高温作用后花岗岩单轴压缩下变形破坏特征研究*

吴 云 李晓昭 黄 震 许文涛 邓龙传 刘茂争

(①南京大学地球科学与工程学院， 南京 210023，中国) (②江西理工大学资源环境与工程学院， 赣州 341000，中国) (③江苏长江地质勘查院， 南京 210046，中国)

0 引 言

高温会导致岩石的物理力学性质发生改变，例如强度、质量损失率、波速等等，例如，深部采矿工程，水电工程引水隧道，核废料深埋地质处置工程等，随着深度的增加，温度也在上升，如何解决深部岩石工程的“高温”问题，对岩石力学工作者提出了巨大的挑战(钱七虎等， 2008)。随着经济和人口的迅速发展，地面资源日益紧张，向地球深部进军已然成为目前获取资源的最主要手段之一(孙钧， 2019)。岩石是自然界经历漫长的地质年代而形成的产物，是一种复杂的地质材料，其内部含有裂纹、孔隙等原始缺陷(张艳博等， 2020)。岩石破坏是内部缺陷在外部环境作用下长期累计的过程。

声发射作为一种无损检测技术，主要通过岩石或材料在发生变形或破坏时释放弹性波，从而被仪器接收。近年来，国内外学者应用声发射检测技术对高温作用后的岩石破坏规律进行了大量的研究，取得了可观的成果。吴刚等(2007)对砂岩在100～1200 ℃温度作用后的力学特性进行了研究，并对砂岩的高温破坏机制进行了探究，结果表明：温度导致岩石内部的矿物成分、微观结构变化以及热应力是导致岩石发生变形破坏的原因。翟松韬等(2013)研究了花岗岩在20～800 ℃单轴压缩下的声发射特征，对加载过程中的振铃计数率及声发射特征参量随时间的变化规律进行了分析。刘保县等(2009)建立了声发射参数与煤岩力学破坏机制关系，分析煤岩在受载过程中的损伤演化规律。李安强等(2016)开展花岗岩单轴压缩全过程声发射定位试验，研究了岩石破裂过程中声发射时空演化特征、能量释放规律。李浩然等(2014)采用声波、声发射一体化监测装置研究了单轴加载及循环荷载作用下花岗岩波速和声发射变化规律。Chen et al. (2017)对不同温度作用后的北山花岗岩热损伤和渗透特性进行研究，得出了花岗岩的温度阈值，讨论了声发射参数和渗透率之间的关系。Kong et al. (2016)对高温处理后的砂岩进行单轴压缩试验，并给出了砂岩在温度和应力作用下的损伤耦合方程。Ge et al. (2018)对冷热循环处理后的花岗岩声发射特征进行研究。李元辉等(2009)开展单轴声发射试验，对岩石破坏过程中的声发射b值和分形维数D进行分析，结果表明，分形维数D和b值反映了岩石破坏过程中微裂纹的初始和扩展，可以作为岩体失稳破坏的前兆特征参数。王林均等(2019)结合累积声发射计数、累积声发射能量、AF值、RA值、b值，详细地研究了单轴压缩下花岗岩和砂岩的声发射特征。王德咏等(2011)研究了石灰岩在100～800 ℃高温压缩破坏条件下的声发射过程，对不同温度作用下石灰岩的力学性质和声发射参数进行分析。赵建军等(2019)研究了不同应力路径下的英安岩声发射b值特征，并探索了b值在岩石破坏前兆方面的变化规律。林冠宇等(2018)开展了循环荷载下花岗岩破坏过程研究。Sirdesai et al. (2018)对不同温度和应变下的砂岩变形破坏规律进行了研究，并得出了砂岩的阈值温度。Ranjith et al. (2012)对25～950 ℃范围内的砂岩开展了单轴压缩试验，当温度低于500 ℃时，砂岩的单轴抗压强度和弹性模量随温度的升高而增大，当温度高于500 ℃时，单轴抗压强度和弹性模量随温度的升高而减小。Ghasem et al. (2019)对不同矿物成分的花岗岩裂隙演化规律进行研究，通过声发射确定了岩石的损伤应力阈值，同时分析了岩石在不同的加载时期，内部裂纹的扩展规律。

从以上的研究来看，大多数学者采用的试样为花岗岩、砂岩以及煤岩，开展的试验条件不同，分析的方法和参数也各有千秋。本文通过开展高温作用后花岗岩单轴试验，采用声发射检测岩石变形破坏过程，分析应力、波速及声发射特征参数随温度变化规律，以期为深部岩石工程高温作用后变形破坏规律提供参考。

1 试样准备及试验方法

1.1 试样准备

本次试验所用的花岗岩取自山东省临沂市，将试样加工成直径50 mm，高度100 mm的标准试样，分别编号为G1-1～G5-2，加热温度为常温(25 ℃)， 200 ℃， 350 ℃， 500 ℃， 650 ℃共5个温度段，每个温度段为一组，每组2块试样(图 1)。从图 1可以看出，花岗岩加热前后颜色变化较小。试样的密度范围为2.54～2.65g·cm-3，平均密度为2.61g·cm-3，纵波波速范围为2763.56～2857.55 m·s-1，平均波速为2731.75 m·s-1，试样的均一性较好。

图 1 加热后的花岗岩试样Fig. 1 The granite sample after high temperature

1.2 试验方法

分别将制备好的岩样放至马弗炉(TNX1400，最高加热温度为1400 ℃，平均每分钟升高8 ℃·min-1)中加热，当温度达到恒定值后，为了保证岩样的稳定性，在炉内恒温2 h，自然冷却至室温。本次试验加载设备采用的是TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验机(图2)，该试验机可提供的最大试验力为2000 kN，试验采用位移控制方式，速率为0.005 mm·min-1。为了监测岩样在加载过程中的破坏过程，采用德国Vallen公司生产的AMSY-6型声发射检测仪，声发射探头粘贴在试样表面，探头与试样之间涂抹耦合剂，增大其接触，为了消除环境噪音的影响，门槛值设为40 dB，前置放大器设置为35 dB。加载过程中实时采集波形、参数等信息。

图 2 TAW-2000三轴试验机及声发射测试系统Fig. 2 TAW-2000 triaxial testing machine and acoustic emission testing system

图 3 高温后花岗岩单轴抗压强度与温度关系Fig. 3 Relationship between uniaxial compressive strength and temperature of granite after high temperature

图 4 高温后花岗岩纵波波速与温度关系Fig. 4 The relationship between P-wave velocity and temperature of granite after high temperature

2 试验结果与分析

2.1 高温作用后单轴抗压强度变化规律

2.2 高温作用后纵波波速变化规律

图 5 不同温度作用后声发射参数与应力随时间变化曲线Fig. 5 The curve of AE parameters and stress with time under different temperaturea. 25℃； b. 200℃； c. 350℃； d. 500℃； e. 650℃

2.3 高温作用后声发射参数特征

花岗岩试样在单轴压缩下会发生破坏，从而产生不同强度的声信号，进而被声发射检测仪采集，本文通过声发射检测仪采集的振铃计数对不同温度作用后的花岗岩在单轴压缩下的变形破坏过程进行分析。

图 6 不同温度作用后花岗岩破坏形态Fig. 6 Failure modes of granite under different temperatures

各个温度下的花岗岩在单轴加载下的声发射变化规律大致相似，根据图 5可以看出，在加载的初期阶段，可以观察到振铃计数较少，这一阶段可以被称作平静期。这有可能是环境噪音及试样内部天然微孔隙闭合所致，此阶段的试样可以被看作一个弹性体。随着继续加载，试样内部的裂隙在应力的作用下，进一步地扩大，振铃计数开始增加，当应力达到峰值时，振铃计数急剧增大，此时试样内部的裂隙贯通成核，形成裂隙区，试样破坏失去强度，声发射活动停止。

以花岗岩在650 ℃作用后加载为例，从图5中可以看出，相比于25～500 ℃，在加载初期，振铃计数更多，这是因为高温致使花岗岩内部发生一定程度的损伤，在温度的作用下，形成了新的裂纹； 当应力继续加载，试样进入弹性变形阶段，此阶段声发射活动较少，在应力的作用下，内部的微裂隙进一步闭合及压密。当试样进入屈服阶段，声发射活动变得剧烈，振铃计数开始增加，达到峰值应力时，振铃计数也达到峰值。随后，试样内部裂隙相互贯通，形成长大裂隙，由于裂隙区域发展不稳定，导致此时还仍有少数的声发射活动。

3 讨 论

3.1 加载后宏观破坏形态

3.2 温度对抗压强度的影响

由图 3可知，随着温度的升高，花岗岩的强度整体上呈下降的趋势，当温度超过500 ℃以后，花岗岩强度下降趋势较大，降幅为41%，此时的承载能力较差。岩石的损伤与其内部结构和成分息息相关Ghasem et al. (2019)。孙强等(2013)研究指出岩石在常温至100 ℃、100～300 ℃及300～500 ℃3个阶段的温度范围分别对应内附着水、结合水及结构水，不同状态水分的丧失，会对岩石内部的结构形成不同的改变，所造成的缺陷也不同。此外，根据席道瑛(1994)和何爱林等(2018)所发表的文献可知，花岗岩中通常含有大量的石英，石英在特定的温度下会发生同质异晶相变，从而引起岩石内部结构的改变。石英在573 ℃左右由α相转变为β相，随着相变进行，岩样体积增大，内部结构也相应发生改变，岩样内部微裂纹突增，导致岩石抗压强度降低，因此，得知花岗岩在500～600 ℃范围内物理力学性质会有显著变化，这可以从图 6宏观破坏形态看出，破坏面较破碎，岩样损伤程度较大， 500 ℃以后，岩样的强度开始显著下降。

4 结 论

本文通过对高温作用后的花岗岩在单轴压缩下的变形破坏试验研究，得出的主要结论如下：

(1)高温作用后的花岗岩试样的物理力学性质都发生变化，最大强度、纵波波速下降，且温度超过500 ℃时，下降幅度达到最大。

(2)花岗岩在加载过程中始终伴随声发射信号，并且与应力-时间曲线对应较好，温度越高，声发射活动越强，表明花岗岩试样内部的裂纹越多，损伤越严重。

(3)花岗岩岩样在25～350 ℃之间主要以劈裂为主的脆性破坏， 500 ℃后，主要以剪切破坏为主，并且高温致使花岗岩试样内部出现较大的裂纹，当试样内部裂纹贯通后，花岗岩试样发生整体破坏。