高温作用后类岩石的单轴动态压缩和劈裂拉伸试验研究

张文生, 熊良宵

(1.核工业西南勘察设计研究院有限公司,成都 610061; 2.成都理工大学环境与土木工程学院,成都 610059)

1 引言

岩石经历高温作用后的力学特性是近年来岩石力学的研究热点[1]，包含单轴压缩、三轴压缩和拉伸试验等。

有关高温作用后岩石的压缩力学特性试验成果已比较多。吴刚等[2]通过在单轴压缩下实施的声发射测试，研究焦作砂岩受温度作用后的声发射演变过程；尹光志等[3]对焦作方庄煤矿煤层顶板粗砂岩进行高温后常规三轴压缩试验；吴刚等[4]对焦作石灰岩在常温及经历不同温度作用后的物理力学特性进行了试验研究；张志镇等[5]通过实时高温加载和高温后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验，对不同高温下花岗岩的力学性质进行了研究。这些试验成果均没有考虑加载速率的影响。苏海健等[6]为考察温度对砂岩加载速率效应的影响规律，对6 种温度水平后的砂岩试样分别进行不同加载速率下的单轴压缩试验；许金余等[7]对经历不同高温后的大理岩进行不同加载速率下的冲击压缩试验，研究了峰值应力、峰值应变、弹性模量等与加载速率的关系。有少数研究者研究了加载速率对高温后岩石力学特性的影响，但基本主要集中在冲击动态压缩试验，而对应变率小于10-2/s时的研究成果相对很少。

岩石的抗拉强度对岩石工程稳定性起着重要作用。少数研究者也研究了高温后岩石的抗拉力学特性。方新宇等[8]对高温后的花岗岩试样进行巴西圆盘劈裂试验，比较分析不同温度作用后花岗岩的劈裂破坏形态、荷载-位移曲线、抗拉强度等；苏海健等[9]对5种温度水平下，岩样厚径比为5种尺寸的红砂岩圆盘试样进行室内巴西劈裂抗拉强度试验；刘石等[10]利用大直径分离式霍普金森压杆试验设备对经历不同高温作用冷却后的“大理岩”平台巴西圆盘试样进行不同加载速率作用下的径向冲击试验。有关高温后岩石的动态拉伸力学特性研究成果还是相对较少。

本文通过制作不同水灰比的水泥砂浆试件，来模拟不同强度的岩石，通过对试件进行高温作用，然后对试件进行单轴动态压缩试验和动态劈裂拉伸试验，研究试件的动态压缩强度、峰值应变、动态压缩模量和动态劈裂拉伸强度随高温温度和加载速率的变化规律。

2 试验方案

本文通过采用制作不同水灰比的水泥砂浆试件来模拟不同强度的岩石。水泥的强度等级为42.5，水灰比包括0.45、0.55和0.65共3种，胶砂比为1∶2。制作成两种形状的试件，边长为70.7 mm的立方体试件，直径为5 cm、高为10 cm的圆柱体试件。经标准养护后，拿出试件进行高温作用。高温温度包括25 ℃、200 ℃、300 ℃和400 ℃，然后再对试件进行单轴压缩变形试验和劈裂拉伸试验。在进行单轴压缩变形试验时，采用位移加载速率，相应的应变加载速率为10-5/s、10-4/s、10-3/s和10-2/s；在进行劈裂拉伸试验时，采用5种位移加载速率，分别为0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min和5 mm/min。

3 单轴压缩试验结果分析

3.1 抗压强度

试件经历高温作用后的抗压强度见图1。

图1 经高温作用后试件的单轴动态抗压强度

水灰比为0.45、0.55和0.65的水泥砂浆试件经高温作用后，随着应变率的增加，试件的抗压强度基本呈逐渐增加的趋势。

试件经历高温作用后的劈裂拉伸强度见图2。

图2 经高温作用后试件的劈裂拉伸强度

水灰比为0.45、0.55和0.65的水泥砂浆试件经高温作用后，随着位移加载速率的增加，试件的劈裂拉伸强度基本呈逐渐增加的趋势。

定义水泥砂浆的动态抗压强度增长因数DIF为[11-13]：

DIF=fcd/fcs

(1)

其中，DIF为动态强度增长因素；fcd为当前应变加载速率下的抗压强度；fcs为准静态应变加载速率下的抗压强度。本文将准应变加载速率取为10-5s-1。

动态强度增长因数DIF与当前应变加载速率之间的关系可表达为[11-13]

(2)

动态抗压强度增长因数与应变率的关系见图3。

图3 动态抗压强度增长率与应变率的关系

水灰比为0.45时，经200 ℃、300 ℃和400 ℃作用后，b值基本接近；水灰比为0.55时，经400 ℃作用后的b值最高，经300 ℃作用后的b值次之，经200 ℃作用后的b值最小；水灰比为0.65时，经300 ℃作用后的b值最高，经200 ℃作用后的b值最小。因此，说明试件经高温作用后，试件的抗压强度越低，对应变率的敏感性也越强。

目前，有关高温后不同强度的水泥砂浆和混凝土试件的抗压强度对应变率的敏感性结果并不统一，这与试件的水灰比、材料组成等因素有很大关系。

3.2 峰值应变的对比分析

试件经历高温作用后的压缩峰值应变见图4。

图4 试件经历高温作用后的压缩峰值应变

3种水灰比的水泥砂浆试件，经200 ℃、300 ℃和400 ℃作用后，随着应变率的增加，峰值应变呈无明显的固定变化规律。

有些研究者将混凝土试件和岩石试件进行高温后，试件的峰值应变随高温温度的变化规律也不一致。

尹光志等[14]通过试验研究发现，随着高温温度由25 ℃增加到700 ℃，粗砂岩试样的轴向峰值应变呈先减小后逐渐增加的趋势；吴刚等[15]通过试验研究发现，随着高温温度由100 ℃增加到800 ℃，石灰岩试样的峰值应变呈先增加后基本不变的趋势。因此，结果与试件的类型等因素都有关。

3.3 水泥砂浆的压缩弹性模量

单轴压缩试验的弹性模量数值取50%峰值应力对应的应变计算出的割线弹性模量[11-13]。单轴压缩弹性模量的变化规律见图5。

图5 试件经历高温作用后的压缩弹性模量

水灰比为0.45、0.55和0.65的水泥砂浆试件经高温作用后，随着应变率的增加，试件的压缩弹性模量基本呈逐渐增加的趋势。

4 结论

(1) 水泥砂浆试件经历各种温度高温作用后，随着应变率的增加，试件的抗压强度和压缩弹性模量基本呈逐渐增加的趋势，峰值应变呈无明显的固定变化规律。

(2) 水泥砂浆试件经高温作用后，试件的抗压强度越低，对应变率的敏感性也越强。

(3) 水泥砂浆试件经高温作用后，随着位移加载速率的增加，试件的劈裂拉伸强度基本呈逐渐增加的趋势。