不同温度热处理岩石轴向受压力学特性的研究

赵广臣，张永生，胡新萍

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 前 言

在能源、地质、土木等众多工程领域中，高放射性核废料的深地层处置、石油及天然气的地下贮存及开采、地热资源的开发与利用、岩石地下工程灾后重建等都涉及到高温后岩石的强度及变形特性[1]。研究者们注意到，经历过高温作用的岩石，即使温度恢复到常温，其力学特性也会发生变化。张晶瑶等[2]研究不同加热温度条件下磁铁石英岩和赤铁石英岩两种矿石强度的变化。结果表明,加热温度较低时(不超过200℃～300℃)，岩石受热产生热膨胀，增强了岩石的致密度，提高了岩石的强度，在加热温度达到400℃之后，矿石强度明显下降。孙强等[3]的研究表明，花岗岩在高温加热下的物理力学特性改变是因为内部结构改变，这种结构改变包括水的逸出、石英相变和矿物熔融破裂及相变。刘石等[4]通过纵波波速引入了损伤因子唯象地表征高温后大理石内部组分结构变化，还建立了损伤因子与加热温度的关系。杨昊天等[5]分析了温度对花岗岩试样的强度特性、变形特性以及破坏特征的影响。候迪等[6]在Hoek-Brown 强度模型基础上，采用地质损伤指数弱化方法来表示损伤，提出一种含有地质损伤指数的损伤强度模型。

上述研究表明加热作用会导致岩石的强度和弹性模量会发生一定程度的降低，还会对岩石的破坏特征造成影响。值得注意的是多数研究的试验方案都是针对加热后岩石进行单一方式冷却，因此，无法探讨冷却方式对轴向受压岩石力学特性的影响。实际工程中，受热岩石快速冷却和缓慢冷却都是可能发生的，因此，有必要就不同冷却方式对加热后岩石的力学特性进行探讨。本文对经过不同温度加热的花岗岩试样采用快速冷却和缓慢冷却得到两类试样，再对这两类试样进行轴向压缩试验，记录了这两类花岗岩试样压缩过程的压力—时间曲线、轴向应变—时间曲线，得到了试样的应力—应变关系。通过对比分析两类试样的应力—应变关系、强度和弹性模量，分析了冷却方式和加热温度对花岗岩试样的强度、弹性模量等力学性能的影响。

1 试样及方案选择

1.1 岩石试样

本文中的试样是用采自山东日照的花岗岩制作的，为了保证试样轴向受力性能的一致性，在花岗岩原材上钻取岩芯时要朝同一方向钻取。试样为圆柱体标准试样，尺寸为d=50 mm，h=100 mm。对试样进行仔细挑选确保试样表面没有节理和裂隙等缺陷，对试样进行仔细打磨确保试样端面平行度小于0.05 mm，端面与侧表面的垂直度小于0.25°。

本文中的两类试样分别为快速冷却和缓慢冷却，快速冷却试样是将加热过的花岗岩放在水池中冷却到25℃，缓慢冷却试样是将加热过的花岗岩放在高温炉中以5℃/min的降温速率冷却至25℃。冷却之前的花岗岩试样先用高温炉以100℃～1000℃的温度分十级加热，每级增加100℃，升温速率为5℃/min。经过冷却试样的编号为ABC，其中A取R或S，R表示快速冷却，S表示缓慢冷却，BC取01—10，表示以100℃～1000℃十级温度进行加热。不进行加热和冷却处理的原始试样三个编号为C1、C2、C3。

1.2 试验方案

轴向压缩试验采用满量程为1 000 kN的万能试验机加载至破坏，试验开始前先预加500 N压紧试样，加载速率为0.2 mm/min。在试样侧表沿试样纵向贴电阻应变用来测量试样加载过程中的轴向应变。

2 试验结果及分析

2.1 试样轴向压缩下的应力—应变曲线

由图1～2的应力—应变曲线可以看出应力—应变关系可分为三段：微裂纹闭合段、线弹性段和韧性变形段。由图1(a)可以看到，对于加热温度小于200℃时，韧性段表现出多个峰值，这主要是因为岩石的损伤较小，脆性较强，导致破坏模式为渐近的多次脆性破坏。这种脆性破坏也表现在线弹性段，导致试件C1、S01、S02在线弹性段的应力—应变关系并不平滑。这种渐近的破坏导致试件的应力—应变关系表现出明显的延性，但这并不能说明较低加热温度的试样韧性要比较高加热试样的韧性大，因为这种延性是多次脆性破坏的外在表现。同样加热温度的快冷试样R01、R02却并没有表现出渐近脆性破坏，这说明快冷试样表现出更强的脆性。无论是缓慢冷却试样还是快速冷却试样，只有当加热温度为1 000℃时，才表现出非渐近脆性破坏的比较明显的韧性段。

(a)常温到300℃试样的应力应变关系

(a)常温到400℃试样的应力应变关系

2.2 试样的强度、弹性模量

图3～4显示，可以把热处理温度分为强化段、波动段和损伤段。慢冷试样在300℃热处理条件下，强度较原始花岗岩试样有很大的提高，试样得到强化，随着热处理温度的提高，慢冷试样的强度整体表现为降低的趋势，但400℃～800℃热处理条件下，强度并没有发生显著的降低，只是发生一些波动，当热处理温度大于800℃强度显著降低。快速冷却试样有类似的表现，同缓慢冷却试样的区别在于强化温度为200℃和强度显著降低温度为900℃。一种观点认为在300℃以下的热处理条件下，岩石晶体受热膨胀，恰好使裂隙关闭，导致了强度提高[2]。因为本文所采用岩石的粒径和成分与文献[2]有差异，所以本文中快冷试样的强化温度为200℃。在较低温度热处理条件下，缓慢冷却和快速冷却引起的损伤不占主导地位，所以在200℃～300℃热处理条件下(缓慢冷却试样为300℃，快速冷却试样为200℃)，导致裂纹关闭的有利热损伤占主导地位，导致了轴向抗压强度增加。对于缓慢冷却试样，当热处理条件为300℃～800℃时，花岗岩强度减小缓慢，当热处理条件为800℃～1 000℃时，强度减小显著，说明加热和冷却处理对缓慢冷却的热处理花岗岩造成的损伤在热处理温度大于800℃试样中发展最充分。快速冷却试样有类似的变化趋势，但当热处理温度为300℃～800℃时，强度比缓慢冷却试样低，这说明快速冷却方式对试样造成了明显损伤。两种冷却方式的试样的弹性模量随热处理温度的变化(见图4)有一定差异，虽然两种冷却方式试样的弹性模量都是在200℃时显著提高，但是缓慢冷却试样的弹性模量较常温试样在热处理温度为600℃时才明显减小，而快速冷却试样弹性模量的明显降低发生在300℃，并且当热处理温度为300℃～800℃时，快速冷却试样的弹性模量明显小于缓慢冷却试样，这从另一个角度说明快速冷却方式对加热后岩石造成了明显损伤。

图3 快冷试样和和慢冷试样的抗压强度

图4 快冷试样和和慢冷试样的杨氏模量

3 结 论

本文对慢冷和快冷两类花岗岩试样应力—应变关系、轴向抗压强度和弹性模量进行了分析讨论，结论如下。

1)当热处理温度较低时，缓慢冷却试样轴向受压表现为脆性渐近破坏，表现出一定的延性。快速冷却试样脆性比缓慢冷却的试样更强，脆性渐近破坏表现较少，延性较差。

2)在较低温度加热处理条件下，缓慢冷却和快速冷却引起的损伤均不占主导地位。所以在200℃～300℃加热处理条件下，导致裂纹关闭的有利热损伤占主导地位，导致了轴向抗压强度增加。

3)当热处理温度处于一定范围时，强度只发生波动或者很少的降低。当加热处理温度大于某一阈值时，花岗岩表现出显著的损伤，导致强度和弹性模量快速减小。

4)大多情况下，快速冷却方式对岩石造成明显损伤，导致快速冷却试样的强度和弹性模量均小于具有相同加热温度的缓慢冷却试样。

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