高温热损伤对花岗岩单轴破坏模式和强度的影响研究

徐文龙，徐鼎平，柳秀洋，3

(1.安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001；2.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；3.中国科学院大学，北京 100049)

随着世界经济的迅速发展，人类生存发展所需的能源开采与地下空间开发需求出现爆发式增长，使得人类的工程活动正大规模向深部高应力区域发展。在资源开采领域，目前煤炭开采深度已达1500 m，地热开采深度超过3000 m，有色金属矿开采深度超过4350 m，油气资源开采深度达7500 m，未来深部资源开采将成为常态。化学废弃物和放射性核废料地下深部填埋、能源地下存储等重大地下工程也不断在向深部发展，这使得大量隧洞、采场和矿井围岩长期处于高地应力与高温中。岩体宏观破裂取决于岩体内细观微裂纹的分布，高温会导致这些微裂纹扩展贯通，进而影响岩体的宏观破裂。因此，研究高温或高温处理下的岩体物理特性对于评价高温和高应力耦合条件下的围岩破坏具有十分重要的意义[1-4]。

关于高温处理下的岩石力学性质，许多学者已进行了卓有成效的研究。杜守继等对不同温度的花岗岩进行力学性能研究并提出花岗岩的力学性能加速劣化的阈值为400 ℃[5]；张传虎等基于YNS2000微机控制电液伺服试验机进行压剪试验、单轴压缩试验，分析了不同温度作用后高放射核废料拟选区花岗岩力学特性的变化规律[6]；孟陆波等对页岩开展高温常规三轴压缩试验，基于试验结果分析归纳了围压与页岩应力-应变曲线特征、峰值强度、弹性模量、泊松比、峰值应变的关系[7]；杨圣奇等选择不同晶粒花岗岩进行高温处理后的巴西劈裂及常规三轴压缩试验，研究了不同晶粒花岗岩的高温影响机理[8]。

由于不同岩石的结构及矿物组成不同，岩石内微裂隙对温度的响应程度也具有很大差异。近年来，一些国内外学者对高温热损伤岩石的裂隙发育特征及其引起的岩石物理力学性质变化予以了重点关注。如Wong等首次发现高于室温条件下岩石的热膨胀是不可逆的[9]；陈颙等通过Westerly花岗岩加热试验证实岩石热开裂过程出现的声发射现象是由裂纹产生而导致的，超过60 ℃～70 ℃开始出现声发射[10]；刘均荣等通过对储层粉砂岩、灰岩、变质岩和砾岩加热，发现由于高温作用，岩石内部裂纹延伸形成网格，岩石的渗透率随温度升高呈增大的趋势[11]；徐小丽等利用MTS815伺服刚性试验机，对花岗岩开展了高温常规三轴压缩试验，试验结果表明随着围压的增大，岩样破裂形式由脆性张拉破裂逐渐向剪切破裂过度，同时随着温度升高，花岗岩孔隙结构从初始无规则结构转化为均匀孔穴结构[12-13]。Shen等发现处于高温中的花岗岩受强冷却冲击后，其强度会迅速降低并加速开裂[14]；刘建等通过对经历不同高温作用后的岩石进行单轴压缩试验，基于Weibull分布提出的损伤演化规律并推导相应的本构方程，总结了冷却后花岗岩损伤规律，分析研究了相关物理力学参数的变化[15-16]。

上述研究着重于研究高温热损伤对岩石宏观力学性质的影响，较少从矿物层面探究不同矿物热力学性质的差异对岩体宏细观力学性质的影响。然而，岩石矿物的细观结构及解理特征对岩石的宏观破坏机制的影响是不可忽略的。为此，本文重点针对高温热损伤对花岗岩宏细观破坏机制的影响开展研究，以某深埋细-中粒花岗岩为研究对象，通过室内力学试验与电镜扫描等手段揭示高温热损伤对岩样变形破坏机制的影响，以期为深部矿产开采、核废料贮存提供有益的借鉴。

1 试验方案

1.1 设备

试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所的RMT-150C伺服试验机。该试验机可完成单轴压缩、单轴间接拉伸、三轴压缩等多种岩石力学试验。扫描装置采用Quanta250扫描电子显微镜。加热装置为XH3L-14A型陶瓷纤维马弗炉，最高加热温度1400 ℃，精度±5 ℃。

1.2 试样制备

本试验采用的花岗岩岩芯取自四川阿坝某水电站地下厂房上层排水廊道向厂房顶拱的花岗岩，属于花岗闪长岩，围岩类别为Ⅲ类，含有发育断层以及煌斑岩脉等缺陷构造。常温下此种花岗岩平均密度2.654 g/cm3，平均单轴抗压强度144.64 MPa，埋深为310～490 m。借助光学显微镜进行矿物成分分析，矿物主要成分为石英、钾长石和酸性斜长石，少量云母，矿物粒径集中在0.3～4.5 mm，为中-细粒花岗闪长岩(图1)。将花岗岩岩块制样打磨成Φ50 mm×100 mm的圆柱体，并进行声波检测筛选，取波速及密度相近的岩样进行试验，以消除岩样离散性对试验结果的影响。与此同时，取圆柱形试样所属岩块上的岩片，以便进行不同温度加热前后的岩石细观结构变化电镜扫描分析。

图1 光学显微镜下花岗岩图像

1.3 试验方法

为研究高温热损伤对深埋花岗岩的单轴压缩破坏机制的影响，采取以下步骤开展试验：

1)采用马弗炉对圆柱形岩样进行热损伤处理，升温速率18 ℃/min，达到设定温度后，保持恒温2 h后再将热损伤后的试样取出置于室温条件下自然冷却。试验的温度范围设定为25、150、250、350、450，500和550 ℃七个等级。

2)对其岩片分别进行加热前后的电镜扫描，通过对比加热前后的电镜扫描图像，分析温度对深埋花岗岩细观结构的影响。

3)基于RMT-150C试验机对各温度损伤下的圆柱形岩样采用位移控制模式进行单轴加载至试样破坏，加载速率0.002 mm/s；而后对圆柱形岩样破裂面断口进行电镜扫描，分析破裂面的细观破裂模式。

2 试验结果分析和讨论

2.1 温度对花岗岩细观结构的影响

加热前后的岩片电镜扫描图像显示：在常温及150 ℃下，石英均为台阶解理，未出现明显裂纹，断面平滑且纹理分明(图2a)。当温度达到250 ℃时，云母片层由于受热不均匀而发生韧化，微裂纹萌生，外部出现起皮并出现层间撕裂裂纹且发生扭曲(图2a)。

350 ℃时，云母片层韧化增加，部分片层之间出现扭转挤压而成的微裂纹(图2c)。450 ℃下岩片微裂纹明显增多，且以晶间裂纹为主。晶间裂纹由矿物之间的胶结物颗粒发生热胀冷缩作用形成，其他微裂纹则是由于内部矿物热膨胀率差异而发生挤压拉裂所致(图2d)。

图2 常温及高温后花岗岩SEM图像

当温度高于500 ℃时，云母与石英间的分界面出现破裂，石英发生沿晶断裂并生成二次裂纹，同时云母的片状层理在高温下发生膨胀并逐渐张开，呈分散的薄片状(图3)。随温度继续升高，岩石内部封闭的结晶水蒸发，使矿物内部产生大量孔隙(图2(e、f))，导致岩石的孔隙率增大，岩石完整性下降。显然，温度越高，岩石内部孔隙和微裂隙增加越明显。

图3 云母片断开

花岗岩热差分析表明(图4)，450 ℃时岩石内矿物的化学性质受温度影响较小，表现为岩石内水分气化逸出；当温度达516 ℃后，岩石内有矿物产生显著的物性变化，即石英发生由α相到β相的位移型相变[17]，石英发生体积膨胀，岩石裂隙增多。高温诱发的各类裂纹的不断扩展、演化、汇合，最终在岩石内部形成具有良好连通性的裂隙网格。

图4 花岗岩热差分析曲线

2.2 温度对岩石单轴强度和变形的影响

高温处理后的花岗岩试样物理参数及强度、弹性模量和峰值应变如表1所示。代表性试样单轴压缩下的应力-应变曲线(图5)显示，各温度处理下的岩样均表现出明显的弹-脆性特征；温度越高，岩样压密段越显著，其内部裂隙越多。

图5 高温热损伤花岗岩应力应变曲线

表1 高温热损伤岩石平均峰值强度、弹性模量、峰值应变

岩样单轴抗压强度、弹性模量-温度曲线(图6)显示，花岗岩单轴抗压强度、弹性模量随温度的升高整体呈下降趋势：从25 ℃升温至550 ℃，花岗岩岩样峰值强度由144.64 Mpa降至119.74 MPa，强度损失17%；弹性模量从39.52 GPa降至25.51 GPa，模量降低35%，表明高温条件下花岗岩产生的热损伤导致其力学性能产生显著劣化。不过，岩样单轴抗压强度、弹性模量-温度曲线在450 ℃处存在异常，主要原因可能在于此温度下花岗岩内部结晶水析出带来的力学性能增强效应大于高温诱发裂纹导致的强度劣化效应。花岗岩峰值应变-温度变化曲线(图7)表明，花岗岩的平均峰值应变随温度升高呈上升趋势：花岗岩达到450 ℃之前，峰值应变随温度增加变化幅度不大，曲线走势较为平稳，当温度达到450 ℃之后峰值应变随温度的升高而急剧上升。峰值应变随温度的升高而急剧上升。其原因在于温度越高，岩石结构内部裂纹增加越多，岩石完整性变差，抵抗变形能力越弱，弹性模量降低，从而使得应变增大。

图6 热损伤花岗岩强度-温度-模量的关系

图7 高温热损伤花岗岩应变与温度的关系

2.3 温度对花岗岩宏细观破坏模式的影响

单轴压缩下热损伤花岗岩宏观裂纹数目和裂纹类型统计结果如表2所示，随着温度升高，热损伤花岗岩单轴压缩破坏模式有由张拉劈裂模式向剪切-张拉劈裂混合破坏模式过渡的趋势。

表2 不同温度热损伤花岗岩单轴压缩破裂模式

150 ℃以下温度热损伤的花岗岩试样通常发生从顶部到底部的拉裂破坏，声响较大，岩屑较多，破损样呈碎块状，岩石断面较粗糙，表现出明显的脆性破坏特征，破裂面矿物细观破裂以石英发生穿晶断裂为主，含少数沿晶断裂且断面较粗糙(图8(a))。

450 ℃温度热损伤花岗岩试样破坏过程中会伴随着脱皮、破坏断面不平整，并出现少量水平方向的拉裂裂纹，其主要细观破裂类型为以云母拉裂为代表的穿晶断裂(图8(b))。

500 ℃以上温度热损伤花岗岩试样中的云母片大幅度张开导致试样沿云母发生弱面剪切，形成由不同大小倾角破裂面组成的宏观剪切破裂面，剪切面较为光滑。破裂面矿物细观破裂形式以云母沿晶断裂为主，断面呈台阶形，晶粒面较光滑(图8(c))。

图8 不同温度热损伤花岗岩宏观破坏模式及破坏面SEM图

3 结论

通过对单轴压缩试验测试热损伤条件下花岗岩试样的力学特性，结合SEM分析温度对花岗岩细观结构、力学性能和破坏机制的影响，得出以下结论：

1)高温热损伤花岗岩的单轴抗压强度与弹性模量随温度升高呈逐渐下降的趋势，峰值应变随温度升高呈逐渐上升的趋势。

2)450 ℃及以上温度热损伤的花岗岩内结晶水析出和云母片层张开的双重作用会导致岩石内部孔隙和微裂纹明显增多、完整性变差、强度和刚度降低，力学性能迅速劣化。

3)花岗岩在516 ℃左右会出现明显的放热反应，石英发生由α相到β相的位移型相变，体积膨胀显著，加速岩石力学性态的劣化进程。

4)热损伤花岗岩单轴压缩的宏观破坏模式由张拉劈裂逐渐向剪切-张拉型破裂模式过渡，细观破裂机制上则表现为以最初的穿晶断裂为主逐渐向以沿晶断裂为主过渡。