温度对常见岩石力学特性的影响规律

钟玄++张恺宁++管棋隆

摘 要：本文对砂泥岩和石灰岩在常温及经历100℃～800℃温度作用后的力学特性进行试验研究，考察了三种岩石在加温后的峰值应力、应变、弹性模量随温度的变化特征，并对其高温劣化机制制作了探讨。研究结果表明：砂岩在常温～200℃内，峰值应力、应变呈下降趋势，弹性模量变化不大，而在200℃～600℃内，峰值应力、应变呈上升趋势，弹性模量变化不大，在T>600℃后，峰值应力与弹性模量都急剧下降，峰值应变略微上升；泥岩峰值应力、应变和弹性模量在常温～400℃内都呈上升趋势，在400℃～700℃内下降，而在T>700℃后又回升；石灰岩的峰值应力、应变和弹性模量在常温～200℃内，随温度的升高缓缓下降，在200℃～600℃内变化不大，当T>600℃后，峰值应力与弹性模量都急剧下降，峰值应变急剧上升。温度引起的热应力作用、矿物组分和微结构变化导致砂岩力学性质发生改变与高温劣化。

关键词：高温作用；力学特征；砂泥岩；石灰岩；弹性模量；矿物成分

中图分类号：TD84 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）02-0154-03

1 引言

高温环境下的岩石工程问题，已成为岩石力学发展的新方向。国内外学者对此展开了大量的研究，并已取得相应的研究成果。张连英等采用电液伺服材料力学试验系统对常温～800℃高温作用下大理岩、石灰岩、砂岩的力学性能进行了研究，考察了三种岩石的全应力-应变曲线，给出了其峰值强度、峰值应变、弹性模量E随温度的变化特征；李明等人利用MTS652.02高温炉与φ50mm分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对800℃加热后的砂岩试样进行单轴冲击压缩试验，分析了17.904～62.600s-1应变率范围内砂岩动力特性的变化规律；秦本东等利用自行研制的岩石加温装置和MT-150C岩石力学试验机，对石灰岩和砂岩试样高温后的力学特性进行了试验研究；谌伦建等人采用偏光显微镜、扫描电镜及岩石力学试验系统等仪器设备研究了煤层顶板砂岩在常温到1200℃范围内的力学特性和破坏机理；查文华等利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱，对经历不同温度后煤系泥岩的力学特性进行试验研究，分析不同温度下煤系泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量以及泊松比受温度的影响；刘瑞雪等人利用MTS810电液伺服材料试验系统以及高温炉MTS652.02，在常温（25℃）～800℃条件下对泥岩试件进行了单轴压缩实验，分析了温度对泥岩的应力-应变曲线、弹性模量、峰值应力及峰值应变的影响。但在已有的研究中，有关高温下砂泥岩和石灰岩岩石力学性质的对比研究和作用机理研究鲜为少见。

本文研究了温度分别为20℃、100℃、200℃、400℃、600℃、700℃、800℃七种温度循环后，砂泥岩和石灰岩试样的峰值应力、峰值应变与弹性模量的变化情况，并对温度引起的热应力作用、矿物组分和微观结构变化导致砂泥岩和石灰岩力学性质发生改变与高温劣化进行了具体探讨。

2 实验设备与实验方法

2.1 实验原料

实验中制备所使用的岩样见表1。所用的实验仪器主要包括：JA1103型电子天平，其最大称重1100g，最小称重0.001g、S-2000N型扫描电镜，扫描电压20kV、MTS系统公司生产的MTS 810材料测试系统该机配有高温环境炉MTS 653.04，其温度控制范围为100℃～1400℃，精度±1℃，升温速度100℃/min，达到最高温度时间小于15min。

2.2 实验过程与方法

试验过程如下：

（1）试验前，对所有岩样进行编号，量测各岩样的质量和几何尺寸；

（2）对各类岩石按温度段分组，每组4个岩样，若某组试验数据离散则增加测试岩样数量；

（3）对高温后破坏的岩样，在加温后自然冷却至室温下进行几何尺寸和质量量测；

（4）在室温（20℃）及不同温度下对所有岩样进行单轴压缩全过程破坏试验；

（5）选择不同温度下的部分破坏岩样进行扫描电镜观测；

（6）记录测试过程并对试验结果进行整理、分析。高温下单轴压缩试验采用位移控制模式，变形速率均为0.003 mm/s。

3 实验结果与分析

分析砂泥岩及石灰岩单轴压缩试验中保存的轴向荷载、轴向位移数据，可以得到温度作用下泥岩单轴压缩试验的全应力-应变曲线，利用应力-应变曲线上达到峰值应力前的近似直线段，可以得出泥岩切线弹性模量E，同时获得泥岩试样的峰值强度。

3.1 温度作用下岩石峰值应力与应变的变化特征

高温作用下砂泥岩和石灰岩的峰值应力随温度的变化情况如图1所示。从图中可以看出，随温度的升高，砂岩的峰值应力经历了先降低再升高再降低的过程，600℃时到达峰值应力200MPa，且波动幅度较小，泥岩的峰值应力经历了先增加后降低的过程，400℃时达到峰值应力250MPa，涨幅波动大，石灰岩的峰值应力在20℃～700℃保持基本在100MPa，700℃后剧烈降低。

高温作用下砂泥岩和石灰岩的峰值应变随温度的变化情况如图2所示。从图中可以看出，随温度的升高，砂岩的峰值应力经历了先降低后增加的过程，200℃时达到最小应变7.256×10^-3，泥岩的峰值应力经历了先增加后降低再增加的過程，室温时为最小应变6.456×10^-3，石灰岩的峰值应力在600℃前基本在7×10^-3左右小幅度波动，随后剧烈增加。

经过分析，我们得到以下结论：

（1）温度在20℃～200℃内，由于砂岩内的矿物颗粒变形的调整过程，会使岩石内部产生少量裂缝，致使峰值应力与应变均有所下降，在此阶段温度对砂岩的力学性能具有削弱作用；在200℃～600℃时，由于砂岩部分矿物发生热熔效应，导致砂岩内部一些裂缝愈合，裂缝数量开始呈下降趋势，使得砂岩的峰值应力与应变有所回升，强度增加；但温度高于600℃后，砂岩内部矿物组成发生转化，开始脱水、结晶，发生一系列复杂的化学反应，使得原始内部结构被破坏，导致整体强度降低。

（2）温度在20℃～400℃时，泥岩的峰值应力呈明显上升趋势，可见此阶段高温对泥岩强度的提高起着显著的作用，一般情况在泥岩中都存在着大量水和气体，通过温度的升高，气体和水分挥发而降低了岩石颗粒之间的润滑作用，从而使泥岩试样的峰值应力与应变提高，增强了岩石强度；在400℃～700℃时，此阶段由于高温作用，大大破坏了泥岩试样的内部结构，使矿物部分熔化导致强度降低，失去承载能力；当温度高于700℃后，泥岩结构已经完全损坏，其强度变化基本保持不变。

（3）温度在20℃～700℃时，石灰岩的峰值应力与应变基本保持不变，此阶段石灰岩内生物化石与矿物成分CaCO3虽然分解但对分解量相对较少，对石灰岩强度的影响不大；但在温度高于700℃后，矿物成分发生化学反应，在加热过程中分解生成了CaO等氧化物，导致矿物表面不断被腐蚀破坏，导致整体强度急剧下降。

3.2 温度作用下岩石弹性模量的变化特征

图3所示为砂泥岩与石灰岩的弹性模量随温度的变化关系曲线，图中可以看出，砂岩与石灰岩在600℃内弹性模量缓慢下降，600℃后降低的幅度增加，泥岩在400℃内弹性模量增大，400℃到达最大弹性模量23.94GPa，而后就会不断降低。

经过分析，我们得到如下结论：

（1）高温时，砂岩与石灰岩矿物颗粒热膨胀系数不同导致颗粒之间产生拉应力或者压应力，当热应力超过颗粒之间接触力时，就会产生裂纹，裂纹扩展加宽后，岩石变形增大，导致平均弹性模量逐渐降低。

（2）泥岩在400℃内时，高温会脱去矿物之间的结晶水分，减少矿物间的间距，从而增大弹性模量；而在温度高于400℃后，水分已经基本脱完，其作用机理与砂岩相似，导致其弹性模量迅速降低。

4 结语

（1）随着温度的升高，砂岩内矿物成分会产生裂缝，随后发生热熔效应，导致裂缝愈合，使裂缝数量减少，当温度过高时，其内部矿物结构就会发生转化，原有结构被破坏，导致整体强度降低。

（2）温度在较低情况下的变化对石灰岩的影响较小，只能使坚固的CaCO3矿物少量分解，但当温度高于某极限温度700℃后，CaCO3矿物会分解成CaO矿物，导致岩石表面不断被破坏腐蚀，导致整体强度急剧下降。

（3）泥巖中含有大量的水分和气体，当温度上升时，其水分会挥发掉，使岩石强度略有增加，但随着水分的挥发完毕，高温就会熔化泥岩的内部结构，导致整体强度降低。

（4）吸附水的脱失、矿物晶体的转变、结晶作用等都是影响砂岩力学性质与高温劣化的根本原因。

参考文献

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