温度与冲击荷载耦合下花岗岩动力性质

卢志堂，王志亮, 2

(1.同济大学 土木工程学院，200092上海；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，230009合肥)



温度与冲击荷载耦合下花岗岩动力性质

卢志堂1，王志亮1, 2

(1.同济大学 土木工程学院，200092上海；2.合肥工业大学 土木与水利工程学院，230009合肥)

摘要:为考察岩石的热动力学特性，利用改进的分离式霍普金森压杆，对不同实时温度下的花岗岩试样进行了50～250 s-1应变率的冲击压缩试验.基于测试数据，研究发现不同温度下应变率敏感性有所差别，700 ℃时花岗岩抗压强度的应变率效应最弱，而峰值应变的率效应非常明显,弹性模量的应变率效应无明显规律，如20 ℃和700 ℃时，弹性模量表现出随应变率升高而增大的趋势，但300 ℃和500 ℃时，其随应变率的增大而降低；较常温状态，300 ℃时花岗岩的抗压强度变化不大，当温度升高到500 ℃时，花岗岩热损伤效应明显，其动态抗压强度与弹性模量均大幅降低，而峰值应变呈增大趋势.700 ℃时热损伤现象突出，抗压强度与弹性模量迅速降低;此外，还发现当温度升高时，不但岩石的破碎程度加重，而且岩样的颜色也发生改变.

关键词:花岗岩；实时温度；冲击加载；应变率；热损伤

在深部岩体工程中，如地热资源开发和利用、高放射性核废料的地下贮存处置等，都涉及高温下岩石的力学特性[1].国内外学者对于岩石在高温条件下的物理力学参数变化、变形与损伤机制、破坏准则和本构行为等方面做了有意义的探索，取得一系列成果.Araújo等[2]分析了24、80和150 ℃的砂岩弹性模量、泊松比、抗压强度等参数的变化趋势，发现温度变化对岩石有不可忽视的影响；Inada等[3]研究了岩石在高温(15到100 ℃)和低温(15到-160 ℃)循环作用下的强度和变形特性；Shmonov等[4]研究了温度对地震作用下岩石渗透性的影响；Shibata等[5]开展了24到95 ℃时凝灰岩的蠕变试验；Dwivedi等[6]对30～160 ℃范围内印度花岗岩的弹性模量、单轴压缩强度等进行了研究；许锡昌等[7]开展了20～600 ℃范围内花岗岩单轴压缩试验，指出在20～500 ℃，单轴抗压强度受温度的影响不大；刘泉声等[8]通过20～300 ℃下的单轴和三轴蠕变试验，发现随着温度升高，蠕变速率变化越来越快，岩石粘性逐渐增强；杜守继等[9]发现400 ℃以内，温度对花岗岩力学性能的影响不明显，超过400 ℃后，花岗岩力学性能迅速劣化；朱合华等[10]对20～800 ℃温度后的熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩的力学性质进行了研究；刘石等[11]分析了25～1 000 ℃下大理岩在冲击破坏过程中的能量耗散特征；孙强等[12]发现岩石的抗压/抗拉强度、渗透率、波速等在400～600 ℃温度范围内会有显著变化；张志镇等[13]发现在实时高温加载作用下，单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而连续劣化；邱一平等[14]发现经历20～800 ℃温度后，岩石抗压强度、弹性模量及超声波波速等指标有明显下降；支乐鹏等[15]发现在25～1 000 ℃温度范围内，随温度增高花岗岩的热损伤总体上逐渐增大，抗压强度在减小，峰值应变总体增大；李明等[16]对800 ℃加热后的砂岩进行冲击压缩试验，发现随应变率提高，弹性模量、峰值应力随应变率的提高基本呈对数形式逐渐增加；张连英等[17]对200 ℃下不同加载速率石灰岩力学特性进行了研究；尹土兵等[18]发现砂岩由25 ℃增大到800 ℃后，密度、纵波波速与抗压强度均逐渐减小，200 ℃后纵波波速降低的幅度增大，400～600 ℃之间抗压强度降低幅度较小，800 ℃后抗压强度急剧下降.

以上工作大多集中在岩石经受高温冷却后力学特性变化规律方面，而实时温度与动载耦合下的力学性质研究相对较少.本文研究的黑云母花岗岩属于上地壳变质岩重熔，经过迁移在浅部形成的，在地热开发、核废料处理、地下硐室与人防工程建设中广泛涉及.上述工程花岗岩会承受高温作用，如高温地热可达200 ℃，核废料可达300 ℃，而利用火钻加热岩石使之软化达到热破碎温度，也大约1 000 ℃[19].为考察岩石的热动力学特性，本文开展了20(常温)、300、500和700 ℃下动态冲压缩试验，探讨了温度与动载耦合下其应力-应变曲线、弹性模量、峰值应力及峰值应变等的变化规律，并细究了其热力损伤特性与应变率效应，相关结论可为地热资源开发和深部岩体工程安全评估等提供参考.

1试验介绍

1.1试样制备

试验所用花岗岩呈灰白色，具有块状构造，其矿物成分有微斜长石(40%)、斜长石(25%)、石英(20%)和黑云母(8%)等，为黑云母花岗岩.将花岗岩试样加工成直径50 mm、长径比为0.5的圆柱体.并对试件的两端及侧面进行仔细研磨，保证不平行度和不垂直度均小于0.02 mm，试样基本尺寸和加工精度均符合岩石力学试验标准.常温下，试样密度ρ、吸水率wx、静态抗压强度σc分别为2 616 kgm-3、0.57%和138 MPa.本试验分20、300、500和700 ℃共4个温度等级，每个温度为一组，每组安排8块试样.

1.2试验设备

试验在带有加温装置的分离式霍普金森压杆(SHPB)系统上完成.SHPB由冲头、入射杆、透射杆和吸收杆组成，均由高强度镍合金钢制成，高温下仍具有良好工作性能，其极限强度达800 MPa，钢杆波速为5 480 m/s，密度为7 810 kgm-3；入射杆、透射杆和吸收杆长度分别为2 000、1 500 和500 mm，直径为50 mm.SHPB试验系统见图1.试验中，试样的应力σ(t), 应变ε(t)和应变率(t)可由贴在压杆上的应变片测得的电信号计算得出，“三波法”[20]计算式为

(1)

式中：A、As和ls分别表示压杆和试样的横截面积与试样长度；Eb表示压杆弹性模量；C表示杆波波速；εI(t)、εR(t)和εT(t)分别为入射、反射和透射波应变信号.

试验中所用的加温装置为长沙长城电炉厂制造的SX-4-10型加热箱(图2(a))，由高温炉和温度控制器组成，额定功率为4 kW，最高加热温度可达1 050 ℃.该加温设备可自动控温，且能够保证试样加温的稳定性与均匀性.为确保冲击压缩过程中岩石温度不变，釆用管式高温炉(图2(b))保温，管式高温炉固定于入射杆和透射杆之间.该装置采用碳纤维增强合金筒作为加热腔的内壁，可有效防止加热腔的击坏与击穿，并通过在试样加热装置的支架上安装找平螺栓，保证试样与入射杆、透射杆的精确对齐和完好接触，在加热腔两端安装的可调保温仓门，避免了入射杆、透射杆在出入加热腔时热量的大量散失，有效地保证了试样的恒温状态[21].

图1　SHPB试验系统

图2　温控加热炉

1.3试验方法

把加热箱温度分别设定为300、500和700 ℃ 3个等级，每次将8块试样放入内壁尺寸为500 mm×200 mm×120 mm的电加热炉膛内，以电炉的最大功率升温，其升温速率为10 ℃/min.加热到相应的温度等级并保持恒温3 h，以保证试样受热均匀.之后，迅速将试样转移至架设在SHPB装置上的管式高温炉中，加热10 min，以补偿试样在转移及放置过程中的热量散失，期间启动SHPB系统.其中，管式高温炉应在装入试样前升至试验所需温度.以上工序完成后，打开保温仓，将入射杆和透射杆同时缓慢推入炉内，夹紧试样，立即按照常规SHPB冲击试验步骤进行试验.通过改变冲击气压的大小，控制试验的应变率范围.

2结果分析

图3　花岗岩高温下动态应力-应变曲线

表1　不同温度下的试验结果

2.1抗压强度变化特征

图4给出20～700 ℃下，应变率范围50～250 s-1的抗压强度散点图.首先可看出温度300 ℃时，与20 ℃时相比，花岗岩抗压强度分布范围基本相同，可认为该温度区间内，岩石强度没有明显改变；而500 ℃对应的抗压强度比20 ℃时有所降低，这表明500 ℃时，花岗岩力学性质有明显的劣化现象；700 ℃时花岗岩抗压强度较20 ℃时大幅降低，均在100 MPa以内.其次，还可看出，高温花岗岩抗压强度同常温下一样，会随应变率的增大而增大，这反映了高温时花岗岩抗压强度仍然具有较强的应变率效应.

图4　不同温度下动态抗压强度-应变率关系

图5给出了动态强度敏感系数(即图4中直线的斜率)，可看出不同温度时，抗压强度的增大幅度有所差别，即不同温度下其敏感系数有所差别.当温度为20 ℃时，抗压强度敏感系数最大，而温度为700 ℃时，应变率敏感系数最小，意味着该组岩石强度的应变率效应最弱.

图5　不同温度下动态强度敏感系数

2.2峰值应变变化特征

图6给出了温度为20～700 ℃下峰值应变与应变率的关系，从整体上看，在20 ℃与300 ℃时花岗岩峰值应变分布范围接近，而500 ℃时峰值应变有明显增大，而当温度升高到700 ℃时，峰值应变大幅提高.各级温度下峰值应变也与应变率相关，均随应变率增大而增大.图7给出了其应变率敏感系数的变化情况，可见从20 ℃到300 ℃，敏感系数减小，由0.08 ms减小到0.06 ms；而当温度由300 ℃ 升到700 ℃时，敏感系数由0.08 ms增大到0.15 ms.

图6　不同温度下峰值应变与应变率关系

图7　不同温度下峰值应变敏感系数

2.3弹性模量变化特征

同岩石静态抗压试验一样，从图3中的应力-应变曲线上找出近似直线段，将其平均斜率作为弹性模量(也称为平均模量)[22].图8给出了温度为20～700 ℃下弹性模量随应变率的变化趋势，同样采用线性拟合来分析.随着温度不断升高，花岗岩的弹性模量不断减小.20 ℃时，弹性模量随应变率增大有增大趋势，但都在27～31 GPa之间，变化幅度较小.而300和500 ℃时弹性模量随应变率增大却有减小趋势，但变化幅度也较小.当温度升高到700 ℃时，弹性模量大幅度减小，均不足10 GPa，远低于20 ℃的弹性模量.这也反映了700 ℃高温时，岩石出现了严重的热损伤.由图9给出了各级温度下弹性模量随应变率增大的变化情况.可见温度为20和700 ℃时，花岗岩弹性模量随应变率增大而增大，而温度为300和500 ℃时，敏感系数为负值，弹性模量随应变率增大而有所降低.整体上看，岩石的弹性模量与应变率之间没有明确的关系.

图8　不同温度下弹性模量-应变率关系

图9　不同温度下弹性模量敏感系数

3热损伤机理及破坏模式

通过对实时高温的花岗岩进行冲击压缩试验，探讨高温与荷载耦合作用下岩石的破坏模式，可加深对温度与应力波作用后岩石破碎、失稳机制及其发展过程的认识.

3.1热损伤机理

首先观察高温对岩石外观的影响，将加热后的试样取出并迅速拍照.由图10可以看出，当温度升高到300 ℃之后，花岗岩的颜色开始变深，但从抗压强度、峰值应变和弹性模量的变化来看，未见明显劣化.当温度升高到500 ℃时，试样表面有肉眼可见的小裂缝.花岗岩是由石英、长石与云母等矿物组成，各矿物间热膨胀性质存在差异，500 ℃高温下，矿物晶粒界面展开，同时内部原有的微裂隙也会长大，因此500 ℃时岩样强度明显降低；700 ℃时，试样发生了较强的热破裂作用，边缘出现了一定蹦落豁口(见图10(d)).由肉眼观察，500 ℃时花岗岩试样表面有裂缝产生，出现明显热损伤，700 ℃时高温使得试样发生了强烈的热破裂，微裂缝扩展较大，花岗岩遭受了严重损伤.席道瑛[19]曾研究指出石英在573 ℃附近由α相转变为β相.对于花岗岩受热严重劣化的机理，可以理解为高温下石英相变导致体积膨胀，故花岗岩内部微裂隙萌生扩展，岩石力学性质从而出现劣化.因此，可认为在500～700 ℃区间内，石英相变使得花岗岩发生了热破裂，造成了严重的热损伤，导致抗压强度大幅降低.

根据裂纹演化理论认为，岩石材料内部存在的裂纹扩展和聚合是岩石材料破坏的根本原因，所谓的动力强度，只不过是由于断裂传播速度的有限性，试样来不及松弛而加上去的荷载，即超载.700 ℃高温时，岩石内部裂缝已经广泛扩展与贯通，使得承受冲击荷载时无需再次经历裂缝扩展与贯通的过程迅速发生破坏，因此该级温度下，花岗岩的应变率效应最弱.

图10　经受高温后试样照片

假设未加热时，试样弹性模量相同，那么根据损伤理论，热损伤参数D可由下式计算：

(2)

式中：E20表示20 ℃时花岗岩弹性模量，ET表示不同温度下花岗岩弹模.

对于500 ℃和700 ℃高温下岩石损伤，提取编号1-4、3-1和4-1试样的弹性模量(冲击气压均为0.4 MPa)代入式(2)，得出损伤量D分别为0.44和0.94，这表明当环境温度高于500 ℃时，花岗岩的损伤严重，700 ℃时损伤已接近1.0.

3.2冲击破坏模式

图11为冲击气压为0.4 MPa时，不同温度条件下试样冲击破坏形态照片.可以看出，温度为20 ℃时，试样沿轴向存在劈裂面，试样破裂成几块；300 ℃时，试样主要破坏仍为轴向劈裂，但四周破裂成多块；500 ℃时，试样外围破裂严重，轴向破裂面不明显；700 ℃时试样破碎严重，几乎为粉末状.从破坏模式来说，300 ℃时岩石破碎程度比常温下稍有增强，但500 ℃以上高温岩石破碎严重，岩石劣化明显.

图11　试样破坏后的照片

4结论

1)高温时花岗岩的动态抗压强度、峰值应变仍具有应变率效应，但不同温度下应变率敏感性有所差别.其中700 ℃时，花岗岩抗压强度应变率效应最弱，而峰值应变的率效应最明显.弹性模量与应变速率没有明确关系，20 ℃和700 ℃时，弹性模量表现出随应变率升高呈增大趋势，300 ℃和 500 ℃时，弹性模量随应变率的增大则减小.

2)300 ℃时花岗岩的抗压强度、峰值应变和弹性模量相对常温而言变化不大，当温度增大到500 ℃时，热损伤效应明显，花岗岩动态抗压强度与弹性模量显著降低.温度超过500 ℃时花岗岩组份中石英由α相转变为β相，使得花岗岩性质急剧劣化，故700 ℃下热损伤剧烈增大，抗压强度与弹性模量大幅降低，分别在100 MPa和10 GPa以下.

3)花岗岩颜色300 ℃开始变深，到500 ℃时，肉眼可见岩样中萌生的裂纹，700 ℃时岩样边缘因热破裂出现剥落.相同冲击作用下，300 ℃时试样破坏模式与常温比较相近，主要为轴向劈裂破坏；而500～700 ℃时加载，试样破碎程度加重，几乎呈粉碎状态.

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(编辑赵丽莹)

Dynamic properties of granite subjected to coupling action of impact loading with actual temperature

LU Zhitang1,WANG Zhiliang1,2

(1.School of Civil Engineering, Tongji University, 200092 Shanghai, China;2.School of Civil & Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, 230009 Hefei, China)

Abstract:To investigate the thermodynamic property of rock, the impact compression tests of granite within different temperatures were performed under different strain rates (50-250 s-1). Results show that the strain-rate sensitivities subjected to different temperatures are quite different. When the temperature rises to 700 ℃, the effect of strain rate on compressive strength is the weakest, while that on peak strain is obvious. The effect of strain rate on elastic modulus tends to have no regularity. The elastic modulus increases with the increase of strain rate at 20 ℃ and 700 ℃, but it takes on a downward trend at 300 ℃ and 500 ℃. There is little change in the dynamic compressive strength at 300 ℃ compared to the room temperature. When the temperature reaches 500 ℃, the thermal damage becomes obvious, the dynamic compressive strength and elastic modulus significantly reduce, but the peak strain increases. At 700 ℃, the thermal damage phenomenon is serious, and the compression strength and elastic modulus sharply decrease. In addition, with increasing the actual temperature, the color of the tested rock changes and its breakage degree also deepens.

Keywords:granite; actual temperature; impact loading; strain rate; thermal damage

中图分类号:TU45

文献标志码:A

文章编号:0367-6234(2016)06-0143-07

通信作者:王志亮,cvewzL@tongji.edu.cn.

作者简介:卢志堂(1985—)，男，博士研究生;王志亮(1969—)，男，教授，博士生导师.

基金项目:国家自然科学基金 (51379147,51579062,51174145)；

收稿日期:2015-08-13.

doi：10.11918/j.issn.0367-6234.2016.06.023

教育部博士点专项资金(20120072110024).