,按照MS1－MS10依次编号。试样按照20,200,400,600, 800℃分组,每组温度下2个岩样。考虑节理自身的性质如节理倾角、节理数目等对岩石性质的影响,试验岩样中节理倾角均大于75°,主要节理数目均小于2条,以尽量减少节理自身对试验结果的影响。

图1 节理砂岩Fig.1 Joint sandstone

1.2 试验方法

试验共分两步:一是岩样加温,二是单轴压缩试验。岩样加温过程:将岩样采用20℃/min的加温速度加热至预定温度,然后恒温2 h,使岩样受热充分,打开加温仪器,使岩样自然冷却,取出岩样,所得岩样用于岩石单轴压缩试验。岩样单轴压缩试验过程:采用位移控制,0.2 mm/min的加载速率匀速加载,直至岩样失去承载力,停止加载。在压缩过程中同时利用声发射仪器监测岩石压缩产生的声发射信号。

2 试验结果及分析

2.1 节理砂岩经历不同温度后的微观变化

图2为节理砂岩经历不同温度后的微观结构,通过图2可以看出,在常温下试验中的节理砂岩整体呈青灰色,表面有铁锈色及深青色斑状区域,经不同温度处理后,节理砂岩表面颜色随着温度的增加而变浅,整体上青灰色转为灰白色,深青色斑状区域逐渐消失,有黑色点状物质产生,铁锈色分布逐渐均匀。当温度达到600℃时,岩石表面有少量裂纹生成,温度到达800℃时,岩石表面有裂纹产生,且裂纹主要集中在节理附近,沿节理方向分布。基于图2分析,在微观上,高温作用使砂岩颗粒产生不均匀膨胀,砂岩内部结构及组成成分都有一定程度的改变,并且,节理处为节理砂岩的温度薄弱区域,靠近节理处的砂岩最先受高温破坏。

2.2 节理砂岩单轴压缩全应力-应变曲线

试验得到了节理砂岩完整的应力－应变曲线,如图3所示。经历不同温度作用后节理砂岩的应力－应变曲线大致经历了4个阶段:压密阶段、弹性阶段、塑性变形阶段、破坏阶段。对比不同温度作用下节理砂岩应力－应变曲线可以得出:经历的温度较低时,节理砂岩应力－应变曲线变化规律基本类似,节理砂岩应力应变的变化受温度影响较小;经历的温度超过400℃后,节理砂岩应力－应变全过程曲线开始发生较大变化,这可能是由于加温导致岩石性质发生改变产生的,详细的变化规律将在下面进行讨论。

图2 不同温度后节理砂岩微观结构Fig.2 Microstructure of joint sandstone after different temperatures

图3 经历不同温度后节理砂岩应力－应变曲线Fig.3 Axial stress-strain curves of joint sandstone after different temperatures

2.3 温度对节理砂岩峰值强度的影响

高温后节理砂岩的峰值强度与温度的关系如图4所示。

由图4可知,节理砂岩经历的温度低于200℃时,随受热温度的升高,峰值强度变化不大;而当经历温度在200～400℃时,峰值强度随受热温度的升高而升高,当经历400℃高温时,节理砂岩平均峰值强度由常温时的72 MPa升至85 MPa,增加18%。在400～600℃,节理砂岩平均峰值强度随受热温度的升高而降低,在约600℃时,其强度与常温时较为接近。经历800℃高温后,节理砂岩平均强度由常温时的72 MPa下降到61 MPa,损失约15%。温度超过400℃,峰值强度与温度呈负相关关系。在600℃时同组岩样峰值强度差异较大,经观察,这组岩样节理倾角约相差15°,差异应是由节理倾角差异性所造成的。

图4 强度与温度关系曲线Fig.4 Strength and temperature curve

2.4 温度对节理砂岩峰值应变的影响

节理砂岩峰值应变与温度的关系如图5所示,由图5可以看出,高温后节理岩石的峰值应变与常温相比发生了明显的变化。节理砂岩经历高温后,峰值应力随受热温度的升高先升后降然后再升,但总体上都要大于常温的峰值应变;经历200,400,600,800℃高温后,节理砂岩平均峰值应变分别增加了15.0%, 10.8%,44.0%,51.1%。温度超过400℃后,峰值应变随温度升高而急剧变化,两者呈正相关。

图5 峰值应变与温度的关系曲线Fig.5 Peak strain and temperature curve

2.5 温度对节理砂岩弹性模量的影响

图6为节理砂岩弹性模量与温度之间的关系曲线。节理砂岩经历高温后,弹性模量呈先降低后升高再降低的非线性变化趋势,且在400℃时出现极大值;经历温度为400℃时,弹性模量数值与常温相近。经历温度超过400℃后,数值急剧下降,且基本呈线性,经历800℃时,弹性模量由常温时的10.37 GPa下降至4.71 GPa,损失了55%。

图6 弹性模量与温度的关系曲线Fig.6 Elastic modulus and temperature curve

3 高温后节理砂岩声发射特性

图7为不同温度条件下砂岩声发射振铃计数及应力与时间关系曲线。声发射过程中伴随着能量的释放,试验中得到的能量与时间的关系曲线与振铃计数几乎一致,故在此处将能量与振铃计数合并讨论。

图7 振铃计数及应力与时间曲线Fig.7 Curves of AE count and stress with time

温度在常温至200℃,节理砂岩的声发射振铃计数变化情况不大。声发射振铃计数的变化规律与应力－应变曲线规律相互对应。在岩石初始压密阶段及塑性变形阶段,没有或仅有少量声发射信号产生,这些信号主要是由岩石颗粒相互滑移或微裂纹闭合产生。当接近屈服强度时,岩石内部开始出现新的微裂纹,在薄弱处率先出现较多的声发射信号,直到岩样出现较大破坏而出现声发射信号峰值,岩样破坏后,声发射事件迅速减少,在峰值应力后,声发射基本趋于平静。

在温度为400℃时,节理砂岩声发射现象出现了较大的变化。节理砂岩在加载初期处于较低的应力水平下,由于温度的作用,一些原始裂纹已经闭合,在此阶段,产生的振铃计数信号减少。当应力增加到峰值强度约60%时,应力时间曲线出现一次波动,这在声发射振铃计数与时间关系图上体现为一次大的声发射信号峰值出现。此时,岩石内部必然出现了一次大的破裂,导致大量的声发射事件的发生,此时同样伴随着大量能量的释放。在接下来的一段时间里,声发射事件数又趋于平静,之前累积的能量在前一次的破裂中释放出来。在接近峰值强度时,砂岩声发射信号增多,接着伴随着再一次出现大范围破裂,产生第2个声发射峰值,对应的应力骤然下降。当岩石达到峰值应力,岩样破坏,此时释放出来的声发射信号没有前两次的剧烈,产生这种现象的原因是:在应力达到峰值强度之前的两次破裂释放出了大量累积的能量,且新的能量还未累计到足够大,岩石就被彻底破坏。节理砂岩达到峰值强度后,导致试样失稳破坏的主裂纹已经形成,没有再产生新的大裂纹,此时产生较少的声发射信号。

600℃时节理砂岩声发射信号波动更加明显。在应力－时间曲线上有3次大的折点,都对应着声发射振铃计数峰值。岩石的峰值应力出现在第2次折点处,但是声发射信号最大峰值出现在第3次折点处。在第2次破裂之后,岩样内部缝隙重新咬合,内部组成新的结构,该结构所能承受的最大应力取决于两点:岩石的抗压强度和结构自身强度的最小值。当应力继续增加时,岩石尚未达到其抗压强度,结构首先被破坏,故出现了最终破裂应力小于峰值应力的情况。

当加温温度为800℃时,节理砂岩表现出从开始大规模出现声发射信号至应力峰值前产生的声发射频率更加均匀。这是由于高温使节理砂岩内部组成发生变化,矿物成分重组,更加均质。岩石不是由一条主裂隙迅速扩张突然失稳,而是最软弱的裂纹首先破坏,产生较大的裂纹,之后不断有微裂纹发展为大裂隙,并伴随着大量的声发射信号,但是此时岩石的主体结构并未破坏,岩样并未失稳。当各裂隙相互贯通时,此时应力接近峰值应力,岩石产生导致最终失稳的主裂隙。

4 破坏模式及机理研究

经历温度在200℃以内,节理砂岩受热而使内部水分蒸发,水汽膨胀使节理砂岩内部产生新的微裂纹,导致砂岩强度下降,峰值应变增大,此时温度对砂岩力学特性具有较小的削弱作用。而在200～400℃,节理砂岩受热后,岩石内部各矿物成分发生改变,矿物颗粒小幅膨胀相互挤压,部分微裂纹被修复,致密程度得到改善,这使得砂岩的强度有所上升,弹性模量增强,峰值应变降低,此时,温度对砂岩的力学性能具有增强的作用。经历温度达到400℃及400℃后,温度对砂岩力学性质的削弱作用大于修复作用。在加温过程中,由于砂岩内部各矿物的颗粒成分和体积等的不同及岩石具有各向异性的特点,导致砂岩内部颗粒变形不均,颗粒继续相互挤压,造成内部产生热损伤,衍生出新的裂纹,同时这种热损伤随着温度的升高而进一步增大,最终导致节理砂岩的强度降低,峰值应变增大,弹性模量下降,整体性质劣化。

从应力－应变曲线可以看出,在经历温度较低时,节理砂岩的破坏具有突发性的特点,在最终破坏之前,没有明显的特征。而经历较高温度后,应力－应变曲线在最终破坏前都会有较大波动。节理砂岩的规律性表现的较为明显,节理砂岩的破坏类型在常温下为典型的脆性破坏,突发失稳。在200℃时,为脆性破裂,应力－应变曲线在屈服阶段有微小抖动,峰后强化;温度在400及400℃之后,节理砂岩的破坏都是由多次失稳造成的,并且在最终破坏前的非线性阶段增大,岩石破坏类型为延性破坏。

高温作用后砂岩声发射曲线可以较好地反映节理砂岩经历不同温度后的压缩破坏过程。随着温度的升高,节理砂岩延性增强,节理砂岩内部微裂纹演化成宏观裂纹的时间增长,且从第1次产生大规模声发射现象到最后一次大规模声发射现象时间增长,位于相邻两峰值间声发射活动增多。每次宏观裂隙的产生必然伴随着一次大规模声发射现象,都会形成应力波峰值,节理砂岩的破坏往往不是由一条主裂隙造成的,而是由多条裂隙共同引发的。

从图8可以明显观测出带有节理砂岩主要裂隙分布在节理处。节理会使岩石的不均匀性和各向异性更加明显。节理一般均以一定的优势方向分布,这就造成了节理岩体的物理力学性质在方向上的差异。沿着节理优势方向,岩石物理力学性质较差,而垂直节理优势方向,岩石物理力学性质相对较好[15]。这可以解释节理砂岩的主要裂隙均沿节理分布。在温度较低时,节理砂岩的破坏为沿节理的劈裂破坏,且主裂隙仅有1～2条,而当温度达到400℃及以上时,主裂隙数目增加,破坏后的岩样上普遍存在2条以上的裂隙,节理砂岩的破坏类型为多个共轭斜面劈裂破坏,这说明高温的作用使节理与完整岩样的差异性变小。

图8 加压前后岩样对比Fig.8 Comparison of joint sandstone after and before compression

上述试验分析说明,本次试验所测得和计算的数据具有一定的规律性,试验能够反映出节理砂岩经历不同高温后的物理力学参数的变化。但是误差难以避免,且岩样带有节理,节理使得岩样经历高温后力学参数有一定的离散,高温对不同节理岩石的影响,还有待在今后更深入的研究。

5 结 论

(1)400℃为本次试验的阈值,在400℃之内,节理砂岩峰值强度都随温度的升高而增大,超过这一温度之后,节理砂岩峰值强度开始呈现下降趋势,且温度越大,降幅越大。节理砂岩峰值应变随温度的升高整体呈升高趋势,且温度越大,增幅越大。节理砂岩弹性模量在400℃内先降低后升高,超过400℃后降低,总体呈现非线性变化趋势。

(2)声发射信号能较好地反映出节理砂岩内部裂纹产生情况。温度越高,峰值前后声发射信号增多,持续段释放的能量增多,从岩石开始破坏至最终破坏之间产生的声发射活动越强烈,并呈现出多峰值的情况,岩石延性特征越明显。

(3)节理砂岩经历高温后产生的微裂纹主要集中在节理附近,加压后,产生的裂纹主要沿节理分布,岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变,破坏形式由劈裂破坏向多共轭斜面劈裂破坏转变。

[1] 许锡昌,刘泉声.高温下花岗岩基本力学性质初步研究[J].岩土工程学报,2000,22(3):332－335.

Xu Xichang,Liu Quansheng.A preliminary study on basic mechanical properties for granite at high temperature[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2000,22(3):332－335.

[2] 杜守继,刘 华,职洪涛,等.高温后花岗岩力学性能的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(14):2359－2364.

Du Shouji,Liu Hua,Zhi Hongtao,et al.Testing study on mechanical properties of post-high-temperature granite[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(14):2359－2364.

[3] 朱合华,闫治国,邓 涛,等.3种岩石高温后力学性质的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(10):1945－1950.

Zhu Hehua,Yan Zhiguo,Deng Tao,et al.Testing study on mechanical properties of tuff,granite and breccia after high temperatures [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2006,25 (10):1945－1950.

[4] 郤保平,赵阳升.600℃内高温状态花岗岩遇水冷却后力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学,2010,29(5):892－898.

Xi Baoping,Zhao Yangsheng.Experimental research on mechanical properties of water-cooled granite under high temperatures within 600℃[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010,29(5):892－898.

[5] 左建平,谢和平,周宏伟,等.不同温度作用下砂岩热开裂的实验研究[J].地球物理学报,2007,50(4):1150－1155.

Zuo Jianping,Xie Heping,Zhou Hongwei,et al.Experimental research on thermal cracking of sandstone under different temperature [J].Chinese J.Geophy.,2007,50(4):1150－1155.

[6] 苏承东,郭文兵,李小双.粗砂岩高温作用后力学效应的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(6):1162－1170.

Su Chengdong,Guo Wenbing,Li Xiaoshuang.Experimental research on mechanical properties of coarse sandstone after high temperatures [J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27 (6):1162－1170.

[7] 赵洪宝,尹光志,谌伦建.温度对砂岩损伤影响试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(S1):2784－2788.

Zhao Hongbao,Yin Guangzhi,Chen Lunjian.Experimental study on effect of temperature on sandstone damage[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(S1):2784－2788.

[8] 尹土兵,李夕兵,王 斌,等.高温后砂岩动态压缩条件下力学特性研究[J].岩土工程学报,2011,33(5):777－784.

Yin Tubing,Li Xibing,Wang Bin,et al.Mechanical properties of sandstones after high temperature under dynamic loading[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(5):777－784.

[9] 赵 奎,王更峰,王晓军,等.岩石声发射Kaiser点信号频带能量分布和分形特征研究[J].岩土力学,2008,29(11):3082－3088.

Zhao Kui,Wang Gengfeng,Wang Xiaojun,et al.Research on distributions and fractal characteristics of energy Kaiser signal of acoustic emission in rock[J].Rock and Soil Mechanics,2008,29(11): 3082－3088.

[10] 苏承东,翟新献,李宝富,等.砂岩单三轴压缩过程中声发射特征的试验研究[J].采矿与安全工程学报,2011,28(2):225－230.

Su Chengdong,Zhai Xinxian,Li Baofu,et al.Experimental study of the characteristics of acoustic emission for sandstone specimens under uniaxial and triaxial compression tests[J].Journal of Mining and Safety Engineering,2011,28(2):225－230.

[11] 康志强,于 洋,李闻杰.岩石受压破裂过程应力应变及声发射特性研究[J].金属矿山,2011(2):22－24.

Kang Zhiqiang,Yu Yang,Li Wenjie.Study on characteristics of stress-strain and acoustic emission in the process of rock failure [J].Metal Mine,2011(2):22－24.

[12] 王在泉,张黎明,孙 辉.含天然节理灰岩加、卸荷力学特性试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(S1):3308－3313.

Wang Zaiquan,Zhang Liming,Sun Hui.Experimental research on mechanical properties of limestone containing natural joints under loading and unloading conditions[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S1):3308－3313.

[13] 夏才初,李宏哲,刘 胜.含节理岩石试件的卸荷变形特性研究[J].岩石力学与工程学报,2010,29(4):697－704.

Xia Caichu,Li Hongzhe,Liu Sheng.Study of deformation properties of jointed specimens under unloading conditions[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(4):697－704.

[14] 陈 新,廖志红,李德建.节理倾角及连通率对岩体强度、变形影响的单轴压缩试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010,30 (4):781－789.

Chen Xin,Liao Zhihong,Li Dejian.Experimental study of effects of jiont inclination angle and connectivity rate on strength and deformation properties of rock masses under uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,30 (4):781－789.

[15] 徐 健.浅析节理对岩体物理力学性质的影响[J].地下空间, 2001,21(5):365－368.

Xu Jian.Analysis on effects of joints on physical and mechanical properties of the rock[J].Underground Space,2001,21(5):365－368.

Strength and deformation properties of post-high-temperature joint sandstone

LI Qing-sen,YANG Sheng-qi,CHEN Guo-fei

(State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

Based on the uniaxial compression test,the physical and mechanical properties of joint sandstone under different high temperatures were studied.The scope included the variation of a series of stress-strain curve,peak stress, peak strain and elastic modulus with temperature changing.Meanwhile,using the acoustic emission instrument,the distributional feature of acoustic emission was monitored in the process of rock compression in order to discuss the effect on the mechanism of deformation and failure of joint sandstones under different temperatures.The influence of temperature on joint sandstone properties is various.When temperature is low,the enhancement effect of joint sandstone properties is greater than the weakening effect;And when the temperature is higher,the result is on the contrary.400℃is the temperature threshold value in the test.Before and after it,the peak stress,peak strain and elastic modulus show a different trend.The crack is mainly distributed in the joint nearby after high temperature,and the crack also mainly along the joint after uniaxial compression.The failure mode of the sandstone has transferred from brittle failure to ductile failure when heated.

post-high-temperature;joint sandstone;physical and mechanical properties

TD315,TU45

A

0253－9993(2014)04－0651－07

李庆森,杨圣奇,陈国飞.高温后节理砂岩强度及变形破坏特性[J].煤炭学报,2014,39(4):651－657.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0496

Li Qingsen,Yang Shengqi,Chen Guofei.Strength and deformation properties of post-high-temperature joint sandstone[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):651－657.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0496

2013－04－17 责任编辑:王婉洁

新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET－12－0961);国家自然科学基金资助项目(41272344)

李庆森(1990—),男,江苏徐州人,硕士研究生。E－mail:lqscumt@gmail.com。通讯作者:杨圣奇(1978—),男,江苏盐城人,教授,博士生导师。E－mail:yangsqi@hotmail.com