高温花岗岩物理力学特性研究综述★

翟宇星 李亚博 张恩华 彭志鹏 杨其要 贾 蓬

(东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819)

1 概述

众所周知，温度是影响岩石物理力学特性的重要因素之一。大量研究都表明，温度变化会对花岗岩造成热损伤，高温热损伤后岩石的力学性质呈劣化现象。分析岩石静动态力学特性随着温度的变化规律，对于揭示岩石工程在极端工况下的变形破坏机制具有重要的工程意义和实用价值。自20世纪70年代，各国学者从理论和实验上，取得了诸多成就。文献[1]考察了温度对材料韧性和脆性转变的影响，得出韧脆转变的临界温度随加载率的增加而增加。Alshayea N A等[2]利用声发射手段来研究加热条件下岩石的劣化损伤，主要测量了20 ℃～50 ℃的花岗岩的断裂韧性KIC。许锡昌等[3]研究了20 ℃～600 ℃的花岗岩在单轴压缩状态下的基本力学参数随温度的变化情况，并发现75 ℃是花岗岩弹性模量的临界温度，而200 ℃是其单轴抗压强度的门槛温度。

然而，近年来，向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题，在各类深部地下岩石工程中，如深部矿山开采、放射性核废料深层地质处置、干热岩地热能开采等，都涉及到200 ℃以上高温岩石的研究。因此，有必要研究岩石在高温作用下的物理力学特性。国内外学者目前对高温花岗岩的物理力学特性的研究主要集中在两个方面：一是实时高温下花岗岩的物理力学特性的研究；二是高温花岗岩在各种条件下冷却后物理力学特性的研究。其中主要是在对高温后花岗岩静动力学性能以及声学性能、高温下花岗岩各项性质变化及结构效应、高温花岗岩遇水冷却后物理力学特性及细观损伤、高温花岗岩自然冷却下力学特性及裂隙分布等方面的研究。本文重点对上述研究内容和高温下花岗岩损伤劣化机制的研究成果的进展做简要综述。

2 不同工况下的高温花岗岩研究

2.1 实时高温下花岗岩力学特性研究

花岗岩是一种主要由石英、钾长石和酸性斜长石等成分组成的复杂物质，天然状态即是具有微裂隙、微空洞的，常温下为灰白色，非均匀的不连续体。随着温度升高，其脆性和体积均有所增大[4]。继续加热至高温，花岗岩的物理力学性质和整体模型的力学参数会发生改变，改变的发生与其内部首先破裂的颗粒的力学性质有关，而其内部晶体颗粒的破裂顺序则由花岗岩的非均匀性所决定[5]。近年来随着干热岩地热开发理念以及高放射性核废料的底层深埋处理技术的广泛应用，高温环境下岩石的力学及损伤特性研究变得尤为重要。

2.1.1利用常规方法研究高温花岗岩基本物理力学性质

从1964 年起，Khitaror 和Lebedev 就开始了对花岗岩热物理特性的研究。此后，研究工作最主要在于高温花岗岩基本物理力学参数的测定(包括花岗岩的变形模量、泊松比、抗拉强度、抗压强度、内聚力、内摩擦角、粘度、热膨胀系数等)[6]，而近些年，高温花岗岩动态力学特性等方面的研究也逐渐走入人们视野。

Liu等[7]采用液压伺服压力试验机，分析了高温花岗岩和高温砂岩的物理力学特性，表明高温对花岗岩的力学性能影响较砂岩更不明显，600 ℃和800 ℃分别为砂岩和花岗岩脆塑性转变的临界温度。Chaki等[8]分析了温度变化对岩石力学特性的影响，试验表明随着温度的升高，岩石的孔隙率和渗透性都逐渐增大。Alm等[9]介绍了对含有不同数量微裂纹的条状花岗岩进行的大量力学试验结果，并得到了微裂纹密度的变化。黄彦华等[10]考察了高温作用对含孔花岗岩拉伸力学特性的影响，探讨了高温作用下花岗岩裂隙演化特性。得到了花岗岩在高温作用后体积、质量和脆性的变化。

利用常规方法研究其物理力学特性，实验原理较为简便，研究手段也比较直接。通过此研究得出的不同条件下的花岗岩的物理力学性质可以为之后的深入研究提供依据与参考。其实验方法与实验原理也可应用于后续研究中。

2.1.2高温花岗岩的声学特性

花岗岩的某些物理力学特性可以通过超声波试验中的超声参数来间接反映。不同温度或不同加热次数下的岩石试样会有不同程度的损伤。在超声波试验中，试样的不同的损伤程度会获得不同的纵波波速，可利用纵波波速来分析其物理力学性能的变化趋势[11]。支乐鹏等[12]对高温作用下的花岗岩的力学性能和超声波特性进行了分析，测试了高温后花岗岩的超声波特性。孙强等[13]利用MTS伺服试验机和高温炉进行常温至800 ℃花岗岩物理力学参数随温度变化特征试验，研究得到了在温度变化下岩石强度和波速的变化，并发现强度与波速的降低与矿物膨胀和熔融有关。杜守继等[14]对经历不同高温前后花岗岩试件纵波波速进行测定，并据此计算出花岗岩的动力弹性模量，研究了其变化规律，试验结果表明：经历高温作用后，动力弹性模量比静力弹性模量变化更加剧烈。李政阳等[15]开展了高温花岗岩试样的超声波振动损伤特性试验，得到了温度对超声波振动损伤的影响，并且测定了超声波振动造成花岗岩孔隙度增幅时的门槛温度。

作为与传统分析手段有所区别的超声波检测手段，其优点可以大致分析岩样内部的裂隙状况，把内部情况通过纵波波速的变化展现出来。

未来的研究可以把岩石声波监测仪与扫描电镜相结合，更加精确地展现岩石内部的情况。

2.2 高温花岗岩在不同冷却条件下性能劣化研究

关于高温花岗岩冷却之后性能劣化的研究，国内外学者所研究的条件主要分为：

1)自然冷却条件；

2)遇水冷却条件；

3)其他冷却条件。

近年来，也有学者集中研究高温花岗岩遇水冷却之后物理力学特性，但尚不多见。Shao等[16]研究了三种类型的花岗岩在自然冷却和遇水冷却这两种方式下力学性能的变化。王朋等比较了不同温度的花岗岩在自然冷却和遇水冷却时物理力学性能的变化。综上研究可得到，遇水冷却和自然冷却对高温下花岗岩的物理力学性能的影响具有明显的差异性。这是因为在以上两种工况下，岩石内部的损伤和裂隙的发展程度有所不同，而裂隙的大小、连贯性和分布特点会对岩石试样的物理力学性能有明显不同的影响。

崔翰博等[17]对自然冷却和遇水冷却后高温花岗岩进行单轴压、拉和声波测定试验。研究不同方式冷却后花岗岩温度与表观形态、纵、横波波速、弹性模量等物理力学性质间的关系，同时考虑遇水冷却后静置过程对花岗岩力—声性质影响。解元等[18]通过对高温遇水冷却花岗岩与高温自然冷却花岗岩的物理性质进行对比，得到随温度升高，两种情况下花岗岩的颜色变化、质量降低率的变化和纵波波速与横波波速的变化。高经纬等[19]采用CT(Computed Tomograph Technique，计算机层析扫描技术)观察岩石内部损伤裂隙的分布情况，并考察了冷却方式的不同对高温花岗岩内部裂隙分布的影响。朱要亮等[20]对遇水冷却后高温花岗岩进行核磁共振测试、波速测试、分离式霍普金森压杆冲击试验，和冲击破碎试样的扫描电镜观察，研究了不同状态下花岗岩波速、孔隙度和动力学参数的变化规律。

不同的冷却方式对应着不同的工况，而不同的工况中所需要重点关注的花岗岩的物理力学性质也有所不同。例如，用于开发地热能的人工储留层的井壁围岩在受到高温之后又遇水冷却，而且还会由于上部围岩的自重和内部地应力的存在而使井壁围岩发生蠕变，因而容易发生失稳，此时需要研究与其相对应的支护方式来保证遇水冷却之后围岩的稳定。所以上述实验的开展和所得出的结论对实际工程中有很广泛的应用。

2.3 高温和其他条件作用下花岗岩的物理力学性能研究

埋深大的花岗岩所处地下条件复杂，不单单是温度、水这些简单的因素。而且仅仅研究这些因素，也不能给地热开采工程以足够的理论支持。国内外学者还对高温花岗岩进行了其他条件下的特性研究，诸如高应力，静水压力，蒸汽作用等。

赵金昌等[21]研究高温高压状态下花岗岩的切削破碎规律，得到高围压状态下花岗岩的可切削性、单位破岩能耗较常温下的变化情况。还得出“钻压需超过一定的值，才能在高温下对花岗岩产生良好的切削效果”的结论。王建美等[22]选取了广义开尔文模型来反映高温静水压力下花岗岩蠕变参数，通过拉普拉斯变换及逆变换，详细推演出了钻孔径向位移解析解，并且考虑温度应力的耦合效应，给出了模型参数随温度及静水应力变化的关系，利用该关系进行拟合计算。张学尧等[23]采用对流加热原位开采模拟实验台和真三轴压力机，研究了不均匀地应力状态下注蒸汽花岗岩热破裂的损伤破裂规律，并得到花岗岩脆性破裂的临界温度和裂缝产生规律。

高温花岗岩当前的研究主要集中在不同冷却条件下的性能劣化方面。但实际工况中，花岗岩所面临的外部环境复杂而多变，因此，上述高应力、静水压力和蒸汽作用的情况也有必要纳入研究的范畴。

3 高温花岗岩失稳机理

花岗岩在受热后，由于热应力的作用，使得其内部微细观晶体颗粒结构不断变化、裂缝缺陷发生劣化，微观损伤随温度继续升高而继续发展、贯通，直至破坏。因此，从微细观尺度出发来分析花岗岩内部损伤状况，对于研究其宏观破坏形式具有很大的价值[5]。在自然状态下，岩石内部结构和原岩应力分布处于一个相对稳定的状态，高温条件下，岩石结构发生多种物理变化和化学变化，如水分蒸发、矿物热膨胀、晶体相变和矿物组分转变[24]。而且温度升高还会引起弹塑性变形，这其中塑性变形是无法恢复的，因此降温时会产生热应力[25]。花岗岩内部物理化学变化和热应力便会使其内部产生孔隙，而孔隙率的改变势必会对花岗岩性能造成损伤。

而高温岩样在受到单轴压缩时，不断从外界吸收与释放能量，与此同时，其内部细微观结构也会发生改变，因而导致花岗岩的热力学状态更加不平衡，内部细微裂纹扩展成为宏观裂纹。

4 结论

高温花岗岩的研究主要分为实时高温下各项性能的研究、不同冷却条件下性能劣化研究、高温和其他条件作用下物理力学性能研究。近年来，利用超声波技术研究高温花岗岩声学力学特性逐渐兴起，研究成果颇多；

花岗岩在高温作用下，内部会发生物理化学反应，降温时会产生热应力，因而造成花岗岩内部孔隙率的变化，内部造成损伤。在受到单轴压缩之后，内部孔隙更加繁杂，导致花岗岩的热力学状态更加不平衡，花岗岩由此发生更加剧烈失稳现象。

尽管对于高温花岗岩的研究自20世纪60年代便有学者开始关注，但由于实验仪器和科技水平的限制，一直局限于单一条件下测定其某些物理力学性质。在实际岩石工程中，对岩石产生劣化的因素，诸如水岩力学作用、物理和化学作用等，并非单一出现，而是同时或者相间隔、两个或者多个一起作用于岩体，多个因素相互影响，其产生的效应互相促进。因此，多场耦合作用是目前必须要关注到的研究方向。

由于近年来清洁能源——地热能的开发和应用，花岗岩遇水之后各项性质的研究也逐渐引起重视，这也必将成为将来研究的重点和方向。

此外，花岗岩本身的微细观结构的变化对其物理力学性能的影响机理并未十分清楚与完备，如何定量表征花岗岩细微观结构对其各项特性的影响，是亟待进行研究的问题。