实时低温对干燥和饱和状态花岗岩I型断裂韧性的影响*

杨 科 张 帆

(湖北工业大学土木建筑与环境学院, 武汉 430068)

天然气是一种清洁环保的重要能源,建设硐穴式液化天然气(LNG)地下储库是保障天然气供给和国家能源战略安全的必要措施。[1]硐穴式LNG地下储存是在常压下将天然气冷却到-162 ℃,将其变成液态后储存于地下洞库中,早期储气库不成功的原因是储库围岩受低温影响,内部会产生破裂,从而造成LNG泄露。[2]为了防止漏气和漏液,地下储库的水封条件要求位于地下水位以下。[3]在储存过程中,即使有很好的保温层,储库近区的围岩也会长期处于-30 ～-50 ℃,导致围岩中存在干燥低温区和饱和冻结区。[4]由于岩体抵抗裂纹扩展的能力是由断裂韧性决定的。因此,为了确保储库围岩的结构安全,研究干燥和饱和状态围岩在低温状态下的断裂韧性具有重要意义。

国内外学者对低温下岩石的物理力学性质进行了广泛研究。徐光苗等在不同冻结温度(-20～20 ℃)下对饱和和干燥岩石进行了单轴压缩和三轴压缩试验,指出温度和含水率对岩石的单轴强度和弹性模量有显著影响。[5]Kodama等在低温单轴压缩和间接拉伸试验中,研究了含水率和温度对冻结岩石强度和破坏过程的影响,指出岩石的强度随含水率的增大而增大,含水率起着十分重要的作用。[6]唐明明等对干燥和饱和状态花岗岩在低温(-10～-50 ℃)条件下的力学特性进行了研究,发现-40 ℃是抗压强度趋于稳定的温度界限值。[7]李玉成等在低温(-50 ～-20 ℃)冻融循环条件下对花岗岩进行了三轴压缩和三点弯曲试验,指出花岗岩的峰值强度和抗拉强度都会随温度降低而减小,冻融循环次数的影响很大。[8]Inada等在-160 ℃至室温下对花岗岩和安山岩进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,得出干燥和饱和状态岩石的抗压和抗拉强度随冻融次数的增加而降低,低温对岩石强度的加强效果大于低温造成的损伤。[9]Dwivedi等对不同岩石的巴西圆盘(CCNBD)试样在-50 ～30 ℃下进行了断裂试验,得出试样的含水率越高,断裂韧度随温度降低增大的幅度越大。[10]贺晶晶等研究了花岗岩经过冻融循环后的断裂性能,从能量释放原则分析了试样宏观裂纹的扩展机理,得出花岗岩的峰值荷载和断裂韧度均有不同程度的劣化。[11]低温对岩石的劣化主要表现在岩石内部的裂隙扩展上,裂隙也是影响岩石力学性能的重要因素。孙浩程等进行了单轴压缩试验并利用离散元软件,研究含尖端相交裂隙岩石的裂纹扩展特征和起裂应力变化。[12]陈有亮等通过低温冻融试验和单轴压缩试验,建立了损伤表达式,研究了损伤裂隙对岩石在冻融循环下的性质变化。[13]

目前,对岩石在低温下力学性质的研究,主要集中于冻融循环后岩石抗压强度和抗拉强度的变化,而对花岗岩在实时低温下断裂韧性的研究较少。国际岩石力学协会(ISRM)提出了半圆弯曲法(SCB法)[14],测量有直槽预制裂缝的半圆岩石材料在拉伸和张开断裂下的I型静态断裂韧性。SCB法试样制备简单,所需材料较少,只须施加压缩荷载便可得到断裂韧度。[15]因此,研究将选用SCB法,对实时低温(-60,-40,-20,0,25 ℃)条件下干燥和饱和状态的花岗岩进行三点弯曲试验,研究实时低温对干燥和饱和状态花岗岩I型断裂韧性的影响。

1 试验过程

1.1 试样材料

所用花岗岩取自福建省南安市水头镇,花岗岩呈青灰色,天然密度和孔隙率分别为2.73 g/cm3和0.63%。通过X射线仪测定其矿物成分,结果表明:花岗岩试样中钠长石、黑云母、石英和透闪石含量分别为39.63%、39.15%、16.76%和4.46%。试样如图1所示,尺寸按照ISRM建议标准[14]制作。使用取芯机在花岗岩岩块中钻取直径为76 mm的岩芯,用电锯将岩芯切成厚度为30 mm的圆盘,将圆盘对称切成两半,在试样中间加工出垂直于直径的裂缝,预制裂缝宽度为1 mm,长度为19 mm。经过切割得到的试样还须使用打磨机进行打磨,确保各端面的平整。得到的试样成品还需检查,用电子游标卡尺(精度为0.01 mm)对各尺寸进行测量取平均值。

图1 试样Fig.1 Specimens for SCB

1.2 试样处理

所有试样在进行干燥和饱和处理前须先称取质量,分别采用烘干法和抽真空法对试样进行烘干和饱和处理,并通过高精度电子天平(精度为0.01g)测量干燥和饱和处理后的花岗岩试样质量。剔除质量变化过大的试样,将质量变化相近的归为同一组,保证试验样品孔隙率的相似性,减小样品差异带来的试验误差。为确保试验数据的可靠性,每一组试验至少进行3个试样,并对试验结果取平均值进行分析。

1.3 试验步骤

采用ETM305D的电子万能试验机对干燥和饱和状态花岗岩在实时低温条件下进行了三点弯曲试验。设备最大荷载为300 kN,温控箱最低温度可达-70 ℃。试验采用位移加载控制,为了满足I型静态断裂的要求(加载速率不高于0.2 mm/min)[16],加载速率为0.01 mm/min。试验过程中先将三点弯曲夹具安装平齐,试样对称放置在夹具中间位置。然后温控箱以1 ℃/min的降温速率降到目标温度,保温至少2 h,使试样温度均匀。最后在实时低温条件下进行试验,获得荷载-位移曲线和峰值荷载。

2 试验结果分析

2.1 微观结构

当温度恢复到室温后,试样内部的矿物颗粒和微裂纹就不可恢复。[9]由图2a和图2b可见:0 ℃时,干燥和饱和状态花岗岩试样断裂面完整,微裂纹较少。干燥试样在-60 ℃下会出现微裂纹(图2c)。微裂纹的出现是由矿物颗粒骨架在低温下收缩,矿物颗粒之间的孔隙变大导致。[17]当微裂隙有张开变形趋势时,微裂隙尖端处将存在应力集中,如果断裂韧度小于应力强度因子,裂隙便会扩展。[2]饱和试样在-60 ℃时,断裂面微裂纹增多,并变宽变长(图2d)。这是因为岩石内部的孔隙水在低温下冻结时,孔隙冰的存在会产生约9%的体积膨胀,导致花岗岩内部的矿物颗粒骨架产生损伤,试样内部微裂纹增多。[18]岩石内部裂缝形态的复杂性增大了孔隙冰与岩石的接触面积,在冻结过程中裂缝的膨胀会释放冰塞,较小的冰塞便可保持裂缝水密封,当膨胀发生在冰塞以下未冻结区时,也会产生很大的压力,造成裂纹进一步扩展。[19]但是孔隙水冻结膨胀只是岩石冰冻破裂的原因之一,岩石中的孔隙水迁移和孔隙冰蠕变也会带来影响。[20]

a—干燥,0 ℃; b—饱和,0 ℃; c—干燥,-60 ℃; d—饱和,-60 ℃。图2 花岗岩SCB试样断裂面的扫描电镜图片Fig.2 SEM images for fracture surfaces of granite SCB specimens

2.2 断裂面裂纹形态

图3为不同实时低温条件下,干燥和饱和状态花岗岩试样三点弯曲试验断裂后的图片。SCB试验的成功标准是断裂面裂纹偏离预制裂缝所在平面的最大距离小于0.05D(D为试样直径),[14]即3.8 mm。否则,试样会受到扭转作用,其中包含了剪切作用,最后得到的是I-II型混合模式下的断裂韧性。[21]从图3可以看出:裂纹沿着预制裂缝轴向扩展,直到试样发生断裂。裂纹在扩展过程中,会发生轻微的横向偏移,但总体上都是垂直于预制裂缝所在的平面。干燥和饱和试样表面的断裂裂纹形态相似,这是因为在实时低温下,干燥试样内部孔隙收缩,矿物颗粒间的胶结变强。饱和试样中孔隙水冻结对岩石微裂纹也有黏结作用。[18]因此,在低温下,试样断裂面的裂纹不易发生偏离。

a—干燥状态; b—饱和状态。图3 试样断裂面裂纹Fig.3 Cracks on fracture surfaces of specimens

2.3 荷载-位移曲线

图4为干燥和饱和状态花岗岩试样在不同实时低温(-60,-40,-20,0,25 ℃)条件下进行三点弯曲试验得到的荷载-位移曲线。可以看出:曲线具有压密阶段、线弹性阶段、屈服阶段和峰后下降阶段。在压密阶段,试样初始孔隙被压紧,荷载缓慢增大,曲线斜率逐渐增大。随后曲线进入线弹性阶段,荷载随位移的增大线性增加。在达到峰值荷载前,曲线出现较短的应力强化阶段,此时微小的荷载增量便可使位移继续增大。试样断裂破坏时的最大荷载为峰值荷载,达到峰值荷载后,曲线出现陡降。干燥和饱和状态花岗岩试样在低温下的荷载-位移曲线都表现出典型的脆性破坏特征。

干燥和饱和状态花岗岩试样的峰值荷载随着温度的降低都呈现出逐渐增大的趋势。由图4a可见:当温度从25 ℃降至0 ℃时,干燥状态花岗岩的峰值荷载增大幅度较小。当温度降低到-40 ℃时,干燥状态花岗岩的峰值荷载出现明显增大现象。低温会引起干燥状态花岗岩矿物颗粒的微观变化,矿物颗粒收缩,试样强度增加。[9]相较于干燥状态,在0 ℃以下,饱和状态花岗岩的峰值荷载随着温度的降低显著增大(图4b)。这是因为在高饱和度下,孔隙水在低温下结冰,孔隙冰的黏结和支撑作用决定了岩石的冻结强度。[17]值得注意的是:-60 ℃时干燥和饱和状态花岗岩内部都会出现明显微裂纹;微裂纹的出现会降低花岗岩强度,但是低温对岩石的加强效果高于微裂纹带来的损伤效果。

a—干燥状态; b—饱和状态。—25 ℃; —0 ℃; —-20 ℃; —-40 ℃; —-60 ℃。图4 低温下干燥和饱和状态花岗岩的荷载-位移曲线Fig.4 Load-displacement curves of granite in dry and saturated states at low temperature

干燥状态花岗岩荷载-位移曲线的初始压密段随着温度的降低逐渐减小,峰值荷载对应的峰值位移随着温度的降低略有减小。主要原因是“低温使干燥花岗岩内部的孔隙和微裂纹产生收缩、体积减小,引起岩石的黏聚力增大”[7]。这也是导致干燥花岗岩的峰值荷载在低温下增大的原因之一。

而饱和状态花岗岩试样荷载-位移曲线的初始压密段和峰值位移都随温度的降低明显增大。从-40 ℃开始,饱和试样的初始压密段明显增大。这是由于饱和状态花岗岩试样在低温下受到冻胀损伤的影响,内部微裂纹的增多促使压密段和峰值位移增大。

2.4 断裂韧度

断裂韧度是衡量断裂韧性的指标,I型断裂韧度KIC根据ISRM给出的算式[14]计算得到:

(1)

β=a/R

式中:Y′为无量纲应力强度因子;Pmax为峰值荷载;s为支撑跨距;β为归一化长度;R为试件半径;B为试件厚度;a为预制微裂隙长度。

根据表1可知:随温度的降低,干燥试样在0,-20,-40,-60 ℃下的断裂韧度相比25 ℃时分别增加了0.16%、13.50%、39.07%和48.71%。饱和试样在0 ,-20 ,-40 ,-60 ℃下的断裂韧度相比25 ℃时分别增加了1.70%、44.26%、64.48%和65.61%。

表1 干燥和饱和状态花岗岩在不同温度下的断裂韧度Table 1 Fracture toughness of granite in dry and saturated states at different temperatures

从图5可以看出:干燥和饱和状态花岗岩的断裂韧度随着温度的降低都呈增大趋势。断裂韧度和峰值荷载的变化规律一致,断裂韧度和峰值荷载成正比。25 ℃时,饱和状态花岗岩试样的断裂韧度略小于干燥状态,这是由于“孔隙水扩大了微裂纹导致”[9]。当温度从25 ℃降至0 ℃时,断裂韧度随温度的降低略微增加,干燥和饱和状态花岗岩试样的断裂韧度相差不大。0 ℃以后,随着温度的降低,饱和状态花岗岩试样的断裂韧度增大的幅度明显大于干燥状态。这是因为“孔隙冰更高的收缩系数平衡了孔隙水相变产生的体积膨胀”[2],孔隙冰强化了饱和花岗岩试样的力学性质,岩样的总体强度增加。干燥试样在-20 ～-40 ℃,饱和试样在0～-20 ℃时,断裂韧度增加最为显著。对饱和试样而言,当温度小于-20 ℃时,试样内部的孔隙水有近一半未冻结,[17]未冻结的孔隙水随温度的降低继续冻结,导致断裂韧度持续增大。当温度到达-40 ℃后,随温度的进一步降低,断裂韧度的增加幅度减小。在-60 ℃时,干燥和饱和试样的断裂韧度相对-40 ℃分别增加了6.9%和0.7%。这是由于微裂纹的增多,干燥试样的断裂韧度增加变缓。饱和试样在冻胀损伤和孔隙冰支撑的共同作用下,断裂韧度略微增加。

—干燥; —饱和。图5 干燥和饱和状态花岗岩断裂韧度与温度关系曲线Fig.5 Curves of fracture toughness and temperature of granite in dry and saturated states

3 结束语

1)在实时温度-60～25 ℃,干燥和饱和状态花岗岩的断裂韧性都随温度的降低增大。温度从25 ℃降为0 ℃时,两者断裂韧性的变化不大。0 ℃以下,两者断裂韧性显著增大,饱和状态花岗岩的断裂韧性增大幅度大于干燥状态。

2)在-40 ～-60 ℃,低温对断裂韧性的加强作用变缓。-60 ℃时,干燥和饱和试样内部都会产生微裂纹,饱和试样的微裂纹更加明显。微裂纹带来的劣化减弱了花岗岩断裂韧性的增长。

3)随温度的降低,干燥试样的初始压密段减小,峰值位移没有明显变化,主要原因是低温下矿物颗粒和孔隙的收缩造成的。饱和试样的初始压密段和峰值位移都随温度的降低增大,主要原因是低温下试样内部的矿物黏结、孔隙变化和孔隙水冻结等多种因素造成的。以上原因也是干燥和饱和状态花岗岩试样断裂面的裂纹不易偏离预制裂缝所在平面的原因。