高温作用后砂岩力学性质研究①

杨礼宁， 姜振泉， 张卫强， 耿济世

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)



高温作用后砂岩力学性质研究①

杨礼宁， 姜振泉， 张卫强， 耿济世

(中国矿业大学 资源与地球科学学院，江苏 徐州 221116)

摘要：对临沂市莒南县砂岩进行经历25～850 ℃高温作用后的力学试验。结合扫描电镜技术对高温作用后砂岩试样的物理力学性质和微观结构的变化规律进行观察。研究表明：砂岩的峰值强度在25～400 ℃间存在一定的波动，但整体上变化不大；在400 ℃以后，试样的峰值强度开始迅速下降；砂岩试样的变形位移总体上随处理温度升高而增大，在400 ℃以前变化不大，当温度高于400 ℃后峰值强度对应的位移迅速增加。扫描电镜图片显示当加热温度越高时砂岩微观孔隙越多，特别是在500 ℃时，部分颗粒胶结物已经遭受破坏。

关键词：砂岩； 峰值强度； 变形位移； 扫描电镜； 高温

0引言

随着煤矿资源的深部开采、核废料的深埋处置、地热资源的开发以及大都市圈深度地下空间开发利用的迅速发展，岩石在高温作用下或高温作用后的物理力学性质[1-2]、深部岩石力学等问题成为岩土工程的热点之一。

近些年许多学者对高温作用下的岩石力学性质进行了多方面的研究。吴扬科[3]对不同温度作用后的砂岩试样进行了劈裂试验，发现粗砂岩的单轴抗拉强度随着温度的增加先增大，后减小。汪然等[4]通过温度循环作用后的大理岩单轴压缩试验发现随温度升高，其变形特征表现为塑性变形明显，弹性模量降低，峰值应变增大；吴忠等[5]对煤层顶板砂岩的试验结果也符合这一规律。吴刚等[6]对焦作砂岩在经历高温作用后的力学特性进行试验研究，发现温度引起的热应力作用、矿物成分和微结构变化导致砂岩力学性质发生改变与高温作用后的岩石承载力劣化。谌伦建等[7-8]采用扫描电镜、偏光显微镜和热分析仪等方法得出砂岩在高温作用下微观结构变化是矿物晶体转化、体积膨胀等产生的热应力和有机物析出与迁移的共同结果，得出岩石微观结构在高温变化下的变化对岩石力学特性有显著影响。苏承东等[9]研究高温作用后的高空隙度粗砂岩，发现温度增高既可以增强岩石的承载能力和抗变形能力，也可以减弱这两种能力。左建平等[10-11]研究不同温度作用下平顶山砂岩的热开裂，得出砂岩的热开裂主要与矿物成分的热力学性质有关，受矿物颗粒形状的影响较大。张渊等[12]通过试验得出了在不同温度条件下长石砂岩孔隙率随温度变化的规律。缪阿丽等[13]通过对比大量的岩石试样的岩石高速摩擦试验，简述了水热作用下岩石和断层泥的高速摩擦性状。

本文对不同高温作用下的砂岩试样进行力学试验并用扫描电镜观察其微观结构变化，分析高温作用后砂岩试样的力学性质，以期为今后的工程提供参考依据。

1试验概况

试验所用高温炉为CTM500灰分挥发分测定仪(马弗炉)。此设备具有恒温区的识别与控制技术，控温范围最高能达到1 000 ℃。试验加载装置由岩石力学试验加载系统液压伺服刚性压力试验机组成(图1)。试验过程中在试验机上对砂岩试样进行单轴加载。

图1　电液伺服压力试验机Fig.1　Electro-hydraulic servo pressure testing machine

采自山东省临沂市莒南县的岩石试样在天然状态下呈暗红色，质地均匀，表面无纹理，常温平均密度为2.42 g/cm3。将试样切割成为高度和直径分别为100 mm和50 mm的标准圆柱体，然后对其进行高温作用。在温度作用低于150 ℃时选取烘箱对砂岩进行加温，达到试验温度后在烘箱内保持恒温30分钟，取出试样自然冷却至常温后对其进行力学试验。加温超过150 ℃时采用马弗炉对试样进行加温，达到试验温度后在炉内保温30分钟，试样自然冷却至常温后进行压力加载试验。

2试验结果分析

砂岩在高温条件下的应力-位移曲线以及峰值强度与温度的关系如图2、3所示。25～100 ℃间由于砂岩内结合水的蒸发，砂岩试样的峰值强度有小幅度增强，从单轴砂岩声发射试验中可以准确地反映这一过程[14]。在100～200 ℃，砂岩的颗粒逐渐发生变形，砂岩试样中的部分孔隙闭合，这一压密过程的宏观表现即为试样的峰值强度降低。200～400 ℃间砂岩试样的峰值强度先下降后上升，并在400 ℃时升至最大值82.76 MPa。在这一温度区间中，砂岩中的部分矿物发生了重结晶，所以试样中的孔隙和裂隙发生改变。400 ℃以后砂岩试样的峰值强度急剧下降，表明岩石塑性增强，非线性阶段逐渐增大。峰值强度在500 ℃处降至最低点，并随着温度继续上升，砂岩式样的峰值强度有了小幅度的上升。由于在400 ℃以后砂岩中的矿物发生了多种的变化，包括矿物脱水、相变、重结晶等，改变了矿物之间的胶结结构，在宏观上表现为砂岩峰值强度的严重劣化。

图2　砂岩应力-位移关系曲线Fig.2　Stress-displacement curve of sandstone

图3　不同温度下峰值强度变化曲线Fig.3　Peak strength curves at different temperatures

从图4可以观察出变形位移在不同高温作用下的变化规律。从100～400 ℃，砂岩试样在高温态下的变形位移缓步增长，400 ℃时变形位移达到1.39 mm，是100 ℃时的2.3倍；500 ℃以后试样的变形位移急剧增大；600 ℃以后的变形位移增长近似为线性增长，850 ℃时的变形位移达到了4.32 mm，是常温下试样变形的5倍。

图4　变形位移随温度变化曲线Fig.4　Displacement curves at different temperatures

通过扫描电镜技术(SEM)对不同温度作用下的砂岩试样进行微观形貌特征观察。在工作电压为30 kV的扫描电镜图片中可以看到岩石孔隙和裂隙的变化过程与岩石断裂的各个阶段。从扫描电镜照片(图5)可以看到，砂岩试样的孔隙率随着温度升高而增大，特别是当温度增加到500 ℃以上时，砂岩试样的孔隙和裂隙变得非常密集；当温度升高到600 ℃甚至更高时，孔隙裂隙空间比常温状态下试样的孔隙大许多，矿物胶结处发生巨大改变，胶结物开始消失。

图5　扫描电镜图片Fig.5　 SEM images

3结论

通过试验研究不同温度作用下砂岩试样的峰值强度与对应的变形位移，根据不同温度下的测试结果(25～850 ℃)以及扫描电镜观察，得到以下结论

(1) 25～400 ℃这一阶段，岩石的峰值强度产生波动，但整体上变化不大；400 ℃以后岩石峰值强度急剧下降；700 ℃以后岩石已经进入了塑性变形阶段。

(2) 100～200 ℃这一阶段，峰值强度对应的变形位移缓慢增加。200～ 400 ℃这一阶段，峰值强度对应的变形位移则是先增加后减小，相对于峰值强度的急剧变化，变形位移的变化是微小的。400～500 ℃，峰值强度对应的变形位移先上升后减小，位移的变化略有滞后。在500 ℃以后，岩石的变形位移呈线性特征急剧增大，这也验证了岩石试样已经进入塑性状态。

(3) 扫描电镜图像结果表明当加热温度越高时砂岩微观孔隙越多，岩石试样在500 ℃时，孔隙和裂隙急剧增多，部分胶结颗粒物已经消失。

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Mechanical Properties of Sandstone after High Temperature

YANG Li-ning, JIANG Zhen-quan, ZHANG Wei-qiang, GENG Ji-shi

(SchoolofResourcesandEarthScience,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Abstract：In this study, we conducted a number of mechanical experiments on sandstone samples from Junan County, Linyi City, in order to investigate the mechanical properties of the sandstone samples after being subjected to high temperatures, ranging from 25 ℃ to 850 ℃. We plotted the peak strength and deformation displacement curves of the sandstone samples, based on the results of the uniaxial stress experiments under different temperatures. We observed the changes and differences in the sample microstructures after different temperatures using scanning electron microscope (SEM) technology. The results of the sandstone samples' uniaxial stress tests are as follows: (1) At temperatures between 25 ℃ and 400℃, the peak strength of the sandstone samples appears to fluctuate, but the overall strength changes only slightly. This means that the samples share the same mechanical properties, and the strength of the samples under these temperatures is steady. (2) When the temperature is higher than 400 ℃, the peak strength of the sandstone samples begins to decline rapidly. (3) With increasing temperature, the overall deformation displacement of the sandstone samples increases as well, growing very slowly, but increasingly, when the temperature is higher than 400 ℃. In addition, the SEM images show that the pores and fissures of the sandstone samples sharply increase when temperature reaches 400 ℃. Cement particles in the samples begin to disappear when the temperature reaches 500 ℃. The study shows that the macroscopic mechanical properties of sandstone change radically at high temperatures.

Key words：sandstone; peak strength; deformation displacement; SEM; high temperature

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.02.0299

中图分类号:P315

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)02-0299-04

作者简介：杨礼宁(1992-)，男，山东荣成人，在读硕士生，从事工程地质、岩土工程学习研究工作。E-mail: yangln@126.com。

基金项目：国家973项目(2013CB036003)；国家自然科学基金项目(41102201)

收稿日期:①2015-03-31