溫度對常見巖石力學(xué)特性的影響規(guī)律

鐘玄++張愷寧++管棋隆

摘 要：本文對砂泥巖和石灰?guī)r在常溫及經(jīng)歷100℃～800℃溫度作用后的力學(xué)特性進行試驗研究，考察了三種巖石在加溫后的峰值應(yīng)力、應(yīng)變、彈性模量隨溫度的變化特征，并對其高溫劣化機制制作了探討。研究結(jié)果表明：砂巖在常溫～200℃內(nèi)，峰值應(yīng)力、應(yīng)變呈下降趨勢，彈性模量變化不大，而在200℃～600℃內(nèi)，峰值應(yīng)力、應(yīng)變呈上升趨勢，彈性模量變化不大，在T>600℃后，峰值應(yīng)力與彈性模量都急劇下降，峰值應(yīng)變略微上升；泥巖峰值應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量在常溫～400℃內(nèi)都呈上升趨勢，在400℃～700℃內(nèi)下降，而在T>700℃后又回升；石灰?guī)r的峰值應(yīng)力、應(yīng)變和彈性模量在常溫～200℃內(nèi)，隨溫度的升高緩緩下降，在200℃～600℃內(nèi)變化不大，當(dāng)T>600℃后，峰值應(yīng)力與彈性模量都急劇下降，峰值應(yīng)變急劇上升。溫度引起的熱應(yīng)力作用、礦物組分和微結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致砂巖力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變與高溫劣化。

關(guān)鍵詞：高溫作用；力學(xué)特征；砂泥巖；石灰?guī)r；彈性模量；礦物成分

中圖分類號：TD84 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）02-0154-03

1 引言

高溫環(huán)境下的巖石工程問題，已成為巖石力學(xué)發(fā)展的新方向。國內(nèi)外學(xué)者對此展開了大量的研究，并已取得相應(yīng)的研究成果。張連英等采用電液伺服材料力學(xué)試驗系統(tǒng)對常溫～800℃高溫作用下大理巖、石灰?guī)r、砂巖的力學(xué)性能進行了研究，考察了三種巖石的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，給出了其峰值強度、峰值應(yīng)變、彈性模量E隨溫度的變化特征；李明等人利用MTS652.02高溫爐與φ50mm分離式霍普金森壓桿（SHPB）試驗系統(tǒng)，對800℃加熱后的砂巖試樣進行單軸沖擊壓縮試驗，分析了17.904～62.600s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)砂巖動力特性的變化規(guī)律；秦本東等利用自行研制的巖石加溫裝置和MT-150C巖石力學(xué)試驗機，對石灰?guī)r和砂巖試樣高溫后的力學(xué)特性進行了試驗研究；諶倫建等人采用偏光顯微鏡、掃描電鏡及巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)等儀器設(shè)備研究了煤層頂板砂巖在常溫到1200℃范圍內(nèi)的力學(xué)特性和破壞機理；查文華等利用RMT-150B巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)和GD-65/150高低溫環(huán)境箱，對經(jīng)歷不同溫度后煤系泥巖的力學(xué)特性進行試驗研究，分析不同溫度下煤系泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變、彈性模量、變形模量以及泊松比受溫度的影響；劉瑞雪等人利用MTS810電液伺服材料試驗系統(tǒng)以及高溫爐MTS652.02，在常溫（25℃）～800℃條件下對泥巖試件進行了單軸壓縮實驗，分析了溫度對泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量、峰值應(yīng)力及峰值應(yīng)變的影響。但在已有的研究中，有關(guān)高溫下砂泥巖和石灰?guī)r巖石力學(xué)性質(zhì)的對比研究和作用機理研究鮮為少見。

本文研究了溫度分別為20℃、100℃、200℃、400℃、600℃、700℃、800℃七種溫度循環(huán)后，砂泥巖和石灰?guī)r試樣的峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變與彈性模量的變化情況，并對溫度引起的熱應(yīng)力作用、礦物組分和微觀結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致砂泥巖和石灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變與高溫劣化進行了具體探討。

2 實驗設(shè)備與實驗方法

2.1 實驗原料

實驗中制備所使用的巖樣見表1。所用的實驗儀器主要包括：JA1103型電子天平，其最大稱重1100g，最小稱重0.001g、S-2000N型掃描電鏡，掃描電壓20kV、MTS系統(tǒng)公司生產(chǎn)的MTS 810材料測試系統(tǒng)該機配有高溫環(huán)境爐MTS 653.04，其溫度控制范圍為100℃～1400℃，精度±1℃，升溫速度100℃/min，達到最高溫度時間小于15min。

2.2 實驗過程與方法

試驗過程如下：

（1）試驗前，對所有巖樣進行編號，量測各巖樣的質(zhì)量和幾何尺寸；

（2）對各類巖石按溫度段分組，每組4個巖樣，若某組試驗數(shù)據(jù)離散則增加測試巖樣數(shù)量；

（3）對高溫后破壞的巖樣，在加溫后自然冷卻至室溫下進行幾何尺寸和質(zhì)量量測；

（4）在室溫（20℃）及不同溫度下對所有巖樣進行單軸壓縮全過程破壞試驗；

（5）選擇不同溫度下的部分破壞巖樣進行掃描電鏡觀測；

（6）記錄測試過程并對試驗結(jié)果進行整理、分析。高溫下單軸壓縮試驗采用位移控制模式，變形速率均為0.003 mm/s。

3 實驗結(jié)果與分析

分析砂泥巖及石灰?guī)r單軸壓縮試驗中保存的軸向荷載、軸向位移數(shù)據(jù)，可以得到溫度作用下泥巖單軸壓縮試驗的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線，利用應(yīng)力-應(yīng)變曲線上達到峰值應(yīng)力前的近似直線段，可以得出泥巖切線彈性模量E，同時獲得泥巖試樣的峰值強度。

3.1 溫度作用下巖石峰值應(yīng)力與應(yīng)變的變化特征

高溫作用下砂泥巖和石灰?guī)r的峰值應(yīng)力隨溫度的變化情況如圖1所示。從圖中可以看出，隨溫度的升高，砂巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先降低再升高再降低的過程，600℃時到達峰值應(yīng)力200MPa，且波動幅度較小，泥巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先增加后降低的過程，400℃時達到峰值應(yīng)力250MPa，漲幅波動大，石灰?guī)r的峰值應(yīng)力在20℃～700℃保持基本在100MPa，700℃后劇烈降低。

高溫作用下砂泥巖和石灰?guī)r的峰值應(yīng)變隨溫度的變化情況如圖2所示。從圖中可以看出，隨溫度的升高，砂巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先降低后增加的過程，200℃時達到最小應(yīng)變7.256×10^-3，泥巖的峰值應(yīng)力經(jīng)歷了先增加后降低再增加的過程，室溫時為最小應(yīng)變6.456×10^-3，石灰?guī)r的峰值應(yīng)力在600℃前基本在7×10^-3左右小幅度波動，隨后劇烈增加。

經(jīng)過分析，我們得到以下結(jié)論：

（1）溫度在20℃～200℃內(nèi)，由于砂巖內(nèi)的礦物顆粒變形的調(diào)整過程，會使巖石內(nèi)部產(chǎn)生少量裂縫，致使峰值應(yīng)力與應(yīng)變均有所下降，在此階段溫度對砂巖的力學(xué)性能具有削弱作用；在200℃～600℃時，由于砂巖部分礦物發(fā)生熱熔效應(yīng)，導(dǎo)致砂巖內(nèi)部一些裂縫愈合，裂縫數(shù)量開始呈下降趨勢，使得砂巖的峰值應(yīng)力與應(yīng)變有所回升，強度增加；但溫度高于600℃后，砂巖內(nèi)部礦物組成發(fā)生轉(zhuǎn)化，開始脫水、結(jié)晶，發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，使得原始內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致整體強度降低。

（2）溫度在20℃～400℃時，泥巖的峰值應(yīng)力呈明顯上升趨勢，可見此階段高溫對泥巖強度的提高起著顯著的作用，一般情況在泥巖中都存在著大量水和氣體，通過溫度的升高，氣體和水分揮發(fā)而降低了巖石顆粒之間的潤滑作用，從而使泥巖試樣的峰值應(yīng)力與應(yīng)變提高，增強了巖石強度；在400℃～700℃時，此階段由于高溫作用，大大破壞了泥巖試樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使礦物部分熔化導(dǎo)致強度降低，失去承載能力；當(dāng)溫度高于700℃后，泥巖結(jié)構(gòu)已經(jīng)完全損壞，其強度變化基本保持不變。

（3）溫度在20℃～700℃時，石灰?guī)r的峰值應(yīng)力與應(yīng)變基本保持不變，此階段石灰?guī)r內(nèi)生物化石與礦物成分CaCO3雖然分解但對分解量相對較少，對石灰?guī)r強度的影響不大；但在溫度高于700℃后，礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在加熱過程中分解生成了CaO等氧化物，導(dǎo)致礦物表面不斷被腐蝕破壞，導(dǎo)致整體強度急劇下降。

3.2 溫度作用下巖石彈性模量的變化特征

圖3所示為砂泥巖與石灰?guī)r的彈性模量隨溫度的變化關(guān)系曲線，圖中可以看出，砂巖與石灰?guī)r在600℃內(nèi)彈性模量緩慢下降，600℃后降低的幅度增加，泥巖在400℃內(nèi)彈性模量增大，400℃到達最大彈性模量23.94GPa，而后就會不斷降低。

經(jīng)過分析，我們得到如下結(jié)論：

（1）高溫時，砂巖與石灰?guī)r礦物顆粒熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致顆粒之間產(chǎn)生拉應(yīng)力或者壓應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過顆粒之間接觸力時，就會產(chǎn)生裂紋，裂紋擴展加寬后，巖石變形增大，導(dǎo)致平均彈性模量逐漸降低。

（2）泥巖在400℃內(nèi)時，高溫會脫去礦物之間的結(jié)晶水分，減少礦物間的間距，從而增大彈性模量；而在溫度高于400℃后，水分已經(jīng)基本脫完，其作用機理與砂巖相似，導(dǎo)致其彈性模量迅速降低。

4 結(jié)語

（1）隨著溫度的升高，砂巖內(nèi)礦物成分會產(chǎn)生裂縫，隨后發(fā)生熱熔效應(yīng)，導(dǎo)致裂縫愈合，使裂縫數(shù)量減少，當(dāng)溫度過高時，其內(nèi)部礦物結(jié)構(gòu)就會發(fā)生轉(zhuǎn)化，原有結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致整體強度降低。

（2）溫度在較低情況下的變化對石灰?guī)r的影響較小，只能使堅固的CaCO3礦物少量分解，但當(dāng)溫度高于某極限溫度700℃后，CaCO3礦物會分解成CaO礦物，導(dǎo)致巖石表面不斷被破壞腐蝕，導(dǎo)致整體強度急劇下降。

（3）泥巖中含有大量的水分和氣體，當(dāng)溫度上升時，其水分會揮發(fā)掉，使巖石強度略有增加，但隨著水分的揮發(fā)完畢，高溫就會熔化泥巖的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致整體強度降低。

（4）吸附水的脫失、礦物晶體的轉(zhuǎn)變、結(jié)晶作用等都是影響砂巖力學(xué)性質(zhì)與高溫劣化的根本原因。

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