高温作用对花岗岩动态压缩力学性能的影响研究

刘 石， 许金余，2

(1.空军工程大学 航空航天工程学院，西安 710038；2.西北工业大学 力学与土木建筑学院，西安 710072)

冲击荷载作用下岩石破坏强度和变形性质的研究，是岩石动力学最基本的也是最关键的课题之一[1-3]。Demirdag等[4]运用液压伺服压力试验机和霍普金森压杆装置对几种不同岩石进行试验，研究孔隙率、密度和硬度对岩石静态和动态力学性能的影响。Dai等[5]采用SHPB装置对有凹口的半圆形试件进行了冲击动力学实验，提出一种新的参量可以准确的描述岩石Ⅰ型动态破碎的过程。许金余等[6-7]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。张颖等[8]采用Hopkinson 压杆对岩石进行动态冲击压缩试验，应变率范围为25.4～193.4 s-1。李 刚等[9]用改进的设备对三峡坝址处的花岗岩进行了大量的动态单轴压缩试验和劈裂试验，探讨了相应的破坏机制。同时，高温下的岩石力学性能研究也成为当前岩石力学领域非常活跃的研究方向，高温下的岩石工程问题也已成为岩石力学的新课题[10]。Mufundirwa等[11]通过浅表面位移监控器对黑硅石受温度变化影响下沿主裂纹方向的倾斜变形进行观察，提出了一种简便的可以将岩体运动与破碎位移生长联系起来的位移修正变量的计算方法。Chepurov等[12]通过对蛇纹石在高温高压下的色谱分析试验，研究了岩石中的矿物成分及结构形式、空隙及水分的变化。郤保平等[13]探讨了600℃内高温状态花岗岩遇水冷却后的力学特性及花岗岩体遇水热破裂劣化机制。秦本东等[14]利用自行研制的高温岩石膨胀特性试验装置，对石灰岩和砂岩试件300～700 ℃高温过程中的膨胀特性进行了试验研究。谢卫红等[15]对高温作用下石灰岩在单向压缩和单向拉伸加载的细观结构进行了实时试验研究。

但是由于当前地下工程所处地质条件日趋复杂，岩石工程中的岩石介质所处环境往往涉及冲击荷载、高温及其相互耦合作用等极端条件。本文利用高温装置改进后的Φ100 mm SHPB试验系统，对不同高温下花岗岩的动态压缩力学性能进行试验研究，研究了峰值应力、峰值应变、弹性模量随温度及应变率的变化关系。

图1 Φ100 mm 高温SHPB试验系统示意图

1 高温下花岗岩的动态压缩试验

1.1 静态力学性能

试验用的花岗岩取自陕西秦岭山区。采用液压伺服压力试验机对花岗岩进行静态力学试验，试验内容包括：饱和和干燥两种状态下岩石的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度以及软化系数。通过试件直径的两端，沿轴线方向划两条相互平行的加载基线，将两根直径为1 mm的钢丝作为垫条沿加载基线固定在试件两端。试验中仪器的加载速度为0.3～0.5 MPa/s，属于静态加载。得到花岗岩的饱水单轴抗压强度为87.40 MPa，干燥单轴抗压强度为90.42 MPa，软化系数为0.96，劈裂抗拉强度为8.89 MPa。

1.2 试验系统

本文中所采用的Φ100 mm高温SHPB试验装置，如图1所示，是在Φ100 mm SHPB的基础之上加装高温装置组成。SHPB试验装置主要由主体设备、能源系统、测试系统三大部分组成。本文所采用的加热设备为RX3-20-12箱式电阻炉，该设备可以自动控温、升温，采用硅炭棒元件加热，高性能纤维保温。

高温装置主体为管式加热炉、温度控制箱和支撑底座。管式加热炉内径120 mm，设计最高温度为1 200 ℃，由刚玉管和耐热钢管组成，保温层采用绝热性能优良的硅酸铝纤维毯，加热元件采用耐高温硅碳棒。采用移动支撑平台以实现管式加热炉与SHPB压杆之间的协同工作，加热炉底座上支撑平台通过螺母控制升降，可调控高低，以实现与压杆的对中，支撑平台上面嵌满可自由滚动的钢珠，使加热炉可自由拖动。

1.3 试验方案

为了充分研究高温下花岗岩的动态压缩力学性能，试验温度设置为25 ℃，100 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃和1 000℃共7个温度等级，子弹冲击加载速率设计值分别为11.0 m/s、12.0 m/s、13.0 m/s、14.0 m/s、15.0 m/s，进行高温下花岗岩在冲击荷载作用下的动态压缩试验。为了保证对试件加温均匀，以10 ℃/min的速度升温，到预定温度后保持恒温3 h，以使试件内外温度一致，制成不同高温下的花岗岩试件。

2 高温下花岗岩的动态压缩力学性能分析

利用高温装置改进的Φ100 mm SHPB对高温下(25 ℃～1 000 ℃)花岗岩进行每组五个冲击加载速率等级作用下的动态压缩试验，试验结果见表1所示。

图2-图4是高温下花岗岩的峰值应力、峰值应变及弹性模量随温度及应变率的关系曲线。

可以看出，试验结果有一定的离散性，但仍具有明显的总体规律：① 在25 ℃～600 ℃时，高温作用对花岗岩峰值应力的影响不大，说明花岗岩均匀性及致密性较好；800 ℃～1 000 ℃时，花岗岩峰值应力受高温影响明显，迅速下降，此时，可以理解为花岗岩中的矿物成分及其内部结构发生了显著变化，一些容易发生分解、蒸发的矿物质导致岩石内部所含有的预裂纹产生更大裂纹引起强度下降，600 ℃～800 ℃有可能存在高温下花岗岩内部结构突变的临界温度。② 随着温度的升高， 高温下花岗岩的峰值应变呈现逐渐增加的趋势，与25 ℃相比，到1 000 ℃时，相同冲击加载速率下的峰值应变增加了近1.5倍～1.7倍。③ 本文采用弹性模量Ec，即应力-应变曲线上升段上对应压缩强度为40%和60%的两点连线的斜率，高温下花岗岩的弹性模量离散性较大，大体上随着温度的升高呈现逐渐减小的趋势，尤其是在800 ℃之后，弹性模量迅速降低，总体而言,经历800 ℃的高温对花岗岩的变形特性影响较大。④ 一般认为岩石的峰值应力、峰值应变等与应变率具有正相关性，即存在应变率硬化效应，这已经得到大量试验结果证实，但是，由于岩石试件的不均匀性、尺寸效应、端部效应、加工精度等影响试验结果的因素较多，造成了结果存在偏差和离散。但是从总体规律上来说，即便是在高温状态下，花岗岩的峰值应力、峰值应变仍然表现出显著的应变率硬化效应，均随应变率的提高近似线性增加，在温度达到800 ℃之后，增加的幅度迅速增大。

图2 高温下花岗岩峰值应力的变化曲线

表1 高温下花岗岩SHPB试验结果

备注：GHDC表示高温下的花岗岩动态抗压试件。

3 结 论

(1)在25 ℃～600 ℃时，高温作用对花岗岩峰值应力的影响不大；800 ℃～1000 ℃时，花岗岩峰值应力受高温影响明显，迅速下降；600 ℃～800 ℃有可能存在高温下花岗岩内部结构突变的临界温度。

(2)随着温度的升高，高温下花岗岩的峰值应变呈现逐渐增加的趋势；而弹性模量离散性较大，大体上随着温度的升高呈现逐渐减小的趋势，尤其是在800 ℃之后，弹性模量迅速降低，总体而言,经历800 ℃的高温对花岗岩的变形特性影响较大。

(3)从总体规律上来说，即便是在高温状态下，花岗岩的峰值应力、峰值应变仍然表现出显著的应变率硬化效应，均随应变率的提高近似线性增加，在温度达到800 ℃之后，增加的幅度迅速增大。

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